CN116495145A - 一种多模态抗扰动水下监视机器人 - Google Patents

一种多模态抗扰动水下监视机器人 Download PDF

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CN116495145A CN202310693782.0A CN202310693782A CN116495145A CN 116495145 A CN116495145 A CN 116495145A CN 202310693782 A CN202310693782 A CN 202310693782A CN 116495145 A CN116495145 A CN 116495145A
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唐磊生
杨成林
方圆力
魏丹妮
韩懿洁
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Abstract

本发明公开了一种多模态抗扰动水下监视机器人，包括机器人主体以及设置在机器人主体上的两个垂直推进器、两个水平推进器、两个仿生翼、一个控制舱和一个电子舱；机器人本体由底板、上盖板和侧板组成；两个仿生翼安装在机器人主体的左右侧板上，仿生翼上设有挂载推进器；控制舱设置在机器人主体的前端，电子舱设置在机器人主体的后端，控制舱和电子舱内设有多个环境感知传感器，电子舱和控制舱之间通过信号传输线实现传感器信息、控制信号及能源的互相传输；控制舱用于控制垂直推进器、水平推进器和挂载推进器，实现机器人在水下的潜浮、转向和水平运动。本发明具备主被动抗扰动能力，且在水下具备多种监视作业模态，以适应不同的作业环境。

Description

一种多模态抗扰动水下监视机器人
技术领域
本发明属于水下机器人领域，尤其是涉及一种多模态抗扰动水下监视机器人。
背景技术
多模态水下监视机器人利用水下机器人设计技术，通过设计模块化组件、控制组件、视觉组件和传感器组件等部件，并优化机器人外形，完成水下游动作业模式和主被动抗扰动作业设计。
多模式水下视觉监视机器人借鉴仿生学相关技术，加装仿生翼，模仿水下生物系统结构、运动特性、运动机理来指导水下机器人的相关研制工作，设计包含机械、运动控制元器件、作业元器件和环境感知传感器等综合系统，从外形结构、运动特性和运动机理等方面与水下生物形态特征相类似，能够在未知环境领域下准确完成所部署的作业任务。因此在开展多模态水下监视机器人设计工作中，借鉴仿生学，以推动利用科技实现改造自然的发展，辅助人类进行相关的作业，为人类社会发展带来巨大的经济利益。
蝠鲼身体扁平，体呈菱形，体长可达8米，体重可达1吨以上。蝠鲼具有强大的胸鳍，通过胸鳍的波动运动来产生前进的推力。蝠鲼不仅拥有高效的巡游性能，其机动性也非常强，可以快速灵活地实现原地转向。仿蝠鲼机器人是基于蝠鲼生物外形，但加装特殊的机械结构，使机器人在水下能够具备高机动性。该机器人借鉴蝠鲼胸鳍的外形结构，设计半刚性半柔性运动翼，以在高速运动下实现机器人的快速上浮和下潜运动；通过在运动翼下挂载推进器为机器人提供前进的动力和高效转向机制，同时还具备高隐蔽性，能够很好的融入环境，对周围环境影响较小。该类机器人可搭载摄像头、传感器等水下感知和探测设备，能够在水下进行高效独立作业，实现水下高隐蔽性的感知和探测作业。
现有的蝠鲼机器人主要由中间的躯干和两侧的柔性胸鳍组成，如公布号为CN102923286A的中国专利文献公开的一种基于智能材料IPMC的仿蝠鲼水下航行器，公布号为CN209142363U的中国专利文献公开的模拟胸鳍系统以及仿生水下机器人，公布号为CN209905021U的中国专利文献公开的仿蝠鲼的水陆两栖水下机器人。不足之处在于，现有的蝠鲼机器人能实现基本的水下运动能力，但具备水下高效运动和搭载载荷能力的机器人很少。机器人主要是通过浮力调节机构或者尾舵对机器人的俯仰角进行调节，进而实现上浮、下潜运动能力。但浮力调节机构体积较大，对机器人俯仰角控制缓慢。而通过尾舵控制机器人的俯仰角会影响机器人的整体水动力，对机器人运动控制系统要求较高。
