CN111591394B - 用于水下机器人的智能浮标及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种用于水下机器人的智能浮标及其系统，旨在解决现有技术中水下机器人无法做到活动范围广且通信质量佳的问题。本发明提供的智能浮标，包括桅杆、浮体、密封舱体，桅杆固设于密封舱体上方，浮体滑动设置于桅杆，桅杆具有延伸出浮体外部的延伸端，延伸端长度可调；智能浮标还设置有通信定位装置，通信定位装置用于向外部设备接收/发送信息；智能浮标能够通过线缆与至少一个水下机器人通信连接，并在水下机器人的拖拽下运动。本发明的通信定位装置采用北斗和RF天线冗余配置，且浮心可调，使得水下机器人不用上浮到水面即可完成双向通信，既保证了水下机器人作业范围又保证了通信质量，可靠性强。

Description

用于水下机器人的智能浮标及其系统

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种用于水下机器人的智能浮标及其系统。

背景技术

水下机器人是指具有水下观察和作业能力的自动化装置，被广泛应用于水下搜索、海底勘探、海底打捞和救生等水下作业任务中。

现有的水下机器人主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，另一类是无缆自主水下机器人。无缆自主水下机器人具有无需母船跟随、活动范围广等优点，但由于其缺少通信线缆连接，主控端主要通过无线通信方式对其进行控制并接收其上报的状态信息，因此实时控制质量和数据传输质量受限，更重要的是由于无线通信方式导致无缆自主水下机器人必须上浮到水面才能完成通信，严重影响通信的便利性。有缆水下机器人通过通信线缆与主控端连接，保证了通信质量，克服了无缆水下机器人通信可靠性差、灵活性差的缺点，但是有缆水下机器人由于受到通信线缆的影响，活动范围有限，极大的限制了有缆水下机器人的适用范围。

因此，为了克服有缆水下机器人和无缆自主水下机器人各自的缺点，既能保证水下机器人大范围作业又能保证通信的质量和便利性，研究可用于水下机器人控制与状态监测的智能系统具有重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中水下机器人无法做到活动范围广且通信质量佳的问题，本发明提供了一种用于水下机器人的智能浮标，所述智能浮标包括桅杆、浮体、密封舱体，所述桅杆固设于所述密封舱体上方，所述浮体滑动设置于所述桅杆，所述桅杆具有延伸出所述浮体外部的延伸端，所述延伸端长度可调；

所述智能浮标还设置有通信定位装置，所述通信定位装置用于向外部设备接收/发送信息；

所述智能浮标能够通过线缆与至少一个水下机器人通信连接，并在水下机器人的拖拽下运动。

在一些优选技术方案中，所述智能浮标还包括限位机构，所述限位机构用于调整所述智能浮标的浮心。

在一些优选技术方案中，所述限位机构包括驱动装置和限位环；

所述驱动装置设置于所述桅杆内部，所述限位环套设于所述桅杆并设置于所述浮体上方，所述限位环能够在所述驱动装置的驱动下沿所述桅杆长度方向移动。

在一些优选技术方案中，所述桅杆背离所述密封舱体的一端设置有照明装置，所述照明装置能够依据光照强度释放光信号。

在一些优选技术方案中，所述密封舱体的下部设置有配重块，所述配重块用于调整所述智能浮标重心。

在一些优选技术方案中，所述桅杆延伸端设置有无线频射天线和北斗定位机构。

在一些优选技术方案中，所述密封舱体内部设置有蓄电池，所述蓄电池与所述无线频射天线和所述北斗定位机构电性连接。

在一些优选技术方案中，所述密封舱体包括圆柱形耐压壳体，所述圆柱形耐压壳体的两端通过半球形封头密封。

在一些优选技术方案中，所述圆柱形耐压壳体的轴向与水下机器人移动方向同向。

本发明另一方面提出了一种用于水下机器人的智能浮标系统，其包括，基站，安装于能够浮于水面或固定于地面的装置；

上述技术方案中任一方案所述的智能浮标；以及

至少一个水下机器人，所述水下机器人与所述智能浮标通过线缆通信连接，所述智能浮标能够在所述水下机器人的拖拽下运动；

所述智能浮标与所述基站通过无线通讯模块通信连接，所述基站能够基于所述智能浮标与所述水下机器人通信连接。

本发明的有益效果:

