CN113983931B

CN113983931B - 一种试验水池用清淤机器人水下定位装置和使用方法

Info

Publication number: CN113983931B
Application number: CN202111286805.3A
Authority: CN
Inventors: 陈伟; 郑鹏; 孙程; 张勇; 崔城诚
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2041-11-02
Also published as: CN113983931A

Abstract

本发明涉及一种试验水池用清淤机器人水下定位装置和使用方法，包括水池，所述水池的池壁的底面设置有清淤机器人，所述清淤机器人的顶面通过紧固件安装有水下定位装置；位于水池一旁岸上安装有岸基设备，所述岸基设备包含有电脑，与电脑通过电缆连接的全站仪；水下定位装置的结构为：包括底板，所述底板上表面中心位置固定有两块间隔的定位板，两块定位板之间安装有控制器，控制器的上方安装有深度仪；所述底板的其中三个角处分别安装有恒张力机构，恒张力机构的输出端设置有钢丝，位于控制器的上方设置有浮体，三根钢丝同时与浮体连接，所述浮体的顶面中心位置设置有棱镜，棱镜一旁设置有通讯天线，工作方便可靠。

Description

一种试验水池用清淤机器人水下定位装置和使用方法

技术领域

本发明涉及水下定位设备技术领域，尤其是一种试验水池用清淤机器人水下定位装置和使用方法。

背景技术

科研用大型试验水池在使用过程中不可避免的带入杂质、污泥对水的洁净度和密度造成不好影响，从而影响被试模型的水动力测量结果。为提高清淤效率，降低清洁成本，开发了水下清淤机器人，大型试验水池由于是室内水池整体规模较大，深度较深，能见度低，人眼无法获得水下真实位置。由于水池水下环境地形复杂，设备较多，需要清淤机器人自动避开一些特定区域，需要实时获取清淤机器人在试验水池中的位置。由于是室内定位，GPS定位由于信号接收问题无法使用，另一种常用的水下定位方法为声学定位，声学定位成本较高，在实际使用过程中由于实验水池为刚性壁水池，水池表面较平坦，且没有消声装置，多途反射效应严重。此外，水下往往还会受到其它设备的干扰，实际定位效果非常不理想。如何在试验水池中完成水下清淤机器人的定位成为清淤机器人自动清淤必须解决的难题。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种试验水池用清淤机器人水下定位装置和使用方法，从而有效的解决了水下机器人的高精度定位问题，配合全站仪的使用，可以实时获取水下清淤机器人的具体位置信息，实现清淤机器人试验水池的高精度定位。

本发明所采用的技术方案如下：

一种试验水池用清淤机器人水下定位装置，包括水池，所述水池的池壁的底面设置有清淤机器人，所述清淤机器人的顶面通过紧固件安装有水下定位装置；

位于水池一旁岸上安装有岸基设备，所述岸基设备包含有电脑，与电脑通过电缆连接的全站仪；

水下定位装置的结构为：包括底板，所述底板上表面中心位置固定有两块间隔的定位板，两块定位板之间安装有控制器，控制器的上方安装有深度仪；所述底板的其中三个角处分别安装有恒张力机构，恒张力机构的输出端设置有钢丝，位于控制器的上方设置有浮体，三根钢丝同时与浮体连接，所述浮体的顶面中心位置设置有棱镜，棱镜一旁设置有通讯天线。

其进一步技术方案在于：

所述恒张力机构的结构为：固定在底板上的底座，所述底座上安装有恒张力电机，恒张力电机为双出轴结构，其中一轴通过联轴器安装绝对值编码器，绝对值编码器通过直角形的支架支撑，支架安装在底板上，其中一轴安装卷线盘，卷线盘上绕有钢丝。

