CN112758286A - 一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***及方法，包括：地面设备，所述地面设备安装在水面边缘处且在水下安装有母基站，所述地面设备和母基站之间设置缆线且母基站通过缆线与母基站之间电性连接，所述母基站的内部设置有无线充电发射端和水声通讯设备基阵。本发明将无线充电技术应用于水下，优化了能量供给方法，避免了目前方法的缺点，一定程度上解除了水下机器人供能上的限制。不仅可以提高单个水下机器人的作业能力，而且可以摆脱电缆，提高了水下机器人的灵活程度，并且使得水下常驻成为可能。采用集群设计的思维，提供一个母基站和多个相互协同的机器人终端，有效提高了作业能力和效率。

Description

一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***及方法
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，更具体为一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***及方法。
背景技术
目前深海探测技术领域高速发展，各种探测方法及相关技术受到了学术界及工程界的高度重视，取得了一定的成就。深海探测技术特指在深海领域通过传感或取样手段获取海洋或海底特定地区单一时刻数据的技术，主要包括深海运载器探测技术、深海传感探测技术、深海取样探测技术等主要研究方向。深海探测技术正在朝着体系化、协同化、智能化的方向发展，随着人工智能技术的不断进步，智能化的发展方向备受关注。未来人工智能技术将会在探测目标的识别和提取、探测装备的故障诊断和容错控制、深海环境的高效感知等方面发挥作用，推动深海探测技术的全面智能化。
在深海传感探测技术方面，声学成像技术已经应用于工程领域，一定程度上提高了深水探测能力，但该成像技术本身在成像质量、图像可辨识度、小目标探测等方面存也在一些局限性，限制了其发展。激光探测具有足够的空间分辨率，能够分辨目标的尺寸和形状，因而是有效的探测水下目标并进行分类的工具。激光成像技术也存在一些局限性，制约了该探测技术的使用。如果能够克服多传感器信息融合的技术难题，将两种探测方法的图像信息进行深度融合，二者可以互相补充，实现不同距离、不同水深和不同环境条件下，对水下目标进行全方位探测的目的。
导航定位技术在深海探测技术体系中占有重要地位，直接反映水下作业的精确性和安全性，主要分为惯性导航、声学导航、海洋地球物理导航3种技术方向。其中惯性导航存在不可避免的累计偏差，需要不断的回到水上调整，限制了本身的使用，无法实现精确作业。声学导航也存在一些难以避免的缺点，存在长基线定位***布置复杂、短基线和超短基线定位***精度不足的问题。海洋地球物理导航是各国的研究热点，但目前技术尚未成熟，无法实现工程应用。
人工智能技术已经在各个领域得以应用，推动了相关行业及技术的发展。但目前在深水探测领域的成熟应用还相对较少，未来将会取得一些成就，推动深海探测技术的发展。
目前水下机器人持续发展，出现了很多高性能的产品，但是总体来看在续航能力、活动范围、智能化程度、作业能力等多方面都存在严重的不足，这严重限制了水下机器人的发展，阻碍了海洋资源的探测与开发。因此，需要提供一种新的技术方案给予解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***及方法，解决了现有技术中目前水下机器人持续发展，出现了很多高性能的产品，但是总体来看在续航能力、活动范围、智能化程度、作业能力等多方面都存在严重的不足，这严重限制了水下机器人的发展，阻碍了海洋资源的探测与开发的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***及方法，包括：地面设备，所述地面设备安装在水面边缘处且在水下安装有母基站，所述地面设备和母基站之间设置缆线且母基站通过缆线与母基站之间电性连接，所述母基站的内部设置有无线充电发射端且侧面设置有水声通讯设备基阵，所述水下设置若干组机器人机器人终端且机器人终端的内设置水声通讯收发器和无线充电接收端。
作为本发明的一种优选实施方式，所述无线充电发射端与无线充电接收端之间相互匹配。
作为本发明的一种优选实施方式，所述地面设备与母基站之间进行能量、信息交互，所述母基站与机器人终端和水声通讯设备基阵之间进行能量、信息交互。
