CN105539779A - 便携式水下航拍无人遥控潜水器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式水下航拍无人遥控潜水器及其控制方法，该潜水器包括：主筒、方向调节机构、推进机构、控制模块和采像模块，其中：控制模块、采像模块和方向调节机构设置于主筒前端，推进机构设置于主筒后端，主筒内设有浮力块，以使所述主筒在水中自然保持垂直状态，采像模块、方向调节机构和推进机构都与控制模块相连，本发明不需要观星导航元件等设备，成本较低，且整体形状为筒状，直径小便于旅行携带。在水体内时，重心在头部，能够在水体中自然保持垂直状态，利用中立于浮力的差值，提供其下沉运动所需的动力，能够节省电力。

Description

便携式水下航拍无人遥控潜水器及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种无人遥控潜水器领域的技术，具体是一种便携式水下航拍无人遥控潜水器及其控制方法。

背景技术

无人遥控潜水器(RemoteOperatedVehicle，ROV)是用于水下观测、检查和施工的水下机器人。ROV在海洋工程应用领域应用广泛，具有功能多、作业深度大的优点，作业时通常由一母船将其运载到工作海域，然后通过脐带缆将ROV放入海中进行指定作业。在民用领域，特别是作为水下娱乐设备方面，如水下航拍、水下探险，ROV应具有体积小、灵活和便携等特点，传统工业领域的ROV成本太高、体积大，显然不适用于民用领域。而现有的应用于水下航拍、水下探险方面的微型ROV较少，且结构复杂、体积大、成本高，不利于携带和操控，阻碍了微型ROV在水下娱乐、水下航拍以及水下探险等领域的推广应用。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献CN102126544A，公开日为2011年07月20日，公开了一种能够在水中进行全方位侦测及自主航行的水中自航式全方位整侦测器，属于水中航行器领域，该装置包括摄像头、照明灯、摄像头云台、控制计算机、锂电池组、电机及减速器组件、右舵面、右电动舵机、运动控制器、泵喷推进器、数据传输线、放线器、动力轴、花键套筒、左电动舵机、左舵面、铝壳体、深度传感器、惯性测量单元、无线传输电台、通信模块、透光防护罩、GPS接收机。但该装置结构复杂，使用了如惯性测量元件、GPS接收机等较昂贵的传感器，成本较高，且体积较大、质量较重，不利于携带，不适用于水下娱乐设备领域。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种便携式水下航拍无人遥控潜水器及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种便携式水下航拍无人遥控潜水器，包括：主筒、方向调节机构、推进机构、控制模块和采像模块，其中：控制模块、采像模块和方向调节机构设置于主筒前端，推进机构设置于主筒后端，主筒内设有浮力块以使该主筒在水中能够自然保持垂直状态，控制模块分别和采像模块、方向调节机构、推进机相连。

所述的控制模块接收整个装置在水体中的状态信息，即当前深度值和电池电量信息，通过接收水面操控指令，向方向调节机构、推进机构以及采像模块发出控制命令；控制模块读取当前深度值，通过定深闭环控制，向推进机构发出悬停、上升和下降指令。

所述的定深闭环控制是指：其中：u(t)为算法产生的输入控制值，K_P、K_I和K_D分别为比例系数、积分系数、微分系数，E(t)为设备的深度误差；E(t)＝H_d-H_in(t)，H_d为设定的悬停深度，H_in(t)为本装置在水体中当前深度值。

所述的主筒为薄壁圆筒，优选为PCV材料或亚克力材料制成。

所述的浮力块为圆环形，优选为泡沫材料制成。

所述的推进机构包括：套有整流罩的螺旋桨和导流罩，其中：螺旋桨设置于所述主筒后端，导流罩设置于螺旋桨和主筒之间，螺旋桨通过传动轴与设置于主筒内的电机相连，电机通过上安装板设置于主筒前端。

所述的采像模块采用但不限于：带有摄像头透明罩的摄像头，其中：摄像头通过下安装板设置于主筒前端。

所述的方向调节机构包括：舵片和舵机，其中：舵片均布于主筒前端外壁，舵机设置于下安装板上，每个舵机与相应舵片相连。

所述的舵片呈方形，其沿长度方向的截面呈流线型且一端为圆弧形。

所述的控制模块中设有返回模式，当控制模块检测到电量不足时，输出返回命令，以使整个装置快速浮出水面。

本发明涉及一种基于上述便携式水下航拍无人遥控潜水器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设定潜水器的悬停深度H_d，并输入控制模块中；

步骤2、控制模块读取设备的当前深度值H_in(t)；

步骤3、控制模块将悬停深度H_d与当前深度值H_in(t)比较，得到深度误差E(t)，当深度误差E(t)小于设定值时则取消定深控制；否则执行定深闭环控制后向推进机构发出指令以调节电机转速，并返回步骤2进入下一周期的深度检测。

