CN111572735B

CN111572735B - 水下机器人

Info

Publication number: CN111572735B
Application number: CN202010406183.2A
Authority: CN
Inventors: 肖华平; 郝天泽; 刘书海; 马豪; 张超
Original assignee: China University of Petroleum Beijing CUPB
Current assignee: China University of Petroleum Beijing CUPB
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2040-05-14
Also published as: CN111572735A

Abstract

本申请公开一种水下机器人，包括：支撑框架；设置在所述支撑框架内的潜水泵，所述潜水泵具有出水口；设置在所述支撑框架外的喷水组件，所述喷水组件与所述出水口相连，所述喷水组件包括多个喷水口，所述多个喷水口具有不同的朝向，所述朝向包括两两相互垂直的第一方向、第二方向与第三方向，以及与所述第一方向相反的第四方向、与所述第二方向相反的第五方向、与所述第三方向相反的第六方向。本申请所提供的水下机器人，其动力来源为潜水泵，能够减小噪声、降低功耗，且不易损坏。

Description

水下机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，尤其涉及一种水下机器人。

背景技术

本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

海洋覆盖地球表面积的71％，除了大量的生物资源外，海洋还蕴含着极为丰富的非生物资源，例如油气资源、能源资源、矿产资源、化学资源等。近海岸地区的开发探索较为简单，远海岸地区的开发探索较为困难。想要探索远海岸地区，需要更先进的海洋装备，例如更多的观察级、作业级水下机器人。

水下机器人可以携带摄像头、多种传感器、多功能机械手等工具在水下进行水下环境观察和取样、海底管道巡检、平台及水下生产系统检测维修、辅助水产养殖等工作，为我们提供了探索海洋环境、开发海洋资源的可能，对于有效、可持续地开发海洋资源有着重要作用。

目前，水下机器人的动力来源大多为螺旋桨推进器，该推进器由防水电机连接螺旋桨组成，能为整个系统提供稳定的动力。通过改变推进器的数量和布置方式，可以使水下机器人得到不同的自由度和行进方式。

但是这种推进器也存在一些问题：

1、噪声较大；除了电机转动产生的机械噪声外，还会有电机空隙中的磁场脉动产生的电磁噪声，在进行水下环境观察时，会惊吓到水下生物，难以近距离观察还会影响水下生物的正常活动；

2、易损坏；在海底作业时，旋转的螺旋桨易卷起海底沉积物，可能会损坏螺旋桨或其他构件。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本申请的一个目的是提供一种水下机器人，其动力来源为潜水泵，能够减小噪声、降低功耗，且不易损坏。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种水下机器人，包括：

支撑框架；

设置在所述支撑框架内的潜水泵，所述潜水泵具有出水口；

设置在所述支撑框架外的喷水组件，所述喷水组件与所述出水口相连，所述喷水组件包括多个喷水口，所述多个喷水口具有不同的朝向，所述朝向包括两两相互垂直的第一方向、第二方向与第三方向，以及与所述第一方向相反的第四方向、与所述第二方向相反的第五方向、与所述第三方向相反的第六方向。

作为一种优选的实施方式，所述出水口与所述喷水口之间设有电磁阀，用于控制所述多个喷水口的开闭。

作为一种优选的实施方式，所述电磁阀为三位三通电磁阀，所述电磁阀具有第一开口、第二开口和第三开口；所述第一开口与所述出水口相连，所述第二开口连接两个喷水口，所述第三开口连接其他两个喷水口；所述电磁阀具有打开状态和关闭状态；

当所述电磁阀处于关闭状态时，与第二开口、第三开口相连的四个喷水口均关闭；

当所述电磁阀处于打开状态时，与第二开口相连的两个喷水口打开、与第三开口相连的两个喷水口关闭，或者，与第三开口相连的两个喷水口打开、与第二开口相连的两个喷水口关闭。

作为一种优选的实施方式，所述电磁阀有6个，所述喷水口有24个；

第一电磁阀连接2个喷水口A和2个喷水口B，2个喷水口A分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的上端、前端，朝向水下机器人的前方；2个喷水口B分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的上端、后端，朝向水下机器人的后方；

