CN220773445U - 一种水下作业机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下作业机器人控制系统，涉及水下作业机器人控制系统技术领域，包括机器人主体、操控主机、主控箱体、三维电子罗盘，深度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪，陀螺仪操控连接箱体、摄像头和LED照明灯，机器人主体是基于ARM架构的国产SoC和MCU组成的电子平台，操控主机贯穿机器人主体与操控主机固定连接有防水的电缆线，机器人主体内安装有驱动摄像头和LED照明灯垂直旋转度的驱动结构，且摄像头和LED照明灯在机器人主体的“上，下，左，右”四个中心表面均有设置，机器人主体远离摄像头和LED照明灯的对称表面设置有两组用于水下位移的螺旋桨，具备了提高操作的便捷性，检测控制的高精度，且降低成本的效果。

Description

一种水下作业机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及水下作业机器人控制系统技术领域，具体为一种水下作业机器人控制系统。

背景技术

无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。

目前，公知的水下作业机器人的操控软件系统操作不够简便，成本较高。大部分厂商上位机用基于x86的工控PC，而下位机则采用独立的单片机(MCU)或PLC，这样硬件成本比较高。同时无法接入多种传感器，并支持的传感器类型比较有限，水下复杂环境和噪声干扰比较大，带来的测量误差比较大，对水下摄像头成像质量也有很大影响，同时水下作业机器人的实时姿态测试精度差，这样无法充分反应水下机器人当前状态和周围水下环境，这样给水下机器人的操控带来比较多的不便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水下作业机器人控制系统，解决了上述背景技术中所提出的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种水下作业机器人控制系统，包括机器人主体、操控主机、主控箱体、三维电子罗盘，深度传感器、温度传感器、三轴陀螺仪，陀螺仪操控连接箱体、摄像头和LED照明灯，所述机器人主体是基于ARM架构的国产SoC和MCU组成的电子平台，所述操控主机贯穿所述机器人主体与所述操控主机固定连接有防水的电缆线，所述机器人主体内安装有驱动所述摄像头和所述LED照明灯垂直旋转度的驱动结构，且所述摄像头和所述LED照明灯在所述机器人主体的“上，下，左，右”四个中心表面均有设置，所述机器人主体远离所述摄像头和所述LED照明灯的对称表面设置有两组用于水下位移的螺旋桨，所述机器人主体的中心内部并与所述驱动结构隔开式连接有内腔体，所述主控箱体、三个所述三维电子罗盘、所述三轴陀螺仪和所述陀螺仪操控连接箱体分别固定安装于所述内腔体的内底壁上，所述三轴陀螺仪呈等三角状分布设置，所述深度传感器和所述温度传感器对称固定安装在所述机器人主体的上表面，所述机器人主体的下表面固定连接有稳固柱。

可选的，所述驱动结构包括有分别固定安装在所述机器人主体“上，下，左，右”四个中心内壁面的一组固定板，所述固定板的一侧表面固定安装有第一电机，所述第一电机的输出轴固定连接有贯穿另一侧所述固定板表面的丝杆，所述丝杆的螺纹面螺纹套设有套设座，所述套设座内铰接有铰接块，所述铰接块的上表面固定连接有连接柱，所述摄像头均固定连接在所述连接柱的上表面，所述套设座的另外两侧表面对称连接有铰接套杆，所述铰接套杆内均铰接有T型铰接杆，所述T型铰接杆的上表面均与所述机器人主体固定连接有转动轴，且所述转动轴的外轴部套设有与所述T型铰接杆固定连接的活动套杆，所述活动套杆均贯穿所述机器人主体的表面与所述LED照明灯呈固定连接式设置。

可选的，所述机器人主体的四个中心表面均贯穿开设有凹槽，所述凹槽的对称内槽面均开设有滑槽，所述滑槽内滑动设置有一组夹板，所述夹板之间夹设在所述连接柱的柱面，所述夹板的上下两侧表面均一体化连接有套设于所述连接柱外部的密封套。

可选的，所述机器人主体两侧对称表面固定连接有一组向外的斜杆，所述斜杆的一端内部固定安装有第二电机，所述第二电机的输出端与所述螺旋桨的转动端相连接。

可选的，所述深度传感器具体采用数字式MEMS压力传感器，所述摄像头均采用200W高清数字镜头，所述深度传感器和所述温度传感器连接到所述主控箱体的MCU，MCU读回深度传感器和所述温度传感器的测量信息，且传输时采用了ExtendedKalman滤波器。

