CN111290411A - 一种模块化的自主式水下机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化的自主式水下机器人系统,包括通过公共总线连接的主控导航模块、能源模块和推进模块;所述主控导航模块包括导航传感器、主控制器、GPS、多普勒计程仪、压力传感器和无线电接收机;所述能源模块,包括电池组和电池管理单元;所述推进模块,该模块包括驱动控制器,主推进器和舵机。本发明通过功能的模块化划分,提高了软件开发者的开发效率;简化了系统架构,缩短了研发周期;通过模块化后,提高了控制系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人领域,具体地说是一种模块化的自主式水下机器人系统。
背景技术
近几年来,海洋经济开发在世界各国得到了重视,自主式水下机器人具有高效作业率,长航程、智能化水平高等显著优势,在海洋开发,地质勘探、油气检测等领域得到了越来越广泛的应用。
水下机器人已经成为了一个复杂的多学科交叉的技术领域,它继承了能源控制、电机控制、声学探测、智能控制、数据融合、导航通信等等技术,根据不同的应用需求,水下机器人的设计也千差万别,这样造成了水下机器人的零件重复性开发,效率低下。因此,对水下机器人的模块化设计,是提高效率、缩短研发周期的重要方法,具有重大的意义。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种模块化的自主式水下机器人系统,解决水下机器人的应用需求广泛,设计也千差万别,造成了水下机器人的零件重复性开发,效率低下的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:
一种模块化的自主式水下机器人系统,包括通过公共总线连接的主控导航模块、能源模块和推进模块;
所述主控导航模块包括导航传感器、主控制器、GPS、多普勒计程仪、压力传感器和无线电接收机;其中导航传感器,设置于舱体内部,连接主控制器,采集自主水下机器人的姿态信号发送到主控制器;压力传感器,设置于舱体外部,采集自主水下机器人周围的压力信号,发送到主控制器;多普勒计程仪设置于舱体外部,连接主控制器,采集对底速度和对流速度发送到主控制器;无线电接收机连接主控制器,接收自主水下机器人位置、速度和艏向信息,发送给岸基管理系统;主控制器,根据接收到的水下机器人位置、姿态、深度和速度信息,进行数据融合,完成岸基管理系统的航迹规划;
所述能源模块,包括电池组和电池管理单元;所述电池管理单元通过CAN 总线连接主控导航模块的主控制器,接收主控制器发送的控制信号,电池管理单元连接电池组,根据接收到的控制信号向电池组发出电源控制信号,对电池组进行容量检测、温度检测和过流/过压检测,并采集电池状态信息后通过CAN 总线发送给主控制器;所述电池组,其输出端连接电源总线,向主控导航模块和推进模块输出电能;
所述推进模块,该模块包括驱动控制器,主推进器和舵机,所述驱动控制器通过CAN总线连接主控导航模块的主控制器,接收主控制器发送的控制信号,驱动控制器连接舵机,根据接收到的控制信号发送驱动控制信号给舵机,对舵机进行驱动控制,并接收舵机的反馈信号通过CAN总线发送给主控制器;驱动控制器连接主推进器,接收到的控制信号发送驱动控制信号给主推进器,对主推进器进行驱动控制,并接收主推进器的反馈信号给主控制器。
所述舵机包括水平舵机和垂直舵机;水平舵机包括左水平舵机和右水平舵机;垂直舵机包括上垂直舵机和下垂直舵机。
所述公共总线包括电源总线、CAN总线和网络总线,
所述导航传感器为具有三轴加速度、三轴陀螺仪的磁传感器。
所述主控导航段还包括无线网桥,通过路由器与主控制器连接,用于水下机器人与岸基管理系统之间的无线网络通信,完成使命下载、航迹规划和数据上传任务;示位频闪灯,设置于舱体外部,在接收到报警信号时进行频闪。
还包功能扩展模块,通过网络总线连接路由器,接入主控导航模块,用于扩展外接设备。
所述功能扩展模块包括声超短通信机、光通信机。
所述的声超短通信机通过网络总线连接路由器,接入主控制器;具有声纳通信功能,完成水下机器人与水下其它声学设备之间的通信。
所述的光通信机通过网络总线连接路由器,接入主控制器,用于主控制器与水下其它光通信设备之间的信息交互;具有非接触式光信号通信功能,可以将数据转化为光信号传输。
本发明具有以下有益效果及优点:
1.通过功能的模块化划分,提高了软件开发者的开发效率;
2.简化了系统架构,缩短了研发周期;
3.通过模块化后,提高了控制系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明的系统结构图;
图2是本发明的主体结构图;
其中1为主控制器;2为姿态传感器;3为GPS;4为压力传感器;5为示位频闪灯;6为无线网桥;7为充电接口;8为电池组;9为电池管理单元(BMS); 10为舵机;11为主推进器;12为声超短通信机;13为可扩展回收装置控制器; 14为艏部段;15为无线电接收机;16为多普勒计程仪。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施,本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。
