CN115230918A - 基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人及去缆化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人及去缆化方法，实现开源水下机器人BlueROV2去缆化、自主化，用来实现以BlueROV2为个体的水下集群。首先根据BlueROV2的通信方式，进行结构上的改造，包括去掉连接BlueROV2与岸边计算机的零浮力通信电缆，加装额外的密封舱，使用一根较短的通信电缆连接BlueROV2原有密封舱与加装的密封舱，并适配以太网信号与电信号转换的硬件电路。再根据水下集群运动的要求，在密封舱添加额外的主控模块对BlueROV2的控制实现自主化，添加额外的视觉感知模块。最后再配套额外的硬件电路保证加装的主控密封舱正常工作，包括电源模块、相应的传感器模块。

Description

基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人及去缆化方法
技术领域
本发明属于自主水下机器人技术领域，具体涉及一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人的自主智能化改造。
背景技术
集群运动，即使用多个个体，通过个体之间设计简单的交互规则，可以在宏观上形成具备优秀性能的运动形式，如目标围捕、大面积搜索覆盖等。
遥控式水下机器人(Remote Operated Vehicle,ROV)即遥控无人潜水器，是无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的一种。ROV主要用于水下观测、检查和施工，其推进器为矢量布局，在复杂水下环境下，其运动控制相比传统回转体水下航行器更方便，可以在复杂场景下执行一些较为精细的任务，但ROV的控制需要岸基人员的手动控制，没有自主性，无法自主实现一些任务，而集群运动的实现需要个体具备自主能力。
AUV(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)是一种纯自主水下航向器，可在无人操控下自主执行一些任务，其在海洋勘探、资源调查、对敌侦察、目标定位、集群围捕有着广泛应用，且由于其自主的能力，适合进行水下集群***的设计。但常规AUV多为欠驱动型AUV，其在有水流影响的水下环境里的运动较难控制，并不适合在水下复杂环境里进行集群运动。且集群需要数量多的个体来组成更可靠、容错更高的***，但传统AUV体型较大，成本高昂，不便于组成集群***。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人及去缆化方法。
技术方案
一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人，其特征在于：在BlueROV2原有的密封舱上，增加了一个加装密封舱作为其主控舱，主控舱内部包含主控模块、通信模块、电源模块、信号源模块、传感器模块；
所述主控模块为一个微处理器，微处理器运行ROV自主控制程序，用于运行控制算法、读取传感器数据、处理传感器数据、实现软件层面通信接口，给下层ROV的执行机构发布控制命令；
所述通信模块包括电力调制解调器、路由器模块、网络通信模块、无线电台模块；所述电力调制解调器将由ROV原有结构传来的电信号转换为以太网信号传递给网络通信模块；所述路由器模块实现ROV浮出水面下岸基计算机远程登录ROV主控模块；所述网络通信模块将由电力调制解调器传来的网络信号继续传递给主控模块；所述无线电台模块实现ROV浮出水面后与岸基地面站之间的通信；
所述电源模块给加装的密封舱内的其他模块进行供电；
所述传感器模块包括一个摄像头，摄像头感知光信号源；
所述信号源模块为LED灯，用作水下黑暗环境里供其他ROV识别用的信号标志。
本发明进一步的技术方案：所述传感器模块还包括一个深度传感器，所述深度传感器作为ROV自主运行时的一个安保措施，深度传感器感知水体压力进而换算得到水体深度，当ROV下潜超一定深度时，安保程序触发，ROV浮出水面。