作为本发明的一种优选实施方式，所述水声通讯设备基阵与机器人终端之间进行信息交互，若干组所述机器人终端之间协同作业。
作为本发明的一种优选实施方式，所述机器人终端内部设置锂电池且锂电池通过无线充电接收端与母基站内部设置的无线充电发射端之间相连接。
作为本发明的一种优选实施方式，所述地面设备与母基站之间通过缆线通讯，所述母基站与水声通讯设备基阵之间通过缆线通讯。
作为本发明的一种优选实施方式，所述母基站和机器人终端之间通过无线通讯，所述水声通讯设备基阵与机器人终端之间通过水声通讯。
作为本发明的一种优选实施方式，所述母基站和地面设备的内部均可设置智能导航模块和人工智能模块，所述机器人终端内部设置深水探测模块。
作为本发明的一种优选实施方式，所述母基站通过人工智能模块对水下进行区域划分，且每个划分区域内至少有一个机器人终端。
作为本发明的一种优选实施方式，所述智能机器人应用方法步骤如下：
步骤1：总体设计：采用集群设计的方法，提供一个母基站及多个机器人终端。母基站通过光缆及电缆与地面设备进行连接，基站与终端之间使用无线方式进行信息与能量的交互，终端间可以进行信息交互。机器人终端携带微型计算机和多种传感器，收集到信息后可以进行处理，结合来自外部的指令信息进行决策、处理信息、进行信息存储。用于对母基站进行控制的微型计算机可以视情况而定布置在水下或水上，均可实现相应功能；
步骤2：供能方式：机器人终端本身配备高能量密度的锂电池，利用电池直接给动力部分及其他部分进行供能，为整个机器人终端的运作提供能量。母基站通过电缆与地面设备进行连接，通过电缆将能量传送到水下，维持母基站本身的运作。机器人终端电池电量不足时，在控制***的指挥下通过靠近母基站进行无线充电。母基站上配备无线充电装置的发射端，机器人携带无线充电装置的接收端，运动控制***操控机器人到达指定位置，发射端感应到后进行无线充电，能量补充完成后机器人终端离开，驶向目标区域继续作业。正常情况下，多个机器人终端共用一套无线充电发射装置，协同规划作业任务，实现母基站设备的最大化利用；
步骤3：通讯方法：由于水下环境电磁波长距离传输容易衰减的原因，造成了水下机器人与母基站之间的通讯、水下与水上的通讯都存在很多困难。基于母基站及机器人终端的集群设计为地面设备与水下的通讯提供了便利条件，降低了信息传输的难度。本设计通过使用缆线传输信息的方式实现地面设备与母基站之间的高速通讯，相互间完成信息传输。机器人终端在正常作业的情况下，远离母基站，通过水声通讯方式与地面设备实现实时、小容量的信息交互，接收来自水上的特殊指令，使得自身的运行情况受到地面设备的监督。通过水声通讯***，同样可以实现机器人终端间的信息交互，必要时终端间进行信息传输，实现交互。当机器人终端进入母基站后，可以利用无线传输方式实现大容量信息传输，母基站通过光缆将大容量的信息传输到地面设备。多个机器人终端共用一套无线传输设备，协同规划，最大程度发挥通讯设施的作用，降低水下运作的成本；
步骤4：协同作业：在实现有效供能和通讯的基础上，该机器人基于人工智能、智能导航定位、深水探测等技术，实现了高度自主的运行和高效集群协同作业，极大的提高了作业能力和效率。控制***将根据需求对作业区域及任务进行划分，机器人终端根据指令到达规定区域进行自主作业。智能导航定位***提供实时的导航和定位，通讯***实时的将各终端的情况进行回传，控制***向各终端发出指令指导、协同终端进行探测和作业。深水探测技术、人工智能技术的应用可以提高终端本身的智能化程度，减少控制***干预和协同的，使得集群作业的方式更加高效。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明将无线充电技术应用于水下，优化了能量供给方法，避免了目前方法的缺点，一定程度上解除了水下机器人供能上的限制。不仅可以提高单个水下机器人的作业能力，而且可以摆脱电缆，提高了水下机器人的灵活程度，并且使得水下常驻成为可能。采用集群设计的思维，提供一个母基站和多个相互协同的机器人终端，有效提高了作业能力和效率。基于人工智能(AI)、多种通讯方法融合、智能导航定位等技术，有效实现了机器人终端与母基站之间的通讯、终端之间的通讯、水下与水面上的通讯，实现了水下高效集群作业，大幅提高了水下机器人的智能化程度，具备水下常驻能力；基于无线充电、水下智能导航定位、人工智能(AI)等技术的集群作业的水下常驻智能机器人，具有高度智能化、集群协同高效作业、可以实现水下常驻等特点。有效克服了水下机器人续航能力不足、作业效率及能力有限、水下通讯困难等技术难题。该设计有效提高了水下机器人的智能化程度，提高了作业能力和效率，实现水下常驻，可以降低机器人水下作业的成本，推进海洋资源的探测和开发的进程。
