一种水波主动适应水上作业机器人及其水波适应方法

1.本发明属于水上作业机器人技术领域，具体涉及一种具有水波主动适应能力、减小水波对水上作业影响的机器人及其水波适应方法。


背景技术：

2.水上作业机器人广泛应用于水域质量、环境监测领域，目前水域数据采集主要是通过水上机器人运行到水域中央区域进行采集。实践表明，数据采集误差主要体现为采集自身误差与采集环境效应误差。采集自身误差产生因素有仪器误差、载体振动等，采集环境效应有水波效应、水流效应等，其中水波效应是对采集精度造成影响的重要环境因素。
3.水波对数据采集的影响，主要是指在采集过程中，造成测量载体发生纵向晃动以及竖直升降等位姿改变，使采集器不能保持相对稳定的工作状态，继而造成数据采集的动态误差。介于水波本身的特性，对采集的数据进行滤波来消除水波的影响是件不易的事。故目前规定，为减少水波效应，水上作业机器人不能在有较大风浪环境下工作。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种水波主动适应水上作业机器人及其适应方法。
5.本发明提供的技术方案是：
6.本发明一种水波主动适应水上作业机器人，包括机身本体、机械臂、旋翼组件和浮力组件；所述的机械臂包括舵机一、舵机二、连接件一、连接件二和连接件三；所述舵机一的机座通过连接件一与机身本体固定，连接件二与舵机一的输出轴固定；舵机二的机座通过连接件三与连接件二固定；所述舵机一的输出轴竖直设置，舵机二的输出轴水平设置；所述的浮力组件包括浮筒、球铰和脚踝套筒组件；所述的浮筒包括气垫和固定在气垫上的浮筒架；浮筒架上固定有多个力传感器；所述的球铰包括梁、球头和球壳；所述的球头与浮筒架通过三根梁固定连接，并与球壳构成球面副；所述的梁上固定有孔环；所述的脚踝套筒组件包括套筒、舵机三、舵机架和摇杆；所述的套筒通过球壳架与球壳固定；套筒内固定有三个舵机架，每个舵机架上固定有一个舵机三；每个舵机三的输出轴与一根摇杆一端固定，每根摇杆另一端与一根梁上的孔环通过一根绳索连接；绳索穿过球壳架开设的过孔。所述的机械臂设有阵列排布的四个，每个机械臂中舵机二的输出轴与一个浮力组件的套筒通过连接件四固定。每个浮力组件的球头上设有一个旋翼组件；所述的旋翼组件包括电机、电机架和旋翼；所述的电机架内置在球头中，并与球头固定；所述电机的机座与电机架固定；所述的旋翼与电机的输出轴固定。
7.该水波主动适应水上作业机器人的水波适应方法，具体如下：
8.浮力组件上的力传感器实时检测力的变化，并将检测信号传给控制器，控制器根据各浮力组件上力传感器的检测值，计算得到各浮力组件所受浮力大小；其中，某个浮力组件所受浮力大小为该浮力组件上各力传感器的检测值均值；所有浮力组件所受浮力均小于
时，视为无水波经过该水波主动适应水上作业机器人，其中，g0为该水波主动适应水上作业机器人整机的重力，η为误差值，在0.01～0.05之间取值。
9.若某个浮力组件所受浮力大于视为有水波经过该浮力组件，该浮力组件被向上抬升，导致机身本体倾斜，此时，控制器控制与该浮力组件连接的机械臂中舵机二，使该浮力组件外摆并抬高，减小浮力组件排水体积，直到该浮力组件所受浮力小于而某个浮力组件所受浮力小于时，视为水波已经越过该浮力组件，此时，控制器控制与该浮力组件连接的机械臂中舵机二，使该浮力组件内摆并降低；其中，浮力组件外摆或内摆过程中，该浮力组件中各舵机三调整浮筒位姿，使浮筒始终保持竖直状态，浮力组件外摆时，浮筒内摆且与整个浮力组件摆角相等，浮力组件内摆时，浮筒外摆且与整个浮力组件摆角相等。而当某个浮力组件中有两个力传感器的检测值差值超过阈值，且该浮力组件未在抬高或降低过程中，也未处于抬高状态时，控制器控制该浮力组件中各舵机三调整浮筒位姿，使浮筒位于力传感器检测值较大的一侧向上倾斜，位于力传感器检测值较小的一侧向下倾斜，以此使该浮力组件各侧所受浮力大小相等。
10.优选地，机械臂中舵机二的转动角度k计算如下：
11.浮力组件受水波影响过程中浮力变化值δfm表达式为：
12.δfm＝ρgδvm＝ρgsmδhm13.式中，ρ为工作环境中水的密度，g为重力加速度，δvm为浮力组件受水波影响过程中排水体积的改变量，sm为浮筒竖直状态下在水平面上的投影面积大小，δhm为浮筒的高度变化量；由于δfm通过浮筒上各力传感器在水波影响过程中检测值变化直接计算得到，且sm已知，求得δhm；
