一种水域机器人辅助刹车装置和使用方法与流程

【技术领域】

本发明涉及水域机器人技术领域，具体涉及一种水域机器人辅助刹车装置和使用方法。

背景技术：

随着水域机器人在现代的科技发展中的大范围应用，对水域机器人的操作性能要求越来越高，其中刹车控制一直存在技术缺陷。在日常的普通船只使用中，轮船在航行中自身的惯性较大，并且随着自身的载重量增大而使得同样刹车操作下的制动效果变差，刹车设计一直是困扰设计者的难题。

在现有的刹车方法中，按危急情况从小到大的顺序，轮船会采用不同的刹车方法来进行制动，例如利用对船舵的操作转向，使其与水流方向相逆，通过水体对船的阻力实现停船；例如将船体航行的动力源关闭，使得船只失去动力自行停止；例如将船体动力装置开启至倒车档，与船体行驶方向相反，利用反向动力来抵消行驶惯性使其停止；例如快速进行抛锚操作，对船体实施紧急制动。但是，这些刹车方法都不能满足水域机器人的制动需求，其中，利用水流逆行的停船方法制动效果慢，抛锚刹车可控性较低，而开倒车档的停船方法适用面较窄，并且容易降低或失去舵效。所以，为了满足水域机器人频繁的刹车需求，找到一种能辅助水域机器人完成可控性强、效率高的刹车装置和使用方法非常必要。

技术实现要素：

为了解决上述指出的技术问题，本发明公开了一种水域机器人辅助刹车装置和该装置的使用方法，以达到水域机器人在行驶的过程中，可以完成可控性强、效率高的刹车操作，满足其频繁的刹车需求的目的。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种水域机器人辅助刹车装置，包括船体，所述的船体内设置有控制系统、通信模块、监测模块、动力刹车模块和水阻刹车模块，所述的控制系统、通信模块和监测模块间两两相连；控制系统分别连接动力刹车模块和水阻刹车模块。所述的动力刹车模块，包括智能舵和刹车推进器，智能舵与刹车推进器连接，智能舵控制刹车推进器的工作功率与工作方向；所述的水阻刹车模块包括刹车盘、移位模组和旋转模组，其中，所述刹车盘分别连接移位模组和旋转模组，所述移位模组用于控制刹车盘的收合；所述旋转模组用于控制刹车盘的旋转角度。

所述的移位模组还包括移位步进电机和移位推杆；所述的旋转模组还包括旋转步进电机和旋转推杆；则所述的水阻刹车模块还包括驱动器；所述的驱动器分别连接移位步进电机和旋转步进电机；移位步进电机连接移位推杆，旋转步进电机连接旋转推杆，移位推杆和旋转推杆都作用在刹车盘上。

所述的动力刹车模块和水阻刹车模块不限于单个和单个的组合，单个和多个的组合，多个和多个的组合均可；动力刹车模块和水阻刹车模块在船体内的安装位置不限于船体的尾部和两侧，可根据需要在船体底面进行多处安装设置。

作为本发明的优选，所述的监测模块可设置在船体内多处，进行船体的姿态参数的实时监控，并可将参数反馈给控制系统，控制系统可根据需要对参数进行分析处理，并实时向外部指挥系统发送。

作为本发明的优选，沿船体周围的侧面上还设置有一个或者多个发射口，发射口内安装有阻力伞，阻力伞通过弹射装置与船体内控制系统连接，阻力伞在控制系统的指令下，穿过发射口弹射出船体或收回到船体内。

一种水域机器人辅助刹车装置的使用方法，包含如下步骤：控制系统根据刹车指令或水域机器人当前运行状态，查询刹车特性库，形成控制指令，发出控制指令；

动力刹车模块和水阻刹车模块得到控制指令，则刹车推进器开启至目标方向和目标功率，刹车盘移动到目标位置，旋转至目标角度。

其中，刹车特性库制作方法包括：根据包括船体重量和重心的物理特性，在设计船体时进行仿真模拟实验，得到水域机器人在不同速度范围内所需要的对应外力大小，从而确定各种刹车需求下对应参数；该对应参数包括动力刹车模块中刹车推进器的初始功率和初始方向。水阻刹车模块中刹车盘的初始角度。