技术效果

与现有技术相比，本发明不需要卫星导航、惯性导航元件等设备，成本较低，且整体形状为筒状，直径小便于旅行携带。在水体内时，重心在头部，能够在水体中自然保持垂直状态，利用中立于浮力的差值，提供其下沉运动所需的动力，能够节省电力。

附图说明

图1为无人遥控潜水器示意图；

图中：a)为立体图，b)为剖面示意图；c)为正视图；d)为俯视图；

图2为无人遥控潜水器前端示意图；

图中：a)为立体图，b)为前端正视图；c)为剖面示意图；d)为俯视图；

图3为无人遥控潜水器推进机构示意图；

图中：a)为立体图，b)为剖面图；

图4为第一舵片截面示意图；

图5为定深控制方法流程图；

图中：1螺旋桨；2整流罩；3主筒；4电机；5深度传感器；6第一舵片；7电池；8摄像头透明罩；9导流罩；10传动轴；11浮力块；12电池；13控制器；14摄像头；15电缆；16第一舵机；17第二舵机；18第三舵机；19第四舵机；20第二舵片；21第三舵片；22第四舵片；23下安装板；24上安装板。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括：方向调节机构、推进机构、采像模块和控制模块，其中：方向调节机构、采像模块和控制模块设置于主筒3前端，推进机构设置于主筒3后端，控制机构与方向调节机构、推进机构以及采像模块相连。

如图1a)所示，所述的推进机构包括：螺旋桨1、导流罩9和整流罩2，其中：整流罩2设置于主筒3的后端，如图1d)所示，螺旋桨1设置于整流罩2内，导流罩9设置于整流罩2和主筒3之间。如图3a)、b)所示，所述螺旋桨1通过传动轴10与设置于主筒2前端的电机4相连。所述电机4通过上安装板24固定设置于主筒3内。整流罩2、传动轴10和主筒3相配合，为螺旋桨提供整流、传动定位和保护。如图1b)、c)所示，导流罩9呈锥型，引导水流进入螺旋桨1，为推进机构提供稳定流场。

所述的主筒3的外径为13cm，壁厚5mm，长度为25cm，其材料为质量较轻、具有一定强度的塑料，即PVC材料、亚克力材料。

如图1a)、b)所示，所述的方向调节机构包括：四个舵片和四个舵机，所述的主筒3前端外壁设有四个舵片，分别为第一舵片6、第二舵片20、第三舵片21和第四舵片22，均匀分布于主筒3前端外壁上。如图1d)所示，所述主筒3下端设有下安装板23，在下安装板上设有第一舵机16、第二舵机17、第三舵机18和第四舵机19。如图1c)所示，所述第一舵片6和第一舵机16相连，第二舵片20和第二舵机17相连，第三舵片21和第三舵机18相连，第四舵片22和第四舵机19相连，通过舵机控制舵片的舵角变化，实现对整个装置运动方向，水中姿态的调节。所述上安装板24上设有电池7和电池12，为整个装置提供电力。

如图4所示，所述的第一舵片6长4.5cm，宽4cm，其沿长度方向的截面呈流线型，且其上部端头为圆弧形，该圆弧的半径5mm，其它舵片形状也与第一舵片6相同。

所述的采像模块包括：摄像头透明罩8和摄像头14，如图1b)所示，摄像头透明罩8设置于主筒3的端头部，为摄像头提供水密功能。摄像头14设置于摄像头透明罩8内，安装在下安装板23上。

所述的控制模块包括：控制器13和深度传感器5，如图2d)所示，控制器13设置于下安装板23上。如图1a)所示，所述深度传感器5设置于主筒3外壁，并能够与水体接触。控制器13读取深度传感器5以及摄像头14的数据，通过设置于主筒3上的电缆15传输到水面设备。

如图1b)所示，所述的主筒3内设有与上安装板24相连的浮力块11，浮力块11为圆环形，其外侧与主筒3内壁相连。所述浮力块外径为10cm，内径为4cm，高度为17cm，选用浮力大的泡沫材料制成。在没有外出干扰下，整个装置在水中能够处于自然垂直状态。

使用本装置进行拍摄时，ROV在水体中处于自然垂直状态，当ROV需要在水中下沉时，，ROV在自身重力和浮力的作用下，即可实现在水体中垂直向下运动，此时螺旋桨处于停止或低速状态。ROV到达预定深度时，在控制器13的控制下，调节电机4的转速和转向，使得ROV在预定深度位置悬停，以采集图像。