可选的，所述LED照明灯具体为50W高亮照明灯，并采用灰度方差函数评估水下摄像头成像质量。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

一、本实用新型基于ARM架构的国产SoC和MCU所构建的一个水下机器人操控的电子平台，其硬件成本约为平常工控机、PLC架构的十分之一。MCU低功耗、低成本、小型化，适合与实用新型各类传感器结合使用。SoC用于操作主机的核心控制功能。

二、本实用新型通过水下作业机器人控制系统的操控系统和水下作业系统，实现了将水下图像信息传给水上操作平台的效果，复杂的水下环境和不适当的照明光源极可能导致水下摄像头成像质量不佳，本实用新型采用了一种基于自适应滤波的光源校正流程，经实际实验表明，本实用新型光源校正流程能极大提高水下图像成像质量，并通过回传的信息作为反馈，而数字式MEMS压力传感器式的深度传感器来进行地检测水深，与传统水深传感器相比，精度更高，抗干扰能力更强，方便对水下作业系统进行精确便捷的操控，进而完成水下作业。

另外，可以在水上的操控主机处设定作业环境范围内的期望深度、目标航向，操控系统发出前进、后退、左移、右移、上浮、下潜指令，让水下机器人到达预期位置，考虑到水下环境复杂，信号噪声大，本实用新型在获取、处理水下数据时，采用了ExtendedKalman滤波器，经实际实验表明，此方式进一步提高了控制系统的控制精度。

二、本实用新型采用三个三轴陀螺仪差分运算方式，提高了水下作业机器人姿态测试精度。

附图说明

图1为本实用新型结构的主视图；

图2为本实用新型结构的内部结构图；

图3为本实用新型结构的部分结构正视剖面图一；

图4为本实用新型结构的摄像头和LED照明灯驱动结构示意图；

图5为本实用新型结构的部分结构正视剖面图二；

图6为本实用新型结构的主控箱体的操控显示界面。

图中：1-机器人主体、2-操控主机、3-电缆线、4-内腔体、5-主控箱体、6-三维电子罗盘、7-陀螺仪操控连接箱体、8-三轴陀螺仪、9-深度传感器、10-温度传感器、11-斜杆、12-第二电机、13-螺旋桨、14-稳固柱、15-凹槽、16-滑槽、17-夹板、18-固定板、19-第一电机、20-丝杆、21-套设座、22-铰接块、23-连接柱、24-摄像头、25-铰接套杆、26-T型铰接杆、27-转动轴、28-活动套杆、29-LED照明灯、30-密封套。

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。

实施例一：

请参阅图1至图5，本实用新型提供一种技术方案：一种水下作业机器人控制系统，包括机器人主体1、操控主机2、主控箱体5、三维电子罗盘6，深度传感器9、温度传感器10、三轴陀螺仪8，陀螺仪操控连接箱体7、摄像头24和LED照明灯29，机器人主体1是基于ARM架构的国产SoC和MCU组成的电子平台，操控主机2贯穿机器人主体1与操控主机2固定连接有防水的电缆线3，机器人主体1内安装有驱动摄像头24和LED照明灯29垂直旋转90度的驱动结构，且摄像头24和LED照明灯29在机器人主体1的“上，下，左，右”四个中心表面均有设置，机器人主体1远离摄像头24和LED照明灯29的对称表面设置有两组用于水下位移的螺旋桨13，机器人主体1的中心内部并与驱动结构隔开式连接有内腔体4，主控箱体5、三个三维电子罗盘6、三轴陀螺仪8和陀螺仪操控连接箱体7分别固定安装于内腔体4的内底壁上，三轴陀螺仪8呈等三角状分布设置，深度传感器9和温度传感器10对称固定安装在机器人主体1的上表面，机器人主体1的下表面固定连接有稳固柱14，深度传感器9具体采用数字式MEMS压力传感器，摄像头24均采用200W高清数字镜头，深度传感器9和温度传感器10连接到主控箱体5的MCU，MCU读回深度传感器9和温度传感器10的测量信息，且传输时采用了ExtendedKalman滤波器，LED照明灯29具体为50W高亮照明灯，并采用灰度方差函数评估水下摄像头成像质量。

