一种水下自主机器人应急报警系统的制作方法

1.本发明属于机器人控制与通信技术领域，主要用于水下自主机器人的应急报警，具体涉及一种用于水下自主机器人碰到作业意外时的应急报警系统。


背景技术：

2.水下自主机器人是一种工作于复杂水下环境的特种机器人。由于水下环境恶劣危险，人类的潜水深度非常有限，所以水下自主机器人已成为海洋探索的重要工具。水下自主机器人可以在高度危险环境、被污染水域以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业，因此被广泛应用于海上安全搜救、海底管道检查、海洋资源探测和海洋科学研究等领域。
3.水下环境复杂且多变，海浪、洋流、内波等极端现象频发，还存在着缠绕水草、海洋生物、礁石岩石等障碍物，机器人所装备的各种传感器不一定十分可靠，水下自主机器人的运动控制系统不甚稳定，因此水下自主机器人遇到各种作业意外的概率较大。一旦水下自主机器人发生意外事故，人工施救非常困难，往往会造成一笔较大的财产损失。因此，水下自主机器人在碰到各种作业意外时的应急报警方案非常重要。
4.目前，水下自主机器人一般采用自检传感器实现抛载荷自救，这种方法在海域面积较小且水下环境较为简单的情况下，可以实现水下自主机器人在故障时的自救。但如果水下环境非常复杂或水下自主机器人自身存在系统故障时，就无法保证实现自救功能，也无法实现救援信息的及时传递。超短基线定位系统(usbl)可以实现水下自主机器人的定位，在机器人发生故障时能准确定位救援位置。但是，这种方法需要布置若干个水下定位基站，部署难度很大，部署成本非常高。基于多水下自主机器人互救系统利用水声通信实现多个水下自主机器人的相互通信，当某个机器人发生故障时，其它水下自主机器人会执行救助程序。这种方法采用多机器人水声通信实现故障信息传递，但是目前只停留在理论研究层面，实际情况中的低效率的水下通讯严重限制了其实际应用。
5.对比文件1(201510818712.9)提出了一种用于水下机器人的定位通讯与监管应急控制系统及方法，利用自动驾驶单元的数据采集与抛载命令实现应急控制。对比文件2(201910345205.6)提出了一种应急保护装置，通过气囊上浮和重块控制实现应急时的上浮。对比文件3(201410023248.x)，主要是从机械角度实现了应急抛载功能，既可以实现压载块的可靠释放，又可以在设备正常工作时实现压载块的固定安装。对比文件4(201611129257.2)、对比文件5(202011147873.7)、对比文件6(202010126259.6)、对比文件7(201811009861.0)等均通过各种抛载方式力求实现水下机器人的应急回收。
6.综上所述，水下自主机器人作为人类探索海洋的重要工具，在执行各种水下任务时很容易发生意外和故障。根据实际应用需求和技术调研结果，发现依靠传统的抛载回收方式往往无法克服水下障碍等纠缠，现有方案都难以良好地解决问题。通过分析发现，在水下机器人应急救援领域，最为关键的是确认水下机器人的状态和位置，而非简单的上浮回收控制。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于水下自主机器人的应急报警系统，综合利用水声通信向母船应急通讯和弹射式水下信标卫星通讯报警，从而确认水下机器人的准确位置信息，建立起一种兼具水声通信报警功能和弹射信标报警功能的水下自主机器人应急报警系统，以解决水下自主机器人异常故障处理的报警通讯问题。
8.一种用于水下自主机器人的应急报警系统，由机器人状态检测和核心控制子系统、基于水声通信的母船应急通讯子系统、弹射式水下信标卫星通讯报警子系统组成。
9.所述机器人状态检测和核心控制子系统与水下自主机器人之间采用水密缆连接，用于识别水下自主机器人的故障类型，包括机器人状态检测模块和应急报警核心控制模块；机器人状态检测和核心控制子系统定义了通用化故障诊断接口，兼容不同类型的水下自主机器人。
10.所述机器人状态检测模块收集水下自主机器人装载的传感器检测的数据，通过传感器数据判断水下自主机器人的状态，当水下自主机器人存在故障时，向应急报警核心控制模块发送应急预警信号。
