一种微型自主潜水器的制造方法

文档序号:4124504阅读:638来源:国知局
一种微型自主潜水器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种微型自主潜水器,属于无人潜水器和水下机器人领域,由通讯模块1、传感模块2、导航模块3、视觉模块4、推进模块5、控制模块6、中央模块7、电池组8、主壳体9组成,通讯模块1、传感模块2、导航模块3、视觉模块4、控制模块6在中央模块7的统一管理下,协调工作完成预定任务,推进模块5在控制模块6的控制下完成悬停、前行或后退等运动。通讯模块1、传感模块2、导航模块3、视觉模块4、推进模块5、控制模块6、中央模块7均安装于主壳体9上,由电池组8进行供电。该潜水器具有隐蔽性、机动性、智能性、低成本等特点,可以进行远距离作业,可用于水下考古、水下探险等领域,适用范围广泛。
【专利说明】—种微型自主潜水器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微型自主潜水器,是一种执行中远程水域水下目标探测、跟踪和识别的微型无人潜水器,属于无人潜水器和水下机器人领域。
【背景技术】
[0002]微型无人潜水器具有成本低、携带方便、操作简单、可以进入水下狭小空间等优点,在水下考古、水下探险、海洋生物调查等领域有着广泛的应用。商品化的微型无人潜水器有美国VideoRay公司的VideoRay pro系列微型无人潜水器、英国Aquabotix公司的HydroView的微型无人潜水艇、荷兰Seascape公司水下机器人builder-150、中国沈阳自动化所的微型无人潜水器(蚊龙号载人潜器用).这些微型潜水器的尺寸一般在几十厘米,重量一般在几公斤。但这些潜水器都属于遥控潜水器,活动范围在百米内;这些潜水器自主能力较弱,无法用于中远程海域作业。

【发明内容】

[0003]自主潜水器是一种自带动力,能自行按照预定程序或基站指挥中心传来的指令进行活动和作业,或通过传感器获取水下环境信息进行活动和作业,其最大的特点是具有智能和自治能力。
[0004]本发明的目的是为解决现有潜水器活动范围小、自主能力弱,无法用于中远程海域作业的问题,设计实现了 一种微型自主潜水器,该潜水器能够在上千米至几十千米远的水域进行水下探测、定位、跟踪和识别预定目标,获取目标视频图像以及相关信息,并将信息发回到基站。
[0005]为了解决上述问题,本发明的基本思路如下:
[0006](I)微型自主潜水器上浮到靠近水面,通过全球定位系统(GPS)获取导航信息,然后下潜到水下,由惯性导航系统(INS)控制运动方向;微型自主潜水器需要多次上浮到靠近水面位置获取GPS导航信息,对INS测量误差进行修正,使潜水器高效率地按预定路径到达几千米甚至几十千米的预定位置,实现中远程距离海域的水下目标探测、跟踪、智能分析
与理解;
[0007](2)采用四枚正反转电动螺旋桨推进器,对称分布在潜水器两侧,每一枚推进器通过旋转轴连接一个方向电机。方向电机驱动旋转轴转动,改变推进器推力方向。推进器的推力方向、推进器的正反转和推进器的旋转速度是潜水器三个动力参数,控制这三个参数,能实现潜水器在水中悬停、前行和倒退、左转和右转、上浮和下沉、斜向等运动,这些运动的组合,能实现潜水器机动灵活高效率的任意方向运动;
[0008](3)在潜水器前部和后部都安装有云台摄像机,潜水器前行和后退时都可以获取运动前方场景图像;摄像机通过云台运动,可以获取潜水器左右、上下等方向的场景图像,提高场景图像获取效率。在潜水器的前部和后部还安装有声呐测距传感器,完成前行和后退的避障任务。[0009]下面详细说明本发明的内容。
[0010]如图1所示,本发明由通讯模块⑴、传感模块(2)、导航模块⑶、视觉模块⑷、推进模块(5)、控制模块(6)、中央计算模块(7)、电池组(8)和主壳体(9)组成,各组成部分间的连接和通讯关系如图5所示,通讯模块(I)、传感模块(2)、导航模块(3)、视觉模块
(4)、控制模块(6)在中央计算模块(7)的统一管理下,协调工作完成预定任务,推进模块
(5)在控制模块(6)的控制下完成悬停、前行或后退等运动。通讯模块(I)、传感模块(2)、导航模块(3)、视觉模块(4)、推进模块(5)、控制模块(6)、中央计算模块(7)均安装于主壳体(9)上,由电池组⑶进行供电。