本发明进一步的技术方案：所述加装密封舱后端盖预留8个穿孔螺栓开口，其中一个开孔固定为一个三芯水密接插件的母座，该母座密封舱内部一端与电力调制解调器的输入相连。
本发明进一步的技术方案：所述加装密封舱为有机玻璃材质。
一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人的去缆化方法，其特征在于：去掉原有的通信电缆，用一根半米长的通信电缆且两端为三芯水密接插件母座，一端连接BlueROV2原有密封舱后端盖上的三芯水密接插件公头，该端口为BlueROV2向外发送信息以及接收外部控制信号的接口；另一端连接加装密封舱后端盖上的三芯水密接插件公头，该公头另一端与加装密封舱内部硬件电路相连接。
一种水下集群***，其特征在于包括多个上述的基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人。
有益效果
本发明提供的一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人及去缆化方法，实现开源水下机器人BlueROV2去缆化、自主化，用来实现以BlueROV2为个体的水下集群。首先根据BlueROV2的通信方式，进行结构上的改造，包括去掉连接BlueROV2与岸边计算机的零浮力通信电缆，加装额外的密封舱，使用一根较短的通信电缆连接BlueROV2原有密封舱与加装的密封舱，并适配以太网信号与电信号转换的硬件电路。再根据水下集群运动的要求，在密封舱添加额外的主控模块对BlueROV2的控制实现自主化，添加额外的视觉感知模块。最后再配套额外的硬件电路保证加装的主控密封舱正常工作，包括电源模块、相应的传感器模块。
1、本发明通过改变BlueROV2的通信方式，增加主控模块，使其实现遥控式水下机器人的自主水下运动；
2、本发明通过在多个BlueROV2上搭建自主运动服务器程序，使其实现水下集群功能。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明在BlueROV2基础上加装的密封舱结构图；
图2为本发明连接BlueROV2和加装密封舱的固件结构图；
图3为本发明改造后的***结构图；
图4为实现BlurROV2自主运动的服务器程序框架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人及去缆化方法，以一款成熟开源的遥控式水下机器人BlueROV2为基础，把BlueROV2这款只能遥控的水下机器人去缆化、自主化，进而搭建以该自主化后的BlueROV2为个体的水下集群***。
在BlueROV2原有的密封舱上，加装了一个新的透明密封舱作为其主控舱，主控舱内部包含主控模块、通信模块、电源模块、信号源模块、传感器模块。加装的密封舱与BlueROV原有的密封舱通过一根零浮力通信电缆相连进行通信与控制，零浮力通信电缆两端为公头水密接插件，分别与主控舱和原有密封舱端盖上的母座水密接插件相连。主控舱与BlueROV原有密封舱之间通过一个连接固件相连接。整个加装部件采用模块化结构，主控舱、固定卡扣板、水密接通信电缆均为可拆卸结构，可以在不影响BlueROV原本的遥控式操作下方便进行加装和拆卸，即BlueROV既可以保持岸基人员遥控操作，也可以通过加装部件进行自主水下任务。同时在加装舱内部和端盖上预留了端口方便对ROV功能进行拓展。
所述的主控模块为一个微处理器，使用此微处理器实现ROV的自主控制，包括对传感器数据的采集、处理，运动控制算法的处理，下达对ROV底层的控制命令。主控模块位于加装的密封舱内。
所述的通信模块包括电力调制解调器、路由器模块、网络通信模块、无线电台模块。电力调制解调器可以将由ROV原有结构传来的电信号转换为以太网信号传递给网络通信模块；路由器模块可以实现ROV浮出水面下岸基计算机远程登录ROV主控模块；网络通信模块可以将由电力调制解调器传来的网络信号继续传递给主控模块；无线电台模块可以实现ROV浮出水面后与岸基地面站之间的通信。通信模块位于加装的密封舱内。
