CN108312151A - 漂流探测水下机器人装置及控制方法 - Google Patents

漂流探测水下机器人装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漂流探测水下机器人装置及控制方法，属于探测水下机器人技术领域。机器人主体是鱼雷型结构，在机器人艏部搭载水文探测设备ADCP(声学多普勒剖面测速仪)、测距声呐、应急抛载；中间舱段为耐压舱，耐压舱内分为能源舱和控制舱两部分，能源舱内有两块高能量密度锂电池，分别用于动力和控制供电；尾段搭载保形天线(包含北斗定位与通讯、无线电和WiFi)、DVL、深度计、测距声呐。在机器人尾部左右两侧布置高效率推进器，在机器人前后各设置一个垂向槽道推进器。本发明根据机器人周围环境、任务指令，智能实现选择漂流模式的开启或关闭，从而实现低功耗、长航程，长时间的探测监控任务。

Description

漂流探测水下机器人装置及控制方法
技术领域
本发明属于探测水下机器人技术领域，具体涉及漂流探测水下机器人装置及控制方法。
背景技术
海洋的总面积为3.6x10s平方千米，占地球总面积的70.8％。海水总体积约为1.37xl护立方千米，平均水深约为3800米，最深的马里亚纳海沟为11034米。在这广裹无垠的海洋空间里，蕴含着丰富的海洋生物资源、矿物资源和能源，它是人类可持续发展的重要财富，研究和合理利用海洋，对于人类的经济和社会发展具有重要的意义由于河流海洋资源开发和水文环境监测的迫切需要，世界上很多国家不断发展更新着水文探测***。越来越多高效经济的监测装置和方法被采用。水下机器人作为一种水下环境探测和调查的重要手段之一逐渐受各国的重视。水下机器人具有全天候、高效、安全等特点，正是由于这些特点决定了其是一种优良的水文环境监测平台之一。
水下机器人是一个复杂的非线性动态***，以海流为代表的环境干扰，所搭载的负载变化，都会影响水下机器人的动力学模型精度，基于线性***理论和牛顿一欧拉方程建立的水下机器人动力学模型都是基于参数化的模型，不具有在线修正功能。由于神经网络具有逼近任意非线性映射的能力，而且具有在线学习功能，为了提高水下机器人动力学模型辨识精度，国内外研究人员尝试利用神经网络进行水下机器人模型辨识。现有的水下机器人均采用电池作为其能源，续航时间一般在几小时至几十小时不等，在电池电量耗尽前需要结束任务，很难做到长时间监测的任务。大部分水下机器人采用舵桨操控方式，在低速时，舵效很低，无法实现转艏、下潜等机动动作，在低速情况下极易受水流影响，很难保持姿态，无法实现定点监测等特殊任务。
结合现有方案并针对上述现有技术的不足，本发明提出一种漂流探测水下机器人，能长时间执行探测任务，并且能在低速情况下保持良好的机动性，可以实现定点监测等任务。
发明内容
本发明的目的是为河流勘察，监测提供一个低功耗、持久、灵活、智能的能够在复杂水流下保持姿态稳定、定速定向巡航、悬停等运动功能，保证水下机器人工作时稳定性和灵活性漂流探测水下机器人装置及控制方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
漂流探测水下机器人装置，机器人主体是鱼雷型结构，在机器人艏部搭载水文探测设备ADCP(声学多普勒剖面测速仪)、测距声呐、应急抛载；中间舱段为耐压舱，耐压舱内分为能源舱和控制舱两部分，能源舱内有两块高能量密度锂电池，分别用于动力和控制供电；尾段搭载保形天线(包含北斗定位与通讯、无线电和WiFi)、DVL、深度计、测距声呐。在机器人尾部左右两侧布置高效率推进器，在机器人前后各设置一个垂向槽道推进器。
