一种智能水下机器人控制系统的制作方法

本实用新型属于控制系统技术领域，涉及到水下机器人，具体涉及一种智能水下机器人控制系统。

背景技术：

随着科技的不断发展，人们的探索范围越来越广，尤其是水下探测的领域不断拓展。由于水下探测具有很大的不确定性，也具有相当的危险，因此大量采用水下机器人进行水下探测。

目前水下机器人已广泛应用于水库堤坝检查、核电站检查、海上钻井平台水下部分的监测与修复、沉船考古、海底光缆检测、海带的收割、绿藻的探查以及水雷的布放、猎雷与扫雷、水下侦察等众多民用与军用领域，但是其智能识别、续航能力、下潜能力以及远程控制等均存在不足或难以满足使用要求，大大限制了其应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种智能水下机器人控制系统，通过设计多个控制子系统，可以实现自主航行路径，在水面实现远程数据传输通信，具备切换人工遥控功能；还可以为水下搜索寻找目标，并对其准确定位。

为此，本实用新型采用了以下技术方案：

一种智能水下机器人控制系统，包括水面控制系统、姿态控制系统、水下定位系统、水下机器人运动控制器、探测系统和水下作业系统；所述水面控制系统是整个控制系统的核心，用于实现对水下机器人的监测和控制；所述姿态控制系统用于获得水下机器人的潜水姿态数据；所述水下定位系统用于进行水下定位并精确导航、避免碰撞；所述水下机器人运动控制器用于操控水下机器人的运动姿态；所述探测系统用于探测水下目标并操作机械手进行处置；所述水下作业系统用于控制水下机器人进行水下作业。

优选地，所述水面控制系统包括上位机、下位机，所述上位机采用工控机，装在操控箱中，包括两个玩具手柄式操控杆，所述操控手柄分别控制机器人的前后、转向运动和左右、上下运动，并可以控制运动速度和角速度；操控箱的控制系统基于单片机，操控台包括三个显示器，分别实时显示短基线定位系统定位图、水下机器人摄像机拍到的画面和声呐探测到的图像。

优选地，所述姿态控制系统包括水下机器人位姿信息采集板，所述采集板采用压力传感器测量水压，采用姿态测量单元得到水下机器人的三个欧拉角、三轴角速度和三轴加速度；采集板上处理器得到以上信息后，将其打包输出给水面控制系统。

优选地，所述水下定位系统包括惯性导航系统和超声信号，所述惯性导航系统是一种陀螺、加速度计和处理器的配置组合，用于获得潜航体的相对位置；所述超声信号从操控单元发射出来、经过水传播到潜航体上的接收器，用于测定距离。

优选地，所述水下机器人运动控制器包括深度控制器、速度控制器、航向控制器、侧向控制器、推进电机协调器和潜游任务规划器六个部分；所述深度控制器通过控制上下推进电机输出同等推力以控制和保持潜水深度；所述速度控制器用于控制和保持速度，所述航向控制器用于控制和保持航向，这两个控制器经过推进电机协调器后，作用于尾部左右两个前后推进电机；所述侧向控制器通过控制侧推电机输出同向等值推力以调整水下机器人的侧向运动位置和速度；所述潜游任务规划器实时判断水下机器人的任务执行情况，计算出任务航向、与任务航迹的距离、距目标航点的距离与指向等，并根据预设的判据判断是否完成当前任务，并进行任务切换。

优选地，所述探测系统包括灯光及摄像系统、声呐系统；所述灯光及摄像系统包括用于水下的照明灯和水下摄像机，所述照明灯要求发光效率高、体积小、抗干扰，所述水下摄像机要求耐冲击振动、体积小、重量轻；所述声呐系统用于在一定距离内提供黑暗浑浊水体中物体的高清晰图像，要求体积小、重量轻。

进一步地，所述照明灯采用3000K色温的HID疝气灯，其放射的光线为金黄色，具有超强的穿透力；所述水下摄像机的清晰度为500万像素，抗振动指标为10g；所述声呐系统采用分体式双频识别声呐，扫测工作频率为0.7MHz，识别模式的工作频率为1.2MHz，配备了阵列式声传感器和声透镜组成的声学成像系统。

优选地，所述水下作业系统包括机械臂、液体取样袋、小生物取样网；所述机械臂包括夹取式、螺栓紧固拆卸式和网式；所述液体取样袋用于在狭小的环境中取到杂质较少的样品，在取样口加装一根管体长管将其固定于机械臂；所述小生物取样网用于在狭窄的管道或小水域中网住小生物并返回水面。

优选地，还包括收放及线缆传输系统，所述收放及线缆传输系统采用复合光电脐带缆结构，外层为铠芙拉纤维，用于承受较大拉力；内层为填充微孔塑料层，用于提供浮力和密封；动力线为多股铜线，具有一定的柔软性，可传输5KVA的动力；控制和探测信息全部采用光纤传输。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)可以实现自主航行路径，在水面实现远程数据传输通信，具备切换人工遥控功能。

