CN207408808U

CN207408808U - 一种人工智能水下自主机器人

Info

Publication number: CN207408808U
Application number: CN201721216398.8U
Authority: CN
Inventors: 李金阳; 康逸群; 徐现强; 王宁; 麻文月
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-05-25
Anticipated expiration: 2027-09-21

Abstract

本实用新型公开了一种人工智能水下自主机器人，包括水下自主机器人主控系统、内部感知传感器系统、外部感知传感器系统、推进系统、供电系统和环境信息采集处理系统，内部感知传感器系统包括姿态传感器、位置传感器、速度传感器、电路板温度传感器和湿度传感器，外部感知传感器系统包括水质传感器、压强传感器、深度传感器和温度传感器，推进系统包括水下马达、螺旋桨、平衡舵板、导航声纳和避障声纳，供电系统包括栅极电池组、小型变压器和保险丝，环境信息采集处理系统包括热成像仪、高清网络摄像头、地图构建模块、动态路径规划模块和探照灯，该实用新型能够通过声纳避障、地图构建和动态路径规划，自主地完成复杂海洋环境中预定任务。

Description

一种人工智能水下自主机器人

【技术领域】

本实用新型涉及信息科学与系统科学领域，具体涉及一种人工智能水下自主机器人。

【背景技术】

海洋是人类发展的四大战略空间陆、海、空、天中继陆地之后的第2大空间,是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地,是最现实、最有发展潜力的空间,对我国经济与社会发展产生着直接、巨大的支撑作用，对海洋进行广泛深入的开发必将成为我国在21世纪的发展主题之一，作为人类探索和开发海洋的助手,水下自主机器人特别是智能水下自主机器人将在这一领域显示它们多方面的用途。

自主式水下自主机器人是新一代水下自主机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具，目前用于水下观测考察和开发的主要工具有ROV和AUV，ROV与水面母船之间由脐带电缆连接，脐带电缆既向下传输动力，又实时双向传输控制信号(由母船至ROV)和数据图像(由ROV至母船)，而AUV与母船之间则没有物理连接，它依靠自身携带的动力以及机器的智能自主航行，在发展ROV基础上的AUV 具有活动范围大、潜水深度大、无脐带纠缠、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持系统、占用甲板小、运行和维修费用低等优点，从而能更好实现水下自主勘察。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于针对现有技术及产品的缺陷和不足，提供一种将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上,在无人驾驶的情况下自主地完成复杂海洋环境中预定任务的基于OpenROV的水下自主机器人控制系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的，一种人工智能水下自主机器人，包括水下自主机器人主控系统、内部感知传感器系统、外部感知传感器系统、推进系统、供电系统和环境信息采集处理系统，所述内部感知传感器系统包括姿态传感器、位置传感器、速度传感器、电路板温度传感器和湿度传感器，所述外部感知传感器系统包括水质传感器、压强传感器、深度传感器和温度传感器，所述推进系统包括水下马达、螺旋桨、平衡舵板、导航声纳和避障声纳，所述水下马达设于水下自主机器人上部、下部及尾部两侧，外与螺旋桨连接，内与栅极电池组电性连接，所述平衡舵板设于水下自主机器人尾部，所述导航声纳及避障声纳设于水下自主机器人头部及尾部两侧，所述供电系统包括栅极电池组、小型变压器和保险丝，所述环境信息采集处理系统包括热成像仪、高清网络摄像头、地图构建模块、动态路径规划模块和探照灯，所述高清网络摄像头设于水下自主机器人头部中间，探照灯设于高清网络摄像头两侧，水下自主机器人两侧还分别设有右浮力调节舱和左浮力调节舱，整体呈流线型。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的水下自主机器人主控系统芯片基于PLC原理，采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的水下自主机器人主控系统中采用PID模糊控制，本质上是一种非线性控制，适于对难以建模的对象实施鲁棒性控制，最终控制形式简单，易于实现，既具有模糊控制灵活而适用性强的优点，又具有PID控制精度高的优点。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的电路板温度传感器采用红外温度传感器，测量快速加热的目标时响应时间短，精度高，能够及时检测出电路短路时温度的快速升高，检测电路温度是否高出电子元件所能承受的温度最高值，对内部电子元件起到保护作用。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的湿度传感器采用湿敏电容式，当相对湿度从0变化到100％时，电容量的变化范围是163pF～202pF，温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5％，响应时间为5s，灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小，通过检测水下自主机器人内部湿度判断是否进水，并提示使用者及时采取措施，避免水渗入内部而对内部电子元件造成损害。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的高清网络摄像头使用的是专业的CCD感光芯片，半球防护罩，防水并且耐高温低温，抑制强光、红外夜视，可以适应较恶劣的水下环境。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的温度传感器采用接触式低温温差电偶温度传感器，感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的导航声纳和避障声纳采用主动声纳，声呐主动发射声波"照射"目标，而后接收水中目标反射的回波时间，以及回波参数以测定目标的参数。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的水质传感器采用光纤传感器，由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，光纤传感器中光纤有纤芯、包层、树脂涂层和塑料保护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光线传感器将被测量的状态转变为可测的光信号。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的位置传感器采用光电式，由信号盘、信号发生器、配电器、传感器壳体和线束插头组成，在航位推算的基础上，利用光电式位置传感器对环境进行观测，并与环境地图进行匹配，从而实现机器人的精确定位。