第二电磁阀连接2个喷水口C和2个喷水口D，2个喷水口C分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的下端、前端，朝向水下机器人的前方；2个喷水口D分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的下端、后端，朝向水下机器人的后方；

第三电磁阀连接2个喷水口E和2个喷水口F，2个喷水口E分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的上端、右侧，朝向水下机器人的上方；2个喷水口F分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的下端、右侧，朝向水下机器人的下方；

第四电磁阀连接2个喷水口G和2个喷水口H，2个喷水口G分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的上端、左侧，朝向水下机器人的上方；2个喷水口H分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的下端、左侧，朝向水下机器人的下方；

第五电磁阀连接2个喷水口I和2个喷水口J，2个喷水口I分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的左端、前端，朝向水下机器人的左方；2个喷水口J分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的右端、前端，朝向水下机器人的右方；

第六电磁阀连接2个喷水口K和2个喷水口L，2个喷水口K分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的左端、后端，朝向水下机器人的左方；2个喷水口L分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的右端、后端，朝向水下机器人的右方。

作为一种优选的实施方式，还包括位于所述支撑框架内的浮力块和电路密封组件，所述电路密封组件包括前端盖、后端盖、主体和密封圈，所述主体内具有容纳电子组件的容纳腔，所述电子组件与所述潜水泵电连接。

作为一种优选的实施方式，所述支撑框架包括上平台板、下平台板、左侧板、右侧板，所述上平台板与所述左侧板、右侧板相连接，所述下平台板与所述左侧板、右侧板相连接；

所述电路密封组件通过第一卡箍安装在所述上平台板上；所述浮力块通过浮力块保护壳设于所述上平台板上，两个所述浮力块位于所述电路密封组件的左右两侧；

所述潜水泵通过第二卡箍安装在所述下平台板上；所述下平台板上还设有用于容纳电磁阀的密封盒，两个所述密封盒位于所述潜水泵的左右两侧。

作为一种优选的实施方式，还包括用于控制所述水下机器人的控制组件，所述控制组件包括：

水下控制单元，所述水下控制单元连接有深度传感器、姿态传感器、温湿度传感器、摄像头，用于收集所述水下机器人的深度、姿态、温湿度信息；所述水下控制单元与所述潜水泵电连接；

与所述水下控制单元相连的水上控制单元，用于接收所述水下控制单元传输的信息并对所述水下控制单元发出指令；所述水上控制单元包括对所述水下控制单元发出指令的操作部。

作为一种优选的实施方式，所述控制组件具有手动模式，所述操作部设有手动模式按钮、锁定按钮、解锁按钮、控制所述水下机器人运动方向的多个按钮、摄像头上调按钮、摄像头下调按钮；按下所述手动模式按钮能使所述水下机器人处于手动模式，根据需要选择性地按下控制所述水下机器人运动方向的多个按钮、摄像头上调按钮、摄像头下调按钮。

作为一种优选的实施方式，所述控制组件具有定深模式，所述操作部设有定深模式按钮，按下所述定深模式按钮能使所述水下机器人处于定深模式；所述水下控制单元记录下此刻所处深度H₀；若此后深度H小于H₀，水下控制单元发出指令使潜水泵和朝向上方的喷水口工作，以实现水下机器人下沉；若此后深度H大于H₀，水下控制单元发出指令使潜水泵和朝向下方的喷水口工作，以实现水下机器人上浮。

作为一种优选的实施方式，所述控制组件具有自稳模式，所述操作部设有自稳模式按钮，按下所述自稳模式按钮能使所述水下机器人处于自稳模式；所述水下控制单元判断此刻水下机器人的姿态在前后方向、上下方向、左右方向是否有偏移；若有偏移，水下控制单元发出指令使潜水泵和相应的喷水口工作，调整水下机器人的姿态；每次调整水下机器人的姿态后，所述水下控制单元判断此刻水下机器人的姿态在前后方向、上下方向、左右方向是否有偏移；若无偏移，则水下控制单元不用发出指令，水下机器人达到自稳状态。