作为本方法的优选，该使用方法还包括优化控制步骤，控制系统在初始控制指令下发后，监测模块实时监测水域机器人状态信息并反馈给控制系统；控制系统根据状态信息给出对该装置的进阶控制指令。

水阻刹车模块在接收到进阶控制指令后，及时控制刹车盘的位置和旋转角度。旋转步进电机对应的传感器检测旋转推杆是否到达目标角度，并将检测结果反馈给驱动器，驱动器再反馈给控制系统，控制系统比对获取的检测结果与初始控制指令，下达进阶控制指令进行调节，直到旋转推杆到达目标角度为止，从而实现旋转反馈控制。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

该刹车装置安装方便、维护简单，其中，水阻刹车模块和动力刹车模块可以单独调节，为水域机器人自适应航速和水体流速提供便利，该刹车装置可在纵向和横向实现多角度阻力控制，可为水域机器人提供前后和左右多角度可调阻力。动力刹车模块和水阻刹车模块可实现反馈调节控制，更准确的完成刹车指令，可以满足水域机器人可控性强、效率高的刹车技术需求。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的硬件结构示意图；

图2为实施例1的模块之间信号流程图；

图3为实施例1中动力刹车模块的详细结构示意图；

图4为实施例1中水阻刹车模块的详细结构示意图；

图5为实施例1的剖面结构示意图；

图6为实施例4的模块之间信号流程图；

图7为实施例4中的阻力伞模块结构示意图；

图8为实施例4中的阻力伞模块在船体安装位置示意图；

其中，1、船体；2、控制系统；3、通信模块；4、监测模块；5、动力刹车模块；6、水阻刹车模块；7、外部指挥系统；8、智能舵；9、刹车推进器；10、驱动器；11、移位步进电机；12、移位推杆；13、旋转步进电机；14、旋转推杆；15、刹车盘；16、阻力伞模块；17、信息接收器；18、连接轴；19、弹射装置；20、阻力伞。

【具体实施方式】

为了使本发明的技术方案更加清楚，以下将结合附图及实施例，进行进一步的详细说明。

在本发明的描述中，所指示的位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

如图1～5所示，本发明实施例1提供了一种水域机器人辅助刹车装置，可适用于无人船或水下机器人等各种水域机器人。

一种水域机器人辅助刹车装置，包括船体1，所述的船体1内设置有控制系统2、通信模块3、监测模块4、动力刹车模块5和水阻刹车模块6；所述的控制系统2、通信模块3和监测模块4间两两相连；控制系统2与外部指挥系统7通过通信模块3互相发送信号，监测模块4可实时监测该水域机器人的状态信息，所得状态信息可分别传递给控制系统2和外部指挥系统7进行实时控制。

控制系统2分别连接动力刹车模块5和水阻刹车模块6；所述的动力刹车模块5，包括智能舵8和刹车推进器9，智能舵8与刹车推进器9连接，智能舵8控制刹车推进器9的工作功率与工作方向；所述的水阻刹车模块6包括刹车盘15、移位模组和旋转模组，其中，所述刹车盘15分别连接移位模组和旋转模组，刹车盘15工作时置于水体中，所述移位模组用于控制刹车盘15的收合；所述旋转模组用于控制刹车盘15的旋转角度。

所述的动力刹车模块5、水阻刹车模块6通常为成对设置在船体1底面的左右两侧，实施例1中以一个左动力刹车模块5-1、一个右动力刹车模块5-2、一个左水阻刹车模块6和一个右水阻刹车模块6为例，模块间的位置关系如附图5所示，下面结合附图1～5对实施例1的工作过程进行详细说明。

所述的移位模组还包括移位步进电机11和移位推杆12；所述的旋转模组还包括旋转步进电机13和旋转推杆14；则所述的水阻刹车模块6还包括驱动器10；所述的驱动器10分别连接移位步进电机11和旋转步进电机13；移位步进电机11连接移位推杆12，旋转步进电机13连接旋转推杆14，移位推杆12和旋转推杆14都作用在刹车盘15上。

