一種混合驅動水下機器人的製作方法

2024-03-25 17:14:05

本發明涉及機器人領域，特別是涉及一種應用於水下環境複雜、水草叢生的混合驅動水下機器人。

背景技術：

淺水域水底也存在著大量的水生植物，水草的生長對水下機器人的工作存在一定的幹擾。傳統的單一的驅動方式，例如僅用螺旋槳進行驅動，當水下機器人到達一定深度時，螺旋槳對周圍環境的擾動比較大，而且水底水草的存在，會影響螺旋槳的工作，可能會出現螺旋槳槳葉卡死的現象，使整個系統無法正常工作。現在想辦法替代水底螺旋槳的工作，本文採取螺旋槳加噴泵的混合驅動方式，有效地避免了螺旋槳卡死的現象，在有水草的環境工作時，採取噴泵的方式進行驅動，使水下機器人更好的工作。也就是，水下機器人正常工作時，在主推力方向，採用螺旋槳來提供主推力，在側向姿態的調整，採用噴泵系統來完成。但當水下機器人進入水草等複雜水生植物區域時，採用噴泵系統來代替螺旋槳進行姿態的快速穩定調整。單向泵和電磁閥迴路組合而成的噴泵系統，不僅響應速度快、噪聲小，實現了用單向泵來完成雙向控制，在外界擾動不大的情況下，實現了有效的定深和定姿態控制。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決現有技術存在的問題，提供一種在複雜水下環境下穩定拍攝的混合驅動水下機器人,以滿足水下動植物探測需要。

為達到上述目的，本發明的構思是：本發明採用球形機構，能夠比較好的適應複雜水下工作環境，當淺水域的湧流和波浪對水下機器人產生幹擾時，通過水下機器人姿態控制算法和運動方向驅動系統對水下機器人整體姿態進行一級抗擾調整；其次通過三軸雲臺對拍攝平臺進行二級抗擾調整；通過兩級抗擾調整實現對拍攝平臺的姿態控制，保證整個拍攝作業過程的連續性、平穩性和完整性。

根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案：

一種混合驅動水下機器人，包括：一個水下機器人機構，其特徵在於：所述水下機器人機構內安裝有一個主控制系統、一個電源管理系統、一個姿態傳感系統、一個任務傳感系統、一個無線接收裝置、一個沉浮系統和一個運動方向驅動系統，所述主控制系統與電源管理系統相連，用於實現電源的監測與電池的管理，所述主控制系統與姿態傳感系統相連，用於獲得機器人的當前姿態信息，所述主控制系統與任務傳感系統相連，用於獲得當前水下機器人實時的視頻信息等，所述主控制系統與無線接收裝置相連，用於獲得遠程控制信號，所述主控制系統與浮沉系統相連，用於實現機器人水深控制，所述主控制系統與運動方向驅動系統相連，用於實現運動方向的推進驅動和噴水泵位置調整功能。所述水下機器人機構包括一個頭部半球罩、十二個側噴口、四個端噴口、一個後連接器、一個推進器、一個水袋、兩個翼板、一個主殼體、一個控制系統、一個前連接器、一個姿態傳感器和一個任務載荷；其特徵在於：所述主殼體連接前後連接器，前連接器連接一個頭部半球罩；四根連接杆分別插入頭部半球罩上的u形孔，姿態傳感器通過螺栓擰緊固定在任務載荷上，任務載荷通過自身的安裝勾固定在四根連接杆其中兩個長杆上；在前連接器兩端的外圓柱面各安裝一個密封圈，四根連接杆通過頭部半球罩上的u形孔，再次插入前連接器的四個對應通孔，壓緊前連接器兩側的密封圈使頭部半球罩和前連接器完全配合；所述控制系統的十六根根水管分別通向十二個個側噴口和四個端噴口；十六根根水管分別通過噴口後使用密封圈和緊固螺母來進行密封安裝；所述水袋通過繃帶固定在四根連接杆中間；所述主殼體的內圓柱面分別和前連接器、後連接器的外圓柱面配合連接，並壓緊密封圈，使用蓋型螺母緊固；兩根延伸杆通過內外螺紋固定在後連接器突起外端上，兩個固定板通過四個六角長螺栓固定在延伸杆上，所述推進器套進固定板內，並通過推進器上預留的螺紋孔用螺栓擰緊定位；所述兩個翼板通過十個定位螺栓的內外螺紋進行固定。所述電源管理系統通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個六角長螺栓固定在後連接器突起外端的延伸杆上；所述電源管理系統用於實現電源的監測與電池的管理。所述姿態傳感系統採用九軸自由度傳感器gy-85，九軸自由度傳感器包括三軸加速度計adxl345、三軸陀螺儀itg3205和三軸磁力計hmc5883l；所述姿態傳感系統通過緊固螺母固定在連接杆上，用於獲得當前機器人的運動能夠姿態信息和加速度信息，以便於判斷當前機器人所處環境的湧流驅動情況和自身電機驅動情況。所述任務傳感系統主要包括秀客c30水下防水攝像機，該攝像機通過緊固螺母固定在連接杆上，用於獲得當前水下機器人的實時水下視頻圖像等。所述無線接收裝置通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個六角長螺栓固定在後連接器突起外端的延伸杆上，用於獲得遠程控制信號。所述浮沉系統通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個六角長螺栓固定在後連接器突起外端的延伸杆上，所述浮沉系統用於實現機器人水深控制。所述運動方向驅動系統通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個六角長螺栓固定在後連接器突起外端的延伸杆上，所述運動方向驅動系統用於實現運動方向的推進驅動和噴水泵位置調整等功能。

