一种新型两推进器智能水下机器人的制作方法

1.本发明涉及智能水下机器人技术领域，具体为一种新型两推进器智能水下机器人。


背景技术：

2.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。
3.目前，在水下机器人领域比较先进的国家主要是欧美、日本等一些海洋强国，这些国家从上世纪60年代开始成立研究机构致力于相关技术研究和产品开发，经过多年的发展，积累了大量的技术，形成了完整的水下机器人产业。在水下机器人运动控制、各种类型水下机器人开发等方面形成了巨大的优势，处于国际先进水平。我国的水下机器人研究起步比较晚，但是经过十几年的努力也取得了一定成就，自行研发的大中型遥控无人潜水器(rov)已经在海洋资源勘测与开发、水下搜救等方面发挥了重要的作用。然而在水下智能机器人开发方面我国还处在起步阶段，远远落后于国际先进水平。因此开发水下常驻、能量利用效率高、结构简单、可靠性高的水下智能机器人十分必要，在结构设计及优化、智能无人控制系统等方面都需要长久不懈的努力。
4.为此，我们研发出了一种新型两推进器智能水下机器人。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型两推进器智能水下机器人，解决了现有水下智能机器人能量利用效率低、结构过于复杂、水下续航时间短、水下工作能力较差以及可靠性不足的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种新型两推进器智能水下机器人，包括机器人骨架，主要搭载了摄像头、姿态传感器、加速度传感器、声纳、温度传感器、深度传感器等传感器，用于采集自身及外部信息。
9.所述机器人骨架中心的两侧分别为前密封舱和后密封舱，所述机器人骨架的中心安装有定向推进器；定向推进器可提供推力，完成机器人的上下运动。
10.所述定向推进器包括涵道、防水电机和叶片，所述机器人骨架的中心安装有涵道，所述涵道的中心安装有防水电机，所述防水电机的输出端固定连接有叶片；定向推进器配
合控制器进行使用，可以实现正反转及定速控制，提供正向或反向某一大小的推力。
11.所述机器人骨架尾端的中心安装有矢量推进器，矢量推进器可以提供某一方向的推力，用于提供前向运动的动力，矢量推进器推力的分力可以用于抵消定向推进器产生的旋转扭矩，使得水下机器人得以平稳运动。
12.所述机器人骨架尾端的中心安装有矢量推进器，所述矢量推进器包括第一水下舵机、第二水下舵机、连接轴、连接架和主推进器，所述机器人骨架尾端的中心安装有第一水下舵机，所述第一水下舵机远离机器人骨架的一端安装有第二水下舵机，所述第二水下舵机远离第一水下舵机的一端安装有连接轴，所述第一水下舵机与第二水下舵机之间、第二水下舵机与连接轴之间均安装有连接架，所述连接轴远离第二水下舵机的一端固定连接有主推进器；矢量推进器配合控制模块进行使用，可以精确提供定向、定数值的推力，该推力可以提供前进方向的动力，并且可以抵消机器人本体的旋转扭矩，矢量推进器响应迅速、控制精准，是智能水下机器人的主要动力装置，在机器人设计中起到了至关重要的作用。
13.优选的，所述机器人骨架呈流线型结构设计，流线型结构设计的机器人骨架降低了水下运动的阻力。
14.优选的，所述机器人骨架的中心开设有与定向推进器相对应的安装通孔，通过在机器人骨架的中心开设安装通孔，既便于定向推进器的安装固定，同时也便于定向推进器在工作时为机器人提供上下的推力。
15.优选的，所述前密封舱为电池密封舱，主要作用是为电池、降压模块等提供密闭、防水空间。
16.优选的，所述后密封舱为控制模块密封舱，主要作用是为控制板、传感器等提供密闭防水空间。
17.优选的，所述涵道固定于机器人骨架的中心。
18.优选的，所述第一水下舵机与第二水下舵机之间的连接架为垂直摆动结构架。
19.优选的，所述第二水下舵机与连接轴之间的连接架为水平摆动结构架。
20.优选的，所述主推进器由驱动电机和螺旋推进模块组成。
21.优选的，所述主推进器螺旋推进模块外侧设置有防护罩。
22.智能水下机器人在进行姿态与深度控制时，通过偏航角控制器、俯仰角控制器、深度控制器、电机控制模型、电机控制器等分工协作可以实现对机器人姿态与深度的精确控制；通过使用姿态传感器、深度传感器可以测得机器人本身的状态，反馈以上状态信息，完成闭环控制，提升控制精度。