作为本实用新型的优选技术方案，上述的水下自主机器人整体外层覆盖一层防水PUR材料，内部设有TPU发泡料，具有良好的防水性能，长期水下工作时整体框架不产生错位、扭绞及变形。

本实用新型的有益效果是：该实用新型将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上,在无人驾驶的情况下自主地完成复杂海洋环境中预定任务；利用导航声纳和避障声纳在水下恶劣的环境中自主规划路径，避开障碍物，保证了远程AUV能够顺利完成作业使命，还直接关系到机器人的自身安全；在OpenROV的远程控制以及 AUV的自主控制下，利用位置传感器和高清网络摄像头能够同时定位和地图构建；通过内部的电路板温度传感器和湿度传感器能保证内部电路板的正常工作，避免因短路或漏水而造成的电路板烧坏；通过外部的水质传感器、温度传感器、压强传感器和深度传感器，机器人可以对自身所在水域环境进行一系列高精度检测，自动化程度高，大量节省时间和人力。

【附图说明】

图1为本实用新型的控制原理图；

图2为本实用新型的ROV深度控制图；

图3为实用新型的的立体结构示意图。

附图标记说明：

1.水下自主机器人主控系统，2.内部感知传感器系统，201.姿态传感器， 202.位置传感器，203.速度传感器，204.电路板温度传感器，205.湿度传感器，3.外部感知传感器系统，301.水质传感器，302.压强传感器，303.深度传感器，304.温度传感器，4.推进系统，401.水下马达，402.螺旋桨，403. 平衡舵板，404.导航声纳，405.避障声纳，5.供电系统，501.栅极电池组， 502.小型变压器，503.保险丝，6.环境信息采集处理系统，601.热成像仪， 602.高清网络摄像头，603.地图构建模块，604.动态路径规划模块，605.探照灯，7.横斜角、深度协调控制器，8.右浮力调节舱，9.左浮力调节舱。

【具体实施方式】

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1至图3，本具体实施方式如下：一种人工智能水下自主机器人，包括水下自主机器人主控系统1、内部感知传感器系统2、外部感知传感器系统3、推进系统4、供电系统5和环境信息采集处理系统6，所述内部感知传感器系统2包括姿态传感器201、位置传感器202、速度传感器203、电路板温度传感器204和湿度传感器205，所述外部感知传感器系统3包括水质传感器301、压强传感器302、深度传感器303和温度传感器304，所述推进系统 4包括水下马达401、螺旋桨402、平衡舵板403、导航声纳404和避障声纳 405，所述水下马达401设于水下自主机器人上部、下部及尾部两侧，外与螺旋桨402连接，内与栅极电池组501电性连接，所述平衡舵板403设于水下自主机器人尾部，所述导航声纳404及避障声纳405设于水下自主机器人头部及尾部两侧，所述供电系统5包括栅极电池组501、小型变压器502和保险丝503，所述环境信息采集处理系统6包括热成像仪601、高清网络摄像头602、地图构建模块603、动态路径规划模块604和探照灯605，所述高清网络摄像头602设于水下自主机器人头部中间，探照灯605设于高清网络摄像头602 两侧，水下自主机器人两侧还分别设有右浮力调节舱8和左浮力调节舱9，整体呈流线型。

水下自主机器人主控系统1芯片基于PLC原理，采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

水下自主机器人主控系统1中采用PID模糊控制，本质上是一种非线性控制，适于对难以建模的对象实施鲁棒性控制，最终控制形式简单，易于实现，既具有模糊控制灵活而适用性强的优点，又具有PID控制精度高的优点。

电路板温度传感器204采用红外温度传感器，测量快速加热的目标时响应时间短，精度高，能够及时检测出电路短路时温度的快速升高，检测电路温度是否高出电子元件所能承受的温度最高值，对内部电子元件起到保护作用。

