涉水机器人姿态监测装置和涉水机器人的制作方法

本实用新型涉及涉水机器人姿态控制技术领域，具体而言，涉及一种涉水机器人姿态监测装置和涉水机器人。

背景技术：

涉水机器人姿态监测装置用于为在复杂未知环境下进行作业的涉水机器人提供姿态、航向、速度、深度等信息，这些信息对于涉水机器人能否完成海洋环境作业任务至关重要。高可靠性的导航系统将能够有效保障涉水机器人安全生存和成功完成作业任务。

现有的涉水机器人姿态监测装置，一般由微控制器、姿态传感器或称惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、多普勒计程仪、深度计等构成，通过微控制器实现导航计算，输出姿态、速度、深度等数据，为涉水机器人提供稳定可靠的姿态和航向参考信息。

由于现有的涉水机器人姿态监测装置仅在控制主板上设置有单个IMU传感器，若因外界环境影响造成IMU失效时，将无法有效监控涉水机器人的航行姿态，易引起航行事故发生。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种涉水机器人姿态监测装置和涉水机器人，通过设置主IMU和备用IMU两个姿态传感器，提高了IMU提供数据的可靠性，为涉水机器人的航行安全提供了更好的保障。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种涉水机器人姿态监测装置，包括设置在主控板上的微控制器和与所述微控制器连接的主IMU；

所述装置还包括与所述微控制器连接的备用IMU，所述备用IMU外部设置有减震机构。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，备用IMU设置于主控板上，通过连接导线与所述微控制器连接。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述备用IMU设置于涉水机器人的壳体内壁上，通过连接导线与主控板上设置的总线接口连接，所述总线接口与所述微控制器连接。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述主IMU和所述备用IMU均包括对应于不同方向的三个加速度计和三个陀螺仪。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述减震机构为减震箱体，所述备用IMU设置在减震箱体内，所述减震箱体包括外壳体和设置在所述外壳体内的减震内壳。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述减震内壳由具有弹性的减震材料制成。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述减震机构包括设置在所述备用IMU与所述壳体内壁之间的减震材料。

结合第一方面的第五种可能的实施方式或第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述减震材料为泡棉、海绵、泡沫或气泡袋。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述装置还包括电源组件，所述电源组件用于为所述微控制器、所述主IMU和所述备用IMU供电。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种涉水机器人，包括上述的涉水机器人姿态监测装置和推进器，所述推进器用于为涉水机器人在水下航行提供动力。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供的涉水机器人姿态监测装置和涉水机器人，通过设置主IMU和备用IMU两个姿态传感器，且备用IMU外部设置有减震机构。涉水机器人在良好的水文环境中航行时，采用主IMU进行姿态数据采集。如果涉水机器人所处的水文环境较为恶劣，可以切换至设有减震机构的备用IMU，从而减小外部水文环境对IMU采集的数据的影响，保证姿态控制的稳定性。另外，当其中一个姿态传感器损坏或因外部环境影响失效时，可切换至另一姿态传感器工作，提高了IMU提供数据的可靠性，为涉水机器人的航行安全提供了更好的保障。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型一实施例所提供的涉水机器人姿态监测装置的结构框图；

图2为本实用新型一实施例所提供的涉水机器人姿态监测装置的结构示意图；

图3为本实用新型一实施例所提供的减震箱体的结构示意图；

图4为本实用新型一实施例所提供的涉水机器人的结构示意图。

图标：1-主控板；11-微控制器；12-主IMU；13-备用IMU；14-电源组件；15-总线接口；16-连接导线；2-减震箱体；21-外壳体；22-减震内壳；3-推进器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

针对现有的涉水机器人姿态监测装置易受外界环境影响导致无法有效监控涉水机器人的航行姿态的问题，本实用新型实施例提供了一种涉水机器人姿态监测装置和涉水机器人，以下首先对本实用新型的涉水机器人姿态监测装置进行详细介绍。

实施例一

该实施例提供了一种涉水机器人姿态监测装置，如图1至图3所示，该监测装置包括设置在主控板1上的微控制器11，与微控制器11连接的主IMU12和与微控制器11连接的备用IMU13。备用IMU13可以设置在主控板1上，也可以设置于主控板1之外。