上述主控制系統的結構：一個微處理器經過電源管理系統連接蓄電池、經過位置、速度傳感電路連接直流無刷電機、連接復位電路、接口轉換電路和功率驅動模塊，功率驅動模塊繼而連接沉浮系統,所述接口轉換電路連接姿態傳感系統、任務傳感系統和無線接收裝置；所述主控制系統用於控制直流無刷電機，實現機器人的驅動、制動和轉向等控制，在有無水草的兩種情況下，實現水下機器人更穩定的工作狀態。

本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著進步：本發明採用螺旋槳推進器加噴泵的混合驅動方式，如果僅採用單一的螺旋槳推進器進行驅動，當水下機器人到達一定深度時，螺旋槳對周圍環境的擾動比較大，而且水底水草的存在，會影響螺旋槳的工作，可能會出現螺旋槳槳葉卡死的現象，使整個系統無法正常工作。所述的混合驅動水下機器人採取螺旋槳加噴泵的混合驅動方式，有效地避免了螺旋槳卡死的現象，在有水草的環境工作時，採取噴泵的方式進行驅動，使水下機器人更好的工作。

附圖說明

附圖1是混合驅動水下機器人的結構示意圖。

附圖2是圖1示例中混合驅動水下機器人的控制系統機構。

附圖3是圖1示例中主控制系統的電路結構框圖。

附圖4是圖1示例中主控制系統的程序流程框圖。

具體實施方式

本發明的優選實施例結合附圖詳述如下：

實施例一：

如圖1所示，本混合驅動水下機器人包括一個水下機器人機構（101），所述水下機器人機構內安裝有一個主控制系統（102）、一個電源管理系統（103）、一個姿態傳感系統（104）、一個任務傳感系統（105）、一個無線接收裝置（106）、一個沉浮系統（107）和一個運動方向驅動系統（108），所述主控制系統（102）與電源管理系統（103）相連，用於實現電源的監測與電池的管理，所述主控制系統（102）與姿態傳感系統（104）相連，用於獲得機器人的當前姿態信息，所述主控制系統（102）與任務傳感系統（105）相連，用於獲得當前水下機器人實時的視頻信息等，所述主控制系統（102）與無線接收裝置（106）相連，用於獲得遠程控制信號等，所述主控制系統（102）與浮沉系統（107）相連，用於實現機器人水深控制，所述主控制系統（102）與運動方向驅動系統（108）相連，用於實現運動方向的推進驅動和噴水泵位置調整等功能，本混合驅動機器人可廣泛適用於湧流環境中水資源信息探測等應用。

實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，特別之處在於：

參見圖2，本混合驅動水下機器人機構採用對稱結構，完成機器人支架和本體外蓋保護等功能，它包括：一個頭部半球罩（201）、十二個側噴口（202）、四個端噴口（203）、一個後連接器（206）、一個推進器（210）、一個水袋（212）、兩個翼板（214）、一個主殼體（215）、一個控制系統（216）、一個前連接器（218）、一個姿態傳感器（220）和一個任務載荷（221）。

