CN105676874B - 基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于声纳遥控的低能耗微型水下探测机器人，包括机械结构和硬件控制结构；机械结构包括塑性外壳和动力轴，动力轴上设有推进螺旋桨，塑性外壳外安装有压力传感器，塑性外壳内设有陀螺仪和伸缩泵；硬件控制结构包括中控平台、逆变器、发电电动一体机、蓄电池、伸缩泵驱动模块和声纳发射模块和接收模块；根据压力传感器采集的数据获得机器人的水深和倾斜角度，根据陀螺仪采集的数据获得机器人的方向；通过对数据进行分析和/或外部发送的指令，控制伸缩泵扩大或缩小塑性外壳的体积、控制逆变器使得发电电动一体机通过推进螺旋桨的转动发电或者蓄电池给推进螺旋桨进行供电。本发明实现人工遥控和机器人下潜上浮时的蓄能发电，降低了能耗。

Description

基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下探测机器人，具体涉及一种基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人及控制方法。

背景技术

目前，一般利用电磁波作为载体，利用电磁波信号与控制信号结合，对遥控设备进行控制。但是，在水中电磁波的耗散太大，通讯传输距离不远，很难将控制信号传输到欲控制的对象，造成水下遥控比较困难。

而且，现今应用于海底的探测机器人主要分为两类：一类是有缆水下机器人，即遥控潜器（remote operated vehicle，简称ROV）；另一类是无缆水下机器人，即自主式水下潜器（autonomous underwater vehicle，简称AUV）。虽然有缆机器人能够实现实时控制，但由于脐带缆的束缚，其探测距离和探测环境都受到限制；另外有缆机器人的整套探测装置能耗大、成本高，且体积庞大需要大型船舰支持和脐带电缆帮助，严重影响了深海的长期探索与勘测。而无缆机器人由于没有电缆及时充电，只依靠机器人自身携带的电池供电而大大缩短了水下探测机器人的工作时长；而且在通讯方面由于不能接受人工的遥控信息而无法实现信息的往返传输和实时控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人及控制方法，将控制信号与声呐结合，实现人工遥控，同时实现了机器人下潜上浮时的蓄能发电，增加勘测机器人的水下勘测时长，降低了能耗。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人，其特征在于：它包括机械结构和硬件控制结构；其中，

机械结构包括塑性外壳，以塑性外壳为中心设有若干个与塑性外壳连接的动力轴，每个动力轴上设有推进螺旋桨和压力传感器，塑性外壳外安装有压力传感器，塑性外壳内设有陀螺仪和用于伸缩塑性外壳大小的伸缩泵；

硬件控制结构包括设置在塑性外壳内的中控平台、逆变器、发电电动一体机、蓄电池、伸缩泵驱动模块和用于通讯的声呐发射模块和声呐接收模块；所述的压力传感器和陀螺仪的输出端分别与中控平台连接；中控平台的输出端分别控制逆变器和伸缩泵驱动模块；中控平台通过声呐发射模块发送数据给外部，并通过声呐接收模块接收外部发送来的指令；所述的推进螺旋桨依次与发电电动一体机、逆变器和蓄电池连接；

中控平台根据压力传感器采集的数据获得机器人的水深，根据陀螺仪采集的数据获得机器人的方向；通过对所有采集到的数据进行分析和/或外部发送来的指令，控制伸缩泵驱动模块从而控制伸缩泵扩大或缩小塑性外壳的体积、控制逆变器使得发电电动一体机通过推进螺旋桨的转动发电或者蓄电池给推进螺旋桨进行供电。

按上述方案，它还包括设置在塑性外壳上的摄像头，摄像头的输出端与所述的中控平台连接。

按上述方案，它还包括设置在塑性外壳上由所述的中控平台控制的机械臂。

按上述方案，所述的动力轴沿塑性外壳周向均匀布置6根。

上述基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人的控制方法，其特征在于：它包括：

1）下潜和上浮阶段：

接收外部发送来的目标水深指令，与压力传感器获得的当前水深对比，若目标水深大于当前水深，则控制伸缩泵驱动模块将塑性外壳体积缩到最紧，本机器人无动力自由下潜，直至到达目标水深，控制伸缩泵驱动模块扩大塑性外壳体积，到无动力悬浮为止；若目标水深小于当前水深，则控制伸缩泵驱动模块将塑性外壳体积扩到最大，本机器人无动力自由上浮，直至到达目标水深，控制伸缩泵驱动模块缩紧塑性外壳体积，到无动力悬浮为止；

在本机器人无动力自由下潜或上浮过程中，控制逆变器，使得推进螺旋桨受水流驱动而转动的能量带动发电电动一体机进行发电并给蓄电池充电；

2）探测阶段

在探测过程中，依据外部发送来的行驶指令，控制推进螺旋桨带动本机器人按行驶指令运行，同时根据陀螺仪采集的数据获得机器人的方向，对螺旋桨的控制指令进行实时修正；探测过程中由蓄电池为螺旋桨供电；