当主IMU损坏时，系统可切换至备用IMU进行姿态数据采集，不影响涉水机器人姿态监测装置正常工作，有利于涉水机器人的航行安全。

优选地，如图1和图2所示，备用IMU13设置于主控板1之外。备用IMU13通过连接导线16与主控板1上设置的总线接口15连接，总线接口15与微控制器11连接。

主IMU12和备用IMU13的内部结构相同，均包括对应于不同方向的三个加速度计和三个陀螺仪，加速度计和陀螺仪分别用于测量涉水机器人在三维空间中的加速度和角速度，以确定涉水机器人的运动姿态。

更优选地，备用IMU13通过减震机构直接或间接地设置于涉水机器人的机体内壁上，其中包括备用IMU13通过减震机构设置在与涉水机器人壳体连接的支撑座上。当涉水机器人的外部水文环境较为恶劣时，位于主控板1上的主IMU12的测量数据的准确性可能会受到影响，此时，可以切换至备用IMU13工作，备用IMU13采集的姿态数据更加准确。

一种实现方式为：备用IMU13设置在减震箱体2内，减震箱体2包括外壳体21和设置在外壳体21内的减震内壳22。减震内壳22由具有弹性的减震材料制成。减震材料可以选用泡棉、海绵、泡沫或气泡袋等。

另一种实现方式为：备用IMU13固定安装在涉水机器人的壳体内壁上或与涉水机器人壳体连接的支撑座(未图示)上，备用IMU13与壳体内壁或支撑座之间设置有减震材料。同样，减震材料可以选用泡棉、海绵、泡沫或气泡袋等。

其中，泡棉是应用于电学领域的一种较好的减震材料，其重量轻、有弹性，并具有耐热、耐酸碱、耐水蒸气等特性。在泡棉中，珍珠棉是一种较优的减震材料。珍珠棉又称为EPE、或聚乙烯发泡棉，具有非交联闭孔结构,是一种新型环保的减震材料。珍珠棉由低密度聚乙烯脂经物理发泡产生无数的独立气泡构成，克服了普通发泡胶易碎、变形、回复性差的缺点，具有隔水防潮、防震、隔音、保温、可塑性能佳、韧性强、循环再造、环保、抗撞力强等诸多优点，亦具有很好的抗化学性能。

可以理解的是，当备用IMU设置于主控板上时，也可以再其外部设置减震机构。例如，该减震机构可以是上述的减震箱体。在主控板上预留四个螺钉孔，通过螺钉将减震箱体的四个角固定在主控板上。

进一步地，涉水机器人姿态监测装置还可以包括电源组件14，电源组件14与微控制器11、主IMU12和备用IMU13连接，为微控制器11、主IMU12和备用IMU13供电。

涉水机器人姿态监测装置还可能包括深度传感器和通讯模块。深度传感器又称水深计，用于探测涉水机器人处于水中的深度。通讯模块用于与水面基站上的遥控系统进行通讯。

本实施例提供的涉水机器人姿态监测装置的工作过程如下：

涉水机器人在良好的水文环境中航行时，采用主IMU进行姿态数据采集，即系统仅启动主IMU进行工作，备用IMU处于关闭或待机状态，从而节省能耗。如果涉水机器人所处的水文环境较为恶劣，例如，水流较急或波浪较大，涉水机器人可能会出现较大的摇晃，姿态传感器采集的姿态数据也会出现较大波动。

考虑到涉水机器人在出现较剧烈的摇晃时，设置在主控板上的主IMU会随之震动，主IMU自身的震动会影响主IMU采集的姿态数据的准确性，因此，在涉水机器人所处的水文环境较为恶劣时，可以切换至备用IMU进行姿态数据采集。

具体地说，监测接收到的主IMU采集的姿态数据的波动范围，将主IMU采集的姿态数据的波动范围与设定的波动阈值进行比较。当主IMU采集的姿态数据的波动范围大于设定的波动阈值时，启动备用IMU采集姿态数据。

将两个IMU采集的姿态数据进行对比，如果两个IMU采集的姿态数据相差不大，在允许的差值范围内，则关闭备用IMU，继续使用主IMU进行姿态数据的采集。如果两个IMU采集的姿态数据相差较大，已经超出了允许的差值范围，则关闭主IMU，使用备用IMU替代主IMU进行姿态数据的采集。