如图1所示为本发明的系统结构图。
一种模块化的自主式水下机器人系统,包括主控导航模块、功能扩展模块、能源模块、推进模块和公共总线;公共总线主要包括电源总线、CAN总线和网络总线;
公共总线与主控导航模块、功能扩展模块、能源模块、推进模块相互之间采用统一的电气信号连接;每一个模块间通过具有统一的物理电气接口连接,主要包括网络总线、电源、CAN通信总线及统一的接口定义;通信总线具有高/ 低速数据通信功能,至少包括一种能满足主控导航模块内部节点之间以及主控导航模块与功能扩展模块、能源模块、推进模块之间信息交互需求的通信总线;
主控导航模块主要包括无线网桥、导航传感器、GPS、多普勒、压力传感器、无线电、频闪灯;
导航传感器、GPS、多普勒、压力传感器、无线电、频闪灯通过内部数据总线连接到智能控制节点,导航传感器和多普勒组成自主导航节点;压力传感器为深度检测节点,用来检测水下机器人下潜深度信息;GPS为水面定位节点,用来接收水下机器人位置坐标信息;无线电和频闪灯构成应急保障节点,一旦水下机器人发生突发事件,浮出水面,通过无线电发送水下机器人的坐标信息到岸基管理系统,同时通过频闪灯周期性闪烁示位报警;无线网桥作为无线网络形式的岸基数据通信节点,负责水下机器人与岸基管理系统之间进行使命下载、航迹规划、数据上传等任务;主控导航模块包含高精度水下自主导航节点,所述的自主导航节点具有三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘输出的姿态传感器,并通过内部数据总线连接到智能控制节点;
功能扩展模块采用光通信机为实施例,光通信机连接电源总线和网络总线,将接收到的外部光信息通过网络总线传输到智能控制节点;
能源模块主要包括电池组和电池组管理单元,电池组用来提供水下机器人系统所需的功率和容量需求;电池组管理单元用来负责电池组电池容量检测、温度检测、过流/过压检测以及当电池组发生故障时,控制电池组的输出;电池组管理单元通过CAN总线连接到智能控制节点,实时传输电池组的状态信息;所述的能源总线具备电磁兼容和自身故障检测功能,所述的能源模块通过能源总线为主控导航模块、功能扩展模块、推进模块提供满足功率和容量需求的电源;
推进模块主要包括主推进器、左/右水平舵机、上/下垂直舵机和驱动控制器;主推进器用来提供水下机器人运动所需的动力;左/右水平舵机、上/下垂直舵机用来完成水下机器人上浮、下潜、左转、右转的空间运动控制;驱动控制器连接电源总线和CAN总线,用来接收智能控制节点的控制命令,检测主推进器、四个舵机的运行状态和驱动主推进器和四个舵机完成指令动作。
主控导航模块包括水面定位节点,所述的水面定位节点至少应该包括一种能提供水下机器人的水面位置坐标信息的节点,并通过公共总线连接到智能控制节点。主控导航模块包括深度探测节点,所述的深度探测节点至少包括一种以数字量或模拟量形式提供水下机器人实时深度信息的节点,并通过公共总线连接到智能控制节点。主控导航模块包括岸基数据通信节点,所述的岸基数据通信节点至少包括一种无线电波形式、无线网络形式、有线网络形式或声学形式的通信节点,用于满足水下机器人与岸基管理系统之间进行使命下载、航迹规划、数据上传等任务;主控导航模块包括应急保障节点,所述的应急保障节点包括应急故障检测和应急报警功能,应急报警形式至少包括一种光线示位形式、重物抛载形式、无线电应急通信形式等,用于在水下机器人发生突发事故情况下,及时采取应急自救措施,并通知岸基人员进行保障;
功能扩展模块用来扩展满足用户使用要求的声学探测、环境工程探测或光学探测等功能扩展节点;所述的扩展节点应具有自身信息采集和处理能力,并通过所述的能源总线连接到能源模块,通过所述的通信总线连接到所述的主控导航模块;能源模块应该包括电源节点和能源管理节点,
所述的电源节点通过能源总线用于向主控导航模块、功能扩展模块、推进模块进行供电;所述的能源管理节点为能源模块的分支控制节点,具备电源输出控制、电源单节点信息采集、状态反馈、故障检测处理等功能,并通过数据总线与智能控制节点进行信息交互;推进节点包括推进器和推进器控制节点;所述的推进器用来提供水下机器人运动所需的推力和空间运动控制;所述的推进器控制节点为推进模块的分支控制节点,用于处理控制指令、采集推进器信息、推进器故障处理和推进器驱动输出;
统一的物理电气接口连接,最小模块化水下机器人系统至少需要主控导航模块、能源模块和推进模块;对于不同功能任务的水下机器人系统,只需增加模块化的功能扩展模块就可以。
实施例:
一种模块化的自主式水下机器人系统,包括主控导航模块、功能扩展模块、能源模块、推进模块和公共总线;公共总线主要包括电源总线、CAN总线和网络总线;
公共总线与主控导航模块、功能扩展模块、能源模块、推进模块相互之间采用统一的电气信号连接;每一个模块间通过具有统一的物理电气接口连接,主要包括网络总线、电源、CAN通信总线及统一的接口定义;
主控导航模块主要包括无线网桥、导航传感器、GPS、多普勒、压力传感器、无线电、频闪灯;
导航传感器、GPS、多普勒、压力传感器、无线电、频闪灯通过内部数据总线连接到智能控制节点,导航传感器和多普勒组成自主导航节点;压力传感器为深度检测节点,用来检测水下机器人下潜深度信息;GPS为水面定位节点,用来接收水下机器人位置坐标信息;无线电和频闪灯构成应急保障节点,一旦水下机器人发生突发事件,浮出水面,通过无线电发送水下机器人的坐标信息到岸基管理系统,同时通过频闪灯周期性闪烁示位报警;无线网桥作为无线网络形式的岸基数据通信节点,负责水下机器人与岸基管理系统之间进行使命下载、航迹规划、数据上传等任务;