本发明的北斗模块既可以通过北斗卫星定位得到智能浮标当前的位置信息，又可以通过北斗通信上报水下机器人的状态信息和接收控制指令进而下发给水下机器人，水下机器人不用上浮到水面即可完成双向通信，既能保证了水下机器人大范围作业又能保证通信的质量和便利性。

本发明中RF天线也可以上报水下机器人的状态信息和接收控制指令进而下发给水下机器人，RF通信模块和北斗通信模块互为备份，冗余配置，极大地提高了智能浮标的可靠性。

本发明中浮标立杆和浮标连接杆均为中空圆柱式轻质杆，浮力球为大体积中空球，增大了排水量，使智能浮标系统能直立的漂浮在水面，同时蓄电池安装在密封舱体的下方，两个密度较大的黄铜配重块也对称安装在密封舱体的最下方，降低了整个浮标系统的重心，挺高了稳定性，使其不易倾翻。

本发明的浮心可自动调节，通过限位机构调节本发明的浮心进而调整桅杆浮出水面的高度，以改善通信信号，提高本发明智能浮标的稳定性，满足通信任务需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种实施例的用于水下机器人的智能浮标整体结构示意图；

图2为本发明一种实施例中密封舱体的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中限位机构的结构示意图；

图4为本发明一种实施例的用于水下机器人的智能浮标系统整体结构示意图。

附图标记列表：

1-浮标立杆；2-浮标连接杆；3-浮体；4-限位机构；5-北斗；6-指示灯；7-指示灯安装板；8-指示灯安装座；9-指示灯连接套筒；10-RF天线；11-RF天线固定座；12-RF天线固定卡环；13-密封舱体；14-密封舱上端盖；15-密封舱下端盖；16-大容量电池；17-小容量电池；18-北斗通信电路板；19-RF电路板；20-浮标上卡环；21-浮标下卡环；22-配重块；23-北斗电路板安装板；24-RF电路板安装板；25-拉杆；26-开关；27-航插；28-密封盖；41-直流电机；42-丝杠；43-磁性限位环；44-磁性移动块；100-智能浮标，200-基站，300-水下机器人。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的一种于水下机器人的智能浮标，包括，所述智能浮标包括桅杆、浮体、密封舱体，所述桅杆固设于所述密封舱体上方，所述浮体滑动设置于所述桅杆，所述桅杆具有延伸出所述浮体外部的延伸端，所述延伸端长度可调；

所述智能浮标还设置有通信定位装置，所述通信定位装置用于向外部设备接收/发送信息；

所述智能浮标能够通过线缆与至少一个水下机器人通信连接，并在水下机器人的拖拽下运动。

为了更清晰地对本发明用于水下机器人的智能浮标进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。

首先说明一下本发明的浮体：本发明智能浮标用于深海释放，智能浮标上的浮体自身具有正浮力，在水中如果不对其约束，则有上浮趋势。

作为本发明的一个优选实施例，本发明用于水下机器人的智能浮标如图1所示，包括桅杆、浮体3、密封舱体13，桅杆固设于密封舱体13上方，浮体3滑动设置于桅杆，桅杆具有延伸出浮体3外部的延伸端，延伸端长度可调；

本发明的智能浮标还设置有通信定位装置，通信定位装置用于向外部设备接收/发送信息；

本发明的智能浮标能够通过线缆与至少一个水下机器人通信连接，并能够在水下机器人的拖拽下运动。本发明智能浮标漂浮于海面，线缆长度由本领域技术人员根据实际情况灵活设置，不考虑海风和海浪等外界因素干扰，智能浮标的运动方向应与水下机器人前行方向相同。

进一步地，在本发明中为方便描述，将桅杆依据浮体3划分为浮标立杆1和浮标连接杆2。即延伸端为桅杆位于浮体3外部的结构，其长度可调即代表浮体3可相对于桅杆的位置可调。浮标连接杆2为浮体3与密封舱体13之间的桅杆，桅杆为中空圆柱式轻质杆，且延伸端长度可调，即浮体3沿桅杆的长度方向可调，由此，延伸于浮体上端外部的延伸端长度亦可调，其依据浮体3相对于桅杆的相对位置而改变。进一步地，也可将浮标立杆1与浮标连接杆2采用分体设置，两者之间通过管螺纹相连接，浮体3利用其通孔套在浮标连接杆2上。

