一种无线反向充电的机器鱼、控制系统及控制方法与流程

1.本公开涉及水中探测器技术领域，特别涉及一种无线反向充电的机器鱼、控制系统及控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.近年来，随着陆地资源的日益枯竭，人们逐渐将目光转向资源丰富并具有巨大开发价值的海洋。由于原有的水下检测、作业、运载装置难以满足复杂水下作业任务的需求，因此加速了水下机器人的研发工作。仿生机器鱼作为鱼类推进机理和机器人技术的结合点，为研制新型的水下航行器提供了一种新思路，具有重要的研究价值和应用前景。
4.与此同时，随着机器人技术日新月异的飞速发展，单一水下航行器的执行力已满足不了人们的需求，多机器鱼协同合作因此而提出。但是在多机器鱼协同合作时，存在着电量分配不均，初始电量不足，电量使用过多致使无法返航等问题。且机器鱼的使用通常受到严格的功率限制，内部电路易受腐蚀，加上水下流体运动的复杂性，使水下独立充电特别具有挑战性。
5.发明人发现，水下航行器自主充电的主要解决方案一般是直接接触式充电或者非直接接触的充电方法，然而，直接接触的可行性是以有效解决泄漏和腐蚀为代价的，在水中不容易实现；非直接接触的充电方法主要采用无线线圈的方式充电，但是目前的水下航行器无线充电大多采用“母船 多个航行器”的方式，即在水下航行器欠电时，控制母船向航行器移动或者控制水下航行器在电量耗尽前回到母船位置，使得任务执行效率较低。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种无线反向充电的机器鱼、控制系统及控制方法，具有良好的密封性、兼容性、安全性和可靠性，能有效提高电池使用寿命，避免现有机器鱼水下泄露和腐蚀问题，满足了多机器鱼间协同合作相互无线充电的需求，极大的提高了水下任务的执行效率。
7.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
8.本公开第一方面提供了一种无线反向充电的机器鱼。
9.一种无线反向充电的机器鱼，包括：机器鱼本体，机器鱼本体内部设有供电模块，机器鱼本体的一侧设有与供电模块连接的至少一个充电模块，机器鱼本体的另一侧设有与供电模块连接的至少一个放电模块。
10.进一步的，供电模块设置在机器鱼本体的底部，放电模块设置在机器鱼本体的顶部。
11.进一步的，机器鱼本体至少包括：控制终端、鱼腔和舵机，控制终端与舵机连接且均设置在鱼腔内，舵机根据控制终端的指令动作进而带动机器鱼的运动。
12.更进一步的，机器鱼本体内还设有与控制终端连接的定位模块和无线通讯模块。
13.更进一步的，机器鱼本体内还设有与控制终端连接的高阻抗分压器。
14.进一步的，充电模块包括第一线圈和充电电路，放电模块包括第二线圈和放电电路。
15.本公开第二方面提供了一种无线反向充电的机器鱼控制系统，包括至少两条本公开第一方面所述的无线反向充电的机器鱼，至少两个机器鱼之间相互通信连接，根据相互通信的机器鱼各自的电量情况，进行相互充放电控制。
16.本公开第三方面提供了一种无线反向充电的机器鱼控制方法，至少存在两条本公开第一方面所述的无线反向充电的机器鱼，至少两个机器鱼之间相互通信连接，包括以下过程：
17.当第一机器鱼的电量低于第一设定值时，第一机器鱼向周围发送电量请求信号；
18.当第二机器鱼的电量高于第二设定值时，第二机器鱼接收第一机器鱼的电量请求信号，并发送返回信号，确定两机器鱼的协同合作充电关系；
19.第一机器鱼接收到返回信号，上浮至水面后停止移动，并将位置信息发送给第二机器鱼；
20.第二机器鱼收到第一机器鱼的位置信息后，移动至第一机器鱼充电模块一侧，第二机器鱼的放电模块与第一机器鱼的充电模块位置相对，两机器鱼建立协同合作反向充电联系，进行无线充电。