湿度传感器205采用湿敏电容式，当相对湿度从0变化到100％时，电容量的变化范围是163pF～202pF，温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5％，响应时间为5s，灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小，通过检测水下自主机器人内部湿度判断是否进水，并提示使用者及时采取措施，避免水渗入内部而对内部电子元件造成损害。

高清网络摄像头602使用的是专业的CCD感光芯片，半球防护罩，防水并且耐高温低温，抑制强光、红外夜视，可以适应较恶劣的水下环境。

温度传感器304采用接触式低温温差电偶温度传感器，感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

导航声纳404和避障声纳405采用主动声纳，声呐主动发射声波"照射" 目标，而后接收水中目标反射的回波时间，以及回波参数以测定目标的参数。

水质传感器301采用光纤传感器，由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，光纤传感器中光纤有纤芯、包层、树脂涂层和塑料保护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光线传感器将被测量的状态转变为可测的光信号。

位置传感器202采用光电式，由信号盘、信号发生器、配电器、传感器壳体和线束插头组成，在航位推算的基础上，利用光电式位置传感器对环境进行观测，并与环境地图进行匹配，从而实现机器人的精确定位。

水下自主机器人整体外层覆盖一层防水PUR材料，内部设有TPU发泡料，具有良好的防水性能，长期水下工作时整体框架不产生错位、扭绞及变形。

本实用新型的工作原理是：所述的水下自主机器人主控系统1分别对内部感知传感器系统2、外部感知传感器系统3、推进系统4、供电系统5和环境信息采集处理系统6进行控制，姿态传感器201、位置传感器202、速度传感器203、温度传感器304、水质传感器301、压强传感器302、深度传感器 303和高清网络摄像头602将各自所探测到的水下环境中的情况通过无线信号发送给OpenROV，在计算机上可以观察到各种经过处理的数据信息，导航声纳404和避障声纳405发出声纳信号，通过反馈的信号，经水下机器人主控系统1处理之后，控制水下马达401、螺旋桨402、平衡舵板403、右浮力调节舱8和左浮力调节舱9工作，可以自动避开障碍物，保护计算机自身安全。

于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：包括水下自主机器人主控系统(1)、内部感知传感器系统(2)、外部感知传感器系统(3)、推进系统(4)、供电系统(5)和环境信息采集处理系统(6)，所述内部感知传感器系统(2)包括姿态传感器(201)、位置传感器(202)、速度传感器(203)、电路板温度传感器(204)和湿度传感器(205)，所述外部感知传感器系统(3)包括水质传感器(301)、压强传感器(302)、深度传感器(303)和温度传感器(304)，所述推进系统(4)包括水下马达(401)、螺旋桨(402)、平衡舵板(403)、导航声纳(404)和避障声纳(405)，所述水下马达(401)设于水下自主机器人上部、下部及尾部两侧，外与螺旋桨(402)连接，内与栅极电池组(501)电性连接，所述平衡舵板(403)设于水下自主机器人尾部，所述导航声纳(404)及避障声纳(405)设于水下自主机器人头部及尾部两侧，所述供电系统(5)包括栅极电池组(501)、小型变压器(502)和保险丝(503)，所述环境信息采集处理系统(6)包括热成像仪(601)、高清网络摄像头(602)、地图构建模块(603)、动态路径规划模块(604)和探照灯(605)，所述高清网络摄像头(602)设于水下自主机器人头部中间，探照灯(605)设于高清网络摄像头(602)两侧，水下自主机器人两侧还分别设有右浮力调节舱(8)和左浮力调节舱(9)，整体呈流线型。

2.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述水下自主机器人主控系统(1)芯片基于PLC原理，采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术。

3.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述水下自主机器人主控系统(1)中采用PID模糊控制。

4.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述电路板温度传感器(204)采用红外温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述湿度传感器(205)采用湿敏电容式，电容量的变化范围是163pF～202pF，温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5％，响应时间为5s。

6.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述高清网络摄像头(602)使用的是专业的CCD感光芯片，半球防护罩。

7.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述温度传感器(304)采用接触式低温温差电偶温度传感器。

8.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述导航声纳(404)和避障声纳(405)采用主动声纳。

9.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述水质传感器(301)采用光纤传感器，由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，光纤传感器中光纤有纤芯、包层、树脂涂层和塑料保护套组成。

10.根据权利要求1所述的一种人工智能水下自主机器人，其特征在于：所述位置传感器(202)采用光电式，由信号盘、信号发生器、配电器、传感器壳体和线束插头组成。