在本发明的优选实施例中，浮体3优选为大体积的中空浮力球，用来产生正浮力，使智能浮标能直立的漂浮在水面。

进一步地，本发明智能浮标还包括限位机构4，限位机构4用于调整智能浮标的浮心。其包括驱动装置和限位环，驱动装置设置于桅杆内部，限位环套设于所桅杆并设置于所述浮体上方，限位环能够在驱动装置的驱动下沿桅杆长度方向移动。

在本发明的优选实施例中，参阅图3，限位机构4包括直流电机41、丝杠42、磁性限位环43、磁性移动块44，进一步地，限位环为磁性限位环43，驱动装置优选为直流电机41，其输出轴与丝杠42,连接，磁性移动块44套设于丝杠42并能够伴随丝杠42的转动沿丝杠42延伸方向移动。直流电机41设置于本发明智能浮标的下方，以降低重心，直流电机41驱动丝杠42转动，进一步带动磁性移动块44移动，磁性移动块44与磁性限位环43磁性相吸，因此磁性移动块44能够带动磁性限位环43沿丝杠42的延伸方向往复移动。进而由于磁性限位环43设置于浮体3的上方，用于限制浮体3的位置。智能浮标在常规竖直状态下，未设置于水中时，浮体3受重力位于桅杆底部；当智能浮标设置于水中时，由于浮体3滑动设置于桅杆，浮体3能够受水的浮力上浮，其上浮的极限取决于磁性限位环43，即调整磁性限位环43相对于桅杆的位置，即可调整浮体3相对于桅杆的位置，以调整本发明智能浮标的浮心。

进一步地，本发明智能浮标还设置有照明装置，照明装置优选设置于桅杆背离密封舱体的一端，即浮标立杆1的上方，在本发明的优选实施例中，照明装置优选为指示灯6，指示灯6能够依据光照强度释放光信号，具体地，指示灯6设置有光照强度传感器，当光照强度小于预设阈值时，指示灯6发光或闪烁，以释放光信号，指示灯6的光闪烁频率可依据摩尔斯电码闪烁，以传输信号，具体指示灯6闪烁的控制方法不在本发明的描述范围内。

更进一步地，本发明的通信定位装置包括RF通信模块和北斗通信模块，进一步地，两通信模块均包括执行端和控制端，执行端包括无线频射天线和北斗定位机构，无线频射天线和北斗定位机构均设置于桅杆背离密封舱体的一端，即立杆1上端部，以便于其能够延伸出水面，与外部设备进行通信。控制端包括电路板等控制电路，其设置于密封舱体13内部。在本发明优选实施例中的外部设备包括用于发送命令控制、监测水下机器人的母船、基站、上位机等。

密封舱体13设置于浮体3下方，本发明智能浮标置于水中时，密封舱体13在水下，其内部设置有蓄电池，在本发明的优选实施例中蓄电池包括大容量电池16和小容量电池17，本领域技术人员也可将蓄电池设置为一个，蓄电池能够与无线频射(Radio Frequency简称RF)天线、北斗定位机构、照明装置等智能浮标内部各机构、装置电性连接，以为其供电。进一步，密封舱体13内部还设置有配重块22，配中块22设置于密封舱体下部，即整个智能浮标最底部。其用于调整智能浮标重心。

更近一步地，由于本发明的智能浮标能够随水下机器人的拖拽运动，为减小水的阻力，提高智能浮标的前行速度，因此将密封舱体13的外壳设置为圆柱形耐压壳体，圆柱形耐压壳体的两端通过半球形封头密封，即如图所示的密封舱上端盖14和密封舱下端盖15。圆柱形耐压壳体的轴向与水下机器人移动方向同向设置，通过这样的设置使得智能浮标位于水下的部分仿照仿生机器鱼外形，以减小智能浮标随水下机器人运动时的水阻力。

具体地，对本发明的结构进行进一步解释，如图1所示，智能浮标包括北斗定位机构，即北斗5，指示灯安装板7、指示灯安装座8、指示灯连接套筒9，RF天线10、RF天线固定座11、RF天线固定卡环12，北斗5固定在指示灯安装板7上，指示灯6通过指示灯安装座8固定在指示灯安装板7上，指示灯连接套筒9一端通过螺纹与指示灯安装板7连接，另一端通过凸台与浮标立杆1连接，RF天线固定卡环12将RF天线固定座11安装在浮标立杆1上，RF天线10安装在RF天线固定座11上；RF天线长度可调，图1仅为本发明的一种实施例。