通常情况下，本发明实施例中各模块由电力系统供电，方便安装和更换，且船载重量较小，例如：蓄电池或者太阳能电池；也可以由混合电力系统供电，例如：柴油机-电力混合动力系统、核能-电力混合动力系统等等。本发明实施例中监测模块4可为各种传感器，此实施例中的监测模块4包括倾角传感器、加速度传感器、振动传感器、速度传感器等各种传感器，用于监测船体1在行驶中的状态，该监测模块4可设置在船体1的多处，以实现船体1信息的实时和精确监测。同样地，实施例中的刹车推进器9也可以为多种，如螺旋桨推进器、喷气推进器、喷水推进器、特种推进器等，此实施例中的刹车推进器9多由电动机和螺旋桨组成，智能舵8控制螺旋桨的旋转方向和开启功率，电动机为螺旋桨提供动力。

该水域机器人辅助刹车装置的使用方法，包含如下步骤：控制系统2根据刹车指令或水域机器人当前运行状态，查询刹车特性库，形成控制指令，发出控制指令；动力刹车模块5和水阻刹车模块6得到控制指令，则刹车推进器9开启至目标方向和目标功率，刹车盘15移动到目标位置，旋转至目标角度。

工作时，外部指挥系统7通过通信模块3向水域机器人中发出初始控制指令，或水域机器人自身根据监测模块4监测到的船体状态信息生成初始控制指令；所述的初始控制指令包括：刹车推进器9开启至目标方向和目标功率，刹车盘15移动到的目标位置，刹车盘15旋转的目标角度等。

控制系统2及时响应初始控制指令，查询储存在自身体内的刹车特性库，向动力刹车模块5和水阻刹车模块6发出初始控制指令，即左动力刹车模块5-1和右动力刹车模块5-2分别得到各自模块中螺旋桨的目标方向和目标功率，左水阻刹车模块6和右水阻刹车模块6得到各自模块中刹车盘15移动的目标位置和旋转的目标角度。

左、右动力刹车模块5-2内的电动机启动，螺旋桨进入到水体中，智能舵8将螺旋桨旋转到目标方向后开启到目标功率，同时，左、右水阻刹车模块6中的驱动器10启动，在驱动器10的控制下移位步进电机11通过移位推杆12将刹车盘15推入至水体中，移位推杆12的伸缩长度为固定的，移位推杆12将刹车盘15推至固定位置，即整个刹车盘15没入水体中则动作完成，后旋转步进电机13开始工作，刹车盘15在旋转推杆14的作用下旋转至与水流方向垂直的目标角度。当监测模块4监测到水域机器人停止时，向控制系统2发送船体状态信息，后控制系统2向动力刹车模块5和水阻刹车模块6发送停止工作指令，动力刹车模块5中的螺旋桨停止工作，收缩回船体1中；同时，水阻刹车模块6中的刹车盘15旋转回原始位置，位移推杆将刹车盘15收回船体1中。

至此，水域机器人在左、右动力刹车模块5-2和左、右水阻刹车模块6的共同作用下完成刹车操作，达到水域机器人停止运动的目的。

实施例2：

在该水域机器人辅助刹车装置的使用方法中，所述的刹车特性库制作方法有很多种，如通过进行实船海上实验，建立数学模型和仿真系统来得到参考数据，由于仿真系统的应用面较广，实验效率高，本发明实施例中通常选用通过各种仿真系统实验来制作刹车特性库。下面基于实施例1中的模块组合模式来具体说明刹车特性库的制作过程。

根据船体1重量和重心的物理特性，在设计船体1时进行仿真模拟实验，得到水域机器人在不同速度范围内所需要的对应外力大小，从而确定船体1停止时各个模块所需的对应参数；即该对应参数包括动力刹车模块5中刹车推进器9的初始功率和初始方向，水阻刹车模块6中刹车盘15的初始角度。