有益效果：

本申请实施方式所提供的水下机器人，其动力来源为潜水泵，而不是螺旋桨推进器，因此能够减小噪声、降低功耗，且使水下机器人不易损坏。通过潜水泵与不同朝向的喷水口的配合，实现喷水推进，完成水下机器人不同姿态的调整。另外，可以通过支撑框架携带其他作业工具，例如多功能机械手、声呐系统、图像缩放系统、清洁刷等。

并且，螺旋桨推进器需要整流罩的配合才能发挥作用，从而在支撑框架上需要预留避让孔。而本申请实施方式由于不采取螺旋桨推进器，从而无需在支撑框架上预留避让孔，简化了结构。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施方式中所提供的一种水下机器人的立体结构示意图；

图2为朝向前后方向的喷水口位置示意图；

图3为朝向左右方向的喷水口位置示意图；

图4为朝向上下方向的喷水口位置示意图；

图5为本申请实施方式中所提供的一种控制组件的组成及连接示意图；

图6为本申请实施方式中所提供的一种操作手柄的结构示意图；

图7为定深模式下水下机器人的工作流程示意图；

图8为自稳模式下水下机器人的工作流程示意图。

附图标记说明：

1、浮力块保护壳；2、浮力块；3、电路密封组件；4、第一卡箍；5、左侧板；6、第二卡箍；7、下平台板；8、潜水泵；9、角码；10、密封盒；11、右侧板；12、上平台板；

A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L：喷水口；

13、手动模式按钮；14、定深模式按钮；15、自稳模式按钮；16、锁定按钮；17、解锁按钮；18、摄像头上调按钮；19、摄像头下调按钮；20、开灯按钮；21、关灯按钮；

131、上浮按钮；132、下沉按钮；133、第一拉杆；134、第二拉杆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了便于说明，本说明书中将图1至图4中纸面朝外的方向定义为水下机器人的“前方”，纸面朝里的方向定义为水下机器人的“后方”；将读者面对图1至图4时右手的方向定义为水下机器人的“左方”，左手的方向定义为水下机器人的“右方”；将读者面对图1至图4时向上的方向定义为水下机器人的“上方”，向下的方向定义为水下机器人的“下方”。

请参阅图1至图4。本申请实施方式提供一种水下机器人，其包括支撑框架、潜水泵8和喷水组件。

其中，所述潜水泵8设置在所述支撑框架内。所述潜水泵8具有出水口。所述喷水组件设置在所述支撑框架外。所述喷水组件与所述出水口相连。所述喷水组件包括多个喷水口。所述多个喷水口具有不同的朝向。所述朝向包括两两相互垂直的第一方向、第二方向与第三方向，以及与所述第一方向相反的第四方向、与所述第二方向相反的第五方向、与所述第三方向相反的第六方向。

本申请实施方式所提供的水下机器人，其动力来源为潜水泵8，而不是螺旋桨推进器，因此能够减小噪声、降低功耗，且使水下机器人不易损坏。通过潜水泵8与不同朝向的喷水口的配合，实现喷水推进，完成水下机器人不同姿态的调整。而现有技术使用的推进器往往功率较高，单个推进器的功率在一般在300瓦以上，一般水下机器人自身需要3-8个推进器，水下机器人自身携带的锂电池或燃料电池的大小往往会受到负载能力的限制，总电量是有限的。因此现有技术中的水下机器人功耗较大。

另外，可以通过支撑框架携带其他作业工具，例如多功能机械手、声呐系统、图像缩放系统、清洁刷等。

在本申请实施方式中，所述出水口与所述喷水口之间可以设有电磁阀，用于控制所述多个喷水口的开闭。当然在其他实施方式中可以选用不同形式的阀门，以控制多个喷水口的开闭，本申请对此不做限制。

具体的，所述电磁阀可以选用三位三通电磁阀。该三位三通电磁阀具有第一开口、第二开口和第三开口。所述第一开口与潜水泵8的出水口相连，所述第二开口连接两个喷水口，所述第三开口连接其他两个喷水口。所述电磁阀具有打开状态和关闭状态。当所述电磁阀处于关闭状态时，与第二开口、第三开口相连的四个喷水口均关闭。当所述电磁阀处于打开状态时，与第二开口相连的两个喷水口打开、与第三开口相连的两个喷水口关闭，或者，与第三开口相连的两个喷水口打开、与第二开口相连的两个喷水口关闭。