所述混合驅動水下機器人採用推進器和噴水泵組合驅動來實現在水下更好地工作。四根連接杆（213）分別插入頭部半球罩（201）上的u形孔，姿態傳感器（220）通過螺栓擰緊固定在任務載荷（221）上，任務載荷（221）通過自身的安裝勾固定在四根連接杆（213）其中兩個長杆上；在前連接器（218）兩端的外圓柱面各安裝一個密封圈（217），四根連接杆（213）通過頭部半球罩（201）上的u形孔，再次插入前連接器（218）的四個對應通孔，壓緊前連接器（218）兩側的密封圈（217）使頭部半球罩（201）和前連接器（218）完全配合；所述控制系統（216）的十六根水管（204）分別通向十二個側噴口（202）和四個端噴口（203）；十六根水管（204）分別通過噴口（202、203）後使用密封圈和緊固螺母（211）來進行密封安裝；所述水袋（212）通過繃帶固定在四根連接杆（213）中間；所述主殼體（215）的內圓柱面分別和前連接器（218）、後連接器（206）的外圓柱面配合連接，並壓緊密封圈（217），使用蓋型螺母（207）緊固；兩根延伸杆（209）通過內外螺紋固定在後連接器（206）突起外端上，兩個固定板（208）通過四個六角長螺栓固定在延伸杆（209）上；所述推進器（210）套進固定板（208）內，並通過推進器（210）上預留的螺紋孔用螺栓擰緊定位；所述兩個翼板（214）通過十個定位螺栓（205）的內外螺紋進行固定。

實施例三：

本實施例與實施例二基本相同，特別之處在於：

參見圖3，所述主控制系統（102）的結構：一個微處理器（301）經過電源管理系統（103）連接蓄電池（223）、經過位置、速度傳感電路（303）連接直流無刷電機（304）、連接復位電路（305）、接口轉換電路（306）和功率驅動模塊（307），功率驅動模塊（307）繼而連接沉浮系統（107）,所述接口轉換電路（306）連接姿態傳感系統（104）、任務傳感系統（105）和無線接收裝置（106）；所述主控制系統（102）用於控制直流無刷電機（304），實現機器人的驅動、制動和轉向等控制，在有無水草的兩種情況下，實現水下機器人更穩定的工作狀態。

所述微處理器（301）採用美國ti公司的tms320f28035微處理器，內含模擬-數字轉換器，可實現姿態角信息的模數轉換，獲得姿態角數值，具有pwm脈寬調製輸出控制功能、ecan增強can總線和eqep增強計數器等功能。

所述微處理器（301）與所述接口轉換電路（306）相連，實現數據通訊和總線電平轉換等功能；所述微處理器的復位信號xrs與上電復位電路相連。

所述位置傳感電路（303）採用霍爾元件布局於直流無刷電機中，用於實現電機轉動位置的檢測。

所述接口轉換電路（306）與所述姿態傳感系統（104）、所述任務傳感系統（105）、所述無線接收裝置（106）連接，用於實現數據通訊和總線電平轉換等功能。

所述姿態傳感系統（104）採用microstrain公司的3dm-gx3姿態傳感系統，用於獲得機器人六自由度的速度、加速信息和全球gps定位信息等，為機器人控制系統提供姿態參考。

所述任務傳感系統（105）主要包括可視化三軸雲臺拍攝系統，用於實現機器人所處水下環境的實時視頻圖像的獲得。

所述無線接收裝置（106），用於接收遠程發送來的指令，對水下機器人進行實時控制。

整個控制流程如圖4所示。具體過程如下：

（a）設備初始化；

（b）獲得當前溫度、溼度、姿態、周邊環境信息；

（c）判斷是否接收到遠程數據，如果有，則進行遠程數據交換和遠程控制；

（d）判斷前方是否有水草存在，如果沒有，則繼續以螺旋槳推動器為工作動力，進行水下機器人運行。如果存在水草，則停止螺旋槳工作模式，採用噴泵系統；

（f）判斷前方是否有障礙物，如果存在風險，則運行避障模式；

（g）自身狀態監測，判斷是否存在故障，如果有，則通過無線接收裝置發送當前信息和故障信息；

（h）返回（b）運行。

以上通過具體實施方式對本發明進行了詳細的說明，但這些並非構成對本發明的限制。在不脫離本發明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本發明的保護範圍。