附图说明
图1为本发明深水智能集群作业机器人示意图；
图2为本发明深水智能集群作业机器人总体框架；
图3为本发明供能方式示意图；
图4为本发明通讯方法示意图；
图5为本发明机器人协同作业示意图。
图中:1、地面设备；2、缆线；3、母基站；4、无线充电发射端；5、水声通讯设备基阵；6、水声通讯收发器、7、机器人终端；8、无线充电接收端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***及方法，包括：地面设备1，所述地面设备1安装在水面边缘处且在水下安装有母基站3，所述地面设备1和母基站3之间设置缆线2且母基站3通过缆线2与母基站3之间电性连接，所述母基站3的内部设置有无线充电发射端4且侧面设置有水声通讯设备基阵5，所述水下设置若干组机器人机器人终端7且机器人终端7的内设置水声通讯收发器6和无线充电接收端8，采用集群设计的方法，提供一个母基站3及多个机器人终端7，母基站3通过光缆及电缆与地面设备1进行连接，基站与终端之间使用无线方式进行信息与能量的交互，终端间可以进行信息交互。机器人终端7携带微型计算机和多种传感器，收集到信息后可以进行处理，结合来自外部的指令信息进行决策、处理信息、进行信息存储；母基站3上配备无线充电装置的发射端，机器人携带无线充电装置的接收端，运动控制***操控机器人到达指定位置，发射端感应到后进行无线充电，能量补充完成后机器人终端7离开，驶向目标区域继续作业。正常情况下，多个机器人终端7共用一套无线充电发射装置，协同规划作业任务，实现母基站3设备的最大化利用；机器人终端7在正常作业的情况下，远离母基站3，通过水声通讯方式与地面设备1实现实时、小容量的信息交互，接收来自水上的特殊指令，使得自身的运行情况受到地面设备1的监督。通过水声通讯***，同样可以实现机器人终端7间的信息交互，必要时终端间进行信息传输，实现交互。当机器人终端7进入母基站3后，可以利用无线传输方式实现大容量信息传输，母基站3通过光缆将大容量的信息传输到地面设备1，在实现有效供能和通讯的基础上，该机器人基于人工智能、智能导航定位、深水探测等技术，实现了高度自主的运行和高效集群协同作业，极大的提高了作业能力和效率。
进一步改进地，如图3所示：所述无线充电发射端4与无线充电接收端8之间相互匹配。
进一步改进地，如图2所示：所述地面设备1与母基站3之间进行能量、信息交互，所述母基站3与机器人终端7和水声通讯设备基阵5之间进行能量、信息交互。
进一步改进地，如图2所示：所述水声通讯设备基阵5与机器人终端7之间进行信息交互，若干组所述机器人终端7之间协同作业。
进一步改进地，如图3所示：所述机器人终端7内部设置锂电池且锂电池通过无线充电接收端8与母基站3内部设置的无线充电发射端4之间相连接。
进一步改进地，如图4所示：所述地面设备1与母基站3之间通过缆线2通讯，所述母基站3与水声通讯设备基阵5之间通过缆线2通讯。
进一步改进地，如图4所示：所述母基站3和机器人终端7之间通过无线通讯，所述水声通讯设备基阵5与机器人终端7之间通过水声通讯。
进一步改进地，如图5所示：所述母基站3和地面设备1的内部均可设置智能导航模块和人工智能模块，所述机器人终端7内部设置深水探测模块。
进一步改进地，如图5所示：所述母基站3通过人工智能模块对水下进行区域划分，且每个划分区域内至少有一个机器人终端7。
进一步改进地，如图2-5所示：所述智能机器人应用方法步骤如下：
步骤1：总体设计：采用集群设计的方法，提供一个母基站3及多个机器人终端7。母基站3通过光缆及电缆与地面设备1进行连接，基站与终端之间使用无线方式进行信息与能量的交互，终端间可以进行信息交互。机器人终端7携带微型计算机和多种传感器，收集到信息后可以进行处理，结合来自外部的指令信息进行决策、处理信息、进行信息存储。用于对母基站3进行控制的微型计算机可以视情况而定布置在水下或水上，均可实现相应功能；
步骤2：供能方式：机器人终端7本身配备高能量密度的锂电池，利用电池直接给动力部分及其他部分进行供能，为整个机器人终端7的运作提供能量。母基站3通过电缆与地面设备1进行连接，通过电缆将能量传送到水下，维持母基站3本身的运作。机器人终端7电池电量不足时，在控制***的指挥下通过靠近母基站3进行无线充电。母基站3上配备无线充电装置的发射端，机器人携带无线充电装置的接收端，运动控制***操控机器人到达指定位置，发射端感应到后进行无线充电，能量补充完成后机器人终端7离开，驶向目标区域继续作业。正常情况下，多个机器人终端7共用一套无线充电发射装置，协同规划作业任务，实现母基站3设备的最大化利用；