在实验中改变船体1的速度，同时监测模块4监测船体状态数据，通过控制刹车盘15在船体1横切面方向的角度，同时启动左、右两个动力刹车模块5和左、右两个水阻刹车模块6，并通过控制其工作功率和工作方向，使船体1及时停止，记录此时船体1状态的各个参数。

其中，上述参数包括[v，w1，b1，w2，b2，a1，a2]，分别表示：v-运行速度，w1-左刹车推进器9功率，b1-左刹车推进器9工作方向，w2-右刹车推进器9工作功率，b2-右刹车推进器9工作方，a1-左刹车盘15旋转角度，a2-右刹车盘15旋转角度。由于在可选的方案中，为了达到更简便的操作，其中，水阻刹车模块6中刹车盘15的位置为固定设置，移位推杆12将刹车盘15完全推入水体中即可，则水阻刹车模块6中移位推杆12的长度参数，不在上述可变化的参数范围内。

多次实验后，所得的每一个参数对应一个范围区间，可将范围区间平均划成多段数据，参数划分成的段数越多，则对应的参数调控越精细，下面以将参数值范围划分为6段为例说明。

所述参数v为运行速度，根据设计的最大速度把船体1实际速度划分为6段，每段对应取平均值，即分别对应：v1、v2、v3、v4、v5、v6共6个值；将以上参数值与实验中监测出的对应船体1姿态参数[w1，b1，w2，b2，a1，a2]相匹配，形成刹车特性库，简单罗列几种可能组合形式，如下表所示：

在实际工作过程中，控制系统2通过接收外部指挥系统7的刹车初始控制指令，或控制系统2通过船体状态信息自行生成刹车初始控制指令，控制系统2根据初始控制指令查询刹车特性库，例如此时的运行速度为v3，则得到的对应参数信息[w1(3)，b1(3)，w2(3)，b2(3)，a1(3)，a2(3)]，即为控制系统2的刹车初始控制指令。

左动力刹车模块5-1、右动力刹车模块5-2分别得到控制系统2的初始控制指令，即左智能舵8根据[w1(3)，b1(3)]指令控制左刹车推进器9工作，右智能舵8根据[w2(3)，b2(3)]指令控制右刹车推进器9工作；

控制系统2向动力刹车模块5发出指令的同时，也向水阻刹车模块6发出指令，左水阻刹车模块6和右水阻刹车模块6分别得到控制系统2的初始控制指令，即左、右驱动器10得到刹车盘15的初始控制值，根据[a1(3)]指令，驱动左移位步进电机11工作，经由左移位推杆12把左刹车盘15推向水中固定工作位置后，驱动左旋转步进电机13工作，经由左旋转推杆14将左刹车盘15旋转到目标工作角度；同时，根据[a2(3)]指令，驱动右移位步进电机11工作，经由右移位推杆12把右水阻刹车盘15推向水中固定工作位置后，同样地，驱动左旋转步进电机13工作，经由左旋转推杆14将左刹车盘15旋转到目标工作角度；则初始控制指令[w1(3)，b1(3)，w2(3)，b2(3)，a1(3)，a2(3)]完成。

当监测模块4监测到水域机器人停止时，向控制系统2发送船体状态信息，后控制系统2向动力刹车模块5和水阻刹车模块6发送停止工作指令，则动力刹车模块5中的螺旋桨停止工作，收缩回船体1中原始位置；同时，水阻刹车模块6中的刹车盘15旋转回原始位置，位移推杆将刹车盘15收回船体1中。至此，水域机器人在左、右动力刹车模块5-2和左、右水阻刹车模块6的共同作用下达到刹车目的。

实施例3：

进一步的，在当前水域环境中水流速度较快，风浪影响较大，或该水域机器人受障碍物影响，行驶路线为非直线的情况下，基于实施例2中的模块组合方式的情况，左、右水阻刹车模块6在执行初始控制指令[w1，b1，w2，b2，a1，a2]的过程中，左、右刹车盘15完成初始控制指令[a1，a2]后，又因为受到外部的影响而偏离目标角度。