所述的电源模块给加装的密封舱内的其他模块进行供电。电池部分为锂电池12V直流输出，经稳压模块给主控模块供电；再从锂电池引出电路为路由器、LED灯、电力调制解调器供电。电源模块位于加装的密封舱内。
所述信号源模块主要为LED灯，用作水下黑暗环境里供其他ROV识别用的信号标志。同时预留了接口可供未来拓展信号源。
本发明具体实施例如下：
1.ROV改造加装的结构部分主要为一个透明亚克力材质的密封舱(图1)和起固定作用的卡扣固件(图2)。ROV原本的遥控方式为通过一根零浮力通信电缆连接ROV原本的密封舱和岸基地面站，零浮力通信电缆与ROV相连部分为一对水密接插件；改造过后的结构为去掉原有的通信电缆，用一根半米长的通信电缆且两端为三芯水密接插件母座，一端连接BlueROV2原有密封舱后端盖上的三芯水密接插件公头，该端口为BlueROV2向外发送信息以及接收外部控制信号的接口；另一端连接加装的密封舱后端盖上的三芯水密接插件公头，该公头另一端与密封舱内部硬件电路相连接。加装密封舱位于ROV原有密封舱上部，两者通过固定卡扣连接固定。
2.主控模块包含一个树莓派4B微处理器，树莓派4B内部运行Linux***，在Linux***下运行ROV自主控制程序，用于运行控制算法、读取传感器数据、处理传感器数据、实现软件层面通信接口，给下层ROV的执行机构发布控制命令。主控模块负责与传感器建立通信、运行自主控制算法。
3.通信模块包含一个电力调制解调器、路由器、无线电台。ROV与外部通信为UDP通信，且其内部将网络信号通过电力调制解调器转换为电信号通过零浮力电缆与外界通信。在加装的密封舱内部，再通过电力调制解调器将电信号转换为以太网信号传递给树莓派的网络接口从而与加装密封舱建立通信连接。路由器与树莓派相连，当ROV浮出水面时，可通过与岸基计算机建立局域网实现远程登录ROV加装密封舱内主控***对ROV主控程序进行修改与调试。无线电台与树莓派相连，当ROV浮出水面时，通过无线电与岸基地面站建立通信，接收地面站的指控命令和向地面站发送信息。无线电台通常在路由器无法覆盖的区域与地面站通信。
4.传感器模块包括一个摄像头和一个深度传感器。摄像头安装在加装的透明密封舱前端位置，可以在水下黑暗环境下，通过摄像头感知光信号源，同时主控程序通过opencv视觉框架对摄像头采集图形进行处理。深度传感器与树莓派相连，通过I2C总线协议通信，深度传感器感知部分通过密封舱穿孔与外界水体接触，主控程序可读取来自深度传感器的水体压力，进而换算得到水体深度。深度传感器作为ROV自主运行时的一个安保措施，当ROV下潜超一定深度时，安保程序触发，ROV浮出水面。
信号源模块主要包括4个LED灯。LED灯由继电器控制，继电器与树莓派的控制引脚相连，可通过主控程序对LED的开关进行控制。LED灯的布置为：密封舱前端两个为红色，密封舱后端两个为蓝色。
5.电源模块主要为12V直流18650锂电池组。锂电池与树莓派之间通过一个稳压模块相连，稳压模块输入锂电池12V直流电压，输出5V2A给树莓派电源引脚。锂电池同时给电力调制解调器(12V)、LED灯(12V)供电。
6.实现BlueROV2自主运动的方法为在加装的主控模块上使用socket技术搭建网络服务器，并在该服务器程序上集成mavlink小型无人载具通信协议，通过该mavlink通信协议来对底层的BlueROV2发送控制命令，底层BlueROV2接收到mavlink控制命令后，运行对应的控制算法来驱动BlueROV2的推进器实现运动。同时在该服务器程序上集成了opencv计算机视觉框架，可以实现基于视觉的控制算法。如图4所示。
实现以自主化后的BlueROV2为个体的水下集群平台的方法为将5台遥控式水下机器人BlueROV2按照上述的第1步到第5步进行结构化改造后，再按照第6步在每个BlueROV2上搭建自主运动服务器程序。进而实现以自主化改造后的BlueROV2为个体的水下集群平台。
本发明的设计方法步骤如下：
步骤1：确定实现BlueROV2的自主控制的硬件。