14.根据三角函数，求解得到机械臂中舵机二的转动角度k：
[0015][0016]
式中，l
np
为点n与点p的距离，其中，n为机械臂调整前浮筒的几何中心位置，p为舵机二与连接件四连接处中心轴线在竖直面的投影。
[0017]
优选地，舵机三调整浮筒位姿的过程如下：
[0018]
某个舵机三带动对应摇杆向上摆动时，通过对应绳索拉动对应的梁，从而带动浮筒对应侧向上倾斜；某个舵机三带动对应摇杆向下摆动时，对应绳索放松，浮筒对应侧向下倾斜。
[0019]
优选地，舵机三的转角d计算如下：
[0020]
浮筒某一侧在水波影响过程中受力变化值δfo表达式为：
[0021]
δfo＝ρgδvo[0022]
其中，δvo为浮筒一侧在水波影响前后排水体积的改变量，计算式为：
[0023][0024]
式中，r1为浮筒外径，r2为浮筒内径，x和y分别为浮筒上的点在水平面上相互垂直的两个轴上的坐标，z为浮筒上的点在竖直轴上的坐标；
[0025]
将δvo计算式代入δfo表达式中，且由于δfo通过浮筒上某个力传感器在水波影响过程中检测值变化直接得到，则求解得到浮筒受水波影响时所需调整的角度a。
[0026]
设d为摇杆所需转动的角度，d为浮力组件调整前梁与绳索连接点，a为浮力组件调整后梁与绳索连接点，c为浮力组件调整前摇杆与绳索连接点，b为浮力组件调整后摇杆与绳索连接点，f为舵机与摇杆连接处中心轴线在竖直面上的投影，g为球铰的回转中心；c为点a与点g连线ag和点d与点g连线dg之间的夹角，c＝a，e为点a与点f连线af和点b与点f连线bf之间的夹角，f为点c与点f连线cf和点a与点f连线af之间的夹角，g为点a与点g连线ag和点f与点g连线fg之间的夹角，h为点a与点g连线ag和点c与点g连线cg之间的夹角，则点c与点f连线cf和点b与点f连线bf之间的夹角d计算如下：
[0027][0028]
其中，点a与点f的距离点a与点c的距离g＝j-c＝j-a，h＝i-c＝i-a，j为点d与点g连线dg和点f与点g连线fg之间的夹角，i为点d与点g连线dg和点c与点g连线cg之间的夹角，j、i为已知量；l
bf
为点b与点f的距离，l
fc
为点f与点c的距离，l
bf
＝l
fc
；l
fc
为点f与点c的距离，为已知量；l
ab
为点a与点b的距离，l
ab
＝l
cd
；l
cd
为点c与点d的距离，为已知量；l
ag
为点a与点g的距离，l
ag
＝l
dg
；l
dg
为点d与点g的距离，为已知量；l
gf
为点g与点f的距离，为已知量；l
gc
为点g与点c的距离，为已知量。
[0029]
优选地，机身本体上固定有摄像头或雷达；在水面上摄像头或雷达检测到障碍物时，控制器控制舵机一旋转，带动旋翼组件和浮力组件躲避障碍物；该水波主动适应水上作业机器人通过四个旋翼组件飞行到达或离开水面，在飞行过程中摄像头或雷达检测到障碍物时，舵机一旋转带动旋翼组件和浮力组件躲避障碍物。
[0030]
本发明具有的有益效果：
[0031]
本发明通过机身本体、机械臂、浮力组件和控制器的结合，实现了浮力组件整体的水波主动适应；通过浮力组件中浮筒、球铰、力传感器、舵机、摇杆和绳索与控制器结合，实现了浮筒单独的水波主动适应；通过多个力传感器获得水面对浮力组件不同位置的作用力，控制舵机对浮力组件和/或浮筒的位姿进行调整，实现了有水波情况下保持机身本体稳定平衡的能力，能使安装在机身本体上的采集器保持相对稳定的工作状态。此外，本发明考虑到机器人的工作便利性，通过旋翼组件实现了飞行功能。
附图说明
[0032]
图1为本发明水上作业机器人的整体结构立体图。
[0033]
图2为本发明中机械臂、浮力组件和旋翼组件的装配立体图。
[0034]
图3为本发明中脚踝套筒组件的结构立体图。
[0035]
图4为本发明中旋翼组件的装配半剖视图。
[0036]
图5为本发明对水波的其中一种主动适应过程姿态变化示意图。
[0037]
图6为本发明受水波影响时主动调整舵机二转角的计算解析图。
[0038]
图7为本发明受水波影响前后浮力组件的姿态变化示意图。