11.所述应急报警核心控制模块接收来自机器人状态检测模块的预警信号，控制基于水声通信的母船应急通讯子系统与弹射式水下信标卫星通讯报警子系统按照预设的应急通讯策略工作。
12.作为优选，水下自主机器人装载的传感器包括水深检测传感器、漏水检测传感器、转速测量传感器、电量测量传感器以及水下位置传感器。水深传感器测量水下自主机器人所处的水下深度，判断是否出现水下自主机器人下潜过深预警；漏水检测传感器检测水下自主机器人的密封性，判断水下自主机器人是否出现漏水的情况；转速测量传感器检测水下自主机器人电机和舵机的转速，判断水下自主机器人是否出现运动故障；电量测量传感器检测水下自主机器人的剩余能量和能效曲线，判断电量消耗是否正常；水下位置传感器通过水面定位装置和惯性导航装置综合计算得到接收水下自主机器人的位置信息。
13.所述基于水声通信的母船应急通讯子系统包括水下机器人端水声通信机和工作母船水声通信机；基于水声通信的母船应急通讯子系统接收到来自应急报警核心控制模块的控制信号，水下机器人端水声通信机通过水声向工作母船水声通信机发送求救信号，并将工作母船水声通信机返回的回复信息发送到应急报警核心控制模块。工作母船水声通信机根据收到的求救信号分析、判断水下自主机器人的故障类型和位置信息，采取相应的应急措施。
14.所述弹射式水下信标卫星通讯报警子系统包括耦合通信模块、电磁弹射装置、备用电源、延时继电器和卫星通信信标；所述电磁弹射装置由大电流电磁开关与弹射器组成，利用电磁场产生反推力弹射卫星通信信标。在卫星通信信标被弹射前，水下机器人本体通过耦合通信模块持续向卫星通信信标发送自身的位置信息和状态信息，卫星通信信标被弹射、上浮至水面后与卫星进行无线电磁通信，发送获取的最新信息，保证水下机器人的位置信息与状态信息准确，避免了卫星通信信标上浮过程中发生漂移导致的位置偏差。卫星通信信标搭载了北斗卫星天线、定位天线、压力传感器和微处理器，被设计为正浮力，受到弹射后上浮到水面。弹射式水下信标卫星通讯报警子系统接收到来自应急报警核心控制模块的控制信号，电磁弹射装置弹射出卫星通信信标，卫星通信信标通过无线电磁通信与卫星
进行通信；卫星系统根据收到的求救信号分析、判断水下自主机器人的故障类型和位置信息。为了提高水下自主机器人应急报警系统的鲁棒性，当系统电源停止工作时，启用备用电源为延时继电器供电，经过预设的工作时长后，延时继电器控制卫星通信信标弹出，从而保证在长时间异常情况下的水下机器人位置和状态上传。
15.作为优选，系统预设的应急通讯策略为：当机器人状态检测模块水下自主机器人存在故障时，向应急报警核心控制模块发送应急预警信号；应急报警核心控制模块首先控制水下机器人端水声通信机通过水声向工作母船水声通信机发送求救信号，工作母船水声通信机收到求救信号后返回回复信息，应急报警核心控制模块收到回复信息后控制水下自主机器人等待救援；若水下机器人端水声通信机多次发出求救信号后仍未收到回复信息，应急报警核心控制模块将水下机器人位置信息通过耦合通信模块发送给卫星通信信标，并且控制电磁弹射装置弹射出卫星通信信标。卫星通信信标上浮到水面后，通过卫星通信将水下机器人本体的准确位置信息发送给作业母船，用于辅助救援。
16.作为优选，水下机器人端水声通信机每隔1分钟发送求救信号，发出求救信号并等待回复信息的次数为10次。求救信号包括水下机器人自身获取的位置数据、故障信息等可以辅助救援的信息，回复信息包括反转、抛载、断电等应急救援信息。
17.本发明具有以下有益效果：
18.1、提出了一种弹射式上浮卫星信标报警方法，不受应用海域范围的限制，可以应用于近海和深海水下自主机器人的应急通讯与报警救援系统。
19.2、提出了利用非接触的耦合通信将水下机器人准确位置数据发送给卫星信标的方法，传统方法只能利用通过卫星信标的位置搜索水下机器人，存在较大的位置误差。
20.3、综合利用水声通信向母船应急通讯和弹射式水下信标卫星通讯报警，具有双重应急报警方式，保证了应急报警系统的可靠性。