首先确定外部硬件电路，实现自主控制的外部硬件分为主控模块、通信模块、传感器模块、信号源模块和电源模块。其中主控模块使用树莓派4b微处理器，通信模块使用电力调制解调器、Lora通信电台、路由器。传感器模块使用usb摄像头、深度传感器。电源模块使用12V18650锂电池组。信号源使用红色、蓝色LED灯各两个。
步骤2：连接硬件电路。
树莓派与电力调制解调器通过RJ45网线相连；树莓派与路由器通过RJ45网线相连；树莓派与摄像头通过USB线相连；树莓派与Lora通信电台通过USB线相连；树莓派与深度传感器通过GPIO引脚相连；电源模块通过稳压模块输出5V/2A给树莓派电源引脚；LED与继电器被控端连接，树莓派与继电器控制端通过GPIO引脚连接。
步骤3：根据硬件电路确定密封舱大小。
密封舱大小要求能容纳所有外加的硬件电路，且为有机玻璃材质制作，后端盖预留8个穿孔螺栓开口，其中一个开孔固定为一个三芯水密接插件的母座，该母座密封舱内部一端与电力调制解调器的输入相连。根据密封舱尺寸和BlueROV2底部密封舱尺寸设计固定连接件。
步骤4：去掉BlueROV2原有通信电缆。
使用一根双头为水密接公插头的通信电缆，一端连接在BlueROV2原有的水密接插件的母座，另一端连接到放置外界电路的密封舱后端盖上的水密接插件母座上。
步骤5：固定密封舱。
使用固定连接件将放置电路的密封舱与BlueROV2的原有结构连接。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人，其特征在于：在BlueROV2原有的密封舱上，增加了一个加装密封舱作为其主控舱，主控舱内部包含主控模块、通信模块、电源模块、信号源模块、传感器模块；
所述主控模块为一个微处理器，微处理器运行ROV自主控制程序，用于运行控制算法、读取传感器数据、处理传感器数据、实现软件层面通信接口，给下层ROV的执行机构发布控制命令；
所述通信模块包括电力调制解调器、路由器模块、网络通信模块、无线电台模块；所述电力调制解调器将由ROV原有结构传来的电信号转换为以太网信号传递给网络通信模块；所述路由器模块实现ROV浮出水面下岸基计算机远程登录ROV主控模块；所述网络通信模块将由电力调制解调器传来的网络信号继续传递给主控模块；所述无线电台模块实现ROV浮出水面后与岸基地面站之间的通信；
所述电源模块给加装的密封舱内的其他模块进行供电；
所述传感器模块包括一个摄像头，摄像头感知光信号源；
所述信号源模块为LED灯，用作水下黑暗环境里供其他ROV识别用的信号标志。
2.根据权利要求1所述的基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人，其特征在于所述传感器模块还包括一个深度传感器，所述深度传感器作为ROV自主运行时的一个安保措施，深度传感器感知水体压力进而换算得到水体深度，当ROV下潜超一定深度时，安保程序触发，ROV浮出水面。
3.根据权利要求1所述的基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人，其特征在于所述加装密封舱后端盖预留8个穿孔螺栓开口，其中一个开孔固定为一个三芯水密接插件的母座，该母座密封舱内部一端与电力调制解调器的输入相连。
4.根据权利要求3所述的基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人，其特征在于所述加装密封舱为有机玻璃材质。
5.一种权利要求3所述的基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人的去缆化方法，其特征在于：去掉原有的通信电缆，用一根半米长的通信电缆且两端为三芯水密接插件母座，一端连接BlueROV2原有密封舱后端盖上的三芯水密接插件公头，该端口为BlueROV2向外发送信息以及接收外部控制信号的接口；另一端连接加装密封舱后端盖上的三芯水密接插件公头，该公头另一端与加装密封舱内部硬件电路相连接。
6.一种水下集群***，其特征在于包括多个权利要求1所述的基于BlueROV2的全驱动自主水下机器人。
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