一种便携式水下监测机器人的制作方法

本实用新型属于水下监测技术领域，具体涉及一种便携式水下监测机器人。

背景技术：

如今水下环境复杂多变，深水中更是冰冷重压，昏暗无光，充满未知，单纯依靠人类肉身去完成如此的探测任务是不可能的。而水下机器人具有体积小、航行阻力低、机动性好、易携带和成本低的特点，使水下机器人具有广泛的应用前景。为了在近海域、狭窄水域、地形复杂水域或浅水区执行一些特殊作业任务，如水下目标探测和水质检测等，因此一种能在特殊环境出入自由的便携水下机器人成为当前研究重点之一。

为了能够使水下机器人更加多元化地适应环境并且完成相应的任务，国内外研究人员对水下机器人进行了大量的研究设计。现有的水下机器人较为笨重，不能灵活出入不同的工作环境，控制较为困难，且水下环境复杂波动大，对机器人的稳定性要求较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决水下环境稳定监测的问题，提出了一种便携式水下监测机器人。

本实用新型的技术方案是：一种便携式水下监测机器人包括推进器外壳、螺旋桨、推进器支架、机舱、支架、第一传感器探出口、第二传感器探出口和螺旋桨支架；

便携式水下监测机器人呈左右对称状；推进器外壳通过推进器支架分别固定设置于机舱的两侧；螺旋桨通过螺旋桨支架固定设置于推进器外壳内；支架分别固定设置于机舱底部的两侧；第一传感器探出口和第二传感器探出口均固定设置于机舱的外壁上；螺旋桨支架间隔均匀的设置于推进器外壳内。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的便携式水下监测机器人主要满足于水下浅域环境的监测，同时具有低成本、体积小且能在水下完成多自由度运动的优点。同时，该系统仅使用两个螺旋桨对机器人进行驱动，可实现高自由度的运动。整个系统运动灵活，防水效果好，可根据搭载不同检测元件，高稳定性和高可靠性的完成水下检测工作。

进一步地，机舱呈球形。

上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，球形的机舱为机器人的主体，能最大限度的减少机器人在水下运动时的阻力。

进一步地，机舱内固定设置有主控模块、电源模块、传感器模块、定位通信模块和调试接口模块；主控模块和电源模块电性连接；传感器模块、定位通信模块和调试接口模块均与主控模块通信连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，机舱内存放着主控装置、部分传感器装置和定位通信装置。位于机舱内的主控装置，由嵌入式控制系统及其外设功能组成；主控装置将对传感器和定位及通信等装置返回的数据进行处理，并高实时性地进行反馈控制。

进一步地，传感器模块包括姿态传感器、温度传感器、深度传感器和双目摄像头；姿态传感器、温度传感器、深度传感器和双目摄像头均与主控模块通信连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，传感器装置由姿态测量装置、视觉系统、检测装置、深度传感器、温度传感器组成。传感器装置将完成对水下机器人运动状态、系统运行状态、环境参数等数据的采集，并及时反馈给主控、通信装置、上位机。

进一步地，定位通信模块包括gps定位单元和无线数据传输单元；gps定位单元和无线数据传输单元均与主控模块通信连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，定位及通信装置则将配合主控装置完成对水下机器人的目标性运动控制；定位系统将水下机器人的位置信息通过串口反馈给主控系统，通信装置同时也将传输下位机信息给上位机。水下环境复杂，综合考虑多方面因素，采用433mhz无线数传模块完成通信系统功能。

进一步地，调试接口模块包括jtag/swd调试接口单元、usb接口单元和io外引接口单元；jtag/swd调试接口单元、usb接口单元和io外引接口单元均与主控模块通信连接。

进一步地，主控模块的主控芯片型号为stm32f103ze；电源模块的稳压芯片型号为kia1117-3.3。

进一步地，姿态传感器的型号为mpu6050；温度传感器的型号为ds18b20；深度传感器的型号为ms5875；双目摄像头的型号为ov7670。

进一步地，gps定位单元的主控芯片型号为gps_neo-6；无线数据传输单元的主控芯片型号为cc1101。

进一步地，jtag/swd调试接口单元的主控芯片型号为xg4c-2034；usb接口单元的主控芯片型号为ch340g和1734035-2；io外引接口单元的端口为port30*2-2.54。

附图说明

图1为便携式水下监测机器人的结构图；

图2为便携式水下监测机器人的立体结构图；

图3为便携式水下监测机器人的控制电路框图；

图4为主控模块的电路图；

图5为电源模块的电路图；

图6为姿态传感器的电路图；

图7为温度传感器的电路图；

图8为深度传感器的电路图；

图9为双目摄像头的电路图；

图10为gps定位单元的电路图；

图11为无线数据传输单元的电路图；

图12为调试接口模块的电路图；

图中，1、推进器外壳；2、螺旋桨；3、推进器支架；4、机舱；5、支架；6、第一传感器探出口；7、第二传感器探出口；8、螺旋桨支架。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供了一种便携式水下监测机器人包括推进器外壳1、螺旋桨2、推进器支架3、机舱4、支架5、第一传感器探出口6、第二传感器探出口7和螺旋桨支架8；