一种漂流探测水下机器人装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)机器人在工作时，随着水流漂流，推进器仅是调整机器人姿态；
(2)在定点悬停监测时，两个主推控制机器人在纵向方向的位置和艏向角，两个垂推控制机器人在深度方向的位置和纵倾；
(3)在机动动作时，使两个主推推进器具有不同的转速产生差速实现机动。
(4)水下机器人所搭载的测距声呐能测得距离障碍物信息，进行机动躲避。
(5)能根据环境和自身的情况，判别当前适合的运动状态，智能改变运动状态和模式。
本发明的有益效果在于：
本发明能综合环境和自身的情况智能改变运动状态；可依靠水体的流动进行漂流，不完全依靠推进器运动，与其他水下机器人相比具有低功耗、续航时间长的特点。本发明设计的水下机器人艏艉共有六个测距声呐，用于测量水下机器人与周围障碍物的距离，辅助实现在水中自主探测、避障等功能。通过四个推进器的正反转，能够在复杂水流下保持姿态稳定、定速定向巡航、悬停等运动功能，保证水下机器人工作时稳定性和灵活性，给搭载的探测设备提供一个稳定的平台。
附图说明
图1是本发明的具体结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的侧视图；
图5是本发明的正视图；
图6是本发明的水下机器人漂浮状态示意图；
图7是本发明的水下机器人纵倾调整示意图；
图8是本发明的水下机器人转艏示意图；
图9是本发明的水下机器人下潜示意图；
图10是本发明的水下机器人推进器前进示意图；
图11是本发明的水下机器人控制决策图；
图12是本发明的水下机器人状态选择流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例一：
漂流探测水下机器人装置包括艏部测距声呐1、声学多普勒剖面测速仪2、测距声呐一3、艏部垂向推进器一4、电池舱5、收放吊点6、控制舱7、艉部垂向推进器二8、保形天线9、总开关10、艉部稳定翼11、艉部测距声呐12、纵向推进器13、DVL14、测距声呐二15；
声学多普勒剖面测速仪2、艏部垂向推进器一4、电池舱5、控制舱7、艉部垂向推进器二8、艉部测距声呐12依次连接；声学多普勒剖面测速仪2由圆柱体空腔和圆锥形机体组成，艏部测距声呐1安装在声学多普勒剖面测速仪2的侧面；艏部垂向推进器一4和艉部垂向推进器二8均为圆柱体，底面圆半径与声学多普勒剖面测速仪2的底面圆半径相等；电池舱5为三节圆柱体，底面圆半径与声学多普勒剖面测速仪2的底面圆半径相等，收放吊点6为中心带圆孔的方形片状物，安装在电池舱5的侧面；控制舱7为两节圆柱体，底面圆半径与声学多普勒剖面测速仪2的底面圆半径相等；艉部测距声呐12为曲面柱体，保形天线9和测距声呐二15安装在艉部测距声呐12的侧面，艉部稳定翼11由四片组成，均布在艉部测距声呐12的顶部，纵向推进器13和DVL14安装在艉部测距声呐12的内部腔体。
所述的艏部测距声呐1、测距声呐一3、艉部测距声呐12、测距声呐二15采用模块化设计，处理板和换能器集成于一个耐压壳中，使用标准六芯水密接插件用于供电和数据传输；电池舱5和控制舱7为耐压舱，安装有标准水密接插件，电池舱5和控制舱7之间通过密封卡环轴向密封连接，整个耐压舱由两端平面端盖和密封卡环轴向密封。
所述的电池舱5内放置搭载高密度锂电池；收放吊点6采用单点吊装。
所述的控制舱7内安装有基础控制计算机、任务规划计算机、姿态传感器、应急抛载控制板等控制设备和关键传感器；
姿态传感器实时获取当前机器人的首向角，横摇角、纵倾角，控制计算机根据姿态传感器测得的数据，推算出当前姿态和速度，与任务所需的目标状态对比，做出相应决策。
所述的保形天线9将无线电、GPS/北斗、WiFi天线集成于一体。