功能扩展模块1采用声超短通信机为实施例,声超短通信机连接电源总线和网络总线,将接收到的外部声信息通过网络总线传输到智能控制节点;
功能扩展模块2采用光通信机为实施例,光通信机连接电源总线和网络总线,将接收到的外部光信息通过网络总线传输到智能控制节点;
能源模块主要包括电池组和电池组管理单元,电池组用来提供水下机器人系统所需的功率和容量需求;电池组管理单元用来负责电池组电池容量检测、温度检测、过流/过压检测以及当电池组发生故障时,控制电池组的输出;电池组管理单元通过CAN总线连接到智能控制节点,实时传输电池组的状态信息;
推进模块主要包括主推进器、左/右水平舵机、上/下垂直舵机和驱动控制器;主推进器用来提供水下机器人运动所需的动力;左/右水平舵机、上/下垂直舵机用来完成水下机器人上浮、下潜、左转、右转的空间运动控制;驱动控制器连接电源总线和CAN总线,用来接收智能控制节点的控制命令,检测主推进器、四个舵机的运行状态和驱动主推进器和四个舵机完成指令动作。
Claims (9)
1.一种模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于,包括通过公共总线连接的主控导航模块、能源模块和推进模块;
所述主控导航模块包括导航传感器、主控制器、GPS、多普勒计程仪、压力传感器和无线电接收机;其中导航传感器,设置于舱体内部,连接主控制器,采集自主水下机器人的姿态信号发送到主控制器;压力传感器,设置于舱体外部,采集自主水下机器人周围的压力信号,发送到主控制器;多普勒计程仪设置于舱体外部,连接主控制器,采集对底速度和对流速度发送到主控制器;无线电接收机连接主控制器,接收自主水下机器人位置、速度和艏向信息,发送给岸基管理系统;主控制器,根据接收到的水下机器人位置、姿态、深度和速度信息,进行数据融合,完成岸基管理系统的航迹规划;
所述能源模块,包括电池组和电池管理单元;所述电池管理单元通过CAN总线连接主控导航模块的主控制器,接收主控制器发送的控制信号,电池管理单元连接电池组,根据接收到的控制信号向电池组发出电源控制信号,对电池组进行容量检测、温度检测和过流/过压检测,并采集电池状态信息后通过CAN总线发送给主控制器;所述电池组,其输出端连接电源总线,向主控导航模块和推进模块输出电能;
所述推进模块,该模块包括驱动控制器,主推进器和舵机,所述驱动控制器通过CAN总线连接主控导航模块的主控制器,接收主控制器发送的控制信号,驱动控制器连接舵机,根据接收到的控制信号发送驱动控制信号给舵机,对舵机进行驱动控制,并接收舵机的反馈信号通过CAN总线发送给主控制器;驱动控制器连接主推进器,接收到的控制信号发送驱动控制信号给主推进器,对主推进器进行驱动控制,并接收主推进器的反馈信号给主控制器。
2.根据权利要求1所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:所述舵机包括水平舵机和垂直舵机;水平舵机包括左水平舵机和右水平舵机;垂直舵机包括上垂直舵机和下垂直舵机。
3.根据权利要求1所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:所述公共总线包括电源总线、CAN总线和网络总线。
4.根据权利要求1所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:所述导航传感器为具有三轴加速度、三轴陀螺仪的磁传感器。
5.根据权利要求1所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:所述主控导航段还包括无线网桥,通过路由器与主控制器连接,用于水下机器人与岸基管理系统之间的无线网络通信,完成使命下载、航迹规划和数据上传任务;示位频闪灯,设置于舱体外部,在接收到报警信号时进行频闪。
6.根据权利要求1所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:还包功能扩展模块,通过网络总线连接路由器,接入主控导航模块,用于扩展外接设备。
7.根据权利要求6所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:所述功能扩展模块包括声超短通信机、光通信机。
8.根据权利要求7所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:所述的声超短通信机通过网络总线连接路由器,接入主控制器;具有声纳通信功能,完成水下机器人与水下其它声学设备之间的通信。
9.根据权利要求7所述的模块化的自主式水下机器人系统,其特征在于:所述的光通信机通过网络总线连接路由器,接入主控制器,用于主控制器与水下其它光通信设备之间的信息交互;具有非接触式光信号通信功能,可以将数据转化为光信号传输。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200616 |
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