[0039]
图8为本发明受水波影响时主动调整舵机三转角的计算解析图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0041]
如图1、2、3和4所示，一种水波主动适应水上作业机器人，包括机身本体1、机械臂2、旋翼组件6和浮力组件4；机械臂2包括舵机一11、舵机二14、连接件一10、连接件二12和连接件三13；舵机一11的机座通过连接件一10与机身本体1固定，连接件二12与舵机一11的输出轴固定；舵机二14的机座通过连接件三13与连接件二12固定；舵机一11的输出轴竖直设置，舵机二14的输出轴水平设置；浮力组件4包括浮筒7、球铰5和脚踝套筒组件3；浮筒7包括气垫24和固定在气垫24上的浮筒架22；浮筒架22上固定有多个力传感器18；球铰5包括梁21、球头20和球壳17；球头20与浮筒架22通过三根梁21固定连接，并与球壳17构成球面副；梁21上固定有孔环19；脚踝套筒组件3包括套筒16、舵机三26、舵机架27和摇杆25；套筒16通过球壳架28与球壳17固定；套筒16内固定有三个舵机架27，每个舵机架27上固定有一个舵机三26；每个舵机三26的输出轴与一根摇杆25一端固定，每根摇杆25另一端与一根梁21上的孔环19通过一根绳索连接；绳索穿过球壳架28开设的过孔。机械臂2设有阵列排布的四个，每个机械臂2中舵机二14的输出轴与一个浮力组件4的套筒16通过连接件四15固定。每个浮力组件4的球头20上设有一个旋翼组件6；旋翼组件6包括电机29、电机架30和旋翼23；电机架29内置在球头18中，并与球头18固定；电机29的机座与电机架30固定；旋翼23与电机29的输出轴固定(可以通过联轴器31连接)。
[0042]
其中，舵机一11、舵机二14、舵机三26和电机29均经驱动器与控制器连接，由控制器控制，力传感器18的信号输出端与控制器8连接；控制器8固定在机身本体1上，并与上位机无线通讯；控制器8、舵机一11、舵机二14、舵机三26和电机29均由电源供电。
[0043]
作为一个优选，机身本体1由固定在一起的两块受力板9组成，具体地，两块受力板9可以通过连接块固定，也可以直接通过机械臂2中舵机一11的机座固定。
[0044]
该水波主动适应水上作业机器人的水波适应方法，具体如下：
[0045]
浮力组件上的力传感器实时检测力的变化，并将检测信号传给控制器，控制器根据各浮力组件上力传感器的检测值，计算得到各浮力组件所受浮力大小；其中，某个浮力组件所受浮力大小为该浮力组件上各力传感器的检测值均值；所有浮力组件所受浮力均小于时，认为无水波经过该水波主动适应水上作业机器人，其中，g0为该水波主动适应水上作业机器人整机的重力，η为误差值，在0.01～0.05之间取值。
[0046]
如图5所示，若某个浮力组件所受浮力大于认为有水波经过该浮力组件，该浮力组件被向上抬升，导致机身本体1倾斜，此时，控制器控制与该浮力组件连接的机械臂中舵机二14，使该浮力组件外摆并抬高，减小浮力组件排水体积，直到该浮力组件所受浮力小于保证机身本体的平稳状态；而某个浮力组件所受浮力小于时，认为水波已经越过该浮力组件，此时，控制器控制与该浮力组件连接的机械臂中舵机二14，使该浮力组件内摆并降低；其中，浮力组件外摆或内摆过程中，该浮力组件中各舵机三26调整浮筒7位姿，使浮筒7始终保持竖直状态，浮力组件外摆时，浮筒7内摆且与整个浮力组件摆
角相等，浮力组件内摆时，浮筒7外摆且与整个浮力组件摆角相等。而当某个浮力组件中有两个力传感器的检测值差值超过阈值，且该浮力组件未在抬高或降低过程中，也未处于抬高状态时，控制器控制该浮力组件中各舵机三26调整浮筒7位姿，使浮筒7位于力传感器检测值较大的一侧向上倾斜，位于力传感器检测值较小的一侧向下倾斜，以此使该浮力组件各侧所受浮力大小相等，进一步保证机身本体的平稳状态。
[0047]
作为一个优选，机械臂中舵机二14的转动角度k计算如下：
[0048]
如图6所示，用长方形代表浮筒，线段代表机械臂，实线代表机械臂调整前位姿，虚线代表机械臂调整后位姿；设n和m分别为机械臂调整前、后浮筒的几何中心位置，p为舵机二与连接件四15连接处中心轴线在竖直面的投影；浮力组件受水波影响过程中浮力变化值δfm表达式为：