在1）和2）的阶段中，实时的将本机器人的状态发送给外部。

本发明的有益效果为：

1、利用声呐为载体，将控制信号用声呐的方式进行无线传输，拜托了电缆束缚，无需大型航舰承载，大大减少能源消耗；通过伸缩泵控制塑性壳体的体积，从而控制机器人无动力自由上浮和下潜，并且在上浮和下潜的过程中利用水流驱动螺旋桨转动来发电蓄能，而这些电能用于在探测过程中，增加机器人的水下探测时长，降低了能耗。

2、结构简单、外观微型化且具有低能耗节能***，可大大节约能源实现绿色低碳。

3、可以通过携带温度传感器、盐度传感器、声呐等探测仪器对海洋环境和地形进行数据采集、探测拍照，以提供更多真实有力的科学依据。

4、该机器人具有更深的探测范围、更高的通讯质量、更灵活的配备装置，未来可在海底地形地貌的探测中起到巨大作用，如可燃冰等新型低碳能源的探测、港口水下地质勘测、三峡大坝水下相关信息探测、马航遗骸的远距离探测搜寻、东方之星沉翻船事故救援等。

附图说明

图1为本发明一实施例的机械结构示意图。

图2为本发明一实施例的硬件结构框图。

图3为下潜过程中的控制流程图。

图4为发电电动一体机的工作原理图。

图中：1-中控平台，2-推进螺旋桨，3-声呐发射模块，4-伸缩泵，5-压力传感器，6-摄像头，7-声呐接收模块，8-动力轴，9-机械臂。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

一种基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人，它包括机械结构和硬件控制结构，如图1和图2所示；其中，

机械结构包括塑性外壳，以塑性外壳为中心设有若干个与塑性外壳连接的动力轴8，每个动力轴8上设有推进螺旋桨2，塑性外壳外安装有压力传感器5，塑性外壳内设有陀螺仪和用于伸缩塑性外壳大小的伸缩泵4；

硬件控制结构包括设置在塑性外壳内的中控平台1、逆变器、发电电动一体机、蓄电池、伸缩泵驱动模块和用于通讯的声呐发射模块3和声呐接收模块7；所述的压力传感器5和陀螺仪的输出端分别与中控平台1连接；中控平台1的输出端分别控制逆变器和伸缩泵驱动模块；中控平台通过声呐发射模块3发送数据给外部，并通过声呐接收模块7接收外部发送来的指令；所述的推进螺旋桨2依次与发电电动一体机、逆变器和蓄电池连接；

中控平台1根据压力传感器5采集的数据获得机器人的水深，根据陀螺仪采集的数据获得机器人的方向；通过对所有采集到的数据进行分析和/或外部发送来的指令，控制伸缩泵驱动模块从而控制伸缩泵扩大或缩小塑性外壳的体积、控制逆变器使得发电电动一体机通过推进螺旋桨2的转动发电或者蓄电池给推进螺旋桨2进行供电。

优选的，它还包括设置在塑性外壳上的摄像头6，摄像头6的输出端与所述的中控平台1连接。

优选的，它还包括设置在塑性外壳上由所述的中控平台1控制的机械臂9。

本实施例中，所述的动力轴沿塑性外壳周向均匀布置6根，构成“*”型六轴结构。

上述基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人的控制方法，包括：

1）下潜和上浮阶段：

接收外部发送来的目标水深指令，与压力传感器获得的当前水深对比，若目标水深大于当前水深，则控制伸缩泵驱动模块将塑性外壳体积缩到最紧，本机器人无动力自由下潜，如图3所示，直至到达目标水深，控制伸缩泵驱动模块扩大塑性外壳体积，到无动力悬浮为止；若目标水深小于当前水深，则控制伸缩泵驱动模块将塑性外壳体积扩到最大，本机器人无动力自由上浮，直至到达目标水深，控制伸缩泵驱动模块缩紧塑性外壳体积，到无动力悬浮为止；

在本机器人无动力自由下潜或上浮过程中，控制逆变器，使得推进螺旋桨受水流驱动而转动的能量带动发电电动一体机进行发电并给蓄电池充电；

2）探测阶段

在探测过程中，依据外部发送来的行驶指令，控制推进螺旋桨带动本机器人按行驶指令运行，同时根据陀螺仪采集的数据获得机器人的方向，对螺旋桨的控制指令进行实时修正；探测过程中由蓄电池为螺旋桨供电；

在1）和2）的阶段中，实时的将本机器人的状态发送给外部。

工作机理：本机器人机身安装有压力传感器，压力传感器在不同深度采集到不同的数据，传输给中控平台进行分析，中控平台分析压力后，判断机器人所在水域深度，中控平台连接电动机，当中控平台收到来自于压力传感器的深度数据与预设深度值相同时，中控平台命令电动机执行预设动作，电动机连动压缩缸伸缩，压缩泵激活工作前，处于缩紧状态，外部圆球与机器人外壳连接。当收到中控平台发出的指令，前段开始伸长，压缩泵前端圆球在电动机的的推动下，控制机器人塑性外壳体积的改变，从而使机器人内外部体积增大，调定机器人浮力与重力平衡，完成机器人水下的自由悬浮。