发明内容
本发明提供了一种多模态抗扰动水下监视机器人，具备主被动抗扰动能力，且在水下具备多种监视作业模态，以适应不同的作业环境。
一种多模态抗扰动水下监视机器人，包括轴对称结构的机器人主体以及设置在机器人主体上的两个垂直推进器、两个水平推进器、两个仿生翼、一个控制舱和一个电子舱；
所述的机器人本体由底板、上盖板和侧板固定而成；其中，两个仿生翼安装在机器人主体的左侧板和右侧板上，仿生翼上均设有挂载推进器；
控制舱设置在机器人主体的前端位置，电子舱设置在机器人主体的后端位置，控制舱和电子舱内设有多个环境感知传感器，电子舱和控制舱之间通过信号传输线实现传感器信息、控制信号及能源的互相传输；所述的控制舱用于控制垂直推进器、水平推进器和挂载推进器，实现机器人在水下的潜浮、转向和水平运动。
进一步地，所述仿生翼包括相互连接的固定安装板、推进器支撑板及三级固定翼支撑架；所述的固定安装板与机器人主体的侧板固定，所述的推进器支撑板上安装有挂载推进器，三级固定翼支撑架上设有翼硅胶膜及末端柔性翼；
所述的三级固定翼支撑架分别与机器人主体上的多个步进电机对应连接，通过步进电机调节仿生翼的角度。
进一步地，所述的挂载推进器安装在仿生翼的下方，在步进电机调节两个仿生翼的角度或者控制两个仿生翼同步拍动的同时，带动挂载推进器作业角度调整，以实现高效的运动。
步进电机控制两个仿生翼同步拍动的具体策略如下：
拟合得到的单边仿生翼的推力关系式：
FT＝c0U+c1+(c2U+c3)cos(ωt)+(c4U+c5)sin(ωt)
其中，FT为推力，U为来流速度，c0、c1、c2、c3、c4、c5为拟合系数；
其两侧角度编码器获取的角度差值作为PID的输入量，通过控制驱动电机PWM波频率调节电机转速，进而降低编码器两角度差值，公式为:
DC＝kpθe+kidθe+kd∫dθe
其中，DC为两个步进电机占空比的差值，kp、ki、kd分别为比例、积分和微分系数，θe为两边仿生翼的角度差值。
进一步地，所述机器人主体的底板和上盖板之间通过垂直导流罩及螺栓固定连接，底板、上盖板与侧板之间通过螺栓固定连接；所述的电子舱和控制舱设置在底板与上盖板之间设置的支架上。
进一步地，所述的底板、上盖板和侧板均采用多孔板结构，用于减少机器人在水下运动时的扰动。
进一步地，所述的环境感知传感器包括双目相机、深度相机和云台相机，其中，所述的双目相机和深度相机设置在控制舱的前侧，用于实现机器人前方环境的感知和监视；所述的云台相机设置在电子舱后侧，用于实现对机器人后方环境的感知和监视；所述的双目相机、深度相机和云台相机的外部设有玻璃球罩。
进一步地，两个垂直推进器呈左、右两侧对称设置在机器人主体的两个垂直导流罩内，两个仿生翼对称分布在机器人主体的两侧，两个垂直推进器及两仿生翼可同时或分布式用于产生垂直推力以及俯仰力矩；
两个水平推进器对称设置在机器人主体两侧壁的水平导流罩内，两个挂载推进器对称放置在机器人主体两侧，水平推进器、仿生翼和挂载推进器可同时或分布式产生水平推力。
本发明中，双垂直和双水平推进器分别垂直和水平安装到导流道位置中，呈左右对称分布，可为机器人提供水平方向的推力以及调节机器人潜浮的垂直推力。仿生翼由刚性和柔性两部分组成，在刚性部分由固定安装板、推进器支撑板及三级固定翼支撑架等组成，刚性部分和柔性部分填充材料主要由橡胶、塑料等具备一定弹性的柔性材料组成，具有一定的拉伸变形能力。挂载推进器通过螺栓连接，将推进器挂载到仿生翼下方，在步进电机调节翼角度的同时，带动挂载推进器作业角度调整，以实现高效的运动。
