CN113879494A - 一种智能水下机器人及其运动控制方法 - Google Patents

一种智能水下机器人及其运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种智能水下机器人及其运动控制方法，智能水下机器人包括机器人本体及动力装置，动力装置包括用于控制前后运动的第一推进器组、用于控制上浮下沉及俯仰角的第二推进器组及用于控制偏航角的第三推进器组，第一推进器组沿机器人本体前后方向设置，第二推进器组沿机器人本体上下方向设置，第三推进器组沿机器人本体左右方向设置。本发明提出一种新型动力装置布置方式，设置分别用于控制前后、上下运动及左右偏航的三组推进器，可实现高精度的运动控制及姿态调节，控制更灵活、高效；智能化程度高，可提升水下作业效果；可实现水下无线充电，大幅度提升续航能力，拓展活动范围，提高灵活度，实现水下常驻；便于扩展及开发，运行效率高。

Description

一种智能水下机器人及其运动控制方法
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，特别是一种智能水下机器人及其运动控制方法。
背景技术
深海探测技术领域高速发展，各种探测方法及相关技术受到了学术界及工程界的高度重视，取得了一定的成就。深海探测技术特指在深海领域通过传感或取样手段获取海洋或海底特定地区单一时刻数据的技术，主要包括深海运载器探测技术、深海传感探测技术、深海取样探测技术等主要研究方向。深海探测技术也正在朝着体系化、协同化、智能化的方向发展。
水下机器人也称无人潜水器，在海洋资源勘测与开发、水下养殖监测、水产捕捞、水下探测与取样、水下救援、水下资产管理、水下施工等方面发挥着重要作用。然而，现有技术的水下机器人普遍存在以下问题：
1.智能化程度不高；
2.运动控制精度不足；
3.控制系统各个模块之间耦合度较高，不易扩展，开发成本高；
4.拖曳缆线作业，活动范围受限，灵活度不高，续航时间短，需要频繁返回水上补充能量，无法实现水下常驻。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可实现高精度的运动控制及姿态调节，控制更加灵活、高效，智能化程度高，可提升水下作业效果的智能水下机器人及其运动控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种智能水下机器人，包括有机器人本体及设置于机器人本体上用于控制机器人本体运动的动力装置，动力装置包括用于控制前后运动的第一推进器组、用于控制上浮下沉及俯仰角的第二推进器组及用于控制偏航角的第三推进器组，第一推进器组沿机器人本体前后方向设置，第二推进器组沿机器人本体上下方向设置，第三推进器组沿机器人本体左右方向设置。
进一步地，所述第一、第二、第三推进器组分别包括有两推进器，第一推进器组的两推进器对称设置于机器人本体左右两侧，第三推进器组的两推进器分别设置于机器人本体的前端和后端，第二推进器组的两推进器设置于第三推进器组的两推进器之间。
进一步地，所述推进器包括有涵道及设置于涵道内的防水电机和螺旋桨。
进一步地，所述推进器设置有正反螺旋桨。
进一步地，所述智能水下机器人还包括有无线充电装置，包括无线充电发射装置和无线充电接收装置，无线充电接收装置固定连接于机器人本体上，无线充电发射装置固定设置于水下。
进一步地，所述机器人本体包括有机器人外壳、机舱、智能机械臂、导航定位装置、信息采集传感装置及主控制器，主控制器通讯连接信息采集传感装置及导航定位装置，并连接控制智能机械臂及动力装置。
进一步地，所述主控制器具有控制系统，控制系统包括有运动控制功能模块、机械臂控制功能模块、融合感知功能模块、导航定位功能模块、路径规划功能模块及中央处理单元，运动控制功能模块用于输出控制信号控制动力单元，机械臂控制功能模块用于输出控制信号控制智能机械臂，融合感知功能模块用于对信息采集传感装置采集的信息进行初步处理及信息融合，导航定位功能模块用于接收/输出信号控制导航定位装置，路径规划功能模块用于进行路径规划，中央处理单元用于运动控制功能模块、机械臂控制功能模块、融合感知功能模块、导航定位功能模块及路径规划功能模块之间的信息协同与决策。
进一步地，所述运动控制功能模块包括姿态控制功能模块、定深控制功能模块及位置控制功能模块，姿态控制功能模块用于对机器人本体的姿态进行控制，定深控制功能模块用于对机器人本体所处深度进行控制，位置控制功能模块用于对机器人本体所处位置进行控制。
进一步地，所述信息采集传感装置包括用于影像信息采集的双目摄像机、用于温度信息采集的温度传感器及用于对水下目标进行探测或定位的声呐。
一种上述的智能水下机器人的运动控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据目标位置或航向通过导航定位装置实时采集定位信息，并根据定位信息进行路径规划；
步骤2，根据规划路径，控制动力装置使智能水下机器人沿规划路径运动，其中，通过控制第一推进器组运转控制智能水下机器人向前或向后运动，通过控制第二推进器组运转控制智能水下机器人上浮下沉及俯仰角，通过控制第三推进器组运转控制智能水下机器人向左或向右偏航，通过对推进器的转向、转速进行控制，为智能水下机器人提供方向、大小不同的定向推力，通过同时调节同一推进器组的两推进器的推力大小和方向，对智能水下机器人的姿态进行调节。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