总之，在中控平台的控制下，多个不同类型的传感器工作并采集数据。根据所采集回来的数据，控制舵机转动的功率，并且配合中控平台结合发电/电动一体化技术，做到机器人自身动力的自给自足。

除了自带能源之外，本发明使用发电电动一体机，其工作原理如图4所示，通过逆变器的切换装置实现电机的工作模式转化。机器人在自身重力下潜过程中，水对机器人产生阻力，水阻力带动6个螺旋桨转动，电机可以利用螺旋桨的旋转发电，并将其储存在蓄电装置中。当水下勘测机器人到达指定深度工作时，蓄电装置可以带动电机转动，分担了一部分电池的功效。

通讯方面，本发明采用声呐遥控技术，通过扩频声呐信号与控制信号结合对控制信号进行调制/解调，实现人与水下机器人的半双工通讯。

能耗方面，本发明实体的中间部分采用圆形塑性外壳，减少深水对机器人的阻力，节省能量的消耗，以便适合在复杂多变的海底环境进行长时间的大范围搜索；通过无缆声呐遥控，节省传统有缆机器人电缆耗损的能量；微型化的外观减轻装置重量，从而在减小水下阻力提高作业效率的同时节省能源。与此同时，本发明的水下探测机器人在长时间潜行过程中，基于定时器中断程序设计使***具有“记忆”功能。当前的控制状态只有在遥控器主动改变时才会改变，否则会一直保持当前控制状态，从而有效地减少运动状态切换产生的额外消耗。深度定位的实现，区别于电动机带动螺旋桨转动平衡重力的方式，本发明采用的是深度触发装置，利用重力浮力实现平衡深度定位。即改变机器人的排水体积，实现对机器人浮力的控制，实现上升或下潜；区别于启动螺旋桨来实现上升或下潜，减少了能量的消耗。除了自带能源之外，本发明使用发电电动一体机，通过逆变器的切换装置实现电机的工作模式转化，从而实现了电力的自给。

Claims (4)

1.一种基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人，其特征在于：它包括机械结构和硬件控制结构；其中，

机械结构包括塑性外壳，以塑性外壳为中心设有若干个与塑性外壳连接的动力轴，每个动力轴上设有推进螺旋桨，塑性外壳外安装有压力传感器，塑性外壳内设有陀螺仪和用于伸缩塑性外壳大小的伸缩泵；

硬件控制结构包括设置在塑性外壳内的中控平台、逆变器、发电电动一体机、蓄电池、伸缩泵驱动模块和用于通讯的声呐发射模块和声呐接收模块；所述的压力传感器和陀螺仪的输出端分别与中控平台连接；中控平台的输出端分别控制逆变器和伸缩泵驱动模块；中控平台通过声呐发射模块发送数据给外部，并通过声呐接收模块接收外部发送来的指令；所述的推进螺旋桨依次与发电电动一体机、逆变器和蓄电池连接；

中控平台根据压力传感器采集的数据获得机器人的水深，根据陀螺仪采集的数据获得机器人的方向；通过对所有采集到的数据进行分析和/或外部发送来的指令，控制伸缩泵驱动模块从而控制伸缩泵扩大或缩小塑性外壳的体积、控制逆变器使得发电电动一体机通过推进螺旋桨的转动发电或者蓄电池给推进螺旋桨进行供电；

所述的中控平台具体按下述方法进行控制：

1）下潜和上浮阶段：

接收外部发送来的目标水深指令，与压力传感器获得的当前水深对比，若目标水深大于当前水深，则控制伸缩泵驱动模块将塑性外壳体积缩到最紧，本机器人无动力自由下潜，直至到达目标水深，控制伸缩泵驱动模块扩大塑性外壳体积，到无动力悬浮为止；若目标水深小于当前水深，则控制伸缩泵驱动模块将塑性外壳体积扩到最大，本机器人无动力自由上浮，直至到达目标水深，控制伸缩泵驱动模块缩紧塑性外壳体积，到无动力悬浮为止；

在本机器人无动力自由下潜或上浮过程中，控制逆变器，使得推进螺旋桨受水流驱动而转动的能量带动发电电动一体机进行发电并给蓄电池充电；

2）探测阶段

在探测过程中，依据外部发送来的行驶指令，控制推进螺旋桨带动本机器人按行驶指令运行，同时根据陀螺仪采集的数据获得机器人的方向，对螺旋桨的控制指令进行实时修正；探测过程中由蓄电池为螺旋桨供电；

在1）和2）的阶段中，实时的将本机器人的状态发送给外部。

2.根据权利要求1所述的基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人，其特征在于：它还包括设置在塑性外壳上的摄像头，摄像头的输出端与所述的中控平台连接。

3.根据权利要求1所述的基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人，其特征在于：它还包括设置在塑性外壳上由所述的中控平台控制的机械臂。

4.根据权利要求1所述的基于声呐遥控的低能耗微型水下探测机器人，其特征在于：所述的动力轴沿塑性外壳周向均匀布置6根。