在本申请实施方式中，所述喷水口的直径较小，例如可以为10毫米，喷出水流压力较大，喷出距离较远。为了不让支撑框架干涉水流，将喷水口全部设置在支撑框架的外侧，且各个喷水口喷出的水流不会碰到其他喷水口。

为了方便说明，定义第一方向为水下机器人的前方，第四方向为水下机器人的后方；第二方向为水下机器人的左方，第五方向为水下机器人的右方；第三方向为水下机器人的上方，第六方向为水下机器人的下方。满足第一方向、第二方向与第三方向相互垂直，第四方向与第一方向相反、第五方向与第二方向相反、第六方向与第三方向相反。

为了让本申请实施方式提供的水下机器人能够携带一定重量的机械手或其他作业工具在水下进行工程作业，可以在水下机器人的前方、后方、左方、右方、上方、下方各设置四个喷水口，也即一共设置24个喷水口，对应设置6个电磁阀。这样可以让水下机器人整体的动力更加充足，同时平稳性也得到了保证。通过对多个喷水口的位置进行布置，控制不同喷水口在不同时刻喷水，可以使水下机器人具有6个自由度：前进后退、上浮下沉、左右转向、上仰下俯、左倾右倾、左右平移。

具体的，6个电磁阀分别为第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和第六电磁阀。24个喷水口可以分别为2个喷水口A、2个喷水口B、2个喷水口C、2个喷水口D、2个喷水口E、2个喷水口F、2个喷水口G、2个喷水口H、2个喷水口I、2个喷水口J、2个喷水口K和2个喷水口L。

第一电磁阀连接2个喷水口A和2个喷水口B。2个喷水口A分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的上端、前端，朝向水下机器人的前方。2个喷水口B分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的上端、后端，朝向水下机器人的后方。

第二电磁阀连接2个喷水口C和2个喷水口D。2个喷水口C分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的下端、前端，朝向水下机器人的前方。2个喷水口D分别位于支撑框架的左右两侧且位于支撑框架的下端、后端，朝向水下机器人的后方。

第三电磁阀连接2个喷水口E和2个喷水口F。2个喷水口E分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的上端、右侧，朝向水下机器人的上方。2个喷水口F分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的下端、右侧，朝向水下机器人的下方。

第四电磁阀连接2个喷水口G和2个喷水口H。2个喷水口G分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的上端、左侧，朝向水下机器人的上方。2个喷水口H分别位于支撑框架的前后两端且位于支撑框架的下端、左侧，朝向水下机器人的下方。

第五电磁阀连接2个喷水口I和2个喷水口J。2个喷水口I分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的左端、前端，朝向水下机器人的左方。2个喷水口J分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的右端、前端，朝向水下机器人的右方。

第六电磁阀连接2个喷水口K和2个喷水口L。2个喷水口K分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的左端、后端，朝向水下机器人的左方。2个喷水口L分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的右端、后端，朝向水下机器人的右方。

水下机器人的具体行进状态与在该状态下工作的喷水口、电磁阀详见下表1。

表1行进状态与工作喷水口、工作电磁阀

行进状态	工作喷水口	工作电磁阀
			前进	B、D	第一电磁阀、第二电磁阀
后退	A、C	第一电磁阀、第二电磁阀
			上浮	F、H	第三电磁阀、第四电磁阀
下沉	E、G	第三电磁阀、第四电磁阀
			左倾	G、F	第三电磁阀、第四电磁阀
右倾	E、H	第三电磁阀、第四电磁阀
			左移	J、L	第五电磁阀、第六电磁阀
右移	I、K	第五电磁阀、第六电磁阀
			左转	I、L	第五电磁阀、第六电磁阀
右转	K、J	第五电磁阀、第六电磁阀

在本申请实施方式中，该水下机器人还可以包括位于所述支撑框架内的浮力块2和电路密封组件3。所述电路密封组件3包括前端盖、后端盖、主体和密封圈。所述主体内具有容纳电子组件的容纳腔，所述电子组件与所述潜水泵8电连接。其中前端盖可以为半球形，后端盖为平面状。前端盖、后端盖、主体可以采用亚克力材料定制加工，密封圈可以采用丁腈橡胶制成。前后端盖与主体之间各放置一个密封圈，并在加工时预留放置密封圈的槽，以方便后期安装密封圈。前后端盖与主体之间可以各用6套螺栓连接，施加预紧力以使容纳腔达到防水的效果。