第一，本发明提出了一种新型智能水下机器人的动力装置布置方式，通过设置分别用于控制前后运动、上下运动及俯仰角、左右偏航的三组推进器，可实现高精度的运动控制；同时，每个推进器组设置两推进器，通过同时调节同一推进器组的两推进器的推力大小和方向，可对智能水下机器人的姿态进行调节；运动控制精度高，且控制更加灵活、高效。
第二，本发明的智能水下机器人集成动力装置、智能机械臂、导航定位装置、信息采集传感装置及主控制器，通过相互之间的协同配合，可实现完全智能化控制，智能化程度高，运行高效，可广泛应用于水下养殖监测、水产捕捞、水下探测与取样、水下救援、水下资产管理、水下施工等领域，可提升水下作业效果。
第三，本发明的智能水下机器人设置无线充电装置，可实现水下无线充电，优化了能源供给方式，可大幅度提升续航能力，避免拖拽缆线作业，拓展了活动范围，提高灵活度，可实现水下常驻。
第四，本发明通过中央处理单元实现其它多个功能模块之间的信息协同与决策，可实现整体控制，各模块之间耦合松散，可进一步提高控制精度，便于扩展及开发，运行效率高。
附图说明
图1是本发明实施例1的智能水下机器人的整体结构立体图；
图2是本发明实施例1的智能水下机器人的部分结构俯视图；
图3是本发明实施例1的智能水下机器人的电气原理框图；
图4是本发明实施例1的智能水下机器人的控制系统功能架构图。
图中：1.第一推进器，2.第二推进器，3.第三推进器，4.第四推进器，5.第五推进器，6.第六推进器，7.涵道，8.防水电机，9.正反螺旋桨，10.机器人外壳，11.智能机械臂，12.无线充电发射装置，13.无线充电接收装置，14.水声通讯设备，15.双目摄像机，16.声呐，17.自适应LED灯。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
参照图1至图4，本发明的一种智能水下机器人，包括有机器人本体、设置于机器人本体上用于控制机器人本体运动的动力装置及无线充电装置。机器人本体包括有机器人外壳10、机舱、智能机械臂11、导航定位装置、信息采集传感装置、自适应LED灯17及主控制器。主控制器通讯连接信息采集传感装置及导航定位装置，并连接控制智能机械臂2及动力装置。
动力装置包括用于控制前后运动的第一推进器组、用于控制上浮下沉及俯仰角的第二推进器组及用于控制偏航角的第三推进器组。第一推进器组沿机器人本体前后方向设置，包括有对称设置于机器人本体左右两侧的第一推进器1和第二推进器2。第二推进器组沿机器人本体上下方向设置，包括第三推进器3和第四推进器4。第三推进器组沿机器人本体左右方向设置，包括分别设置于机器人本体的前端和后端的第五推进器5和第六推进器6。第三推进器3和第四推进器4设置于第五推进器5和第六推进器6之间。第一推进器1、第二推进器2、第三推进器3、第四推进器4、第五推进器5、第六推进器6分别包括有涵道7及设置于涵道7内的防水电机8和正反螺旋桨9。
无线充电装置包括无线充电发射装置12和无线充电接收装置13，无线充电接收装置13固定连接于机器人本体上，无线充电发射装置12固定设置于水下。无线充电装置采用现有技术。
导航定位装置采用水声通讯设备14。信息采集传感装置包括用于影像信息采集的双目摄像机15、用于温度信息采集的温度传感器及用于对水下目标进行探测或定位的声呐16。
主控制器具有控制系统，控制系统包括有运动控制功能模块、机械臂控制功能模块、融合感知功能模块、导航定位功能模块、路径规划功能模块、辅助控制功能模块及中央处理单元。主控制器使用高性能GPU，中央处理单元动态建立各个功能模块间的连接，协同各个功能模块的运行。运动控制功能模块用于输出控制信号控制动力单元；机械臂控制功能模块用于输出控制信号控制智能机械臂11；融合感知功能模块用于对信息采集传感装置采集的信息进行初步处理及信息融合，包括将双目摄像机15采集的影像视频处理成标记图片、将声呐16采集的信号处理成位置信息等；导航定位功能模块用于接收/输出信号控制导航定位装置；路径规划功能模块用于根据导航定位装置采集的定位信息进行路径规划；辅助控制功能模块用于输出控制信号控制自适应LED灯17及电量检测等功能，可根据实际需要进行设置；中央处理单元用于运动控制功能模块、机械臂控制功能模块、融合感知功能模块、导航定位功能模块、路径规划功能模块及辅助控制功能模块之间的信息协同与决策。运动控制功能模块包括姿态控制功能模块、定深控制功能模块及位置控制功能模块，姿态控制功能模块用于对机器人本体的姿态进行控制，定深控制功能模块用于对机器人本体所处深度进行控制，位置控制功能模块用于对机器人本体所处位置进行控制。
参照图1至图4，本发明的智能水下机器人的运动控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据目标位置或航向通过导航定位装置实时采集定位信息，并根据定位信息进行路径规划；