21.4、提供了一种利用备用电源控制延时继电器的预设最大工作时开启弹射卫星通信信标的应急救援方式，进一步提高了系统的可靠性。
附图说明
22.图1为水下自主机器人的应急报警系统示意；
23.图2为本发明应急报警系统的总体结构图；
24.图3为机器人状态自检测和核心控制子系统的结构图；
25.图4为弹射式水下信标卫星通讯报警子系统的结构图；
26.图5为实施例中应急报警流程图。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明作进一步的解释说明。
28.图1为本实施例中水下自主机器人的应急报警系统应用示意图，包括工作母船、水下自主机器人、用于水下机器人的应急报警系统、卫星通信浮标以及卫星系统。由于水下自主机器人在作业时，一般附近都会配置工作母船，用于水下机器人的释放和回收。因此，工作母船也可以作为水下机器人应急报警信号的接收者。而且，工作母船一般都配备了水声扫描和水声通信装置，无需任何改装，就可以实现相应功能。
29.如图2所示，用于水下自主机器人的应急报警系统由机器人状态检测和核心控制子系统、基于水声通信的母船应急通讯子系统、弹射式水下信标卫星通讯报警子系统组成。
30.如图3所示，机器人状态检测和核心控制子系统包括机器人状态检测模块和应急报警核心控制模块。机器人状态检测模块是应急系统的首要环节。机器人状态检测模块包括水压传感器、漏水检测传感器、转速检测传感器和电压检测传感器。
31.所述的水压传感器主要负责测量水下自主机器人所处的海洋深度：一方面，可避免水下自主机器人移动到极限深度之外，另一方面，当水下自主机器人出现故障而无法运动时可为救援人员提供深度参考数据。本实施例中水压传感器采用ms5837b30深度传感器，耐压范围300米，检测误差为50mbar。
32.所述的漏水检测传感器主要负责检测水下自主机器人的密封性，倘若水下自主机器人因为碰撞而造成密封舱损坏，漏水检测传感器可在第一时间检测出故障，方便机器人开启应急救援程序。本实施例中漏水检测传感器采用sht30模块，最大误差范围为3％相对湿度，采集数据的响应时间1秒，可在密封舱漏水的情况下，及时做出响应。
33.所述的转速检测传感器主要负责检查水下自主机器人的推动器是否出现故障，在程序中比较驱动转速与实际转速的差值，若差值超过阈值则认为机器人推动器发生故障，需要启动应急通讯系统。本实施例中转速检测传感器采用e6b2-cwz6c编码器作为推动器的转速检测传感器，最高可响应100khz的脉冲频率、测量6000r/min的转速。
34.所述的电压检测传感器主要负责预测水下自主机器人的电量是否能够维持其运动所需要的能量，在电量只能维持返航时，反馈信号给处理器，以实现水下自主机器人自我救援的功能。本实施例中采用ads1265高精度模数转换模块来实现电压电池电量的检测，具有24比特的模数转换分辨率、30kpbs的采样率。
35.所述的水下自主机器人状态检测系统利用高精度传感器，感知环境，获取机器人的运动参数，为处理器是否开启应急通信系统提供数据参考。由于各种水下机器人所配置的传感器都不一样，因此要求机器人状态检测模块可以兼容目前市面上常用的数据接口与数据格式。本发明在水下自主机器人状态检测系统的接口硬件设计和软件设计中，对目前水下机器人领域常用的传感器接口进行了通用化设计。
36.所述的应急报警核心控制模块主要负责采集与处理水下自主机器人状态检测系统上传的数据，做出逻辑判断。在水下自主机器人出现故障时，通过信标系统与卫星进行通信定位。本实施例中应急报警核心控制模块采用意法半导体研发的stm32f103系列微处理器作为系统的核心，具有较高的工作频率、较强的逻辑处理能力、快速的中断信号处理能力以及丰富的对外交互接口。报警核心控制模块主要通过对各种传感器状态数据的综合处理，得到水下自主机器人的状态判断。一旦水下自主机器人出现工作异常，综合这些状态传感器的数据就可以得到分析结果。