步骤3：通讯方法：由于水下环境电磁波长距离传输容易衰减的原因，造成了水下机器人与母基站3之间的通讯、水下与水上的通讯都存在很多困难。基于母基站3及机器人终端7的集群设计为地面设备1与水下的通讯提供了便利条件，降低了信息传输的难度。本设计通过使用缆线2传输信息的方式实现地面设备1与母基站3之间的高速通讯，相互间完成信息传输。机器人终端7在正常作业的情况下，远离母基站3，通过水声通讯方式与地面设备1实现实时、小容量的信息交互，接收来自水上的特殊指令，使得自身的运行情况受到地面设备1的监督。通过水声通讯***，同样可以实现机器人终端7间的信息交互，必要时终端间进行信息传输，实现交互。当机器人终端7进入母基站3后，可以利用无线传输方式实现大容量信息传输，母基站3通过光缆将大容量的信息传输到地面设备1。多个机器人终端7共用一套无线传输设备，协同规划，最大程度发挥通讯设施的作用，降低水下运作的成本；
步骤4：协同作业：在实现有效供能和通讯的基础上，该机器人基于人工智能、智能导航定位、深水探测等技术，实现了高度自主的运行和高效集群协同作业，极大的提高了作业能力和效率。控制***将根据需求对作业区域及任务进行划分，机器人终端7根据指令到达规定区域进行自主作业。智能导航定位***提供实时的导航和定位，通讯***实时的将各终端的情况进行回传，控制***向各终端发出指令指导、协同终端进行探测和作业。深水探测技术、人工智能技术的应用可以提高终端本身的智能化程度，减少控制***干预和协同的，使得集群作业的方式更加高效。
本发明采用集群设计的方法，提供一个母基站3及多个机器人终端7，母基站3通过光缆及电缆与地面设备1进行连接，基站与终端之间使用无线方式进行信息与能量的交互，终端间可以进行信息交互。机器人终端7携带微型计算机和多种传感器，收集到信息后可以进行处理，结合来自外部的指令信息进行决策、处理信息、进行信息存储；母基站3上配备无线充电装置的发射端，机器人携带无线充电装置的接收端，运动控制***操控机器人到达指定位置，发射端感应到后进行无线充电，能量补充完成后机器人终端7离开，驶向目标区域继续作业。正常情况下，多个机器人终端7共用一套无线充电发射装置，协同规划作业任务，实现母基站3设备的最大化利用；机器人终端7在正常作业的情况下，远离母基站3，通过水声通讯方式与地面设备1实现实时、小容量的信息交互，接收来自水上的特殊指令，使得自身的运行情况受到地面设备1的监督。通过水声通讯***，同样可以实现机器人终端7间的信息交互，必要时终端间进行信息传输，实现交互。当机器人终端7进入母基站3后，可以利用无线传输方式实现大容量信息传输，母基站3通过光缆将大容量的信息传输到地面设备1，在实现有效供能和通讯的基础上，该机器人基于人工智能、智能导航定位、深水探测等技术，实现了高度自主的运行和高效集群协同作业，极大的提高了作业能力和效率。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：包括：地面设备(1)，所述地面设备(1)安装在水面边缘处且在水下安装有母基站(3)，所述地面设备(1)和母基站(3)之间设置缆线(2)且母基站(3)通过缆线(2)与母基站(3)之间电性连接，所述母基站(3)的内部设置有无线充电发射端(4)且侧面设置有水声通讯设备基阵(5)，所述水下设置若干组机器人机器人终端(7)且机器人终端(7)的内设置水声通讯收发器(6)和无线充电接收端(8)。
2.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述无线充电发射端(4)与无线充电接收端(8)之间相互匹配。
3.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述地面设备(1)与母基站(3)之间进行能量、信息交互，所述母基站(3)与机器人终端(7)和水声通讯设备基阵(5)之间进行能量、信息交互。
4.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述水声通讯设备基阵(5)与机器人终端(7)之间进行信息交互，若干组所述机器人终端(7)之间协同作业。