恒张力电机为水密电机。

恒张力电机的壳体顶部固定有支撑板，支撑板上安装有过渡轮，钢丝绕过过渡轮。

所述底板的四个角处分别开有圆孔，圆孔处通过紧固件与清淤机器人固定。

所述浮体浮于水面上。

一种试验水池用清淤机器人水下定位装置的使用方法，包括如下操作步骤：

第一步：将棱镜安装在浮体的中心位置；

第二步：将整个水下定位装置安装与清淤机器人的顶面；

第三步：将水下定位装置和清淤机器人一同吊放下水；

第四步：将浮体浮出水面；

第五步：恒张力电机设置好合适的张力，让钢丝保持固定的张力；

第六步：设置全站仪为北-东坐标系，北东坐标系以试验水池水平面为“X-Y”坐标平面；

第七步：设置平行于水池长度方向向北为北轴，即X轴，垂直于水池长度方向向东为东轴，即Y轴；

第八步：全站仪完成设置后，岸基设备实时获取浮体在水池中的位置。

作为上述技术方案的进一步改进：

第五步中，浮体的吃水高度为浮体高度的一半。

岸基设备通过通讯天线与清淤机器人进行信息交互，将浮体的实时位置发送给水下定位装置。

清淤机器人在工作过程中，绝对值编码器实时检测钢丝的长度，结合深度信息，通过计算获得浮体与清淤机器人参考位置点的位置关系，结合获取的浮体位置，得到清淤机器人在水池坐标系下的位置。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在水下机器人的顶面安装水下定位装置，并通过恒张力机构获取清淤小车和棱镜的位置偏差，配合全站仪实时获取棱镜在水池中的位置，从而实现了水下清淤机器人在室内试验水池的精确定位。

附图说明

图1为本发明的应用图。

图2为本发明水下定位装置的结构示意图。

图3为本发明恒张力机构的结构示意图。

图4为本发明水下定位装置的原理图。

图5为本发明的定位原理图。

其中：1、岸基设备；2、电脑；3、全站仪；4、岸上；5、池壁；6、水面；7、水下定位装置；8、清淤机器人；

701、通讯天线；702、棱镜；703、浮体；704、恒张力机构；705、底板；706、深度仪；707、控制器；708、定位板；709、钢丝；710、绝对值编码器；711、支架；712、联轴器；713、恒张力电机；714、过渡轮；715、支撑板；716、卷线盘；717、底座。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图5所示，本实施例的试验水池用清淤机器人水下定位装置，包括水池，水池的池壁5的底面设置有清淤机器人8，清淤机器人8的顶面通过紧固件安装有水下定位装置7；

位于水池一旁岸上4安装有岸基设备1，岸基设备1包含有电脑2，与电脑2通过电缆连接的全站仪3；

水下定位装置7的结构为：包括底板705，底板705上表面中心位置固定有两块间隔的定位板708，两块定位板708之间安装有控制器707，控制器707的上方安装有深度仪706；底板705的其中三个角处分别安装有恒张力机构704，恒张力机构704的输出端设置有钢丝709，位于控制器707的上方设置有浮体703，三根钢丝709同时与浮体703连接，浮体703的顶面中心位置设置有棱镜702，棱镜702一旁设置有通讯天线701。

恒张力机构704的结构为：固定在底板705上的底座717，底座717上安装有恒张力电机713，恒张力电机713为双出轴结构，其中一轴通过联轴器712安装绝对值编码器710，绝对值编码器710通过直角形的支架711支撑，支架711安装在底板705上，其中一轴安装卷线盘716，卷线盘716上绕有钢丝709。

恒张力电机713为水密电机。

恒张力电机713的壳体顶部固定有支撑板715，支撑板715上安装有过渡轮714，钢丝709绕过过渡轮714。

底板705的四个角处分别开有圆孔，圆孔处通过紧固件与清淤机器人8固定。

浮体703浮于水面6上。

本实施例的试验水池用清淤机器人水下定位装置的使用方法，包括如下操作步骤：

第一步：将棱镜702安装在浮体703的中心位置；

第二步：将整个水下定位装置7安装与清淤机器人8的顶面；

第三步：将水下定位装置7和清淤机器人8一同吊放下水；

第四步：将浮体703浮出水面6；

第五步：恒张力电机713设置好合适的张力，让钢丝709保持固定的张力；

第六步：设置全站仪3为北-东坐标系，北东坐标系以试验水池水平面为“X-Y”坐标平面；

第八步：全站仪3完成设置后，岸基设备1实时获取浮体703在水池中的位置。

第五步中，浮体703的吃水高度为浮体703高度的一半。

岸基设备1通过通讯天线701与清淤机器人8进行信息交互，将浮体703的实时位置发送给水下定位装置7。

清淤机器人8在工作过程中，绝对值编码器710实时检测钢丝709的长度，结合深度信息，通过计算获得浮体703与清淤机器人8参考位置点的位置关系，结合获取的浮体703位置，得到清淤机器人8在水池坐标系下的位置。

本发明为了获取清淤机器人8放入水下位置，需要知道清淤机器人8和已知棱镜702的位置偏差。

水下定位装置7的工作示意图如图1和图2所示，通过该水下定位装置7，结合全站仪3可以得到水下清淤机器人8的位置与已知棱镜702位置的偏差，从而得到水下清淤机器人8的实际位置，本装置要解决的重点是如何通过水下定位装置7得到位置偏差。