37.所述的基于水声通信的母船应急通讯子系统包括水下机器人端水声通信机和工作母船水声通信机。由于通道的多径效应、时变效应、可用于频宽窄、信号衰减严重，特别是在长距离传输中，水声通信相比有线通信来说速率非常低，但是水声通信系统的通信距离可以达到几公里到十几公里，可以满足一般情况下与工作母船之间的双向交互，因此水声通信仍然是当前水下通信领域最常用的技术方式。本实施例中采用benthos水声通信系统，具有15360bps的最大数据波特率，最大工作深度500米。由于水声通信方式在某些场合下无
法有效地实行，因此单纯依靠水声通信的应急报警还是存在很大的风险。本发明在检测水下机器人存在异常情况时，会持续发送10次的水声通信应急报警数据，如果收到回复，则完成了应急报警功能；如果没有收到回复，还会启动弹射式水下信标卫星通讯报警，从而提高应急报警的可靠性。
38.所述的弹射式水下信标卫星通讯报警子系统如图4所示，包括耦合通信模块、电磁弹射装置、备用电源、延时继电器和卫星通信信标。卫星通信信标被绑在水下机器人本体上，可以由耦合通信模块触发释放机构。电磁弹射装置装载在水下机器人本体，由大电流电磁开关与弹射器组成，驱动电磁产生装置产生反推力，从而以一定的初速度弹射卫星通信信标。在卫星通信信标被弹射前，水下机器人本体通过耦合通信模块持续将自身的位置信息和状态信息传输给卫星通信信标。卫星通信信标搭载了北斗卫星天线、定位天线、压力传感器和微处理器，被设计为正浮力，被弹射后会自动上浮到水面。弹射式水下信标卫星通讯报警子系统接收到来自应急报警核心控制模块的控制信号，由电磁弹射装置弹射出卫星通信信标。卫星通信信标通过北斗卫星发送求救信息。最终对求救信号分析，判断水下自主机器人的故障类型和位置信息。卫星通信信标由北斗全球定位通信与通信模块、微功耗处理器、供电电池以及防水外壳构成。微功耗处理器通过耦合通信模块与水下自主机器人进行状态交互，并且通过北斗全球定位通信与通信模块接收和发送定位数据。弹射装置由大功率的电磁开关与弹射器构成，保证有足够的功率将卫星通信信标弹射到水面上。本方法利用非接触的耦合通信将水下机器人准确位置数据发送给卫星信标的方法，传统方法只能利用通过卫星信标的位置搜索水下机器人，存在较大的位置误差。本方法中卫星通信信标上浮后发送的是水下机器人的准确位置信息，避免了卫星通信信标上浮过程中的位置漂移造成的误差。为了提高水下自主机器人应急报警系统的鲁棒性，当系统电源关闭时，启用备用电源为延时继电器供电，经过预设的工作时长后，延时继电器控制卫星通信信标弹出，从而保证在长时间异常情况下的水下机器人位置和状态上传。
39.如图5所示，机器人状态检测模块采集水下自主机器人本体所装备的水深检测传感器、漏水检测传感器、转速测量传感器、电量测量传感器以及水下位置传感器等数据，应急报警核心控制模块综合分析判断水下自主机器人的故障信息。如果应急报警核心控制模块判断出水下自主机器人的状态出现异常，应急报警核心控制模块通过水下机器人端水声通信机将故障信息发送给工作母船。如果工作母船的水声通信机能够接收到信号时，则会立刻发送应急收到的回复信息。工作母船根据应急代码判断水下自主机器人的故障类型和位置信息，及时地采取应急措施。如果工作母船的水声通信机没有回复应答信息，水下机器人端水声通信机会重发消息，10次尝试以后还没有收到应答，则启动触发弹射式水下信标卫星通讯报警子系统。弹射式水下信标卫星通讯报警子系统启动后，配合正浮力设计，卫星通信信标会以一定的初始速度向上发射。为了提高水下自主机器人应急报警系统的鲁棒性，使用备用电源在系统电源关闭的情况下为延时继电器供电，预设最大工作时长，当时间到达时也会开启弹射卫星通信信标。卫星通信信标到达水面时，会将水下机器人的准确位置与故障信息通过北斗卫星发送给工作母船的卫星接收端。
40.与现有技术方案比较，本方法提出了一种弹射式上浮卫星信标报警方法，不受应用海域范围的限制，可以应用于近海和深海水下自主机器人的应急通讯与报警救援系统；综合利用水声通信向母船应急通讯和弹射式水下信标卫星通讯报警，具有双重应急报警方
式，保证了应急报警系统的可靠性，并且提供了水下机器人本体的准确位置信息。本方法克服了传统抛载上浮自救的缺陷，一旦水下自主机器人发生异常，可以提供可靠的应急报警方式，从而为后续救援提供技术支撑。