23.智能水下机器人通过矢量推进器可实现俯仰角、偏航角的精准控制，通过控制模型可以完成高精度定深、定向航行，电机控制模型通过运算输出合理的信号占空比(pwm)数值，信号输入电机控制器，借助电机控制器完成各电机的启动、停止、定转速控制，控制模型响应速度快，电机控制稳定、精度高。
24.通过对定向推进器、矢量推进器的精准控制，水下机器人可以完成高精度的定姿态与定深航行，在此基础上完成更为复杂的运动，满足探测及作业需求。
25.智能水下机器人控制系统主要由环境感知系统、定位导航系统、路径规划系统、中央处理单元、运动控制系统、辅助功能控制系统等部分组成。其中环境感知系统主要通过声纳传感器、图像传感器、深度传感器等获取环境信息，利用信息处理系统对各类传感器信息
进行融合处理，处理后的信息传输到中央处理单元，用于规划决策；定位导航系统主要由水声通讯定位、惯性导航定位、水下建图定位等模块组成；定位导航系统将定位信息传输到中央处理单元，为规划决策提供依据；路径规划系统主要作用为实现路径规划功能，主要由电子地图、路径规划等模块组成；中央处理单元为整个控制系统的核心部分，主要由规划决策系统、数据及控制命令收发模块等组成，担负了决策及控制命令收发的任务，是整个控制系统的决策部分；运动控制系统主要由定向推进器控制系统、矢量推进器控制系统组成，矢量推进器控制系统主要由舵机控制模块、推进器控制模块等组成；辅助功能控制系统，主要完成能量管理、应急避障、紧急返航等功能。
26.(三)有益效果
27.本发明提供了一种新型两推进器智能水下机器人。具备以下有益效果：
28.1、该种新型两推进器智能水下机器人，不仅结构简单、可靠性高、成本低，还具有控制逻辑简单、控制系统容易实现、响应迅速、控制精度高等优势，在满足技术要求的前提下降低了水下机器人的开发及制造成本。
29.2、该种新型两推进器智能水下机器人，通过使用矢量推进器、改进水下机器人控制系统，在确保功能的前提下，极大的简化了水下机器人的结构，将多推进器水下机器人简化为两推进器，降低了水下机器人的研发及制造成本，提高了整体的可靠性。
30.3、该种新型两推进器智能水下机器人，优化了结构设计，将密封舱分割为前后舱，定向推进器布置在两个机舱之间，合理利用了空间，降低了水下机器人整体的空间，使得水下机器人得以轻量化设计。
31.4、该种新型两推进器智能水下机器人，大幅提高了能量利用效率，提升了水下作业能力，延长了水下续航时间。
32.5、该种新型两推进器智能水下机器人，控制系统鲁棒性高、逻辑简单、控制精大幅提升，易于实现模块化设计，降低了开发成本，提高了整体的经济效益。
33.6、该种新型两推进器智能水下机器人，通过使用矢量推进器，极大的降低了整个水下机器人本身结构的复杂程度，机器人中间部分固定推进器使用涵道结构可以有效减小旋转力矩，利用矢量推进器产生的分力平衡自身的旋转力矩，使用该设计方法可以在实现自身运动平衡的前提下，将机器人整体结构设计的比较紧凑，无需设计的过于狭长。
附图说明
34.图1为本发明一种新型两推进器智能水下机器人的结构示意图；
35.图2为本发明一种新型两推进器智能水下机器人内部密封舱示意图；
36.图3为本发明一种新型两推进器智能水下机器人定向推进器的结构示意图；
37.图4为本发明一种新型两推进器智能水下机器人矢量推进器的结构示意图；
38.图5为本发明一种新型两推进器智能水下机器人水下姿态与深度控制原理示意图；
39.图6为本发明一种新型两推进器智能水下机器人控制系统架构图。
40.其中，1、机器人骨架；2、前密封舱；3、后密封舱；4、定向推进器；401、涵道；402、防水电机；403、叶片；5、矢量推进器；501、第一水下舵机；502、第二水下舵机；503、连接轴；504、连接架；505、主推进器。
具体实施方式
41.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。
42.实施例：
43.如图1所示，本发明实施例提供一种新型两推进器智能水下机器人，包括机器人骨架1，机器人骨架1呈流线型结构设计，流线型结构设计的机器人骨架1降低了水下运动的阻力；主要搭载了摄像头、姿态传感器、加速度传感器、声纳、温度传感器、深度传感器等传感器，用于采集自身及外部信息。