一种漂流探测水下机器人装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)机器人在工作时，随着水流漂流，推进器仅是调整机器人姿态；
(2)在定点悬停监测时，两个主推控制机器人在纵向方向的位置和艏向角，两个垂推控制机器人在深度方向的位置和纵倾；
(3)在机动动作时，使两个主推推进器具有不同的转速产生差速实现机动。
(4)水下机器人所搭载的测距声呐能测得距离障碍物信息，进行机动躲避。
(5)能根据环境和自身的情况，判别当前适合的运动状态，智能改变运动状态和模式。
在使用时，将此机器人放置水中，此机器人浮力稍大于重力，静止状态下是略浮于水面，如附图6所示；
水下机器人需要前进或者后退直线运动时，两个主推同时正转或者反转，如图7，机器人内部的姿态传感器感知此时机器人的位姿，判断是否按照直线运动，如果首向角与漂角不一致时，控制计算机采用相应策略和算法，输出给两个主推不同的信号，输出不同的转速，实时修正姿态，以保证机器人的直线运动。
水下机器人需要下潜时，开启艏艉垂向推进器，产生向下的合力，进行下潜，如图8。***根据深度计传感器的信息判断是否到达目标深度，进行相应的控制。
在进行悬停监测时，姿态传感器获取当前机器人位姿数据，控制计算机解算出当前状态，与任务需要的姿态进行对比，采用相应策略，给四个推进器分配不同的转速，两个主推控制机器人在纵向方向的位置和首向角，两个垂推控制机器人在深度方向的位置和纵倾，产生不同的力，调整当前姿态，如附图9所示。在该模式下，能够保证在复杂水流下探测设备测量数据的稳定和对某一区域的精确探测。
当需要进行机动动作时，控制计算机通过机器人自带传感器测得的数据，判断出自身状态，采用相应策略，给两个主推分配不同转速，产生差速以实现机动(此机器人在理想情况年可以实现原地180°转向)，如附图10所示。
在水中航行时，***判断当前状态是否开启漂流模式。如图12所示，***根据GPS或航位推算出水下机器人目前位置，与***地图数据库进行对比，若此时该位置处于***设定的漂流区域则开启漂流模式；若水下机器人未处于漂流区域，则根据测距声呐的数据N、自身***状态等条件进行安全评估，计算出安全度Q。安全度与声呐数据Nn(n＝1…6)、自身***故障状态S的关系如下：
定义一个安全阈值Q0，若Q<Q0，则关闭漂流模式，若Q>Q0，表示机器人处于安全状态，则开启漂流模式。
如图11所示，如果是漂流状态，则只开启艏向、纵倾和深度控制器进行自动控制，此时的水下机器人的移动速度即为水流流速；若当前状态不是漂流状态，则将速度、艏向、纵倾和深度控制器全部开启进行自动控制。
实施例二：
如附图1所示，本发明由艏部测距声呐1、声学多普勒剖面测速仪(ADCP)2、测距声呐3、艏部垂向推进器4、电池舱5、、收放吊点6、控制舱7、艉部垂向推进器8、保形天线9、总开关10、艉部稳定翼11、艉部测距声呐12、纵向推进器13、DVL14、测距声呐15组成。所述的测距声呐1、3、12、15采用模块化设计，处理板和换能器集成于一个耐压壳中，使用标准六芯水密接插件用于供电和数据传输；所述水下机器人可以满足不同的探测设备的安装，且留有统一尺寸的水密插头，设备可以快速的与机器人连，也即所述的耐压舱5、7端盖上安装有标准水密接插件，可根据不同的任务需要安装所需的探测设备，具有模块化和通用性。本发明的水下机器人采用前后两个垂推、左右两个主推的推进器布置方式；采用保形天线，将北斗通讯定位，无线电，WiFi等模块集成在翼形天线中，以减少艇体附体数量，从而减小因附体产生的阻力。
本发明的测距声呐1、3、12、15采用低功耗、模块化设计，处理器和换能器集成于一个耐压壳中，使用标准六芯水密接插件用于供电和数据传输并与耐压舱5和7连接。六个测距声呐用于探测周围障碍物与机器人的距离，若距离小于安全距离，则***执行相应的动作使其远离障碍物。
