一种水下机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及水下航行器领域，旨在提供一种水下机器人。该水下机器人包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统；控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块和通信电子线路；结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池；用户操作系统由用户终端及辅助部件组成。本发明尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业背景的个人即可操作。价格低廉，面向大众消费群体。能够完成水下摄像、水下照相、水下游戏等功能，具有很强的娱乐性、实用性和趣味性。具有智能，能够自动完成水下摄像任务，无需人员帮助。
【专利说明】
一种水下机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及水下航行器领域，尤其涉及一种水下机器人。
【背景技术】
[0002] 机器人技术是一种新兴的智能制造技术，在国内外受到广泛应用。大疆无人机和 云洲智能无人船的兴起就说明了这一点。自主水下机器人是一种能够在水面以下几米甚至 上千米、上万米深度进行自主航行的机器人，具有自动航行、自主导航、自主执行水下任务 的能力。与无人机、无人车和无人船相比，自主水下机器人所处的任务环境更加复杂，所使 用的传感器和推进系统也有不同。具体表现在：1)高频无线电波在水下十几米以下深度无 法使用，将会导致操作人员与水下机器人难以保持良好的通信联系;而采用水声通信机，不 仅成本高，且通信速率和容量都无法与无线电波相比；2)电子元部件等任何非水密电子部 件、机械部件、推进部件均须做水密、耐压保护，否则将发生渗水、漏水导致不能正常水下航 行。
[0003] 目前，水下机器人用户基本上全部是国家、地方或者企业、高校，价格十分昂贵，体 积和重量都很大，装载的传感器为科学仪器，所以面向大众用户的水下机器人出现空白。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种水下机器人。
[0005] 为解决技术问题，本发明的解决方案是：
[0006] 提供一种水下机器人，包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作 系统；
[0007] 所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池;其中，耐压舱和耐 压前罩均固定于载体框架中；耐压舱有两个，分别为前端耐压舱和后端耐压舱，均由亚克力 管制成;耐压前罩由玻璃钢制成，耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置;所述控制 与导航系统设于前端耐压舱中，电池则安装在后端耐压舱中；推进器共有4个，其中2个分别 安装在载体框架中部位置的左右两侧，另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧；
[0008] 所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感 器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块、和通信电子线路;各模块和电路的连接关系是： 自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器 模块、深度传感器、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；自动驾驶模块设有电磁继电 器，用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电 源通断。
[0009] 所述任务载荷系统包括DSP(数字信号处理器）、FPGA(现场可编程门阵列）、摄像 机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器;其中，DSP和FPGA安装在前端耐压舱 中，摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内；DSP通过 水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器，FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照 相机、灯和红外传感器，FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连；
[0010] 所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成；用户终端是具有触摸可视化屏幕 和无线通信接口的遥控设备，能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递;辅助部件 包括耳机和手写笔。
[0011] 本发明中，所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池;所述推进器采用12V、30W有刷直 流电机和双叶螺旋桨，直流电机具有水下动密封结构；所述自动驾驶模块采用 STM32F103ZET6单片机，并连接了 64M的SD存储卡；所述通讯模块采用GSM小吸盘无线电天 线;所述姿态传感器模块采用GY-801三轴磁场加速度陀螺仪大气压强模块;所述深度传感 器采用YF-CS300D低功耗压力传感器;所述磁力传感器采用HMC5883三维磁力传感器，且由 无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用 EP4CE10E22C8N型号的产品；所述摄像机采用炫光M800摄像头，其左右两端各安装一个灯； 所述照相机采用Canon/佳能IXUS160;所述红外传感器采用GP2Y0A02YK0F夏普红外测距传 感器;所述激光传感器采用M18漫反射激光传感器;所述触摸可视化屏幕采用诺基亚Lumia 630 635 638 RM-1010 978触摸屏;所述无线通信接口采用EDIMAX EW-781 IUn迷你USB无线 网卡。