步骤2，根据规划路径，控制动力装置使智能水下机器人沿规划路径运动，其中，通过控制第一推进器1和第二推进器2运转控制智能水下机器人向前或向后运动，通过控制第三推进器3和第四推进器4运转控制智能水下机器人上浮下沉及俯仰角，通过控制第五推进器5和第六推进器6运转控制智能水下机器人向左或向右偏航，通过对推进器的转向、转速进行控制，为智能水下机器人提供方向、大小不同的定向推力，通过同时调节同一推进器组的两推进器的推力大小和方向，对智能水下机器人的姿态进行调节，比如，同时调节第三推进器3和第四推进器4的推力大小和方向，可调节智能水下机器人的仰俯角，其它同理。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：第一推进器组沿机器人本体前后方向设置，包括有对称设置于机器人本体左右两侧的第一推进器1和第二推进器2。第二推进器组沿机器人本体上下方向设置，包括分别设置于机器人本体前端和后端的第三推进器3和第四推进器4。第三推进器组沿机器人本体左右方向设置，包括第五推进器5和第六推进器6。第五推进器5和第六推进器6设置于第三推进器3和第四推进器4之间。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：第一推进器组沿机器人本体前后方向设置，包括设置于机器人本体上方的一推进器。该推进器包括有涵道7及设置于涵道7内的防水电机8和正反螺旋桨9。通过控制该推进器的正反螺旋桨9正反转即可为智能水下机器人提供向前或向后的推力。
上述仅为本发明的三个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种智能水下机器人，其特征在于，包括有机器人本体及设置于机器人本体上用于控制机器人本体运动的动力装置，动力装置包括用于控制前后运动的第一推进器组、用于控制上浮下沉及俯仰角的第二推进器组及用于控制偏航角的第三推进器组，第一推进器组沿机器人本体前后方向设置，第二推进器组沿机器人本体上下方向设置，第三推进器组沿机器人本体左右方向设置。
2.如权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述第一、第二、第三推进器组分别包括有两推进器，第一推进器组的两推进器对称设置于机器人本体左右两侧，第三推进器组的两推进器分别设置于机器人本体的前端和后端，第二推进器组的两推进器设置于第三推进器组的两推进器之间。
3.如权利要求2所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述推进器包括有涵道及设置于涵道内的防水电机和螺旋桨。
4.如权利要求2或3所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述推进器设置有正反螺旋桨。
5.如权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，还包括有无线充电装置，包括无线充电发射装置和无线充电接收装置，无线充电接收装置固定连接于机器人本体上，无线充电发射装置固定设置于水下。
6.如权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述机器人本体包括有机器人外壳、机舱、智能机械臂、导航定位装置、信息采集传感装置及主控制器，主控制器通讯连接信息采集传感装置及导航定位装置，并连接控制智能机械臂及动力装置。
7.如权利要求6所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述主控制器具有控制系统，控制系统包括有运动控制功能模块、机械臂控制功能模块、融合感知功能模块、导航定位功能模块、路径规划功能模块及中央处理单元，运动控制功能模块用于输出控制信号控制动力单元，机械臂控制功能模块用于输出控制信号控制智能机械臂，融合感知功能模块用于对信息采集传感装置采集的信息进行初步处理及信息融合，导航定位功能模块用于接收/输出信号控制导航定位装置，路径规划功能模块用于进行路径规划，中央处理单元用于运动控制功能模块、机械臂控制功能模块、融合感知功能模块、导航定位功能模块及路径规划功能模块之间的信息协同与决策。
8.如权利要求7所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述运动控制功能模块包括姿态控制功能模块、定深控制功能模块及位置控制功能模块，姿态控制功能模块用于对机器人本体的姿态进行控制，定深控制功能模块用于对机器人本体所处深度进行控制，位置控制功能模块用于对机器人本体所处位置进行控制。
9.如权利要求6所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述信息采集传感装置包括用于影像信息采集的双目摄像机、用于温度信息采集的温度传感器及用于对水下目标进行探测或定位的声呐。
10.一种如权利要求1至9任一所述的智能水下机器人的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据目标位置或航向通过导航定位装置实时采集定位信息，并根据定位信息进行路径规划；
步骤2，根据规划路径，控制动力装置使智能水下机器人沿规划路径运动，其中，通过控制第一推进器组运转控制智能水下机器人向前或向后运动，通过控制第二推进器组运转控制智能水下机器人上浮下沉及俯仰角，通过控制第三推进器组运转控制智能水下机器人向左或向右偏航，通过对推进器的转向、转速进行控制，为智能水下机器人提供方向、大小不同的定向推力，通过同时调节同一推进器组的两推进器的推力大小和方向，对智能水下机器人的姿态进行调节。
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WO2024087645A1 (zh) * 2022-10-27 2024-05-02 深圳技术大学 一种基于无线充电技术的auv集群水下能量救援方法

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