[0011]通讯模块⑴完成信息接收和信息发送任务。该模块接收来自基站的各种指令和其它潜水器的信息,以规划潜水器的任务和运动。该模块向基站发送潜水器状态信息、水下目标图像信息和告警信息,向其它潜水器发送交流信息。
[0012]传感模块(2)由深度(压力)测量计和泄露测量传感器组成。深度(压力)测量计提供潜水器下潜深度,保证潜水器在水下固定深度作业;泄露测量传感器用于测量潜水器内部气压,如果气压变化,说明潜水器有泄露。
[0013]导航模块(3)由全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)组成。GPS和INS共同确定潜水器的初始位置和姿态信息,潜水器下潜到预定深度后,按预定航线方向运动。为了消除INS产生的误差积累导致潜水器运动偏离预定航线,潜水器要定时或定距离上浮,接近水面接收GPS信息,修正INS误差。
[0014]视觉模块(4)由云台摄像机、波束声呐和高性能嵌入式计算机组成。波束声呐主要用于探测水下障碍物或目标,云台摄像机主要用于获取水下目标图像,高性能嵌入式计算机用于高效完成探测、跟踪和识别目标等计算任务。云台摄像机和波束声呐信息融合,完成目标的定位和跟踪任务。
[0015]推进模块(5)采用独立的四枚正反转电动螺旋桨推进器,每枚推进器的推进方向由一台步进电机控制。四枚推进器对称分布在潜水器两侧。推进器的正反转、推进器的旋转速度、推进器的推进方向是潜水器的三个动力参数,控制这三个动力参数,能实现潜水器在水中悬停、正向和反向、左转右转、上浮和下潜、斜向等运动;这些运动的组合,实现潜水器机动灵活高效率的运动。例如,图2、3、4示出了通过调整推进器的推进方向可实现潜水器沿水平、垂直和斜向等不同方向运动时的侧视外观结构示意图。
[0016]控制模块(6)控制潜水器工作在二种模式,一种是巡航工作模式,一种是搜寻工作模式。巡航工作模式时,该模块接收深度测量计和惯性陀螺仪的信号,计算当前航线与预定航线的偏差来控制微型潜水器前进的方向;该模块接收声呐导航信息,控制潜水器完成避障任务。搜寻工作模式时,由摄像机和声呐信息共同控制潜水器作业,包括朝向目标、跟踪目标、围绕目标等运动,并获取目标图像,通过图像识别和定位目标,或目标的特定部位,比如舱门、螺旋桨等。潜水器也可以进入目标内部狭小空间,完成悬停、前行或后退等运动,获取目标内部图像。
[0017]中央计算模块(7)是潜水器的大脑,执行任务规划、任务调度、系统状态监测、系统自救等任务。
[0018]电池组(8)位于潜水器下部,和潜水器分离,充电方便,更换电池方便。电池能输出多种规格的电压和功率,为各模块供电。[0019]有益效果:
[0020]对比现有产品,本发明具有隐蔽性、机动性、智能性、低成本等特点,可以进行远距离作业,适用范围广泛。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]图1为本发明微型自主潜水器的俯视结构示意图。
[0022]图2为本发明巡航模式的侧视结构示意图。
[0023]图3为本发明垂直上浮下潜运动的侧视结构示意图。
[0024]图4为本发明斜向潜行运动的侧视结构示意图。
[0025]图5为微型潜水器组成模块关系示意图。
[0026]附图标记:通讯模块一I ;传感模块一2 ;导航模块一3 ;控制模块一4 ;视觉模块一5 ;推进模块一6 ;中央计算模块一 7 ;电池组一 8 ;主壳体一9。
[0027]实施方式
[0028]下面结合附图和实施例对本发明的工作过程作进一步说明:
[0029]微型自主潜水器在非工作状态下,电池组⑶和潜水器主壳体(9)分离放置,以保证潜水器的安全,方便电池充电和更换。
[0030]微型自主潜水器工作前,首先安装电池组(8)。电池组(8)和潜水器主壳体(9)是通过紧固件和弹性密封材料紧密地连接在一起,保证微型潜水器的密封性能。紧固一定程度,潜水器处于密封状态,再继续紧固,则潜水器中的空气压力提高,为潜水器自动检测泄露提供物理测量参数。电池安装后,中央计算模块自动启动自检程序,包括电源状态、潜水器密封、各个模块等自检工作。自检结束后,系统处于休眠状态。
