一种机器鱼的无线充电系统及方法与流程

本发明属于机器鱼技术领域，特别涉及一种机器鱼的无线充电系统及方法。

背景技术

近年来，随着陆地资源的日益枯竭，人们逐渐将目光转向资源丰富并具有巨大开发价值的海洋。由于原有的水下检测、作业、运载装置难以满足复杂水下作业任务的需求，因此加速了水下机器人的研发工作。仿生机器鱼作为鱼类推进机理和机器人技术的结合点，为研制新型的水下航行器提供了一种新思路，具有重要的研究价值和应用前景。

机器鱼的使用通常受到严格的功率限制，且内部电路易受腐蚀，加上水下流体运动的复杂性，使水下独立充电特别具有挑战性。水下航行器自主充电的主要解决方案一般是直接接触，还有通过光学激光，太阳能电池板等非直接接触的充电方法。通常首选的充电方法是直接接触充电，该方法能够快速有效地向自主水下航行器供电。然而，直接接触的可行性是以有效解决泄漏和腐蚀为代价的。此外，与无线充电相关的主要技术障碍是机器人在充电站内的精确定位。当电池电量低时，控制器使用高架摄像机反馈的视频命令机器鱼接近充电站进行对接。因此，在机器鱼无线充电技术中，如何选取机器鱼到达充电站的接近角度，实现机器鱼与充电装置的精准对接，以提高充电的成功率成为一个急需解决的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种机器鱼的无线充电系统，解决了现有机器鱼水下无线充电技术中泄漏和腐蚀的问题。

在一个或多个实施方式中公开的一种机器鱼的无线充电系统，包括：充电站、处理器和基站；所述处理器采集机器鱼的位置信息，并通过基站向机器鱼发送控制信号；机器鱼根据接收到的处理器的控制信号驱动机器鱼的游动方向并以设定的角度与充电站进行对接；

所述充电站包括爪型连杆，机器鱼根据自身位置以及电池电量情况控制爪型连杆的开闭状态。

进一步地，所述充电站还包括：电源端子，所述电源端子在爪型连杆完全关闭时，与机器鱼的电池端子电连接，使机器鱼进行内部电池的充电。

进一步地，在所述电源端子的两端设置磁铁，使电池与电源端子吸合，以辅助电池和电源端子之间的连接，进而连接到充电站进行充电。

进一步地，所述充电站还包括：伺服电机，所述伺服电机接收外部控制指令以驱动爪型连杆的开闭。

进一步地，所述爪型连杆的开闭状态包括：

完全打开：机器鱼电池充电电量达到设定值a％以上时，向充电站发出完全打开命令，控制爪型连杆完全打开，释放机器鱼；

半打开：机器鱼到达设定位置a1时，向充电站发出半打开命令，控制爪型连杆的其中一只爪关闭，以限制机器鱼游动；

关闭：机器鱼到达设定充电位置a2时，向充电站发出关闭命令，控制爪型连杆的另外一只爪关闭，以固定机器鱼。

进一步地，所述机器鱼的鱼身内设置有微控制器，驱动模块和充电电池；充电电池与微控制器连接，用于给机器鱼提供电能，驱动模块包括四个舵机，分别为第一舵机、第二舵机，第三舵机和第四舵机，舵机之间耦合连接形成四个关节。通过四个舵机控制机器鱼头部以后的动作，使机器鱼协调游动。

进一步地，所述机器鱼包括用于检测电池电量的高阻抗分压器；

进一步地，当检测到电池电量小于设定值b％时，控制机器鱼以设定的路径与充电站进行对接。

进一步地，机器鱼与充电站进行对接的过程中，不断检测机器鱼的位置信息，根据所述位置信息，利用比例积分微分(pid)控制方法控制机器鱼的游动方向。

在一个或多个实施方式中公开的一种机器鱼的无线充电方法，包括：

当机器鱼的电量低于设定值b％时，机器鱼启动与充电站的对接；

机器鱼顺次沿预先设定的若干航点向充电站游动；所述航点的设置能够保证机器鱼沿设定的角度与充电站进行对接；

机器鱼到达设定的位置a1时，向充电站发出半打开命令，控制爪型连杆的其中一只爪关闭，以限制机器鱼游动；

机器鱼到达设定充电位置a2时，向充电站发出关闭命令，控制爪型连杆的另外一只爪关闭，以固定机器鱼；

当机器鱼电池充电电量达到设定值a％以上时，向充电站发出完全打开命令，控制爪型连杆完全打开，释放机器鱼。

进一步地，预先设定p1至p6六个航点，其中，p1航点和p2航点用于引导机器鱼以准备对接，p3航点和p4航点用于调整机器鱼进入充电站的角度，p5航点和p6航点用于确定机器鱼充电的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过设置航点位置引导机器鱼沿设定的路径以及合适的角度进入充电站，能够对充电站位置进行定位，实现与充电站的自动对接，提高了机器鱼与充电站的对接成功率。

根据机器鱼的位置以及电池电量控制充电站爪型连杆的开闭状态，保证机器鱼顺利进入充电站并准确停在设定的充电位置，方便机器鱼与充电站的对接，提高对接效率。

根据摄像机反馈的视频信息决定机器鱼游动的方向，能够准确获取机器鱼的位置并控制其游动方向，机器鱼通过pid控制来执行动作，控制精度高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为机器鱼的无线充电系统结构示意图；