此时，可在水阻刹车模块6上设置反馈优化步骤，控制系统2向水阻刹车模块6发出进阶控制指令；所述的进阶控制指令是在信息为[w1，b1，w2，b2，a1，a2]的初始控制指令下发后，监测模块4实时监测机器人船体状态信息，并反馈给控制系统2；控制系统2根据水域机器人运行速度，给出对刹车装置的进阶控制指令，该进阶控制指令通常由控制系统2中采用的模糊pid算法实时计算而来。

控制系统2向水阻刹车模块6发出进阶控制指令，即左旋转步进电机13对应的传感器反馈左旋转推杆14是否到达目标角度[a1]，并反馈给左驱动器10，直到左旋转推杆14到达目标角度[a1]为止；同样地，右旋转步进电机13对应的传感器反馈右旋转推杆14是否到达目标角度[a2]，并反馈给右驱动器10，直到右旋转推杆14到达目标角度[a2]为止；从而实现水阻刹车模块6的旋转反馈控制。

所述的反馈优化步骤设置在该刹车装置执行刹车初始控制指令之后，旋转步进电机13上所设置的传感器的反馈为实时反馈，控制系统2可根据需要进行一次或者多次反馈优化步骤。当监测模块4监测到水域机器人停止时，向控制系统2发送船体状态信息，后控制系统2下发停止工作指令。

实施例4：

上述实施例1中介绍了普通环境情况下该水域机器人刹车装置的工作过程，但在一些特殊的天气情况中，如水上风浪较大，船体速度和行驶方向受影响不断变化，尤其是当风速超过了水域机器人刹车特性库内的记载范围时，仅仅依靠动力刹车模块5和水阻刹车模块6不能进行有效停船，此时水域机器人可设置阻力伞模块16来进行紧急制动。

基于上述使用环境，结合附图6～8，对本实施例进行详细说明。实施例4在实施例1的基础上提供了一种在天气环境恶，风速过大的情况下，水域机器人辅助刹车系统的使用方法。

如图6～8所示，该水域机器人辅助刹车系统还包括阻力伞模块16，所述的控制系统2中设置有风速感应器，阻力伞模块16设置在船体1侧面周围，所述的阻力伞模块16包括信息接收器17、连接轴18、弹射装置19和阻力伞20；所述的信息接收器17与船体1内控制系统2连接，阻力伞20安装在弹射装置19内，信息接收器17和弹射装置19用连接轴18连接，阻力伞20在控制系统2的指令下，阻力伞20弹出船体1或收回到船体1内。

如实施例1中所述，控制系统2生成刹车初始控制指令时，可同时通过监测模块4发出的船体状态信息，如风速过大时即生成阻力伞20弹出指令，或通过接收外部指挥系统7信息生成阻力伞20弹出指令，如图8所示的阻力伞模块16安装组合，例如船体1为顺风航行时，则控制系统2向船体1头部阻力伞模块16发送工作指令，信息接收器17接收指令，即阻力伞模块16中的连接轴18将弹射装置19伸出发射口，后将阻力伞20弹出。同样地，如船体1为转弯行驶时，则控制系统2向船体1对应侧的阻力伞模块16发送工作指令，如船体1为逆风航行时，则控制系统2向船尾部的阻力伞模块16发送工作指令。当监测模块4监测到水域机器人停止时，向控制系统2发送船体状态信息，后控制系统2下发停止工作指令，则信息接收器17接收停止工作指令，连接杆将弹射装置19收回船体1内后旋转，通过将伞绳缠绕在弹射装置19上而将阻力伞20收回船体1内，最后，对应发射口的船体1盖板关闭。

由于阻力伞模块16是紧急制动情况下的实施方式，在通常的水域环境中使用概率较小，为了安装方便，节约成本，阻力伞20的安装方式多选用一次性使用安装方式，上述实施例4为其一次性使用方式之一。

此操作可以和实施例1中的刹车操作可同时进行也可分开执行，分别由不同的模块执行操作，有独立的供电模块，不会相互影响。该阻力伞模块16中的弹射装置19可选用液压弹射、气动弹射、电磁弹射等多种单一或组合的方式，以保证刹车操作快速、准确的完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。