密封舱体13主要用于密封供电和控制，其包括通信定位装置的控制端，具体地，包括北斗通信电路板18、RF电路板19、浮标上卡环20、浮标下卡环21、配重块22。进一步地，密封舱体13上端安装有密封舱上端盖14，密封舱13的下端安装有密封舱下端盖15，密封舱上端盖14通过管螺纹与桅杆进行连接，大容量电池16和小容量电池17分别用于对北斗通信电路板18和RF电路板19进行供电，北斗通信电路板18通过北斗电路板安装板23固定在浮标上卡环20上，RF电路板19固定在RF电路板安装板24上，RF电路板安装板24通过螺钉与浮标上卡环20和浮标下卡环21连接，浮标上卡环20和浮标下卡环21通过均匀分布的拉杆25与密封舱上端盖14和密封舱下端盖15连接，配重块22利用其通孔套在拉杆25上，布置在密封舱体13的最下方，拉杆25为多个，多个拉杆25呈圆周分布，以用于支撑密封舱体并减轻重量。

北斗5既可以通过北斗定位得到智能浮标当前的位置信息，又可以通过北斗通信上报状态信息和接收控制指令；指示灯6为红色频闪灯，只有在夜间才会闪烁，可以大大节省工作能耗；RF天线10通过RF通信也可以上报状态信息和接收控制指令；北斗通信电路板19和RF电路板19上有无线通信模块与远程主控端通过无线进行通信，同时也有有线通信模块与水下机器人通过通信线缆进行通信。当本发明智能浮标与外部设备距离较近时，智能浮标可通过RF天线与外部设备信号连接；当本发明智能浮标与外部设备距离较远时，智能浮标可通过被动与外部设备进行通信，RF天线和北斗定位机构一起作为冗余通信机构，提高本发明智能浮标的可靠性。

密封舱体13为圆柱形耐压壳体，在满足强度和稳定性的前提下，兼具空间利用率大的特点；密封舱上端盖14和密封舱下端盖15为半球形封头，其可以提高强度和稳定性同时还能用于导流，减少智能浮标运动受到的阻力，密封舱上端盖14和密封舱下端盖15均开有密封槽，密封槽内用来安装密封圈防止海水进入舱体。

进一步地，密封舱上端盖14安装有开关26和航插27，开关26用来打开和关闭智能浮标，航插27用来连接与水下机器人通信的线缆，开关26和航插27上均安装有密封盖28，防止海水进入开关和航插内部。参阅图4，优选地，密封舱下端盖15沿水下机器人行进方向设置，密封舱上端盖14设置于背离水面，以减小阻力。

小容量电池17安装在浮标上卡环20和浮标下卡环21之间，大容量电池18安装在密封舱体13的最下方，这样可以降低整个智能浮标的重心；配重块22有两块，对称安装在密封舱体13的最下方，同时使用的材料为密度较大的黄铜，进一步降低了整个浮标智能的重心，挺高了稳定性，使其不易倾翻。

本发明另一方面提供一种用于水下机器人的智能浮标系统，具体参阅图4，其包括：

基站20，安装于能够浮于水面或固定于地面的装置；即上文所述的外部设备；

上述实施例中的任一项智能浮标100，以及至少一个水下机器人300，水下机器人300与智能浮标100通过线缆通信连接，水下机器人300能够拖动智能浮标100，智能浮标100与基站200通过无线通讯模块通信连接，基站200能够基于智能浮标100与水下机器人300通信连接。

进一步地，基站200与智能浮标100通过无线通讯方式进行通信连接，以下发控制指令，智能浮标100能够接受控制指令，并通过线缆下发给水下机器人300，水下机器人300接收控制指令执行任务；同时水下机器人300能够将其监测到的信息通过线缆传输给智能浮标100，并通过智能浮标100传输回基站，本发明智能浮标100能够传输通讯信息和定位信息，方便基站200控制、监测水下机器人300。水下机器人300不必浮至水面上报信息状态，其通过通信线缆能够保证通信质量，且水下机器人300能够拖拽智能浮标100运动，因此智能浮标100不会影响水下机器人的灵活性和活动范围，本发明的智能浮标既能保证水下机器人的活动范围，又能保证通信质量，实用性强。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：