[0012] 本发明中，所述水下机器人的外形是下述形状中的任意一种：鱼雷形、立扁形、平 扁形、蝶形、双体结构或三体结构。
[0013] 本发明中，所述水下机器人长度为30cm，重量为10kg。
[0014] 本发明中，所述自动驾驶模块还包括与通讯模块相连的接口，用于与水下互联网、 云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。
[0015] 本发明中，所述自动驾驶模块中包括机动控制器;机动控制器的垂直面的纵倾力 矩控制输出量通过下述公式计算获得：
[0016] TM=Kp02(0-0d)+Kd92q+BGzff sin9
[0017] 上述公式中：τΜ是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量；Θ是水下机器人的当前纵倾 角，9d是水下机器人当前的目标纵倾角，两者均为水下机器人的状态量，能通过水下机器人 的姿态传感器测量和计算得到；（9_0 d)是水下机器人的纵倾角误差，q是水下机器人的垂直 角速率，两者为控制输入量;Κρθ2是水下机器人的纵倾角误差系数，Kde 2是水下机器人的垂直 角速率系数，BGzW sin0是水下机器人的重力/浮力垂直静力矩，三者能通过试验测定获得， 是已知参数。
[0018] 本发明中，所述自动驾驶模块中包括升降控制器;升降控制器力的控制输出量通 过下述公式计算获得： A/) *
[0019] F - Kp (D- Di-) K1 γ η- K;
[0020] 其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量;D是水下机器人的当前深度，Dd是水下 机器人当前的目标深度，两者是水下机器人的状态量，能通过水下机器人的深度传感器测 \n 量和计算得到；（D-Dd)是水下机器人的深度误差，γ是水下机器人的升降速率，两者是控 制输入量;KP是水下机器人的深度误差系数，Kd是水下机器人的垂直角速率系数，K1是水下 机器人的深度误差积分系数J(D-0d)dt是深度误差积分，均能通过试验测定获得，是已知 参数。
[0021 ]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果及优点：
[0022] 1.本发明尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业 背景的个人即可操作。
[0023] 2.本发明价格低廉，面相大众消费群体，能够让每个工作者有能力消费。
[0024] 3.本发明能够完成水下摄像、水下照相、水下游戏等功能，具有很强的娱乐性、实 用性和趣味性。
[0025] 4.本发明具有智能，能够自动完成水下摄像任务，无需人员帮助。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的组成和功能不意图；
[0027]图2是本发明的用户操控示意图；
[0028]图3是本发明的水下机器人工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0029] 首先需要说明的是，本发明涉及机器人技术。在本发明的实现过程中，可能会涉及 到多个软件功能模块的应用。
【申请人】认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现 原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌 握的软件编程技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，
【申请人】不一一列举。 另外，本发明的实现依赖于多种电子元器件的应用，而这些电子元器件均为现有技术，且有 成熟产品可市场购置获得，例如下面提到的自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、 姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块、电磁继电器、DSP、FPGA、红外传感器、激 光传感器和磁力传感器等等。
[0030] 本发明在总体设计方面，根据水下机器人组成和功能结构划分将水下机器人分为 结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统，其组成和原理如图1所示。装载 了任务载荷系统的耐压舱能实现更换，可根据任务要求更换相应的载荷系统。本发明的载 体形式采用开放式框架结构和流线型外形。对于水下机器人外形而言，高立扁外形相比于 鱼雷形、球形等外形，具有尺寸小、阻力性能好、航速较高、垂直运动能力强等优点。水下机 器人长度为30cm，重量为10kg。载体框架可以选用玻璃钢，这类材料与金属和木材相比，具 有高的比强度、无磁性、不腐蚀、能防蛀、低成本等优点，通过水动力分析、耐波性计算和水 池试验进行验证。按照续航力、航速、任务等指标要求，进行动力需求分析，计算所需理论功 率，为动力设备选取提供依据。借鉴现有自主水下机器人动力技术，采用锂电池和螺旋桨推 进器作为主动力设备，具有效率高、环保、可正反转运行、抗冲击性好、易于自动控制等优 点。在任务模块接口方面，将从安装、供电、通信接口、控制命令、驱动装置等角度，为任务模 块开发一套便捷转换接口。
[0031] 本发明的具体描述如下：
[0032] 水下机器人包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统；
[0033] 所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池;其中，耐压舱和耐 压前罩均固定于载体框架中；耐压舱有两个，分别为前端耐压舱和后端耐压舱，均由亚克力 管制成;耐压前罩由玻璃钢制成，耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置;所述控制 与导航系统设于前端耐压舱中，电池则安装在后端耐压舱中；推进器共有4个，其中2个分别 安装在载体框架中部位置的左右两侧，另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧；