21.进一步的，第二机器鱼收到第一机器鱼的位置信息后，先下潜至水面下预设距离，再移动至第一机器鱼下方，其中预设距离为一个机器鱼鱼身高度。
22.进一步的，确定协同合作充电的各个机器鱼不断检测对方位置信息，各个机器鱼根据相互之间的位置信息，利用pid控制方法控制机器鱼的游动方向，到达定位地点。
23.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
24.1、本公开所述的内容，克服了现有技术的缺陷和不足，利用无线反向充电装置，通过其内部精确定位导航装置，建立多机器鱼的协同合作联系，为所述机器鱼进行水下无线充电，极大的提高了水下任务的执行效率。
25.2、本公开所述的内容，可以避免现有机器鱼水下泄露和腐蚀问题，解决多机器鱼协同合作时，电量分配不均，初始电量不足问题，并能防止因某个机器鱼执行水下任务时因电量不足无法返航的问题。
26.3、本公开所述的内容，因无线充电具有良好的密封性、兼容性以及较高的安全性和可靠性，并能方便持续的为电池补充能量而不存在电池过充、过放的情况，从而有效的提高电池使用寿命。
27.本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
28.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
29.图1为本公开实施例1提供的无线反向充电的机器鱼的结构示意图。
30.图2为本公开实施例1提供的无线充放电装置结构示意图。
31.图3为本公开实施例1提供的两机器鱼水下无线充电示意图。
[0032]1‑
鱼腔；2
‑
舵机；3
‑
鱼尾；4
‑
鱼鳍；5
‑
无线充放电装置；6
‑
电池；7
‑
线圈；8
‑
控制电路。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
[0034]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0035]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0036]
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
实施例1：
[0038]
如图1
‑
3所示，本公开实施例1提供了一种无线反向充电的机器鱼，包括机器鱼本体，机器鱼本体由鱼腔1和舵机2组成，外部两侧连接鱼鳍4，尾部连接鱼尾3，鱼尾和鱼鳍部分制成尾鳍结构，利于机器鱼运动。
[0039]
鱼腔1内部设有上下两块无线充放电装置5和至少一块电池6，所述无线充放电装置5中间置放嵌入式微控制器，处理指令、数据，执行操作。
[0040]
微控制器的电路板上装有精准定位导航系统，所述精准定位导航系统用于确定机器鱼的游动方向，转弯角度以及游动距离。
[0041]
微控制的电路板上装有无线通信模块，通信协议采用用户数据包协议(udp)，用于机器鱼间的信息传递。
[0042]
所述舵机2分别为第一舵机、第二舵机，第三舵机和第四舵机，舵机之间耦合连接形成四个关节，组成驱动模块，控制机器鱼头部以后的动作，使机器鱼协调游动。
[0043]
所述无线充放电装置5分为充电模块和放电模块，前者置于鱼腔1底部，后者置于鱼腔1顶部，均与电池6导线连接，可与其他无线反向充电机器鱼配合进行无线充放电功能。
[0044]
可以理解的，在其他一些实施方式中，充电模块和放电模块也可以设置的机器鱼本体的两个相对的侧部，如左右两侧，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
[0045]
优选的，所述无线充放电装置5包括线圈7和控制电路8，所述线圈和充电电路组成充电模块，置于所述鱼腔1底部，用来接收转化电能；所述线圈和放电电路组成放电模块，置于所述鱼腔1顶部，用来转化释放电能。