机器人在游动作业模式时，不加装仿生翼，当两水平推进器正向推进时，可实现前进运动；当两水平推进器反向推进时，可实现后退运动；当两水平推进器动力不一致时，可实现转向运动；当两垂直推进器正向推进时，机器人头部向下，机器人实现下潜运动；当两垂直推进器反向推进时，机器人头部向上，机器人实现上浮运动。
机器人在加装仿生翼游动作业模式时，在游动作业模式下加装两侧的翼，机器人前向运动可依靠两水平推进器推动，亦可通过翼的滑翔实现，滑翔时速度较慢；机器人转向可依靠两水平推进器差速运动实现，亦可通过翼转角实现；机器人潜浮可依靠两垂直推进器实现，亦可调整翼转角实现，但是在机器人高速运动两垂直推进器失效或垂直推进器故障时，靠仿生翼转角实现机器人的潜浮运动；在仿生翼的作用下，可实现机器人水下低速滑翔抵近作业，以此来提高机器人水下运动的稳定性，提高机动性和容错性。
机器人在加装仿生翼与推进器游动作业模式时，机器人前向运动可依靠两水平推进器、仿生翼滑翔和两翼挂载推进器实现，多种运动模式，可实现机器人前进运动的高效性，并进一步提升机器人机动速度；机器人潜浮可依靠两垂直推进器、仿生翼转角和挂载推进器实现，在挂载推进器的配合下，可提高潜浮作业的速度和效率；机器人转向可依靠两水平推进器差速、仿生翼转角和挂载推进器转角等模式实现，在挂载推进器的加持下，减小了转向半径，提高机器人在水下的机动性能；挂载推进器可为机器人在两水平和两垂直推进器实现前进、潜浮、转向等状态下提供动力加持，提高作业效率和速度，也可利用仿生翼及挂载推进器在不借助两水平和两垂直推进器状态下，实现机器人前进、潜浮、转向等作业，提高机器人作业效率、机动性和容错性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的机器人在底板、顶盖、左右侧板等部件上都加装扰流多孔介质，可在运动过程中，对于前向流和侧向流进行吸收抵消，以此来降低流对机器人运动的扰动，使机器人能够实现预期的运动。
2、本发明的机器人通过两水平推进器、两垂直推进器、两仿生翼及两挂载推进器，可单独或多模式作用调节机器人俯仰角，高效灵活的控制机器人实现上浮下潜运动；同时借助仿生翼和推进器可实现多模式转向，提高机器人转向效率，减小转向半径；机器人借助仿生翼亦可实现水下低速滑翔运动，实现对目标物的近距离观察作业；各运动部件的配合，亦可实现机器人的水下悬停监视和观测作业。
附图说明
图1为本发明实施例一种多模态抗扰动水下监视机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例中游动作业模式的结构示意图；
图3为本发明实施例中加装仿生翼时游动作业模式的结构示意图；
图4为本发明实施例中加装仿生翼与推进器时游动作业模式的结构示意图；
图5为本发明实施例中底板及舱内布局的结构示意图；
图6为本发明实施例中仿生翼的结构示意图；
图7为本发明实施例中顶板的结构示意图；
图8为本发明实施例的机器人系统结构图；
图9为本发明实施例的机器人执行系统框图；
图10为本发明实施例的机器人左右翼同步拍动控制策略图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种多模态抗扰动水下监视机器人，包括机器人主体1、控制舱2、右侧翼3、电子舱4和左侧翼5。
如图2～4所示，机器人主体1为轴对称结构，主要包括右侧垂直推进器6、右侧板7、上盖板8、后侧板9、右侧水平推进器10、信号接收天线11、左侧水平推进器12、左侧板13、机器人右侧把手14、机器人左侧把手15、底板16、左侧垂直推进器17、左侧照明灯支撑板18、左侧照明灯19、右侧照明灯支撑板20、右侧照明灯21、机器人盖板后侧定位渗水孔23、左右侧板定位与渗水孔24、左右侧板翼定位安装板25、左侧照明灯支撑板渗水孔27、机器人盖板前侧定位渗水孔28和右侧照明灯支撑板渗水孔29。