水下定位装置7的控制系统为：

主要包括控制器707、恒张力电机713、绝对值编码器710以及深度仪706。

实际工作时，水下定位装置7通过通讯天线701与岸基设备1进行通讯连接，获取棱镜702的位置，棱镜702与清淤机器人8的相对位置变化可以通过钢丝709长度变化计算得到，从而可以获取水下机器人7的实际位置。

水下定位装置7的具体结构为：

主要包括控制器707、恒张力电机713、绝对值编码器710、卷线盘716、钢丝709、浮体703、通讯天线701、深度仪706等。

恒张力电机713为水密电机，其为双出轴结构，恒张力电机713一轴装有绝对值编码器710，并封装在水密舱内，另一轴通过动密封连接卷线盘716。

恒张力电机713设置为恒扭矩输出模式，卷线盘716上各拉出钢丝709固定在浮体703上。

恒张力电机713通过设置合适的扭矩保证钢丝709始终保持一定的张力。

绝对值编码器710用于测得由于机器人移动产生的钢丝709长度的变化。

深度仪706用于获取清淤机器人8的深度信息。

在实际作业过程中：

水下定位装置7与清淤机器人8顶部箱体上表面安装连接，浮体703与清淤机器人8由于相对运动产生偏差，控制器707通过三根钢丝709的变化以及深度仪706的输出信息可以计算得到水下定位装置7参考点和浮体703的相对偏差。由于棱镜702装在浮体703的圆盘中心位置上，岸站设备通过全站仪3可以实时获取浮体703的位置，通过通讯天线701发给清淤机器人8的控制装置，从而可以实时获取清淤机器人8在水下的真实位置。

下面结合图5定位原理图来说明如何通过浮体703的位置获取水下清淤机器人8的位置。

假设清淤机器人8的箱体上三个恒张力电机713的出缆点的位置分别是A(X1，Y1，0)、B(X2,Y2,0)、C(X3,Y3,0)，建立空间直角坐标系，X、Y轴构成的平面为A、B、C三点构成的平面，Z轴垂直于该平面，指向深度方向。

T(X,Y,H)点坐标为浮体703与钢丝709连接点的位置，其在水平面内的投影与棱镜702在水平面的投影都为T’(X,Y,0)。

深度信息H可以通过深度传感器获得，L1、L2、L3为恒张力电机713放出的钢丝709的长度，可以通过绝对值编码器710计数获得，L1’、L2’、L3’为钢丝709在水平面内的投影。在清淤机器人8工作过程中，浮体703与清淤机器人8产生相对位置变化，由于电机的恒张力控制，三根钢丝709始终保持一定张力，清淤机器人8在水下作业过程中，浮体703可以在水面伴随运动。T’点的位置和与出缆点A、B、C位置关系可以用方程(1)、(2)、(3)分别表示。

(X-X₁)²+(Y-Y₁)²＝L₁ ²-H² (1)

(X-X₂)²+(Y-Y₂)²＝L₃ ²-H² (2)

(X-X₃)²+(Y-Y₃)²＝L₂ ²-H² (3)

A、B、C的点的位置关系为已知量，设置A点为清淤机器人8在系统中的参考位置，则可得B、C两点的位置。

通过方程组(1)、(2)、(3)既可得到参考点A点位置和T’点的唯一位置关系，从而得到清淤机器人8参考位置点和棱镜702的位置偏差关系。

棱镜702的坐标为试验水池坐标，棱镜702的位置通过全站仪3实时可得，进而可以通过坐标变换得到水下清淤机器人8在水池中的位置。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims

1.一种试验水池用清淤机器人水下定位装置，包括水池，所述水池的池壁（5）的底面设置有清淤机器人（8），其特征在于：所述清淤机器人（8）的顶面通过紧固件安装有水下定位装置（7）；

位于水池一旁岸上（4）安装有岸基设备（1），所述岸基设备（1）包含有电脑（2），与电脑（2）通过电缆连接的全站仪（3）；

水下定位装置（7）的结构为：包括底板（705），所述底板（705）上表面中心位置固定有两块间隔的定位板（708），两块定位板（708）之间安装有控制器（707），控制器（707）的上方安装有深度仪（706）；所述底板（705）的其中三个角处分别安装有恒张力机构（704），恒张力机构（704）的输出端设置有钢丝（709），位于控制器（707）的上方设置有浮体（703），三根钢丝（709）同时与浮体（703）连接，所述浮体（703）的顶面中心位置设置有棱镜（702），棱镜（702）一旁设置有通讯天线（701）。