具体的，可以在后端盖留有6个安装穿线螺栓的孔。通过穿线螺栓可以将电子组件的电源线或信号线伸出电路密封组件3的主体外，以连接其它控制器，例如可以连接潜水泵8的电源线和信号线、电磁阀的正负极电源线等。为了使胶封效果更好，每个穿线螺栓通过的电线数最多为3根。

在本申请实施方式中，所述支撑框架可以包括上平台板12、下平台板7、左侧板5、右侧板11。所述上平台板12与所述左侧板5、右侧板11相连接，所述下平台板7与所述左侧板5、右侧板11相连接。本申请实施方式对其连接方式不做具体的限定，优选的，可以用角码9和螺栓进行连接。该角码9可以采用ABS材料制成。水下机器人的下端可以为平面设计，可以在左侧板5、右侧板11用三角形连接件安装搭载板，以方便携带其他作业工具，例如多功能机械手、声呐系统、图像缩放系统、清洁刷等。

所述电路密封组件3可以通过第一卡箍4安装在所述上平台板12上。更具体的，可以设置4个第一卡箍4和多个螺栓，以将电路密封组件3固定在上平台板12上。所述浮力块2通过浮力块保护壳1设于所述上平台板12上。所述浮力块保护壳1和上平台板12可以通过螺栓连接。两个所述浮力块2位于所述电路密封组件3的左右两侧。

所述潜水泵8通过第二卡箍6安装在所述下平台板7上。更具体的，可以设置2个第二卡箍6和多个螺栓，以将潜水泵8固定在下平台板7上。所述下平台板7上还可以设有用于容纳电磁阀的密封盒10，两个所述密封盒10位于所述潜水泵8的左右两侧。密封盒10与下平台板7的连接方式可以是螺栓连接。上平台板12和下平台板7上可以分布有对称槽线，用于安装配重铅块。

上述用于容纳电磁阀的密封盒10的材料可以为聚碳酸酯。在潜水泵8两侧各设置一个密封盒10，可以在左侧的密封盒10内安装第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第一液压集成块，在右侧的密封盒10内安装第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀和第二液压集成块。电磁阀和潜水泵8之间可以通过液压软管相连，电磁阀和喷水口之间也可以通过液压软管相连。与电磁阀相连的液压软管通过穿线螺栓伸出密封盒10外。使用两个密封盒10虽然增加了密封的困难程度，但是因为电磁阀的重量较大，单个密封盒10偏置安装很容易使整个系统失衡，故使用两个密封盒10对称安装可以使水下机器人保持平衡。

在本申请实施方式中，该潜水泵8可以选用12V直流污水潜水泵8，功率为130瓦。本申请实施方式中的潜水泵8可以选择各种容积泵，利用容积泵抽水(抽取海水或淡水)增压并按照需要的方向和流速通过喷水口喷出，实现喷水推进。可以将潜水泵8的出水口连接液压软管，再和液压集成块连接，同时3个三位三通电磁阀安装在液压集成块上。6个电磁阀的12个出水口分别连接12个液压软管，该12个液压软管各连接一个三通转换头，转换为24个液压软管。每个液压软管可以使用一个3D打印的固定器固定位置和方向，这个固定器同时代表喷水口的位置和朝向，如图2至图4所示。

在安装电路密封组件3时，可以对各个密封圈涂抹润滑脂，方便安装的同时可以增强密封性。在容纳腔内可以放置一定量的防潮珠，在实验中发现，容纳腔内很容易潮湿起雾，放置防潮珠可以防止电子组件短路或生锈失效。平衡浮力在淡水中完成，首先添加适量浮力块2让整个水下机器人微微露出水面，然后在露出水面较多的部分安装配重铅块。