本发明的机器人艏部搭载ADCP，可以在机器人任意状态下测得任意水体任意剖面的流速，并将信息时刻保存在控制舱内的存储器中。
本发明的机器人电池舱5内放置搭载两块高密度锂电池，分别给控制***和动力***提供能源。
本发明的机器人的收放吊点6采用单点吊装，可以快速的实现机器人的释放与回收。
本发明的耐压舱由电池舱5和控制舱7组成，电池舱和控制舱之间通过密封卡环轴向密封连接，整个耐压舱由两端平面端盖和密封卡环轴向密封。平面端盖上设置有水密接头用于连接各传感器和设备。
本发明的保形天线9将无线电、GPS/北斗、WiFi等天线集成于一体。该设计能在保证机器人正常通讯的同时有效的减少水下机器人附体数量，并保持艇体流线型完整性，减少由于附体产生的阻力的影响。
本发明的控制舱7内安装有基础控制计算机、任务规划计算机、姿态传感器、应急抛载控制板等控制设备和关键传感器。姿态传感器能够实时获取当前机器人的首向角，横摇角、纵倾角，控制计算机根据姿态传感器测得的数据，推算出当前姿态和速度，与任务所需的目标状态对比，做出相应决策。
所述的测距声呐1、3、12、15、ADCP 2、保形天线9、DVL 14均为标准的水密接头，水密接头内含电源线和信号线(串口线、网线等)，可以快速的安装和拆卸设备。
本发明的水下机器人能够在水流中执行漂流探测，根据任务求及实时速度、姿态和周围障碍物信息，做出智能决策，以保证姿态稳定，监测信息的准确。
在使用时，将此机器人放置水中，此机器人浮力稍大于重力，静止状态下是略浮于水面，如附图6所示；
水下机器人需要前进或者后退直线运动时，两个主推同时正转或者反转，如图7，机器人内部的姿态传感器感知此时机器人的位姿，判断是否按照直线运动，如果首向角与漂角不一致时，控制计算机采用相应策略和算法，输出给两个主推不同的信号，输出不同的转速，实时修正姿态，以保证机器人的直线运动。
水下机器人需要下潜时，开启艏艉垂向推进器，产生向下的合力，进行下潜，如图8。***根据深度计传感器的信息判断是否到达目标深度，进行相应的控制。
在进行悬停监测时，姿态传感器获取当前机器人位姿数据，控制计算机解算出当前状态，与任务需要的姿态进行对比，采用相应策略，给四个推进器分配不同的转速，两个主推控制机器人在纵向方向的位置和首向角，两个垂推控制机器人在深度方向的位置和纵倾，产生不同的力，调整当前姿态，如附图9所示。在该模式下，能够保证在复杂水流下探测设备测量数据的稳定和对某一区域的精确探测。
当需要进行机动动作时，控制计算机通过机器人自带传感器测得的数据，判断出自身状态，采用相应策略，给两个主推分配不同转速，产生差速以实现机动(此机器人在理想情况年可以实现原地180°转向)，如附图10所示。
在水中航行时，***判断当前状态是否开启漂流模式。如图12所示，***根据GPS或航位推算出水下机器人目前位置，与***地图数据库进行对比，若此时该位置处于***设定的漂流区域则开启漂流模式；若水下机器人未处于漂流区域，则根据测距声呐的数据N、自身***状态等条件进行安全评估，计算出安全度Q。安全度与声呐数据Nn(n＝1…6)、自身***故障状态S的关系如下：
定义一个安全阈值Q0，若Q<Q0，则关闭漂流模式，若Q>Q0，表示机器人处于安全状态，则开启漂流模式。
如图11所示，如果是漂流状态，则只开启艏向、纵倾和深度控制器进行自动控制，此时的水下机器人的移动速度即为水流流速；若当前状态不是漂流状态，则将速度、艏向、纵倾和深度控制器全部开启进行自动控制。