(2)可以为水下搜索寻找目标，并对其准确定位。

(3)智能化程度高，控制灵活方便，能够满足多样化需求。

附图说明

图1是本实用新型实施例所提供的一种智能水下机器人控制系统的原理图。

图2是本实用新型实施例中单片机电路框图。

图3是本实用新型实施例中姿态控制系统框图。

图4是本实用新型实施例中运动控制器的总体架构图。

图5是本实用新型实施例中卷筒的主视图。

图6是本实用新型实施例中卷筒的左视图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

实施例

一种智能水下机器人控制系统，包括水面控制系统、姿态控制系统、水下定位系统、水下机器人运动控制器、探测系统和水下作业系统；所述水面控制系统包括上位机、下位机。上位机采用工控机，装在操纵箱中，设计两个玩具手柄式操控杆，通过操控手柄分别控制机器人的前后、转向运动和左右、上下运动，并可以控制运动速度和角速度。操控手柄由操控人员握在手中，水下机器人的一切活动都由操控手柄控制。短基线定位系统定位图、水下机器人摄像机拍到的画面和声纳探测到的图像则实时地反馈在三个显示屏上，硬件平台主要集中在电脑上，以用来显示水下机器人的定位、声呐图、视频信号、机体状态。智能水下机器人控制系统的原理图如图1所示。

该操控箱的控制系统是基于Silicon Laboratories公司的C8051F023单片机实现的。硬件平台的电路框图如图2所示。系统通过C8051F023内部的ADC实现对水下机器人各路电源的实时监测；通过DAC产生模拟按键电平完成对摄像机的控制；通过GPIO口实现系统的3芯调试接口并产生调速控制信号和大灯控制信号；通过2个串口完成与各个传感器以及操作箱的通信。

控制台有三个显示器，主控台显示器用于短基线/GPS定位信息显示以及姿态显示并进行保存，声纳探测信息和摄像机图像信息分别用笔记本电脑显示和存储。除了机器人的运动控制和姿态控制，控制项目还包括：前灯光开关及其亮度控制，下灯光开关及其亮度控制；平台俯仰和偏转控制；摄像机开关与焦距控制；声纳控制；机械手控制；水下液体取样器控制。

姿态控制系统：为了得到潜水器的潜水姿态、深度、及距河(海)床高度，设计了基于C8051F310的潜水器位姿信息采集板。采用NS-F压力传感器测量水压，传感器的输出为4－20mA的电流量，通过一个精密电阻和运放芯片OPA2364搭建的I/U转换电路，可以将电流量转化为电压量，实现－5V输出，再通过A/D转换芯片，获得16位的数字量，进行相应的反向变换，即可推知潜水器的潜水深度。可实现水深的实时测量。采用Micro-Strain公司的姿态测量单元3DM—GX1，该单元通过三轴磁力计、三轴角速率陀螺、三轴加速度计等MEMS传感器，通过信息融合解算，可得到潜水器的三个欧拉角、三轴角速率和三轴加速度，由RS232输出信息，为了确定ROV相对于河床的高度，本水下机器人设计了高度计，可以有效避免与水底河床和杂物碰撞，以保证潜水器安全工作。采集板上处理器得到以上三种信息后，将其打包输出。数据的输出频率为50Hz。图3是姿态控制系统的框图。

水下定位系统：ROV系统开始勘探工作任务，就应确保能精确导航，避免碰撞，并且在使用结束后应安全返回操控单元或者以其他方式安全回收。解决此问题的根本方法是为潜航体提供l个惯性导航系统(NIS)和使用超声信号来确定潜航体的位置。惯性导航系统(NIS)是一种以陀螺(如光纤陀螺)、加速度计(用于持续监控潜航体运动)和处理器(用于处理这些装置的输出信号)的配置组合。通过连续测量以给定速度在指定方向上运动的时间，就可以计算出潜航体航行的路线，从而计算出潜航体相对于起始位置(通常是从操控单元布放潜航体的位置)的位置。因此它能直接到达指定位置。航行结束时，就可以获得潜航体的相对位置，处理器就可以控制推进器，无需用户输入便可将潜航体驶回操控单元。超声信号从操控单元发射出来，经过水传播到潜航体上的接收器。由于声速是恒定的，因此这个过程所需要的时间表示潜航体到操控单元的距离。虽然此方法测定的距离十分准确，但是它并不适合确定潜航体的位置。最开始有必要知道潜航体大概的位置，以确保超声在正确的方向上传播，可以通过使用超声发射器来改善，可以进行在位于浮标上的超声发射器。