在密封电路密封组件3时，前后端盖和主体采用密封圈进行密封，电线通过水下穿线螺栓连接潜水泵8和电磁阀。穿线螺栓和后端面接触的部分用密封圈密封，连接好后使用海水用环氧树脂灌封胶进行二次密封。电磁阀的密封盒10使用防水条进行密封，在必要的地方增涂环氧树脂灌封胶。潜水泵8的接线部分以及其他可能裸露的电线先使用热缩管包裹，缠绕电工胶，最后用硫化模具灌环氧树脂胶做防水处理。

在本申请实施方式中，该水下机器人还可以包括用于控制所述水下机器人的控制组件。所述控制组件包括相连的水下控制单元和水上控制单元。

所述水下控制单元可以连接有深度传感器、姿态传感器、温湿度传感器、摄像头，用于收集所述水下机器人的深度、姿态、温湿度信息。所述水下控制单元与所述潜水泵8电连接。具体的，深度传感器、姿态传感器、温湿度传感器可以连接在型号为Arduino mega2560的控制板上，该控制板上还可以连接有摄像头云台。Arduino mega 2560控制板是一种微控制器，是水下机器人正常工作的关键，它负责接收水上控制单元(例如电脑端)发出的信号，收集深度传感器、姿态传感器、温湿度传感器采集的信号，并将数据和信号进行处理和计算，对电磁阀和潜水泵8发出工作指令。摄像头云台包括一个舵机和用于固定舵机的3D打印结构，使用Arduino控制板可以控制舵机转动，以调整摄像头观察的角度。所述摄像头可以是型号为3B的树莓派专用的800万像素摄像头。所述树莓派还连接有两块电力载波模块。该两块电力载波模块一个位于水上，一个位于水下，以实现岸上和水下的通讯。

所述水上控制单元用于接收所述水下控制单元传输的信息并对所述水下控制单元发出指令。所述水上控制单元可以包括电脑和对所述水下控制单元发出指令的操作部。所述电脑端可以和位于水上的电力载波模块相连。通过电脑端上位机可以看到摄像头拍摄的画面以及水下机器人的运行状态信息。所述操作部可以是操作手柄，例如无线手柄。利用操作手柄可以选择不同的操作模式并控制水下机器人的行进状态。

所述控制组件还可以包括电池，例如锂电池。控制组件的电路连接如图5所示。本申请实施方式提供的水下机器人的操作可以通过电脑和手柄完成，通过电脑端上位机可以看到摄像头拍摄的画面以及水下机器人的运行状态信息，包括：姿态、深度、温湿度、操作模式，手柄的结构如图6所示。

在本申请实施方式中，所述控制组件具有手动模式。所述操作部设有手动模式按钮13、锁定按钮16、解锁按钮17、控制所述水下机器人运动方向的多个按钮、摄像头上调按钮18、摄像头下调按钮19。按下所述手动模式按钮13能使所述水下机器人处于手动模式，根据需要选择性地按下控制所述水下机器人运动方向的多个按钮、摄像头上调按钮18、摄像头下调按钮19。

在手动模式下，如图6所示，首先按下解锁按钮17解锁控制程序，若按下锁定按钮16则锁定控制程序。按下摄像头上调按钮18，舵机转动摄像头云台上扬；按下摄像头下调按钮19，摄像头云台下调。

读者面对图6时，左手的方向即为手柄的左方，右手的方向即为手柄的右方。控制所述水下机器人运动方向的多个按钮包括上浮按钮131、下沉按钮132、第一拉杆133和第二拉杆134。其中第一拉杆133具有前、后、左、右四个活动方向，第二拉杆134也具有前、后、左、右四个活动方向。

按下上浮按钮131，第三电磁阀、第四电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口F、H喷水，推动水下机器人上浮。按下下沉按钮132，第三电磁阀、第四电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口E、G喷水，推动水下机器人下沉。该手柄还设有开灯按钮20和关灯按钮21。按下开灯按钮20，水下照明灯开启；按下关灯按钮21，水下照明灯关闭。

上拉第一拉杆133，第一电磁阀、第二电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口B、D喷水，推动水下机器人前进。下拉第一拉杆133，第一电磁阀、第二电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口A、C喷水，推动水下机器人后退。左推第一拉杆133，第五电磁阀、第六电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口J、L喷水，推动水下机器人左移。右推第一拉杆133，第五电磁阀、第六电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口I、K喷水，推动水下机器人右移。