便携式水下监测机器人呈左右对称状；推进器外壳1通过推进器支架3分别固定设置于机舱4的两侧；螺旋桨2通过螺旋桨支架8固定设置于推进器外壳1内；支架5分别固定设置于机舱4底部的两侧；第一传感器探出口6和第二传感器探出口7均固定设置于机舱4的外壁上；螺旋桨支架8间隔均匀的设置于推进器外壳1内。

在本实用新型实施例中，如图2所示，机舱4呈球形。

在本实用新型中，球形的机舱为机器人的主体，能最大限度的减少机器人在水下运动时的阻力。

在本实用新型实施例中，如图3所示，机舱4内固定设置有主控模块、电源模块、传感器模块、定位通信模块和调试接口模块；主控模块和电源模块电性连接；传感器模块、定位通信模块和调试接口模块均与主控模块通信连接。

在本实用新型中，机舱内存放着主控装置、部分传感器装置和定位通信装置。位于机舱内的主控装置，由嵌入式控制系统及其外设功能组成；主控装置将对传感器和定位及通信等装置返回的数据进行处理，并高实时性地进行反馈控制。

在本实用新型实施例中，如图3所示，传感器模块包括姿态传感器、温度传感器、深度传感器和双目摄像头；姿态传感器、温度传感器、深度传感器和双目摄像头均与主控模块通信连接。

在本实用新型中，传感器装置由姿态测量装置、视觉系统、检测装置、深度传感器、温度传感器组成。传感器装置将完成对水下机器人运动状态、系统运行状态、环境参数等数据的采集，并及时反馈给主控、通信装置、上位机。

在本实用新型实施例中，如图3所示，定位通信模块包括gps定位单元和无线数据传输单元；gps定位单元和无线数据传输单元均与主控模块通信连接。

在本实用新型中，定位及通信装置则将配合主控装置完成对水下机器人的目标性运动控制；定位系统将水下机器人的位置信息通过串口反馈给主控系统，通信装置同时也将传输下位机信息给上位机。水下环境复杂，综合考虑多方面因素，采用433mhz无线数传模块完成通信系统功能。

在本实用新型实施例中，如图3所示，调试接口模块包括jtag/swd调试接口单元、usb接口单元和io外引接口单元；jtag/swd调试接口单元、usb接口单元和io外引接口单元均与主控模块通信连接。

在本实用新型实施例中，如图4所示，主控模块的主控芯片型号为stm32f103ze；如图5所示，电源模块的稳压芯片型号为kia1117-3.3。

在本实用新型实施例中，如图6所示，姿态传感器的型号为mpu6050；如图7所示，温度传感器的型号为ds18b20；如图8所示，深度传感器的型号为ms5875；如图9所示，双目摄像头的型号为ov7670。

在本实用新型实施例中，如图10所示，gps定位单元的主控芯片型号为gps_neo-6；如图11所示，无线数据传输单元的主控芯片型号为cc1101。

在本实用新型实施例中，如图12所示，jtag/swd调试接口单元的主控芯片型号为xg4c-2034；usb接口单元的主控芯片型号为ch340g和1734035-2；io外引接口单元的端口为port30*2-2.54。

本实用新型的机器人的工作方式有如下几种：

1.当系统处于待机状态或一分钟内无指令时，系统处于自锁状态，以防止操作人员的误操作；若欲给系统发送指令，需由操作人员通过遥控器解锁系统，实现对空水两栖子母系统的控制。系统处于自锁状态时，系统会稳定于水下的某一位置，不会上浮或下沉。

2.由接收机将收到的遥控指令传输至控制板，接收机与遥控器配套，遥控器通过配置不同的通道实现对舵机的控制，左右摇杆实现对水下推进器的控制。由于需要实时采集系统传感器、摄像头的数据、实时计算并控制系统的当前姿态等，故控制板的底层软件系统选用arm微控制器构建，而在上层操作系统中，采取扩展卡尔曼滤波对数据进行融合，选用四元数法对系统进行姿态解算，选用模糊pid控制算法对系统的运动姿态进行控制，并对环境数据进行存储和回传。

3.当系统处于工作状态时，操作人员通过遥控器向系统发送指令，控制板接收指令后调节电调的pwm，通过调节输出到无刷电机的电流进而调节无刷电机的转速，并通过对两个无刷电机转速的分配控制，实现系统的姿态调整，此时系统的运动部件只有两个无刷电机以及由其带动运动的桨叶。而每个水下推进器固定在一个舵机上，通过舵机调节推进器的方向能实现上浮下沉、进退、横移等姿态调整。

本实用新型的工作原理及过程为：位于机舱4两侧的推进系统由推进器外壳1、螺旋桨2和推进器支架3组成。防水舵机通过螺旋桨支架8固定在推进器支架3的内部。推进系统将在控制系统的控制下，通过调节双螺旋桨不同的转速和方向，实现转向和自旋等运动。

本实用新型的有益效果为：本实用新型的便携式水下监测机器人主要满足于水下浅域环境的监测，同时具有低成本、体积小且能在水下完成多自由度运动的优点。同时，该系统仅使用两个螺旋桨对机器人进行驱动，可实现高自由度的运动。整个系统运动灵活，防水效果好，可根据搭载不同检测元件，高稳定性和高可靠性的完成水下检测工作。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。