[0034]所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感 器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块（用于实现自救功能)和通信电子线路;各模块和 电路的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模 块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；自动驾驶模 块设有电磁继电器，用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应 急模块的供电电源通断。
[0035]所述任务载荷系统包括DSP(数字信号处理器）、FPGA(现场可编程门阵列）、摄像 机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器;其中，DSP和FPGA安装在前端耐压舱 中，摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内；DSP通过 水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器，FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照 相机、灯和红外传感器，FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连；
[0036]所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成；用户终端是具有触摸可视化屏幕 和无线通信接口的遥控设备，能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递;辅助部件 包括耳机和手写笔。
[0037] 各设备的选型：所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池;所述推进器采用12V、30W有 刷直流电机和双叶螺旋桨，直流电机具有水下动密封结构；所述自动驾驶模块采用 STM32F103ZET6单片机，并连接了 64M的SD存储卡；所述通讯模块采用GSM小吸盘无线电天 线;所述姿态传感器模块采用GY-801三轴磁场加速度陀螺仪大气压强模块;所述深度传感 器采用YF-CS300D低功耗压力传感器;所述磁力传感器采用HMC5883三维磁力传感器，且由 无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用 EP4CE10E22C8N型号的产品；所述摄像机采用炫光M800摄像头，其左右两端各安装一个灯； 所述照相机采用Canon/佳能IXUS160;所述红外传感器采用GP2Y0A02YK0F夏普红外测距传 感器;所述激光传感器采用M18漫反射激光传感器;所述触摸可视化屏幕采用诺基亚Lumia 630 635 638 RM-1010 978触摸屏;所述无线通信接口采用EDIMAX EW-781 IUn迷你USB无线 网卡。
[0038] 水下机器人的外形是下述形状中的任意一种:鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体 结构或三体结构。水下机器人长度为30cm，重量为10kg。
[0039] 自动驾驶模块还包括与通讯模块相连的接口，用于与水下互联网、云计算系统、人 工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。
[0040] 自动驾驶模块中包括机动控制器;机动控制器的垂直面的纵倾力矩控制输出量通 过下述公式计算获得：
[0041] TM=Kp02(0-0d)+Kd92q+BGzff sin9
[0042] 上述公式中：
[0043] τΜ是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量;Θ是水下机器人的当前纵倾角，0(1是水下机 器人当前的目标纵倾角，两者均为水下机器人的状态量，能通过水下机器人的姿态传感器 测量和计算得到；（9_0d)是水下机器人的纵倾角误差，q是水下机器人的垂直角速率，两者 为控制输入量;Κρθ2是水下机器人的纵倾角误差系数，Kde2是水下机器人的垂直角速率系数， BGzW sin0是水下机器人的重力/浮力垂直静力矩，三者能通过试验测定获得，是已知参数。
[0044] 自动驾驶模块中包括升降控制器;升降控制器力的控制输出量通过下述公式计算 获得：
[0045] F K1, (D - Oi-) + K- + K1 j (D - Θ. )dt
[0046] 其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量;D是水下机器人的当前深度，Dd是水下 机器人当前的目标深度，两者是水下机器人的状态量，能通过水下机器人的深度传感器测 ΛΑ 量和计算得到；（D-Dd)是水下机器人的深度误差，=是水下机器人的升降速率，两者是控 Δ? 制输入量;ΚΡ是水下机器人的深度误差系数，Kd是水下机器人的垂直角速率系数，K1是水下 机器人的深度误差积分系数J(D-0d)dt是深度误差积分，均能通过试验测定获得，是已知 参数。
[0047] 用户操控原理如图2所示，本发明的用户操控模块具有与水下机器人的无线通信 接口，实现载体控制单元与任务模块的双向数据传输和通信。用户具有触摸屏幕、按钮和无 线通信接口，安装有我们所自行开发的用户操控软件。用户可将操控指令通过用户终端通 信接口以网络、蓝牙等无线方式发送给水下机器人自动驾驶模块，来操控浅水航行的水下 机器人，从而实现用户终端对水下机器人的各种交互和信息传输等功能。
[0048] 水下机器人工作如图3所示，使用者持用户终端1向本发明的水下机器人发送长波 指令，水下机器人由耐压舱6内的电池提供电能，利用耐压舱7内的自主导航模块计算位置， 然后再利用耐压舱7内的自动驾驶模块调节推进器2、3、4、5的推力和力矩，实现自主航行； 耐压舱6内的电池为机器人提供电子部件动力、任务模块动力和推进器动力，支持机器人长 时间水下续航。耐压前罩11内的灯8和9、照相机、摄像机11、激光传感器和红外传感器等任 务模块进行观测或作业，例如照相机任务模块可完成水下数百张高清晰拍照，摄像机任务 模块可完成全方位高清晰水下摄影。
【主权项】