如图5所示，采用定深控制方法控制电机4，实现整个装置在预定深度悬停，其步骤为：

步骤S1：程序开始；

步骤S2：定深指令判断，当控制器13收到设定的悬停深度H_d时，则执行下一步，否则继续等待；

步骤S3：读取当前深度值H_in(t)，控制器读取深度传感器5的当前深度值H_in(t)，获取设备当前时刻的实时深度；

步骤S4：比较深度，控制器13比较悬停深度H_d和当前深度值H_in(t)，深度误差E(t)＝H_d-H_in(t)；

步骤S5：如果E(t)大于设定值，则执行定深闭环控制算法，计算出控制指令后，执行步骤S6：电机转速调节，然后回到步骤S3；

如果E(t)小于等于设定值，则执行步骤S7：取消定深控制；

步骤S8：结束。

所述的定深闭环控制算法的方程为：其中：u(t)算法产生的输入控制值，K_P、K_I和K_D分别为比例系数、积分系数和微分系数，深度误差E(t)＝H_d-H_in(t)。

设备需要在水中微调位置时，提高电机4转速，螺旋桨1带动整个ROV在水体中上升，同时通过控制器13控制的方向调节机构，实现ROV的水平方向的调节。或者当ROV上升到一定高度后，关闭电机4或者降低转速，此时整个装置在重力和浮力作用下，使ROV在水体中垂直向下运动，通过控制器13调节各个舵片6、20～22，从而实现航向调节、水平位置调节以及旋转等。如果需要转移较大范围的位置，需要操作者将ROV从水中取出，将其移动到需要使用的地点，垂直丢入水中。其中，控制器13中设置有返回模式，当电池的电量不足时，控制器13调节电机4和方向调节机构，使ROV浮出水面并回收。

本装置与现有技术相比：体积减少，质量控制在3.5Kg以内，可放入普通的双肩旅游背包中；操作方便，只需要操作单个螺旋桨、舵片的运动，操作者控制ROV的上升和下沉，以及进行姿态调节；使用单个电机和螺旋桨，而且不使用惯性导航、姿态传感器等设备。

Claims (10)

1.一种便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征在于，包括：主筒、方向调节机构、推进机构、控制模块和采像模块，其中：控制模块、采像模块和方向调节机构设置于主筒前端，推进机构设置于主筒后端，主筒内设有浮力块以使该主筒在水中能够自然保持垂直状态，控制模块分别和采像模块、方向调节机构、推进机相连；

所述的控制模块接收整个装置在水体中的状态信息，即当前深度值和电池电量信息，通过接收水面操控指令，向方向调节机构、推进机构以及采像模块发出控制命令；控制模块读取当前深度值，通过定深闭环控制，向推进机构发出悬停、上升和下降指令。

2.根据权利要求1所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的定深闭环控制是指： $u\left(t\right)=K_{P}E\left(t\right)+K_I{\∫}_0^{t}E\left(t\right)dt+K_D\frac{dE\left(t\right)}{dt},$ 其中：u(t)为算法产生的输入控制值，K_P、K_I和K_D分别为比例系数、积分系数、微分系数，E(t)为设备的深度误差；E(t)＝H_d-H_in(t)，H_d为设定的悬停深度，H_in(t)为当前深度值。

3.根据权利要求1所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的主筒为PCV材料或亚克力材料制成的薄壁圆筒。

4.根据权利要求1～3任一所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的浮力块为泡沫材料制成的圆环形结构。

5.根据权利要求1所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的推进机构包括：套有整流罩的螺旋桨和导流罩，其中：螺旋桨设置于所述主筒后端，导流罩设置于螺旋桨和主筒之间，螺旋桨通过传动轴与设置于主筒内的电机相连，电机通过上安装板设置于主筒前端。

6.根据权利要求5所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的采像模块为带有摄像头透明罩的摄像头，其中：摄像头通过下安装板设置于主筒前端。

7.根据权利要求6所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的方向调节机构包括：舵片和舵机，其中：舵片均布于主筒前端外壁，舵机设置于下安装板上，每个舵机与相应舵片相连。

8.根据权利要求7所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的舵片呈方形，其沿长度方向的截面呈流线型且一端为圆弧形。

9.根据权利要求8所述的便携式水下航拍无人遥控潜水器，其特征是，所述的控制模块中设有返回模式，当控制模块检测到电量不足时，输出返回命令，以使整个装置快速浮出水面。

10.一种基于上述任一权利要求所述便携式水下航拍无人遥控潜水器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设定潜水器的悬停深度H_d，并输入控制模块中；

步骤2、控制模块读取设备的当前深度值H_in(t)；

步骤3、控制模块将悬停深度H_d与当前深度值H_in(t)比较，得到深度误差E(t)，当深度误差E(t)小于设定值时则取消定深控制；否则执行定深闭环控制后向推进机构发出指令以调节电机转速，并返回步骤2进入下一周期的深度检测。