更为具体的来说，在本实施例中，首先，操作员启动操控主机2，将机器人主体1缓缓放入水下的同时，通过操控主机2与主控箱体5相连的电缆线3，令螺旋桨13进行相应方向和深度的水下位移，具体可在水上的操控主机2处设定作业环境范围内的期望深度、目标航向，主控箱体5的操控系统发出前进、后退、左移、右移、上浮、下潜指令，让机器人主体1到达预期位置，深度传感器9、温度传感器10连接到MCU，MCU读回深度传感器9、温度传感器10的测量信息，进行Kalman滤波，过滤信号噪音，读取传感器的修正系数，串口修正后的输出深度、温度信息传回给操控主机2，三个呈等边三角形设置的三轴陀螺仪8，陀螺仪操控连接箱体7将接收三个三轴陀螺仪8测得的俯仰角、偏航角、横滚角数值，进行差分运算，过滤信号噪音，通过串口传回给操控主机2。具体差分运算如下：

定义三个三轴陀螺仪8测量值分别为D1,D2,D3:本实用新型采用此运算得到的D值作为三轴陀螺仪8最终测量值。根据测量值，操控主机2在3d模型图中把水下机器人模型沿x轴、y轴、z轴做相应偏转，最后绘制出水下机器人实时姿态。

再有，驱动结构包括有分别固定安装在机器人主体1“上，下，左，右”四个中心内壁面的一组固定板18，固定板18的一侧表面固定安装有第一电机19，第一电机19的输出轴固定连接有贯穿另一侧固定板18表面的丝杆20，丝杆20的螺纹面螺纹套设有套设座21，套设座21内铰接有铰接块22，铰接块22的上表面固定连接有连接柱23，摄像头24均固定连接在连接柱23的上表面，套设座21的另外两侧表面对称连接有铰接套杆25，铰接套杆25内均铰接有T型铰接杆26，T型铰接杆26的上表面均与机器人主体1固定连接有转动轴27，且转动轴27的外轴部套设有与T型铰接杆26固定连接的活动套杆28，活动套杆28均贯穿机器人主体1的表面与LED照明灯29呈固定连接式设置，机器人主体1的四个中心表面均贯穿开设有凹槽15，凹槽15的对称内槽面均开设有滑槽16，滑槽16内滑动设置有一组夹板17，夹板17之间夹设在连接柱23的柱面，夹板17的上下两侧表面均一体化连接有套设于连接柱23外部的密封套30，机器人主体1两侧对称表面固定连接有一组向外的斜杆11，斜杆11的一端内部固定安装有第二电机12，第二电机12的输出端与螺旋桨13的转动端相连接。

值得说明的是，在对水下的图像进行监测的过程中，操作员可通过操控主机2控制四个方向的驱动结构进行灵活驱动监测，具体为根据需要启动固定板18上的第一电机19，第一电机19的输出轴带动丝杆20进行螺纹转动，套设座21受丝杆20的螺纹转动影响进行同一水平面的前后位移，位移的过程中，铰接块22在套设座21内进行铰接运动，并带动通过连接柱23所连接的摄像头24在凹槽15内进行90度范围内的监测角度调整，连接柱23在密封套30的密封效果下，也将带动夹板17在滑槽16内进行相应的密封滑动运动，与此同时，套设座21的位移也将同时带动两侧的铰接套杆25进行相应的位移，T型铰接杆26在铰接套杆25内进行相应的铰接运动，在转动轴27的定位转动下，通过活动套杆28，带动与之连接的LED照明灯29进行相应的90度调整，使其更适配于摄像头24各角度调整下的打光。

另外，通过水下作业机器人控制系统的操控系统和水下作业系统，实现了将水下图像信息传给水上操作平台的效果，复杂的水下环境和不适当的照明光源极可能导致水下摄像头24成像质量不佳，本实用新型采用了一种基于自适应滤波的光源校正流程，经实际实验表明，本实用新型光源校正流程能极大提高水下图像成像质量，并通过回传的信息作为反馈，而数字式MEMS压力传感器式的深度传感器9来进行地检测水深，与传统水深传感器相比，精度更高，抗干扰能力更强，方便对水下作业系统进行精确便捷的操控，进而完成水下作业。