[0031]下水前,基站通过无线发射装置激活潜水器,并给潜水器安装任务指令,包括潜行航迹、目的地坐标、目标类型、执行任务性质等。安装完毕,系统处于休眠状态。安装指令过程可以重复进行,比如,当任务改变时,可以再次激活潜水器,再次给潜水器安装任务指令。
[0032]潜水器下水后,潜水器遇水呈现的低阻抗激活潜水器。潜水器在中央计算模块(7)发出的指令控制下开始潜水,到达预定深度,按预定航迹开始巡航。为了消除惯性导航系统产生的误差偏离预定航线,潜水器在预定的时间或距离点上,上浮到接近水面,接收GPS定位信息,校正航迹。
[0033]潜水器在水下潜行时由波束声呐探测前方的障碍物。水中最多的障碍物是鱼类,这种障碍物一般都是运动的,并且会游离潜水器,因此,遇到小型的运动障碍物,可以适当减速或保持速度前行。如果遇到静态或运动缓慢障碍物,可以根据障碍物的大小以及运动方向,决定潜水器的运动方向。
[0034]如果到达预定目标区域,比如目标是水下沉船,尺寸一般在几米到几十米以上,尺寸远远大于鱼类等水下生物。通过波束声呐探测目标物体,摄像机获取目标图像,在波束声呐的引导下,摄像机获取目标各个部分的图像并存储;潜水器可以进入目标内部,获取目标内部图像并存储;对图像进行分析和识别,识别目标特定部位,并对特定部位进行标记等。
[0035]潜水器上浮到水面,可以将图像等相关信息通过通讯模块I发送给基站,也可以返航,将存储信息传给地面站。
[0036]为了说明本发明的内容及实施方法,本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围,而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解:在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内,对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此,本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。
【权利要求】
1.一种微型自主潜水器,其特征在于,该潜水器由通讯模块(I)、传感模块(2)、导航模块(3)、视觉模块(4)、推进模块(5)、控制模块(6)、中央模块(7)、电池组(8)、主壳体(9)组成;通讯模块(I)、传感模块(2)、导航模块(3)、视觉模块(4)、控制模块(6)在中央模块(7)的统一管理下,协调工作完成预定任务,推进模块(5)在控制模块(6)的控制下完成悬停或前行或后退或上浮或下潜或斜向运动;通讯模块(I)、传感模块(2)、导航模块(3)、视觉模块(4)、推进模块(5)、控制模块(6)、中央模块(7)均安装于主壳体(9)上,由电池组(8)进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种微型自主潜水器,其特征在于,所述导航模块(3)由全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)组成,潜水器在水下潜行时,定时和定距离的多次上浮到接近水面,获取GPS信息,修正INS系统误差,在中央模块(7)管理下,控制模块(6)在导航模块(3)导引下,控制推进模块(5)驱动潜水器到达预定水域,由视觉模块(4)执行水下目标检测、定位、跟踪和识别任务。
3.根据权利要求1所述的一种微型自主潜水器,其特征在于,所述视觉模块(4),由云台摄像机、波束声呐和高性能嵌入式计算机组成;潜水器前部和后部都安装有云台摄像机和波束声呐,波束声呐探测水下障碍物或目标,摄像机获取水下目标图像,高性能嵌入式计算机高效完成探测、跟踪和识别目标计算任务。
4.根据权利要求1所述的一种微型自主潜水器,其特征在于,所述推进模块(5)包括独立的四枚正反转电动螺旋桨推进器,每枚推进器的推进方向由一台步进电机控制,四枚推进器对称分布在潜水器两侧,通过控制推进器的正反转、旋转速度和推进方向实现潜水器在水下悬停以及任意方向的运动。
【文档编号】B63G8/08GK104002942SQ201410253181
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】贾云得 申请人:北京理工大学
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