[0046]
所述电池6在机器鱼作为电量接收方时作为储能元件，在机器鱼作为电量发送方时作为电源元件。
[0047]
机器鱼包括用于检测电池电量的高阻抗分压器；当检测到电池电量小于设定值b％时，机器鱼向周围发送电量请求信号；当检测到电池电量大于设定值a％时，机器鱼接收周围可检测到的电量请求信号。
[0048]
机器鱼还包括用于精确定位导航的装置，通过确定协同合作充电的机器鱼不断检测双方位置信息，根据所述位置信息，利用pid控制方法控制机器鱼的游动方向，到达定位地点。
[0049]
实施例2：
[0050]
本公开实施例2提供了一种无线反向充电的机器鱼控制系统，包括至少两条实施例1所述的无线反向充电的机器鱼，至少两个机器鱼之间相互通信连接，根据相互通信的机器鱼各自的电量情况，进行相互充放电控制。
[0051]
实施例3：
[0052]
本公开实施例3提供了一种无线反向充电的机器鱼控制方法，至少存在两条本公开实施例1所述的无线反向充电的机器鱼，至少两个机器鱼之间相互通信连接。
[0053]
当机器鱼a的电量低于设定值b％时，机器鱼a向周围发送电量请求信号；
[0054]
当机器鱼b的电量高于设定值a％时，机器鱼b接收机器鱼a的电量请求信号，并发送返回信号，确定两机器鱼的协同合作充电关系；
[0055]
机器鱼a接收到返回信号，上浮至水面后停止移动，并将位置信息发送给机器鱼b；
[0056]
机器鱼b收到机器鱼a的位置信息后，先下潜至水面下c厘米，c为一个鱼身高度，后移动至机器鱼a下方，两机器鱼建立协同合作反向充电联系。
[0057]
可以理解的，在其他一些实施方式中，也可以是多条机器鱼的协作，例如三条机械鱼或者四条或者更多机械鱼进行协作，在进行协作时，相互获取各自的电量信息和位置信息，根据电量信息以及相应的位置信息，在保证距离最短、对各个机械鱼的工作影响最小和对欠电机械鱼充电最多为目标进行多目标的协同优化，得到最合适的成对机械鱼或者得到最合适的多个协同配合机械鱼，如两个机械鱼共同为一个机械鱼充电。
[0058]
下面以两条机器鱼相互协作为例进行介绍：
[0059]
每条机器鱼具有带有一个4.9mv分辨率的模数转换器的高阻抗分压器，用于测量电池电量(以百分比表示)，当电池电量降至额定电量20％以下时，控制器启动机器鱼发送电量请求信号；当电池电量降至或升至额定电量的50％时，控制器启动机器鱼的执行主任务程序；当电池电量高于额定电量的80％时，控制器起动机器鱼检测接收周围的电量请求信号。
[0060]
所述舵机分别为第一舵机、第二舵机，第三舵机和第四舵机，舵机之间耦合连接形成四个关节，组成驱动模块，控制机器鱼头部以后的动作，使机器鱼协调游动。
[0061]
两机器鱼的协同合作无线反向充电过程如下：
[0062]
机器鱼电池电量的上升表示机器鱼正在充电的时间段，而下降表示机器鱼在执行任务，包括主任务和协同无线反向充电任务。
[0063]
当机器鱼a电量低于20％时，向周围发送电量请求信号。当机器鱼b电量高于80％时检测接收周围的电量请求信号，并发送返回信号，与机器鱼a建立协同合作联系。机器鱼a收到返回信号后，上浮至水面处停止游动，并将位置信息发送给机器鱼b。机器鱼b接收机器鱼a位置信息后，先下潜至水面下10cm处，再通过精准定位导航系统，判断出移动方向，转向角度和移动距离后，经由控制器启动驱动模块，控制机器鱼b到达定位地点。此时，置于机器鱼b鱼腔内的放电模块线圈中基于一定频率的交流电通过电磁感应在置于机器鱼a鱼腔内的充电模块线圈中产生一定的电流，从而将电量从机器鱼b转移到机器鱼a的电池中。在无
线充电阶段，当机器鱼a电池电量高于50％或机器鱼b电量低于50％时，充电结束，机器鱼继续执行主任务程序。
[0064]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。