机器人的两个仿生翼主要由：右侧翼硅胶膜22、左侧翼硅胶膜26、右侧翼推进器支撑板30、右侧翼挂载推进器31、左侧翼推进器支撑板32、左侧翼挂载推进器33等组成。
机器人底板及舱内布局的结构如图5所示，机器人底板主要由控制舱支撑板41、右侧垂直推进器导流罩43、步进电机定位孔及渗水孔44、左侧垂直推进器导流罩52、机器人前侧配重块和浮力材定位板53、电子舱前侧定位支撑架45、电子舱后侧定位支撑架46等组成，通过控制舱支撑板41对控制舱起支撑作用，固定右侧垂直推进器导流罩43和左侧垂直推进器导流罩52，固定电子舱前侧定位支撑架45、电子舱后侧定位支撑架46。电子舱4主要由电子舱玻璃球罩47、电子舱中云台相机48、机器人底层控制驱动板49、电子舱电池50、电子舱穿线螺丝51和深度传感器66等组成；控制舱2主要由控制舱穿线螺丝54、顶层控制板55、双目监测相机56、深度相机57、控制舱电池58等组成。信号传输线通过电子舱穿线螺丝51和控制舱穿线螺丝54实现信号的连接互通，实现传感器信息、控制信号、能源的互相传输。
机器人的仿生翼的结构如图6所示，其主要由固定安装板34、固定翼一级支撑架35、固定翼二级支撑架36、推进器支撑板37、固定翼三级支撑架38、翼挂载推进器支撑板39、翼末端柔性部分40等组成，通过推进器支撑板37将固定安装板34、固定翼一级支撑架35、固定翼二级支撑架36和固定翼三级支撑架38相连接，并通过注塑的形式完成右侧翼硅胶膜22、左侧翼硅胶膜26和翼末端柔性部分40制作。
机器人的盖板如图7所示，其主要由控制舱固定板59、盖板配重块和浮力材固定板60，盖板右侧垂直推进器导流罩固定孔61、机器人把手安装板62、信号接收天线固定板63、盖板开窗64和盖板左侧垂直推进器导流罩固定孔65等组成。通过螺栓将底板上的右侧垂直推进器导流罩43、左侧垂直推进器导流罩52、盖板右侧垂直推进器导流罩固定孔61和盖板左侧垂直推进器导流罩固定孔65固定安装，并起到连接底板和盖板的作用，并实现对控制舱2的支撑作用。通过螺栓可将机器人左右侧把手14、15和机器人把手安装板62安装，将信号接收天线11和信号接收天线固定板63连接。
机器人右侧板7和左侧板13的结构相同，其上的侧板定位与渗水孔24、左右侧翼定位安装板25的结构布局一致，其通过螺栓与上盖板8、底板16、后侧板9、左侧照明灯支撑板18和右侧照明灯支撑板20连接，右侧水平推进器10和左侧水平推进器12通过螺栓分别固定安装在右侧板7和左侧板13上，左侧照明灯19、右侧照明灯21通过螺栓与左右两侧照明灯支撑板18、20连接，整体组合结构如图2所示。
以下以机器人前进方向为参考，对机器人各模态作业时，各部件功能实现进行说明：
如图2所示，水下游动作业模式：机器人通过左右两侧垂直推进器产生的正反推力，使机器人产生一定的俯仰力矩，调整机器人在水下的俯仰角，以实现机器人在水下的上浮下潜作业，并在左右两侧水平推进器产生的水平推力作用下，实现机器人在水下的高速机动和快速潜浮作业；通过减小右侧水平推进器的推力，加大左侧水平推进器的推力，实现机器人在水下向右转向的功能，相反可实现机器人在水下实现左转向的功能；以此来实现机器人在水下的游动作业。
如图3所示，水下加装仿生翼游动作业模式：在机器人左右侧板上安装机器人的左右翼，仿生翼可实现-90°～90°范围内的转动。机器人在具备水下游动作业功能的情况下，翼的作用加强了机器人在水下的潜浮作业能力，通过大角度调整翼的倾斜角度，并在左右两侧垂直推进器共同作用下，加快了机器人在水下的潜浮作业速度和机动性；并可实现机器人高速运动时左右两侧垂直推进器失效的情形下，可利用机器人的左右翼倾角的变化实现机器人在水下的快速潜浮作业；机器人的水下转向能力，可利用游动作业模式下左右侧水平推进器的差速实现转向，亦可通过小角度调整翼倾角快速实现机器人在水下的转向能力；通过在机器人两侧加装仿生翼，可提高水下机器人在水下运动的机动性能。