本发明的北斗模块既可以通过北斗卫星定位得到智能浮标当前的位置信息，又可以通过北斗通信上报水下机器人的状态信息和接收控制指令进而下发给水下机器人，水下机器人不用上浮到水面即可完成双向通信，既能保证了水下机器人大范围作业又能保证通信的质量和便利性。

本发明中RF天线也可以上报水下机器人的状态信息和接收控制指令进而下发给水下机器人，RF通信模块和北斗通信模块互为备份，冗余配置，极大地提高了智能浮标的可靠性。

本发明中浮标立杆和浮标连接杆均为中空圆柱式轻质杆，浮力球为大体积中空球，增大了排水量，使智能浮标系统能直立的漂浮在水面，同时蓄电池安装在密封舱体的下方，两个密度较大的黄铜配重块也对称安装在密封舱体的最下方，降低了整个浮标系统的重心，挺高了稳定性，使其不易倾翻。

本发明的浮心可自动调节，通过限位机构调节本发明的浮心进而调整桅杆浮出水面的高度，以改善通信信号，提高本发明智能浮标的稳定性，满足通信任务需求。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于水下机器人的智能浮标，其特征在于，所述智能浮标包括桅杆、浮体、密封舱体，所述桅杆固设于所述密封舱体上方，所述浮体滑动设置于所述桅杆，所述桅杆具有延伸出所述浮体外部的延伸端，所述延伸端长度可调；

所述智能浮标还设置有通信定位装置，所述通信定位装置用于向外部设备接收/发送信息；

所述智能浮标还包括限位机构，所述限位机构用于调整所述智能浮标的浮心，所述限位机构包括驱动装置、限位环、丝杠和磁性移动块；所述驱动装置设置于所述桅杆内部，所述限位环套设于所述桅杆并设置于所述浮体上方，所述限位环能够在所述驱动装置的驱动下沿所述桅杆长度方向移动；所述驱动装置的输出轴与所述丝杠连接，所述限位环为磁性限位环，所述磁性移动块套设于所述丝杠并能够伴随所述丝杠的转动沿所述丝杠延伸方向移动；磁性移动块与磁性限位环磁性相吸；所述驱动装置驱动丝杠转动以带动所述磁性移动块移动，所述磁性移动块能够带动磁性限位环沿丝杠的延伸方向往复移动；

所述密封舱体的下部设置有配重块，所述配重块用于调整所述智能浮标重心；

所述智能浮标能够通过线缆与至少一个水下机器人通信连接，并在水下机器人的拖拽下运动。

2.根据权利要求1所述的用于水下机器人的智能浮标，其特征在于，

所述桅杆背离所述密封舱体的一端设置有照明装置，所述照明装置能够依据光照强度释放光信号。

3.根据权利要求1所述的用于水下机器人的智能浮标，其特征在于，所述桅杆延伸端设置有无线频射天线和北斗定位机构。

4.根据权利要求3所述的用于水下机器人的智能浮标，其特征在于，

所述密封舱体内部设置有蓄电池，所述蓄电池与所述无线频射天线和所述北斗定位机构电性连接。

5.根据权利要求1所述的用于水下机器人的智能浮标，其特征在于，

所述密封舱体包括圆柱形耐压壳体，所述圆柱形耐压壳体的两端通过半球形封头密封。

6.根据权利要求5所述的用于水下机器人的智能浮标，其特征在于，

所述圆柱形耐压壳体的轴向与水下机器人移动方向同向。

7.根据权利要求2所述的用于水下机器人的智能浮标，其特征在于，所述照明装置为指示灯，所述指示灯设置有光照强度传感器，当光照强度小于预设阈值时，指示灯闪烁，以释放光信号，所述指示灯的光闪烁频率依据摩尔斯电码闪烁，以传输信号。

8.一种用于水下机器人的智能浮标系统，其特征在于，包括：

基站，安装于能够浮于水面或固定于地面的装置；

权利要求1-6中任一项所述的智能浮标；以及

至少一个水下机器人，所述水下机器人与所述智能浮标通过线缆通信连接，所述智能浮标能够在所述水下机器人的拖拽下运动；

所述智能浮标与所述基站通过无线通讯模块通信连接，所述基站能够基于所述智能浮标与所述水下机器人通信连接。

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