44.如图2所示，机器人骨架1中心的两侧分别为前密封舱2和后密封舱3，前密封舱2为电池密封舱，主要作用是为电池、降压模块等提供密闭、防水空间；后密封舱3为控制模块密封舱，主要作用是为控制板、传感器等提供密闭防水空间。
45.如图3所示，机器人骨架1的中心安装有定向推进器4；机器人骨架1的中心开设有与定向推进器4相对应的安装通孔，通过在机器人骨架1的中心开设安装通孔，既便于定向推进器4的安装固定，同时也便于定向推进器4在工作时为机器人提供上下的推力；定向推进器4可提供推力，完成机器人的上下运动，涵道401固定于机器人骨架1的中心。
46.定向推进器4包括涵道401、防水电机402和叶片403，机器人骨架1的中心安装有涵道401，涵道401的中心安装有防水电机402，防水电机402的输出端固定连接有叶片403；定向推进器4配合控制器进行使用，可以实现正反转及定速控制，提供正向或反向某一大小的推力；
47.如图4所示，机器人骨架1尾端的中心安装有矢量推进器5，矢量推进器5可以提供某一方向的推力，用于提供前向运动的动力，矢量推进器5推力的分力可以用于抵消定向推进器4产生的旋转扭矩，使得水下机器人得以平稳运动。
48.矢量推进器5包括第一水下舵机501、第二水下舵机502、连接轴503、连接架504和主推进器505，机器人骨架1尾端的中心安装有第一水下舵机501，第一水下舵机501远离机器人骨架1的一端安装有第二水下舵机502，第二水下舵机502远离第一水下舵机501的一端安装有连接轴503，第一水下舵机501与第二水下舵机502之间、第二水下舵机502与连接轴503之间均安装有连接架504，连接轴503远离第二水下舵机502的一端固定连接有主推进器505；主推进器505由驱动电机和螺旋推进模块组成，主推进器505螺旋推进模块外侧设置有防护罩；第一水下舵机501与第二水下舵机502之间的连接架504为垂直摆动结构架，第二水下舵机502与主推进器505之间的连接架504为水平摆动结构架；矢量推进器5配合控制模块进行使用，可以精确提供定向、定数值的推力，该推力可以提供前进方向的动力，并且可以抵消机器人本体的旋转扭矩，矢量推进器5响应迅速、控制精准，是智能水下机器人的主要动力装置，在机器人设计中起到了至关重要的作用。
49.如图5所示，智能水下机器人在进行姿态与深度控制时，通过偏航角控制器、俯仰角控制器、深度控制器、电机控制模型、电机控制器等分工协作可以实现对机器人姿态与深度的精确控制；通过使用姿态传感器、深度传感器可以测得机器人本身的状态，反馈以上状态信息，完成闭环控制，提升控制精度。
50.智能水下机器人通过矢量推进器5可实现俯仰角、偏航角的精准控制，通过控制模型可以完成高精度定深、定向航行，电机控制模型通过运算输出合理的信号占空比(pwm)数值，信号输入电机控制器，借助电机控制器完成各电机的启动、停止、定转速控制，控制模型响应速度快，电机控制稳定、精度高。
51.通过对定向推进器4、矢量推进器5的精准控制，水下机器人可以完成高精度的定姿态与定深航行，在此基础上完成更为复杂的运动，满足探测及作业需求。
52.如图6所示，智能水下机器人控制系统主要由环境感知系统、定位导航系统、路径规划系统、中央处理单元、运动控制系统、辅助功能控制系统等部分组成。其中环境感知系统主要通过声纳传感器、图像传感器、深度传感器等获取环境信息，利用信息处理系统对各类传感器信息进行融合处理，处理后的信息传输到中央处理单元，用于规划决策；定位导航系统主要由水声通讯定位、惯性导航定位、水下建图定位等模块组成；定位导航系统将定位信息传输到中央处理单元，为规划决策提供依据；路径规划系统主要作用为实现路径规划功能，主要由电子地图、路径规划等模块组成；中央处理单元为整个控制系统的核心部分，主要由规划决策系统、数据及控制命令收发模块等组成，担负了决策及控制命令收发的任务，是整个控制系统的决策部分；运动控制系统主要由定向推进器4控制系统、矢量推进器5控制系统组成，矢量推进器5控制系统主要由舵机控制模块、推进器控制模块等组成；辅助功能控制系统，主要完成能量管理、应急避障、紧急返航等功能。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。