如图4所示，水下加装翼与推进器游动作业模式：在机器人左右侧翼上加装左右侧翼挂载推进器，机器人在加装翼的情形下挂载翼推进器，加强机器人在水下的机动性和容错性，提高前进与后退能力、提高潜浮能力，可大大减小水下转向半径，以此来提高水下的机动能力，及作业环境适应性，增加隐蔽作业能力。机器人的潜浮能力实现方案：(1)左右两侧垂直推进器产生的正反推力实现；(2)左右两侧垂直推进器正反推力加翼的倾角实现；(3)左右侧翼及加装的左右侧翼挂载推进器，通过调整翼角度及推进器的推力实现(可在左右两侧垂直推进器失效的情形下使用；(4)通过左右两侧垂直推进器推力调整、左右侧翼倾角调整和左右侧翼挂载推进器推力共同作用下，可提高机器人在水下的潜浮机动性。机器人的水下转向实现方案：(1)左右侧水平推进器的差速实现转向；(2)左右侧水平推进器差速加左右侧翼倾角实现转向；(3)左右侧翼挂载推进器差速实现转向；(4)左右侧翼倾角加左右侧翼挂载推进器差速实现转向；(5)左右侧水平推进器差速、左右侧翼倾角加左右侧翼挂载推进器差速共同作用实现机器人在水下的快速转向。机器人在水下的水平运动实现方案：(1)左右侧水平推进器推力作用实现水下运动；(2)左右侧翼转角变化实现机器人水下滑翔运动；(3)左右侧翼挂载推进器推力实现水下运动；(4)左右侧水平推进器推力及左右侧翼挂载推进器推力共同作用实现机器人水下高效运动。水下加装翼与推进器游动作业模式可大幅度提高机器人在水下的潜浮、转向和运动能力及机动性能，更有利于水下监视任务的执行。
机器人水下抗扰动功能：机器人在水下运动经常会受到水下暗流和扰流的影响，为减少扰动对机器人运动的影响，通过在机器人前段加装左侧照明灯支撑板渗水孔27、右侧照明灯支撑板渗水孔29、左侧板13、右侧板7开多孔板，在底板和盖板开多孔板，利用所设计的多孔板可降低前进阻力并减小前向扰动，利用左右侧板的多孔板，并利用左右侧水平推进器的作用，实现对左右两侧扰动的减小及消除，以减少和消除机器人在水下运动时的扰动。
多种监视作业模态：为实现机器人的水下监视能力及环境感知能力，在机器人上加装深度传感器66实现机器作业深度的感知，亦可加装其它环境传感器，可挂载在上盖板8和底板16上的多孔板及定位板上。在进行水下环境监视和感知时通过调整左侧照明灯19和右侧照明灯21的亮度，可实现对水下环境的照明，利用双目相机56和深度相机57可实现机器人前方环境的感知和监视，可在顶层控制器55上跑目标识别算法，利用通过双目相机可对水下目标进行识别和跟踪；利用电子舱后方的云台相机48可实现对机器人后方环境的感知和监视，以此来提高机器人在水下对环境的感知和监视能力。
机器人系统结构如图8所示，主要介绍控制舱与电子舱各自舱内布局及相互连接方式，并说明各部件的信号传输电缆及外部接口等信息。
机器人执行系统框图如图9所示，其主要由布放阶段、顶层控制中心、多模式作业、多模式监视和回收阶段等组成，系统说明了相互之间的指令/信息传输路径，及各单元内组成状态。
机器人左右翼同步拍动控制策略，如图10所示，根据拟合得到的单边翼推力关系式：
FT＝c0U+c1+(c2U+c3)cos(ωt)+(c4U+c5)sin(ωt)
其中，FT为推力，U为来流速度，c0、c1、c2、c3、c4、c5为拟合系数。
其两侧角度编码器获取的角度差值作为PID的输入量，通过控制驱动电机PWM波频率调节电机转速，进而降低编码器两角度差值，公式为:
DC＝kpθe+kidθe+kd∫dθe
其中DC为两个步进电机占空比的差值，kp、ki、kd分别为比例、积分和微分系数，θe为两边仿生翼的角度差值。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，包括轴对称结构的机器人主体以及设置在机器人主体上的两个垂直推进器、两个水平推进器、两个仿生翼、一个控制舱和一个电子舱；