5.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述机器人终端(7)内部设置锂电池且锂电池通过无线充电接收端(8)与母基站(3)内部设置的无线充电发射端(4)之间相连接。
6.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述地面设备(1)与母基站(3)之间通过缆线(2)通讯，所述母基站(3)与水声通讯设备基阵(5)之间通过缆线(2)通讯。
7.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述母基站(3)和机器人终端(7)之间通过无线通讯，所述水声通讯设备基阵(5)与机器人终端(7)之间通过水声通讯。
8.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述母基站(3)和地面设备(1)的内部均可设置智能导航模块和人工智能模块，所述机器人终端(7)内部设置深水探测模块。
9.根据权利要求8所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人***，其特征在于：所述母基站(3)通过人工智能模块对水下进行区域划分，且每个划分区域内至少有一个机器人终端(7)。
10.根据权利要求1所述的一种集群作业的无线充电水下常驻智能机器人的应用方法，其特征在于：所述智能机器人应用方法步骤如下：
步骤1：总体设计：采用集群设计的方法，提供一个母基站及多个机器人终端。母基站通过光缆及电缆与地面部分进行连接，基站与终端之间使用无线方式进行信息与能量的交互，终端间可以进行信息交互。机器人终端携带微型计算机和多种传感器，收集到信息后可以进行处理，结合来自外部的指令信息进行决策、处理信息、进行信息存储。用于对母基站进行控制的微型计算机可以视情况而定布置在水下或水上，均可实现相应功能；
步骤2：供能方式：机器人终端本身配备高能量密度的锂电池，利用电池直接给动力部分及其他部分进行供能，为整个机器人终端的运作提供能量。母基站通过电缆与地面设备进行连接，通过电缆将能量传送到水下，维持母基站本身的运作。机器人终端电池电量不足时，在控制***的指挥下通过靠近母基站进行无线充电。母基站上配备无线充电装置的发射端，机器人携带无线充电装置的接收端，运动控制***操控机器人到达指定位置，发射端感应到后进行无线充电，能量补充完成后机器人终端离开，驶向目标区域继续作业。正常情况下，多个机器人终端共用一套无线充电发射装置，协同规划作业任务，实现母基站设备的最大化利用；
步骤3：通讯方法：由于水下环境电磁波长距离传输容易衰减的原因，造成了水下机器人与母基站之间的通讯、水下与水上的通讯都存在很多困难。基于母基站及机器人终端的集群设计为地面设备与水下的通讯提供了便利条件，降低了信息传输的难度。本设计通过使用缆线传输信息的方式实现地面设备与母基站之间的高速通讯，相互间完成信息传输。机器人终端在正常作业的情况下，远离母基站，通过水声通讯方式与地面设备实现实时、小容量的信息交互，接收来自水上的特殊指令，使得自身的运行情况受到地面设备的监督。通过水声通讯***，同样可以实现机器人终端间的信息交互，必要时终端间进行信息传输，实现交互。当机器人终端进入母基站后，可以利用无线传输方式实现大容量信息传输，母基站通过光缆将大容量的信息传输到地面设备。多个机器人终端共用一套无线传输设备，协同规划，最大程度发挥通讯设施的作用，降低水下运作的成本；
步骤4：协同作业：在实现有效供能和通讯的基础上，该机器人基于人工智能、智能导航定位、深水探测等技术，实现了高度自主的运行和高效集群协同作业，极大的提高了作业能力和效率。控制***将根据需求对作业区域及任务进行划分，机器人终端根据指令到达规定区域进行自主作业。智能导航定位***提供实时的导航和定位，通讯***实时的将各终端的情况进行回传，控制***向各终端发出指令指导、协同终端进行探测和作业。深水探测技术、人工智能技术的应用可以提高终端本身的智能化程度，减少控制***干预和协同的，使得集群作业的方式更加高效。
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WO2024087645A1 (zh) * 2022-10-27 2024-05-02 深圳技术大学 一种基于无线充电技术的auv集群水下能量救援方法

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