一种双体探测水下机器人装置及控制方法与流程

本发明涉及一种双体探测水下机器人装置及控制方法，属于探测水下机器人技术领域。

背景技术：

由于河流海洋资源开发的需求以及对水文环境监测的迫切需要，世界上很多国家正不断发展更新水文监测系统，越来越多高效经济的监测方法和装置逐渐被采用，水下机器人作为海洋环境探测和资源调查监测的重要手段之一越来越受各国的重视。水下机器人是一种便携且自身能作为水下测量传感器的搭载平台。使用水下机器人进行监测相对于其他传统平台优势明显。水下机器人具有全天候、便携、可在复杂水域中执行任务的特点。正是这些特点决定了水下机器人是水文环境监测的良好平台之一。作为良好的水下测量传感器的搭载平台，需要水下机器人在复杂环境中，兼顾灵活性和稳定性，以保证探测任务数据的真实性。

采用舵桨联合操控的机器人在速度较高的情况下，能较迅速调整潜深，并且由于非螺旋桨调整潜深，相对采用垂向推进器控制姿态的机器人效率更高、能耗更少，在高速时能保证姿态稳定；采用多桨操控的机器人，在速度较低时，能够迅速有效地调整姿态，并且能够实现悬停、定速巡航等功能。相关实际经验表明，单独采用这两种布置方式的机器人在应用中有着明显的不足：采用舵桨联合操控的水下机器人在低速时很难实现姿态精确控制，实现机动响应时间较长，对于探测数据的影响很大；采用多桨操控的水下机器人，在机器人相对水流速度逐渐增大时，垂向推进器的效率迅速降低，对于姿态控制作用微小，在流速较大的情况下很难迅速的实现机动和保持深度航行，甚至不能完成下潜上浮等动作。现有的机器人舱内空间有限，搭载的设备和电池数量受限，难以满足不同的任务需要，同时续航力也因电池数量少不能得到提升。

结合现有方案的优点并针对上述现有技术的不足，本发明提出一种双体探测水下机器人，能够在水下复杂环境下，保持姿态和机动灵活性的能力，具备搭载不同探测设备的能力，同时满足长距离，长时间的探测任务。

技术实现要素：

本发明的目的是为了河流勘察，监测提供一个便携、可靠、智能、模块化的平台而提供一种双体探测水下机器人装置及控制方法。

本发明的目的是这样实现的：一种双体探测水下机器人装置，机器人主体是由中间翼形体和对称设置在中间翼形体两侧的两个流线型艇体组成双体结构，在中间翼形体的尾端设置有升降舵，中间翼形体内设置有核心控制舱和前后布置的两个垂向推进器舱，每个垂向推进器舱内设置有垂向推进器，每个流线型艇体尾部的侧面设置有稳定翼，每个流线型艇体尾部上均设置有翼型垂直翼，每个流线型艇体的尾端设置有主推推进器，两个流线型艇体内还设置有电池舱和探测设备舱，核心控制舱内设置有控制计算机、任务规划计算机、姿态传感器、应急抛载控制板，所述机器人主体上还设置有壁碰声呐。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.翼型垂直翼中设置有将无线电、GPS/北斗、WiFi集成一起的保形天线。

2.一种双体探测水下机器人装置的控制方法，包括上述装置，

(1)在定速定深航行时，若当前速度小于临界速度，两个垂向推进器工作进行深度和姿态调整；若当前速度大于临界速度，改变升降舵的角度进行深度调整；

(2)在巡航时，采用升降舵控制姿态和潜深；

(3)在悬停监测时，两个主推控制机器人在纵向方向的位置和首向角，两个垂推控制机器人在深度方向的位置和纵倾；

(4)在机动动作时，使两个主推推进器具有不同的转速产生差速实现机动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明由于艇体采用双主推双垂推加升降舵设计，推进控制方式灵活，具有自出决策采取不同推进控制方式的能力，适应性强，与桨舵控制的机器人相比，具有能够迅速调整姿态，具有快速上浮下潜的能力。通过四个推进器的正反转，能在复杂水流下保持姿态稳定，实现定速续航，姿态保持，悬停监测等功能，保证了整个机器人使用的稳定性和灵活性。整个机器人模块化设计，设备搭载舱预留统一接口，可根据任务不同的需求搭载不同的设备，例如ADCP，多波束声呐等，同时也便于更换和维修设备，具有扩展性高，性能可靠，维修改装成本小的特点。本发明由于采用双体设计，拥有宽大的艇身和充裕的内部空间，相比同长度的水下机器人，可以搭载更多的设备和电池，具有较好的扩展性和持久的续航性。两组推进器横向距离得到提升，推进器以差速运转时，能够产生更大的转艏力矩。机动性更强，宽大的艇身能保持在水中的稳定性，给搭载的探测设备提供一个稳定的平台。

附图说明

图1是本发明的具体结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的侧视图；

图5是本发明的正视图；

图6是本发明的水下机器人静止状态浮态示意图；

图7是本发明的水下机器人操舵运动示意图；

图8是本发明的水下机器人低速下姿态调整(含悬停)示意图；

图9是本发明的水下机器人下潜示意图；

图10是本发明的水下机器人转首示意图；

图11是本发明的水下机器人操控系统转换决策图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，本发明由探测设备舱1、主体2、避碰声呐3、电池舱4、稳定翼5、、翼型垂直翼6、主推7、升降舵8、核心控制舱9、垂向推进器10组成。所述的探测设备舱1采用模块化设计，可以满足不同的探测设备的安装，且舱内留有统一尺寸的水密插头，设备可以快速的与机器人连接，具有模块化和通用性的特点，也即所述的探测设备舱1可根据不同的任务需要安装所需的探测设备，具有模块化和通用性。本发明的水下机器人采用双体设计，前后两个垂推、左右两个主推的推进器布置方式，两个双体之间通过翼形舱段连接；采用保形天线，将北斗通讯定位，无线电，WiFi等模块集成在翼形天线中，以减少艇体附体数量，从而减小因附体产生的阻力。