图2为机器鱼结构示意图；

图3为机器鱼爪型连杆完全打开状态示意图；

图4为机器鱼爪型连杆关闭状态示意图；

图5为机器鱼对接过程中的航点位置示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了解决背景技术中指出的问题，本申请公开了一种机器鱼的无线充电系统，能够在水中进行无线充电，如图1所示，包括充电站，计算机和基站。

计算机采集机器鱼的位置信息，并通过基站向机器鱼发送控制信号；机器鱼根据接收到的计算机的控制信号驱动机器鱼的游动方向并以设定的角度与充电站进行对接；

第一微控制器密封设置在机器鱼外壳的内部，与机器鱼电池相连接，被用来控制四个舵机，第一微控制器与充电站和计算机分别进行通信。

第一微控制器与充电电池通过导线相连，用于控制四个舵机，第一微控制器用于控制充电电池的电量状态并提供电能，当电池电量直至达到工作电压范围的80％时，机器鱼成功充电，完全打开命令被发送到充电站释放机器鱼，机器鱼开始沿着圆形轨迹自主游动。

充电站包括爪型连杆，第二微控制器和电源端子，爪型连杆主要是用来完成机器鱼与充电站的对接和充电过程，包括用于容纳机器鱼的凹槽以及两个可以开闭的爪结构，机器鱼进行充电时，两个爪结构将机器鱼固定在凹槽中。第二微控制器用于接收机器鱼发出的控制命令，控制爪型连杆的开闭。

计算机配有一个通过通用串行总线连接的全局摄像头，通过摄像头实时获取机器鱼的位置信息，根据摄像头反馈的位置信息决定机器鱼的运动方向。计算机以15帧/秒的速率将视频流传输至基站中的路由器。

基站由路由器，第三微控制器，实现433mhz无线通信和以太网通信。基站利用无线电向机器鱼传递信息，而其他组件则通过用户数据报协议(udp)进行通信。

机器鱼的鱼身部分如图2所示，包括柔软的鱼皮，鱼身内设置的第一微控制器，驱动模块和充电电池。充电电池与控制器之间连接，用于给机器鱼提供电能，驱动模块包括四个舵机，分别为第一舵机、第二舵机，第三舵机和第四舵机，舵机之间耦合连接形成四个关节，控制机器鱼头部以后的动作，使机器鱼协调游动，鱼尾部分制成尾鳍结构，利于机器鱼运动。

机器鱼配备了耐腐蚀电线，将电池端子从电子设备外壳的防水外壳中延伸出来。电池终端由两根电线组成，仅用于充电，通过一个快速成型部件安装在机器鱼的头部。充电站利用两个爪型连杆将机器鱼拉进形状合适的凹槽使其充电。爪型连杆的凹面有两个直径为1厘米的磁铁，放置在电池端子的两个端部，以辅助电池和电源端子之间的连接。

机器鱼具有带有一个4.9mv分辨率的模数转换器的高阻抗分压器，用于测量电池电量(以百分比表示)，当电池电量降至正常工作电压30％以下时，控制器启动机器鱼的停靠阶段。

机器鱼无线充电系统的爪型连杆主要是用来完成机器鱼与充电站的对接和充电过程。充电站设定的三个命令，指的是“爪子”的状态，即“打开”、“半关闭”和“关闭”。这些命令在对接阶段驱动爪型连杆的两个伺服电机。具体来说,机器鱼到达设定的位置a1时，向充电站发出半打开命令，控制爪型连杆的其中一只爪关闭，以限制机器鱼游动；机器鱼到达设定充电位置a2时，向充电站发出关闭命令，控制爪型连杆的另外一只爪关闭，以固定机器鱼，如图4所示；当机器鱼电池充电电量达到设定值80％以上时，向充电站发出完全打开命令，控制爪型连杆完全打开，释放机器鱼，如图3所示。

机器鱼的充电过程如下：机器鱼无线充电系统电池电量的上升表示机器鱼正在充电的时间段，而下降指示机器人鱼何时在鱼缸中游泳。当机器鱼的电量低于30％时，机器鱼停止游动，控制器启动与充电站进行对接。在对接过程中，机器鱼游动是通过pid控制来执行的，根据摄像机反馈的视频信息决定游动的方向，使用的跟踪方法是目标跟踪法算法。如图5所示，在停靠阶段选择了六个航点来引导机器鱼向充电站游动。在对接过程中，机器鱼顺次从p1游向至p6的航点。使用p1和p2来设置机器鱼的位置以准备对接阶段；p3和p4用来引导机器鱼进入充电站；机器鱼无线充电系统的接近角被定义为连接p4到p3的矢量与平行于充电站墙的竖向之间的角度。为增加对接成功率，选择20°的接近角作为控制器的参考角度。p5和p6用来完成与充电站的对接任务并将机器鱼体与爪型连杆对齐便于充电。在当前电量大于充电之前电量时，机器鱼与充电站准确对接，充电成功；如果当前电量小于充电之前电量，说明机器鱼对接失败，需要重新游回到起点p1。当机器鱼达到p4时，控制器将“半打开”命令发送到充电站，将机器鱼位置固定，避免通过充电站。当机器鱼到达p5时，控制器将关闭命令发送到充电站。在关闭命令期间，航点p6被用于在第二只爪关闭期间防止机器鱼向后滑动。当关闭命令完成时，控制器指示机器人鱼停止游泳。在充电阶段，电池电量继续增加，直至达到工作电压范围的80％。机器人鱼成功充电后，完全打开命令被发送到充电站释放机器鱼，机器人鱼开始自主游动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。