本发明的水下机器人可智能切换运动模式。开始时，由人工或者机器释放入水，由遥控或者手动控制其进入指定水域后，开启自动控制模式，机器人控制模式由手动控制转为自动控制。在自动模式下，所有环境传感器打开，自动感知周围的障碍物、水深等环境情况，如触发主动移动模式，则开启速度控制器进行速度控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.漂流探测水下机器人装置及控制方法，其特征在于：所述的漂流探测水下机器人装置包括艏部测距声呐(1)、声学多普勒剖面测速仪(2)、测距声呐一(3)、艏部垂向推进器一(4)、电池舱(5)、收放吊点(6)、控制舱(7)、艉部垂向推进器二(8)、保形天线(9)、总开关(10)、艉部稳定翼(11)、艉部测距声呐(12)、纵向推进器(13)、DVL(14)、测距声呐二(15)；
声学多普勒剖面测速仪(2)、艏部垂向推进器一(4)、电池舱(5)、控制舱(7)、艉部垂向推进器二(8)、艉部测距声呐(12)依次连接；声学多普勒剖面测速仪(2)由圆柱体空腔和圆锥形机体组成，艏部测距声呐(1)安装在声学多普勒剖面测速仪(2)的侧面；艏部垂向推进器一(4)和艉部垂向推进器二(8)均为圆柱体，底面圆半径与声学多普勒剖面测速仪(2)的底面圆半径相等；电池舱(5)为三节圆柱体，底面圆半径与声学多普勒剖面测速仪(2)的底面圆半径相等，收放吊点(6)为中心带圆孔的方形片状物，安装在电池舱(5)的侧面；控制舱(7)为两节圆柱体，底面圆半径与声学多普勒剖面测速仪(2)的底面圆半径相等；艉部测距声呐(12)为曲面柱体，保形天线(9)和测距声呐二(15)安装在艉部测距声呐(12)的侧面，艉部稳定翼(11)由四片组成，均布在艉部测距声呐(12)的顶部，纵向推进器(13)和DVL(14)安装在艉部测距声呐(12)的内部腔体。
2.根据权利要求1所述的漂流探测水下机器人装置及控制方法，其特征在于：所述的艏部测距声呐(1)、测距声呐一(3)、艉部测距声呐(12)、测距声呐二(15)采用模块化设计，处理板和换能器集成于一个耐压壳中，使用标准六芯水密接插件用于供电和数据传输；电池舱(5)和控制舱(7)为耐压舱，安装有标准水密接插件，电池舱(5)和控制舱(7)之间通过密封卡环轴向密封连接，整个耐压舱由两端平面端盖和密封卡环轴向密封。
3.根据权利要求1所述的漂流探测水下机器人装置及控制方法，其特征在于：所述的电池舱(5)内放置搭载高密度锂电池；收放吊点(6)采用单点吊装。
4.根据权利要求1所述的漂流探测水下机器人装置及控制方法，其特征在于：所述的控制舱(7)内安装有基础控制计算机、任务规划计算机、姿态传感器、应急抛载控制板等控制设备和关键传感器；
姿态传感器实时获取当前机器人的首向角，横摇角、纵倾角，控制计算机根据姿态传感器测得的数据，推算出当前姿态和速度，与任务所需的目标状态对比，做出相应决策。
5.根据权利要求1所述的漂流探测水下机器人装置及控制方法，其特征在于：所述的保形天线(9)将无线电、GPS/北斗、WiFi天线集成于一体。
6.根据权利要求1所述的漂流探测水下机器人装置及控制方法，其特征在于：
一种漂流探测水下机器人装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)机器人在工作时，随着水流漂流，推进器仅是调整机器人姿态；
(2)在定点悬停监测时，两个主推控制机器人在纵向方向的位置和艏向角，两个垂推控制机器人在深度方向的位置和纵倾；
(3)在机动动作时，两个主推推进器具有不同的转速产生差速实现机动；
(4)水下机器人所搭载的测距声呐测得距离障碍物信息，进行机动躲避；
(5)根据环境和自身的情况，判别当前适合的运动状态，智能改变运动状态和模式。
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