上拉第二拉杆134，第三电磁阀、第四电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口G、F喷水，推动水下机器人左倾。下拉第二拉杆134，第三电磁阀、第四电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口E、H喷水，推动水下机器人右倾。左推第二拉杆134，第五电磁阀、第六电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口I、L喷水，推动水下机器人左转。右推第二拉杆134，第五电磁阀、第六电磁阀和潜水泵8通电工作，喷水口K、J喷水，推动水下机器人右转。

在本申请实施方式中，所述控制组件具有定深模式。所述操作部设有定深模式按钮14，按下所述定深模式按钮14能使所述水下机器人处于定深模式。如图7所示，Arduino控制板收到操作手柄发出的定深指令后，记录下此刻所处深度H₀。若此后深度H小于H₀，水下控制单元发出指令使第三电磁阀、第四电磁阀和潜水泵8工作，喷水口E、G喷水，以实现水下机器人下沉；若此后深度H大于H₀，水下控制单元发出指令使第三电磁阀、第四电磁阀和潜水泵8工作，喷水口F、H喷水，以实现水下机器人上浮。

在本申请实施方式中，所述控制组件具有自稳模式。所述操作部设有自稳模式按钮15，按下所述自稳模式按钮15能使所述水下机器人处于自稳模式。如图8所示，Arduino控制板收到操作手柄发出的自稳指令后，判断此刻水下机器人的姿态在前后方向、上下方向、左右方向是否有偏移。若有偏移，水下控制单元发出指令使潜水泵8、电磁阀和相应的喷水口工作，具体的工作电磁阀和喷水口参考上表1。每次调整水下机器人的姿态后，所述水下控制单元再判断此刻水下机器人的姿态在前后方向、上下方向、左右方向是否有偏移。若无偏移，说明水下机器人已经达到自稳状态，水下控制单元不用发出指令。当然，水下控制单元可以设定姿态偏移允许值，在水下机器人姿态偏移不超过该偏移允许值时，即判断水下机器人无偏移。

本申请实施方式提供的水下机器人，具有以下突出的优点：

1、改变了动力源。将推进器推进方式改变为潜水泵8喷水推进，能够减小噪声、降低功耗，且使水下机器人不易损坏。

2、优化了喷水口的布置方式。通过潜水泵8与不同朝向的喷水口的配合，实现喷水推进，完成水下机器人不同姿态的调整。

3、进行了模块化设计。整个水下机器人可以分为外部框架模块、动力模块、控制模块，各模块安装、拆卸方便，损坏时便于更换。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims

1.一种水下机器人，其特征在于，包括：

支撑框架；

设置在所述支撑框架内的潜水泵，所述潜水泵具有出水口；

设置在所述支撑框架外的喷水组件，所述喷水组件与所述出水口相连，所述喷水组件包括多个喷水口，所述多个喷水口具有不同的朝向，所述朝向包括两两相互垂直的第一方向、第二方向与第三方向，以及与所述第一方向相反的第四方向、与所述第二方向相反的第五方向、与所述第三方向相反的第六方向；

所述出水口与所述喷水口之间设有6个电磁阀，用于控制24个所述喷水口的开闭；所述电磁阀为三位三通电磁阀，每个所述电磁阀具有第一开口、第二开口和第三开口；所述第一开口与所述出水口相连，所述第二开口连接两个喷水口，所述第三开口连接其他两个喷水口；所述电磁阀具有打开状态和关闭状态；

当所述电磁阀处于关闭状态时，与所述第二开口、第三开口相连的四个喷水口均关闭；

当所述电磁阀处于打开状态时，与所述第二开口相连的两个喷水口打开、与所述第三开口相连的两个喷水口关闭，或者，与所述第三开口相连的两个喷水口打开、与所述第二开口相连的两个喷水口关闭；6个电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和第六电磁阀；

第六电磁阀连接2个喷水口K和2个喷水口L，2个喷水口K分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的左端、后端，朝向水下机器人的左方；2个喷水口L分别位于支撑框架的上下两端且位于支撑框架的右端、后端，朝向水下机器人的右方；