2.如权利要求1所述的一种试验水池用清淤机器人水下定位装置，其特征在于：所述恒张力机构（704）的结构为：固定在底板（705）上的底座（717），所述底座（717）上安装有恒张力电机（713），恒张力电机（713）为双出轴结构，其中一轴通过联轴器（712）安装绝对值编码器（710），绝对值编码器（710）通过直角形的支架（711）支撑，支架（711）安装在底板（705）上，其中一轴安装卷线盘（716），卷线盘（716）上绕有钢丝（709）。

3.如权利要求2所述的一种试验水池用清淤机器人水下定位装置，其特征在于：恒张力电机（713）为水密电机。

4.如权利要求2所述的一种试验水池用清淤机器人水下定位装置，其特征在于：恒张力电机（713）的壳体顶部固定有支撑板（715），支撑板（715）上安装有过渡轮（714），钢丝（709）绕过过渡轮（714）。

5.如权利要求1所述的一种试验水池用清淤机器人水下定位装置，其特征在于：所述底板（705）的四个角处分别开有圆孔，圆孔处通过紧固件与清淤机器人（8）固定。

6.如权利要求1所述的一种试验水池用清淤机器人水下定位装置，其特征在于：所述浮体（703）浮于水面（6）上。

7.一种利用权利要求1所述的试验水池用清淤机器人水下定位装置的使用方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

第一步：将棱镜（702）安装在浮体（703）的中心位置；

第二步：将整个水下定位装置（7）安装于清淤机器人（8）的顶面；

第三步：将水下定位装置（7）和清淤机器人（8）一同吊放下水；

第四步：将浮体（703）浮出水面（6）；

第五步：恒张力电机（713）设置好合适的张力，让钢丝（709）保持固定的张力；

第六步：设置全站仪（3）为北-东坐标系，北东坐标系以试验水池水平面为 “X-Y”坐标平面；

第八步：全站仪（3）完成设置后，岸基设备（1）实时获取浮体（703）在水池中的位置；

假设清淤机器人（8）的箱体上三个恒张力电机（713）的出缆点的位置分别是A（X₁，Y₁，0）、B(X₂,Y₂,0)、C(X₃,Y₃,0)，建立空间直角坐标系，X、Y轴构成的平面为A、B、C三点构成的平面，Z轴垂直于该平面，指向深度方向；

T（X,Y,H）点坐标为浮体（703）与钢丝（709）连接点的位置，其在水平面内的投影与棱镜（702）在水平面的投影都为T’（X,Y,0）；

深度信息H通过深度传感器获得，L₁、L₂、L₃为恒张力电机（713）放出的钢丝（709）的长度，通过绝对值编码器（710）计数获得，L₁’、L₂’、L₃’为钢丝（709）在水平面内的投影，在清淤机器人（8）工作过程中，浮体（703）与清淤机器人（8）产生相对位置变化，由于电机的恒张力控制，三根钢丝（709）始终保持一定张力，清淤机器人（8）在水下作业过程中，浮体（703）在水面伴随运动；T’点的位置和与出缆点A、B、C位置关系可以用方程(1)、(2)、(3)分别表示；

(1)

(2)

(3)

A、B、C的点的位置关系为已知量，设置A点为清淤机器人（8）在系统中的参考位置，则可得B、C两点的位置；

通过方程组(1)、(2)、(3)即可得到参考点A点位置和T’点的唯一位置关系，从而得到清淤机器人（8）参考位置点和棱镜（702）的位置偏差关系；

棱镜（702）的坐标为试验水池坐标，棱镜（702）的位置通过全站仪（3）实时可得，进而可以通过坐标变换得到水下清淤机器人（8）在水池中的位置。

8.如权利要求7所述的试验水池用清淤机器人水下定位装置的使用方法，其特征在于：第五步中，浮体（703）的吃水高度为浮体（703）高度的一半。

9.如权利要求7所述的试验水池用清淤机器人水下定位装置的使用方法，其特征在于：岸基设备（1）通过通讯天线（701）与清淤机器人（8）进行信息交互，将浮体（703）的实时位置发送给水下定位装置（7）。

10.如权利要求7所述的试验水池用清淤机器人水下定位装置的使用方法，其特征在于：清淤机器人（8）在工作过程中，绝对值编码器（710）实时检测钢丝（709）的长度，结合深度信息，通过计算获得浮体（703）与清淤机器人（8）参考位置点的位置关系，结合获取的浮体（703）位置，得到清淤机器人（8）在水池坐标系下的位置。