[0049]
δfm＝ρgδvm＝ρgsmδhm[0050]
式中，ρ为工作环境中水的密度，g为重力加速度，δvm为浮力组件受水波影响过程中排水体积的改变量，sm为浮筒竖直状态下在水平面上的投影面积大小，δhm为浮筒的高度变化量；由于δfm通过浮筒上各力传感器18在水波影响过程中检测值变化直接计算得到，且sm已知，求得δhm；
[0051]
根据三角函数，求解得到机械臂中舵机二14的转动角度k：
[0052][0053]
式中，l
np
为点n与点p的距离，为已知量。
[0054]
作为一个优选，舵机三26调整浮筒7位姿的过程如下：
[0055]
某个舵机三26带动对应摇杆25向上摆动时，通过对应绳索拉动对应的梁21，从而带动浮筒对应侧向上倾斜；某个舵机三26带动对应摇杆25向下摆动时，对应绳索放松，浮筒对应侧向下倾斜。
[0056]
作为一个优选，舵机三26的转角d计算如下：
[0057]
如图7所示，用长方形代表浮筒，箭头代表波浪作用力方向，实线代表浮力组件调整前的状态，虚线代表浮力组件调整后的状态；设l1为浮筒调整前的对称横截面在竖直面上的投影，l
′1为浮筒调整后的对称横截面在竖直面上的投影，l2为浮筒调整前的对称纵截面在竖直面上的投影，l3为水波波面在与浮筒相交处的切面在竖直面上的投影，o为浮筒调整前的几何中心，a为浮筒受水波影响时所需调整的角度，d为摇杆所需转动的角度，d为浮力组件调整前梁21与绳索连接点，a为浮力组件调整后梁21与绳索连接点，c为浮力组件调整前摇杆与绳索连接点，b为浮力组件调整后摇杆与绳索连接点，e为浮筒调整前上表面与对称纵截面交线在竖直面上的投影，f为舵机与摇杆连接处中心轴线在竖直面上的投影，g为球铰5的回转中心；浮筒受水波影响一侧上摆减少排水体积，另一侧下摆增大排水体积，最终使得浮筒两侧受力平衡；浮筒某一侧在水波影响过程中受力变化值δfo表达式为：
[0058]
δfo＝ρgδvo[0059]
其中，δvo为浮筒一侧在水波影响前后排水体积的改变量，计算式为：
[0060]
[0061]
式中，r1为浮筒外径，r2为浮筒内径，x和y分别为浮筒上的点在水平面上相互垂直的两个轴上的坐标，z为浮筒上的点在竖直轴上的坐标；
[0062]
将δvo计算式代入δfo表达式中，且由于δfo通过浮筒上某个力传感器18在水波影响过程中检测值变化直接得到，则求解得到浮筒受水波影响时所需调整的角度a。
[0063]
如图8所示，设c为点a与点g连线ag和点d与点g连线dg之间的夹角，c＝a，e为点a与点f连线af和点b与点f连线bf之间的夹角，f为点c与点f连线cf和点a与点f连线af之间的夹角，g为点a与点g连线ag和点f与点g连线fg之间的夹角，h为点a与点g连线ag和点c与点g连线cg之间的夹角，则点c与点f连线cf和点b与点f连线bf之间的夹角d计算如下：
[0064][0065]
其中，点a与点f的距离点a与点c的距离g＝j-c＝j-a，h＝i-c＝i-a，j为点d与点g连线dg和点f与点g连线fg之间的夹角，i为点d与点g连线dg和点c与点g连线cg之间的夹角，j、i均为浮力组件本身的结构参数，为已知量；l
bf
为点b与点f的距离，l
fc
为点f与点c的距离，l
bf
＝l
fc
，l
fc
为点f与点c的距离，为浮力组件本身的结构参数，为已知量；l
ab
为点a与点b的距离，l
ab
＝l
cd
，l
cd
为点c与点d的距离，为浮力组件本身的结构参数，为已知量；l
ag
为点a与点g的距离，l
ag
＝l
dg
，l
dg
为点d与点g的距离，为浮力组件本身的结构参数，为已知量；l
gf
为点g与点f的距离，为浮力组件本身的结构参数，为已知量；l
gc
为点g与点c的距离，为浮力组件本身的结构参数，为已知量。
[0066]
作为一个优选，机身本体1上固定有与控制器连接的摄像头或雷达；摄像头或雷达检测到障碍物时，控制器控制舵机一旋转，带动旋翼组件6和浮力组件4躲避障碍物。该水波主动适应水上作业机器人通过四个旋翼组件6飞行到达或离开水面，在飞行过程中摄像头或雷达检测到障碍物时，也通过舵机一旋转带动旋翼组件6和浮力组件4躲避障碍物。