水下机器人运动控制器：水下机器人具有两种控制模式，即遥控模式和自动控制模式。在遥控模式中，水下机器人各控制电机完全由操纵者控制；自动控制模式中，操纵者将电机设计水下机器人的运动控制器是关键所在。运动控制器的总体架构如图4所示。该架构中，运动控制器由深度控制器、速度控制器、航向控制器、侧向控制器、推进电机协调器和潜游任务规划器六部分组成。深度控制器通过控制上下推进电机输出同等推力以控制和保持潜水深度。速度控制器用于控制和保持速度，航向控制器用于控制和保持航向，这两个控制器经过推进电机协调器后，作用于尾部左右两个前后推进电机。侧向控制器通过控制侧推电机输出同向等值推力以调整潜水器的侧向运动位置和速度。潜游任务规划器实时判断潜水器的任务执行情况，计算出任务航向、与任务航迹的距离、距目标航点的距离与指向等，并根据预设的判据判断是否完成当前任务，并进行任务切换。定深运动和定向运动控制算法软件装在上位机中，可充分利用上位机的运算和存储能力。

探测系统：针对比较浑浊水质，对目标的探测增加了很大的难度，水深0.5米以下基本不可见，为了能够在浑浊黑暗的水下发现目标并操作机械手进行处置，必须采用特殊照明和探测装备。为了保证被观测目标有足够的照度，应选择发光效率高、体积小、抗干扰的照明灯。目前用于水下的照明灯有卤素灯、LED灯、HID高强灯。HID即高压气体放电灯是将12V电压增压至23000V的超高电压，激穿填充在石英管的氙气，使它发光。然后再将电压转成85V左右，稳定持续供应氙气灯泡发光，其发光效率和灯亮度都较卤素灯提高了近3倍。但是需要配置特殊镇流器。选择3000K色温的HID氙气灯，其放射的光线为金黄色，大量的使用证明这种颜色的光线不容易被水分子反射，具有超强的穿透力，在雾天、雨天、水中等恶劣状况下的照明效果非常突出，比较适合水下使用。配备一个镇流器同时控制两个前灯和抱持机械手装备的下灯(不同时使用)。为获得最佳的摄像效果，调整两盏灯光通量出射角与摄像机视场角的最佳位置并加以固定摄像机。水下摄像机主要考核其清晰度、低照度、当然要有耐冲击振动、体积小、重量轻的特性，选择的摄像机可达到500W像素，抗振动指标可达到10g。

高清晰声纳采用DIDSON-SB分体式双频识别声纳，扫测工作频率为0.7MHz、识别模式的工作频率为1.2MHz，发射的超声波被物体反射回来后经过声学成像系统处理，在显示器上显示出来。该声纳配备了阵列式声传感器和声透镜组成的声学成像系统，声透镜是会聚或发散声波的声学元件，类似于光透镜。但与光透镜不同的是会聚声波的声透镜是凹透镜而不是凸透镜，这是由于在声透镜中的声速比水中的声速大的缘故。DIDSON里面的声透镜折射率大、聚焦短，最大限度的减小了像差和传播损失。阵列式声传感器具有空间分辨能力，可以根据回波信号的强度和时延进行图像重组。从而可以在一定距离内提供黑暗浑浊水体中物体的高清晰图像，可媲美影像质量的图像，体积小重量轻，适于ROV携带。其分体式结构可以将电子组件部分放在ROV控制箱中，仅留下镜头部分放在ROV上。DIDSON的数据格式全部开放，便于用户后期数据处理和编制声呐数据处理软件。

水下作业系统：水下机器人的主要作业系统包括3部机械臂、1个水泵式液体取样袋、1个水泵式小生物取样网。由于机器人主要应用于较为狭窄的管道或小水域，所以放弃较为复杂的爪状机械臂进行基本的夹取，采用网状结构并在网状结构上部加装收紧线缆，以保证在获取任务目标后返回途中的遗失，对于稍大于网的任务目标也能起到收紧加固的作用。液体取样袋也要由一个多自由度的机械臂以便在狭小的环境中取到杂质最少的样品。因为管道中或者浅水水域中杂物较多有些需要用一些比较灵活且空隙较小的环境中来提取样品，取样袋固定于艇体中在取样口加装一根软体长管将其固定于机械臂。

收放及线缆传输系统：ROV通过光电脐带缆传输动力和控制、探测信息，为了尽量减少对ROV的运动产生影响，理论设计上光电缆设为零浮力，在ROV和岸上控制台分别进行电光转换和光电转换。外层为铠芙拉纤维，可承受较大拉力，内层为填充微孔塑料层，提供浮力和密封，动力线为多股铜线，具有一定的柔软性，可传输5KVA的动力，控制和探测信息全部采用光纤传输。复合光电脐带缆结构用微浮力、高强度的复合材料组成光电复合脐带缆，光电缆直径20mm，抗拉层采用的铠芙拉纤维抗拉强度为200公斤。光纤采用单模光纤，型号GTFJY-1B1-2/3-2X49X0.25，其中电缆为铜芯+聚全氟乙丙烯绝缘阻燃105℃+聚氯乙烯护套电力电缆，ROV通过光电脐带缆实现收放，其卷筒如图5和图6所示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。