本发明的机器人的主体2采用左右双体流线型艇体设计以减少水下的阻力，主体内设置有电池舱4和探测设备舱1；中间为翼型体，体内设置有控制舱9、探测设备舱1及两个垂向推进器舱10，后部设置有一个升降舵8；所述的主体舱通过焊接固联为一体。

本发明的保形天线将无线电、GPS/北斗、WiFi等天线集成在翼型垂直翼6中。该设计能在保证机器人正常通讯的同时有效的减少水下机器人附体数量，并保持艇体流线型完整性，减少由于附体产生的阻力的影响。

本发明的升降舵8在翼型中体后部中央，控制机器人在相对流速较高的情况下上浮下潜和调整机器人姿态。艇体采用双主推双垂向推进器(以下简称垂推)加升降舵的设计，可以保证机器人在复杂水流下良好的机动性，在相对流速较小时，使用双垂推进行姿态控制，在相对流速较大的情况下，使用升降舵进行深度调节和姿态控制。

本发明的核心控制舱9内安装有基础控制计算机、任务规划计算机、姿态传感器、应急抛载控制板等控制设备和关键传感器。姿态传感器能够实时获取当前机器人的首向角，横摇角、纵倾角及加速度，控制计算机根据姿态传感器测得的数据，推算出当前姿态和速度，与任务所需的目标状态对比，做出相应决策。

本发明的两个前后方向布置的垂向推进器10，可控制机器人在相对流速较低时上浮下潜和调整机器人姿态。在相对流速较小时，两个垂推工作。需要下潜时，控制计算机根据姿态传感器得到的数据，结合任务需要，采用相应策略，给两个垂推分配对应的转速，产生需要的纵倾(亦可保持零纵倾)，如图8所示；调整姿态并产生向下的力，使其合力向下，进行下潜，如附图9所示。

所述的探测设备舱1、避碰声呐3、电池舱4、核心控制舱9舱内均有标准的水密接头。该水密接头内含电源线和信号线，(网线、串口线等)，可以根据设备的不同选择不同的水密接头，快速地安装和拆卸设备，可选RS232串口信号、CAN总线、RJ45网线等信号口。

本发明的水下机器人能在复杂水流下根据相对流速，做出智能决策，切换不同的操纵方式，从而保持姿态稳定，实现定速续航，姿态保持，悬停监测等功能。给搭载的探测设备提供一个可靠的平台。

在使用时，将此机器人放置水中，此机器人浮力稍大于重力，静止状态下是略浮于水面，如附图6所示；

水下机器人需要前进或者后退直线运动时，两个主推同时正转或者反转，机器人内部的姿态传感器感知此时机器人的位姿，判断是否按照直线运动，如果首向角与漂角不一致时，控制计算机采用相应策略和算法，输出给两个主推不同的信号，输出不同的转速，实时修正姿态，以保证机器人的直线运动。

在进行巡航时，由于水流相对艇体流速较大，垂直推进器效率较差，通过操升降舵可以使机器人快速下潜。根据搭载的探测设备测得艇体相对流速后，按照一定算法，判断出该流速下使用舵控制艇体姿态比使用垂推效率高后，关闭垂推，使用升降舵进行姿态控制。如需改变机器人的潜深，如附图7所示，操控升降舵，使机器人产生不同的纵倾，进行下潜。到达下潜深度后，操一定舵角，以保持一定的姿态进行工作。在巡航模式下，机器人采用升降舵调整潜深，在控制深度上消耗的能量很小，具有良好的续航力。

在进行悬停监测时，姿态传感器获取当前机器人位姿数据，控制计算机解算出当前状态，与任务需要的姿态进行对比，采用相应策略，给四个推进器分配不同的转速，两个主推控制机器人在纵向方向的位置和首向角，两个垂推控制机器人在深度方向的位置和纵倾，产生不同的力，调整当前姿态，如附图8所示。在该模式下，能够保证在复杂水流下探测设备测量数据的稳定和对某一区域的精确探测。

当需要进行机动动作时，控制计算机通过机器人自带传感器测得的数据，判断出自身状态，采用相应策略，给两个主推分配不同转速，产生差速以实现机动(此机器人在理想情况年可以实现原地180°转向)，如附图10所示。

当垂推保持正常工作转速工作，艇体相对流速V_r逐渐增大，机器人垂向方向推力F_v逐渐减小，当减小到相对静止状态下垂向推力F₀的20％，即F_v＝20％F₀,此时的相对流速则为临界速度V_C。

在进行定速定深航行时，由深度计和姿态传感器获得当前的位姿和加速度信息，根据相应算法，推算出当前状态和速度。如果机器人当前深度和位姿需要调整，则计算机对当前状态进行决策，若根据搭载设备信息判断出当前速度小于临界速度V_C，则使用两个垂推10进行深度和姿态调整；若判断出当前速度大于临界速度V_C，则通过改变升降舵8的角度进行深度调整。决策流程如附图11所示。

两个双体前部可搭载双目识别设备或者两个水声测距设备，提高识别避障速度和成功率。两个双体和翼身具有较充裕的空间，可以搭载更多的电池和设备，具备良好的续航性和扩展性。独特的双体设计，拥有良好的稳定性，在翼身中部可以搭载高精度传感器，亦可减少由于艇身曲度变化产生水流变化而引起的数据失真的影响。