1. 一种水下机器人，包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统； 其特征在于， 所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池;其中，耐压舱和耐压前 罩均固定于载体框架中；耐压舱有两个，分别为前端耐压舱和后端耐压舱，均由亚克力管制 成;耐压前罩由玻璃钢制成，耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置;所述控制与导 航系统设于前端耐压舱中，电池则安装在后端耐压舱中；推进器共有4个，其中2个分别安装 在载体框架中部位置的左右两侧，另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧； 所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模 块、深度传感器、通讯模块、应急模块和通信电子线路;各模块和电路的连接关系是：自动驾 驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传 感器、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制 自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电源通断； 所述任务载荷系统包括DSP、FPGA、摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力 传感器;其中，DSP和FPGA安装在前端耐压舱中，摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感 器和磁力传感器安装在耐压前罩内；DSP通过水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感 器，FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照相机、灯和红外传感器，FPGA和DSP分别与自动 驾驶模块相连； 所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成；用户终端是具有触摸可视化屏幕和无 线通信接口的遥控设备，能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递;辅助部件包括 耳机和手写笔。2. 根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述电池采用NICJOY耐杰12V裡电 池;所述推进器采用12V、30W有刷直流电机和双叶螺旋奖，直流电机具有水下动密封结构； 所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机，并连接了 64M的SD存储卡;所述通讯模块采 用GSM小吸盘无线电天线;所述姿态传感器模块采用GY-801S轴磁场加速度巧螺仪大气压 强模块;所述深度传感器采用YF-CS300D低功耗压力传感器;所述磁力传感器采用HM巧883 Ξ维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产 品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品；所述摄像机采用炫光M800摄像头，其左右两 端各安装一个灯;所述照相机采用化non/佳能IXUS160;所述红外传感器采用GP2Y0A02YK0F 夏普红外测距传感器;所述激光传感器采用M18漫反射激光传感器;所述触摸可视化屏幕采 用诺基亚Lumia 630 635 638 RM-1010 978触摸屏；所述无线通信接口采用抓IMAX EW- 781 lUn迷你 USB无线网卡。3. 根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人的外形是下述形状 中的任意一种:鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体结构或Ξ体结构。4. 根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人长度为30cm，重量 为10kg。5. 根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述自动驾驶模块还包括与通讯模 块相连的接口，用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统 实现对接。6. 根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述自动驾驶模块中包括机动控制 器;机动控制器的垂直面的纵倾力矩控制输出量通过下述公式计算获得： ΤΜ=Κρθ2(目-目d)+Kde2q+BGzWsin0 上述公式中： TM是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量； Θ是水下机器人的当前纵倾角，0d是水下机器人当前的目标纵倾角，两者均为水下机器 人的状态量，能通过水下机器人的姿态传感器测量和计算得到； (9-9d)是水下机器人的纵倾角误差，q是水下机器人的垂直角速率，两者为控制输入量； Κρθ2是水下机器人的纵倾角误差系数，Kd92是水下机器人的垂直角速率系数，BGzWsine是 水下机器人的重力/浮力垂直静力矩，Ξ者能通过试验测定获得，是已知参数。7.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述自动驾驶模块中包括升降控制 器;升降控制器力的控制输出量通过下述公式计算获得：其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量； D是水下机器人的当前深度，Dd是水下机器人当前的目标深度，两者是水下机器人的状 态量，能通过水下机器人的深度传感器测量和计算得到； 化-Dd)是水下机器人的深度误差，是水下机器人的升降速率，两者是控制输入量. Δ? Κρ是水下机器人的深度误差系数，Kd是水下机器人的垂直角速率系数，Κι是水下机器人 的深度误差积分系数J(D-0d)化是深度误差积分，均能通过试验测定获得，是已知参数。
【文档编号】G05D1/10GK105843248SQ201610147851
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月15日
【发明人】冀大雄
【申请人】冀大雄