所述水下机器人还包括位于所述支撑框架内的浮力块和电路密封组件，所述电路密封组件包括前端盖、后端盖、主体和密封圈，所述主体内具有容纳电子组件的容纳腔，所述电子组件与所述潜水泵电连接；所述支撑框架包括上平台板、下平台板、左侧板、右侧板，所述上平台板与所述左侧板、右侧板相连接，所述下平台板与所述左侧板、右侧板相连接；所述电路密封组件通过第一卡箍安装在所述上平台板上；所述浮力块通过浮力块保护壳设于所述上平台板上，两个所述浮力块位于所述电路密封组件的左右两侧；所述潜水泵通过第二卡箍安装在所述下平台板上；所述下平台板上还设有用于容纳电磁阀的密封盒，两个所述密封盒位于所述潜水泵的左右两侧，在左侧的所述密封盒内安装所述第一电磁阀、所述第二电磁阀和所述第三电磁阀，在右侧的所述密封盒内安装所述第四电磁阀、所述第五电磁阀和所述第六电磁阀；

所述第一电磁阀和所述第二电磁阀能处于打开状态使喷水口B和喷水口D工作，以使所述水下机器人前进；

所述第一电磁阀和所述第二电磁阀能处于打开状态使喷水口A和喷水口C工作，以使所述水下机器人后退；

所述第一电磁阀和所述第二电磁阀能处于打开状态使喷水口B和喷水口C工作，以使所述水下机器人上仰；

所述第一电磁阀和所述第二电磁阀能处于打开状态使喷水口A和喷水口D工作，以使所述水下机器人下俯；

所述第三电磁阀和所述第四电磁阀能处于打开状态使喷水口F和喷水口H工作，以使所述水下机器人上浮；

所述第三电磁阀和所述第四电磁阀能处于打开状态使喷水口E和喷水口G工作，以使所述水下机器人下沉；

所述第三电磁阀和所述第四电磁阀能处于打开状态使喷水口G和喷水口F工作，以使所述水下机器人左倾；

所述第三电磁阀和所述第四电磁阀能处于打开状态使喷水口E和喷水口H工作，以使所述水下机器人右倾；

所述第五电磁阀和所述第六电磁阀能处于打开状态使喷水口J和喷水口L工作，以使所述水下机器人左移；

所述第五电磁阀和所述第六电磁阀能处于打开状态使喷水口I和喷水口K工作，以使所述水下机器人右移；

所述第五电磁阀和所述第六电磁阀能处于打开状态使喷水口I和喷水口L工作，以使所述水下机器人左转；

所述第五电磁阀和所述第六电磁阀能处于打开状态使喷水口K和喷水口J工作，以使所述水下机器人右转。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，还包括用于控制所述水下机器人的控制组件，所述控制组件包括：

3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，所述控制组件具有手动模式，所述操作部设有手动模式按钮、锁定按钮、解锁按钮、控制所述水下机器人运动方向的多个按钮、摄像头上调按钮、摄像头下调按钮；按下所述手动模式按钮能使所述水下机器人处于手动模式，根据需要选择性地按下控制所述水下机器人运动方向的多个按钮、摄像头上调按钮、摄像头下调按钮。

4.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，所述控制组件具有定深模式，所述操作部设有定深模式按钮，按下所述定深模式按钮能使所述水下机器人处于定深模式；所述水下控制单元记录下此刻所处深度H₀；若此后深度H小于H₀，水下控制单元发出指令使潜水泵和朝向上方的喷水口工作，以实现水下机器人下沉；若此后深度H大于H₀，水下控制单元发出指令使潜水泵和朝向下方的喷水口工作，以实现水下机器人上浮。

5.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，所述控制组件具有自稳模式，所述操作部设有自稳模式按钮，按下所述自稳模式按钮能使所述水下机器人处于自稳模式；所述水下控制单元判断此刻水下机器人的姿态在前后方向、上下方向、左右方向是否有偏移；若有偏移，水下控制单元发出指令使潜水泵和相应的喷水口工作，调整水下机器人的姿态；每次调整水下机器人的姿态后，所述水下控制单元判断此刻水下机器人的姿态在前后方向、上下方向、左右方向是否有偏移；若无偏移，则水下控制单元不用发出指令，水下机器人达到自稳状态。