所述的机器人本体由底板、上盖板和侧板固定而成；其中，两个仿生翼安装在机器人主体的左侧板和右侧板上，仿生翼上均设有挂载推进器；
控制舱设置在机器人主体的前端位置，电子舱设置在机器人主体的后端位置，控制舱和电子舱内设有多个环境感知传感器，电子舱和控制舱之间通过信号传输线实现传感器信息、控制信号及能源的互相传输；所述的控制舱用于控制垂直推进器、水平推进器和挂载推进器，实现机器人在水下的潜浮、转向和水平运动。
2.根据权利要求1所述的多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，所述仿生翼包括相互连接的固定安装板、推进器支撑板及三级固定翼支撑架；所述的固定安装板与机器人主体的侧板固定，所述的推进器支撑板上安装有挂载推进器，三级固定翼支撑架上设有翼硅胶膜及末端柔性翼；
所述的三级固定翼支撑架分别与机器人主体上的多个步进电机对应连接，通过步进电机调节仿生翼的角度。
3.根据权利要求2所述的多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，所述的挂载推进器安装在仿生翼的下方，在步进电机调节两个仿生翼的角度或者控制两个仿生翼同步拍动的同时，带动挂载推进器作业角度调整，以实现高效的运动。
4.根据权利要求3所述的多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，步进电机控制两个仿生翼同步拍动的具体策略如下：
拟合得到的单边仿生翼的推力关系式：
FT＝c0U+c1+(c2U+c3)cos(ωt)+(c4U+c5)sin(ωt)
其中，FT为推力，U为来流速度，c0、c1、c2、c3、c4、c5为拟合系数；
其两侧角度编码器获取的角度差值作为PID的输入量，通过控制驱动电机PWM波频率调节电机转速，进而降低编码器两角度差值，公式为:
DC＝kpθe+kidθe+kd∫dθe
其中，DC为两个步进电机占空比的差值，kp、ki、kd分别为比例、积分和微分系数，θe为两边仿生翼的角度差值。
5.根据权利要求1所述的多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，所述机器人主体的底板和上盖板之间通过垂直导流罩及螺栓固定连接，底板、上盖板与侧板之间通过螺栓固定连接；所述的电子舱和控制舱设置在底板与上盖板之间设置的支架上。
6.根据权利要求1所述的多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，所述的底板、上盖板和侧板均采用多孔板结构，用于减少机器人在水下运动时的扰动。
7.根据权利要求1所述的多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，所述的环境感知传感器包括双目相机、深度相机和云台相机，其中，所述的双目相机和深度相机设置在控制舱的前侧，用于实现机器人前方环境的感知和监视；所述的云台相机设置在电子舱后侧，用于实现对机器人后方环境的感知和监视；
所述的双目相机、深度相机和云台相机的外部设有玻璃球罩。
8.根据权利要求1所述的多模态抗扰动水下监视机器人，其特征在于，两个垂直推进器呈左、右两侧对称设置在机器人主体的两个垂直导流罩内，两个仿生翼对称分布在机器人主体的两侧，两个垂直推进器及两仿生翼同时或分布式用于产生垂直推力以及俯仰力矩；
两个水平推进器对称设置在机器人主体两侧壁的水平导流罩内，两个挂载推进器对称放置在机器人主体两侧，水平推进器、仿生翼和挂载推进器同时或分布式产生水平推力。
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