在涉水机器人使用备用IMU替代主IMU进行姿态数据的采集之后，如果水文环境恢复平静，可以重新使用主IMU进行姿态数据的采集。

当水文环境恢复平静时，涉水机器人的航行姿态也会较为平稳，摇晃的幅度也会相应较小，因此，备用IMU返回的姿态数据的波动也会减小。当备用IMU采集的姿态数据的波动范围小于设定的波动阈值时，启动主IMU采集姿态数据。同时，可以关闭备用IMU，重新切换回主IMU进行姿态数据的采集。

当其中一个IMU损坏时，可以自动切换到另一个IMU工作。如，在水文环境较好的情况下，涉水机器人采用主IMU进行姿态数据采集时，当主IMU传输姿态数据中断时，启动备用IMU采集姿态数据。在水文环境比较恶劣的情况下，涉水机器人采用备用IMU进行姿态数据采集时，当备用IMU传输姿态数据中断时，启动主IMU采集姿态数据。从而保证了当一个IMU损坏时，自动切换至另外一个工作，进一步提高了系统的安全可靠性，也为涉水机器人航行提供了更好的保障。

综上所述，本实施例提供的涉水机器人姿态监测装置，通过设置主IMU和备用IMU两个姿态传感器，当其中一个姿态传感器损坏或因外部环境影响失效时，可切换至另一姿态传感器工作，提高了IMU提供数据的可靠性，为涉水机器人的航行安全提供了更好的保障。

实施例二

该实施例提供了涉水机器人，如图4所示，该涉水机器人包括上述的涉水机器人姿态监测装置和推进器3，推进器3用于为涉水机器人在水下航行提供动力。

其中，涉水机器人姿态监测装置设置于涉水机器人的内部，包括主控板1，设置在主控板1上的微控制器，与微控制器连接的主IMU和备用IMU。

优选地，备用IMU设置于主控板1之外，通过连接导线与主控板上设置的总线接口连接，总线接口与微控制器连接。主IMU和备用IMU的内部结构相同，均包括对应于不同方向的三个加速度计和陀螺仪，分别用于测量涉水机器人在三维空间中的加速度和角速度，以确定涉水机器人的运动姿态。

更优选地，备用IMU通过减震机构直接或间接地设置于涉水机器人的机体内壁上，其中包括备用IMU通过减震机构设置在与涉水机器人壳体连接的支撑座上。例如，备用IMU设置在减震箱体内，减震箱体包括外壳体和设置在外壳体内的减震内壳。减震内壳由具有弹性的减震材料制成。或者，备用IMU固定安装在涉水机器人的壳体内壁上上，备用IMU与壳体内壁之间设置有减震材料。其中，减震材料可以选用泡棉、海绵、泡沫或气泡袋等。

当涉水机器人的外部水文环境较为恶劣时，位于主控板1上的主IMU的测量数据的准确性可能会受到影响，此时，可以切换至备用IMU工作，备用IMU采集的姿态数据更加准确。

微控制器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力；也可以是通用微控制器，包括中央微控制器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络微控制器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号微控制器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用微控制器可以是微微控制器或者该微控制器也可以是任何常规的微控制器等。

微控制器通过主IMU或备用IMU采集的涉水机器人的姿态信息，调整推进器3的运行，通过推进器3为涉水机器人在水下航行提供动力。

本实施例提供的涉水机器人，是一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作。该涉水机器人可以代替人工作在恶劣危险的水下环境中，是开发海洋的重要工具。

该涉水机器人可以是有缆遥控的潜水器或者是无缆遥控的潜水器。其中，有缆遥控的潜水器可以包括水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式等多种潜水器。

本实施例提供的涉水机器人，通过设置主IMU和备用IMU两个姿态传感器，当其中一个姿态传感器损坏或因外部环境影响失效时，可切换至另一姿态传感器工作，提高了IMU提供数据的可靠性，为涉水机器人的航行安全提供了更好的保障。

本实用新型实施例提供的涉水机器人姿态监测装置和涉水机器人具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。