本实用新型的光源校正模型定义如下：

O(x,y)θ1＝D(x,y)+B(x,y)θ2

其中定义摄像头24与LED照明灯29夹角θ1,LED照明灯29与成像平面夹角为θ2，O(x,y)是摄像头原图，D(x,y)是清晰图像，B(x,y)是噪声图像。本实用新型先把O(x,y)映射通过Fourier Transform映射到频率域，计算出灰度方差函数最大的θ1，处理出B(x,y)，则最终图像为O(x,y)θ1-B(x,y)θ2。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种水下作业机器人控制系统，包括机器人主体(1)、操控主机(2)、主控箱体(5)、三维电子罗盘(6)，深度传感器(9)、温度传感器(10)、三轴陀螺仪(8)，陀螺仪操控连接箱体(7)、摄像头(24)和LED照明灯(29)，其特征在于：所述机器人主体(1)是基于ARM架构的国产SoC和MCU组成的电子平台，所述操控主机(2)贯穿所述机器人主体(1)与所述操控主机(2)固定连接有防水的电缆线(3)，所述机器人主体(1)内安装有驱动所述摄像头(24)和所述LED照明灯(29)垂直旋转90度的驱动结构，且所述摄像头(24)和所述LED照明灯(29)在所述机器人主体(1)的“上，下，左，右”四个中心表面均有设置，所述机器人主体(1)远离所述摄像头(24)和所述LED照明灯(29)的对称表面设置有两组用于水下位移的螺旋桨(13)，所述机器人主体(1)的中心内部并与所述驱动结构隔开式连接有内腔体(4)，所述主控箱体(5)、三个所述三维电子罗盘(6)、所述三轴陀螺仪(8)和所述陀螺仪操控连接箱体(7)分别固定安装于所述内腔体(4)的内底壁上，所述三轴陀螺仪(8)呈等三角状分布设置，所述深度传感器(9)和所述温度传感器(10)对称固定安装在所述机器人主体(1)的上表面，所述机器人主体(1)的下表面固定连接有稳固柱(14)。

2.根据权利要求1所述的一种水下作业机器人控制系统，其特征在于：所述驱动结构包括有分别固定安装在所述机器人主体(1)“上，下，左，右”四个中心内壁面的一组固定板(18)，所述固定板(18)的一侧表面固定安装有第一电机(19)，所述第一电机(19)的输出轴固定连接有贯穿另一侧所述固定板(18)表面的丝杆(20)，所述丝杆(20)的螺纹面螺纹套设有套设座(21)，所述套设座(21)内铰接有铰接块(22)，所述铰接块(22)的上表面固定连接有连接柱(23)，所述摄像头(24)均固定连接在所述连接柱(23)的上表面，所述套设座(21)的另外两侧表面对称连接有铰接套杆(25)，所述铰接套杆(25)内均铰接有T型铰接杆(26)，所述T型铰接杆(26)的上表面均与所述机器人主体(1)固定连接有转动轴(27)，且所述转动轴(27)的外轴部套设有与所述T型铰接杆(26)固定连接的活动套杆(28)，所述活动套杆(28)均贯穿所述机器人主体(1)的表面与所述LED照明灯(29)呈固定连接式设置。

3.根据权利要求2所述的一种水下作业机器人控制系统，其特征在于：所述机器人主体(1)的四个中心表面均贯穿开设有凹槽(15)，所述凹槽(15)的对称内槽面均开设有滑槽(16)，所述滑槽(16)内滑动设置有一组夹板(17)，所述夹板(17)之间夹设在所述连接柱(23)的柱面，所述夹板(17)的上下两侧表面均一体化连接有套设于所述连接柱(23)外部的密封套(30)。

4.根据权利要求3所述的一种水下作业机器人控制系统，其特征在于：所述机器人主体(1)两侧对称表面固定连接有一组向外的斜杆(11)，所述斜杆(11)的一端内部固定安装有第二电机(12)，所述第二电机(12)的输出端与所述螺旋桨(13)的转动端相连接。

5.根据权利要求1所述的一种水下作业机器人控制系统，其特征在于：所述深度传感器(9)具体采用数字式MEMS压力传感器，所述摄像头(24)均采用200W高清数字镜头，所述深度传感器(9)和所述温度传感器(10)连接到所述主控箱体(5)的MCU，MCU读回深度传感器(9)和所述温度传感器(10)的测量信息，且传输时采用了ExtendedKalman滤波器。

6.根据权利要求5所述的一种水下作业机器人控制系统，其特征在于：所述LED照明灯(29)具体为50W高亮照明灯，并采用灰度方差函数评估水下摄像头成像质量。