基于自主水下航行器的水面辅助机器人及使用方法

基于自主水下航行器的水面辅助机器人及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于自主水下航行器的水面辅助机器人，包括水面辅助装置，水面辅助装置由随自主水下航行器同步移动的能源补给装置和无线信号中继装置构成；能源补给装置和无线信号中继装置均通过缆线与自主水下航行器相互连接。能源补给装置和无线信号中继装置均设置在船型结构机器人机身上；机器人机身内设置有控制系统、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统以及辅助系统；控制系统分别与无线信号中继装置等信号连接；并通过控制无线信号中继装置、能源补给装置、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统以及辅助系统实现水面辅助机器人与自主水下航行器保持在水平方向上的同步移动；能源补给装置分别与无线信号中继装置等电连接。
【专利说明】基于自主水下航行器的水面辅助机器人及使用方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水面机器人，特别涉及一种为自主水下航行提供辅助工作的水面辅助机器人及使用的方法，即基于自主水下航行器的水面辅助机器人及使用方法。

【背景技术】
[0002]随着人类对海洋探索的不断深入，深海技术得到了快速发展，水下航行器作为一种探索海洋的工具其应用变得越来越广泛。根据控制方式的不同，水下航行器可分为自主水下航行器和遥控水下航行器，遥控水下航行器是一种在基站的控制之下工作的水下航行器，通过电缆可进行高速通信，并且能输配电能，但受电缆的长度的限制，其工作范围有限；自主水下航行器在无人操控的情况下进行深海作业，其工作范围宽，并通过携带大容量蓄电池提高其续航能力，但对于长时间深海工作的自主水下航行器，会有通信慢、定位不连续、能量补充困难等问题。
[0003]目前，自主水下航行器在深海作业时，通信方式采用较多的是水声通信，其传输速度慢，数据量小，基本不能完成大量数据的高速传输，如传输高清视频数据、高清图片数据。水面船舶可采用无线电、卫星、惯性导航系统(INS)等进行定位导航，而水下航行器在水底基本只能通过水声技术定位，或者浮出水面定位。若采用水声定位需要水下定位系统配合，并且只能作用于局部海域，当在大面积海域作业时，水声定位的实施难度大；若采用浮出水面定位将会极大的降低水下航行器的工作效率，而且定位不具有连续性。航行器的电能补充方式主要有:电磁隔离充电、通过电缆插头充电、打捞更换电池。电磁隔离充电能在海平面下通过电磁感应进行非接触式充电，这种充电方式方便，但充电时间长，损耗大；电缆插头充电，其充电速度较快，但是需要将电缆与航行器连接，其操作繁琐；打捞更换电池可直接安装满电电池，但需要打捞和拆装，并且对自主水下航行器的密封有不利影响。


【发明内容】

[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的自主水下航行工作的水面辅助机器人。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于自主水下航行器的水面辅助机器人，包括设置在自主水下航行器上的水面辅助机装置；所述水面辅助装置包括随自主水下航行器同步移动的能源补给装置和无线信号中继装置；所述能源补给装置和无线信号中继装置均通过缆线与自主水下航行器相互连接。
[0006]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的改进:所述能源补给装置和无线信号中继装置均设置在船型结构机器人机身上；所述机器人机身内设置有控制系统、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统以及辅助系统；所述控制系统分别与无线信号中继装置、能源补给装置、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统、辅助系统以及自主水下航行器信号连接；并通过控制无线信号中继装置、能源补给装置、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统以及辅助系统实现水面辅助机器人与自主水下航行器保持在水平方向上的同步移动；所述能源补给装置分别与无线信号中继装置、控制系统、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统、辅助系统以及自主水下航行器电连接。
[0007]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的进一步改进:所述无线信号中继装置包括无线电模块、卫星定位导航模块以及光缆通信模块；所述光缆通信模块通过缆线与自主水下航行器信号连接；所述能源补给装置通过缆线与自主水下航行器电连接；所述控制系统与无线电模块、卫星定位导航模块以及光缆通信模块信号连接；所述能源补给装置与控制系统、无线电模块、卫星定位导航模块以及光缆通信模块电连接。
[0008]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的进一步改进:所述缆线管理系统包括缆线收放器、缆线状态监测器；所述的缆线收放器为通过电机带动的收放线装置，所述缆线均匀地缠绕在收放线装置的卷筒上；所述的缆线状态监测器与缆线之间信号连接，实现缆线传输状态的监测；所述缆线收放器和缆线状态监测器均与控制系统信号连接；所述缆线内集成光纤线、电缆线和监测线；所述缆线收放器和缆线状态监测器均与能源补给装置电连接。
[0009]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的进一步改进:所述运动系统包括推进器、运动控制器；所述推进器包括分别设置在机器人机身左、右两侧的左推进器和右推进器；所述运动控制器分别与控制系统、左推进器和右推进器信号连接；所述运动控制器、左推进器和右推进器均与能源补给装置电连接。
[0010]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的进一步改进:所述追踪导航系统包括惯性导航系统、水声定位通信模块和多普勒测速仪；所述惯性导航系统、水声定位通信模块和多普勒测速仪均与控制系统信号连接，所述自主水下航行器上的惯性导航系统通过缆线与控制系统信号连接；
[0011]所述水声定位通信模块和多普勒测速仪均与能源补给装置电连接，所述惯性导航系统通过缆线与能源补给装置电连接。
[0012]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的进一步改进:所述辅助系统包括均与控制系统信号连接的自诊断系统和天气监测器；所述自诊断系统和天气监测器均与能源补给装置电连接。
[0013]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的进一步改进:所述能源补给装置为主电池组、备用电池组、太阳能发电模块、变压稳压器以及电池管理控制器构成的能源补给装置。
[0014]作为对本发明所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人的进一步改进:所述控制系统包括控制主板和控制线路；所述控制主板控制各个模块的工作，所述控制主板上集成了嵌入式计算机、集线器和摄像头。
[0015]一种自主水下航行器的水面辅助方法:基于水面辅助机器人完成；所述水面辅助机器人通过能源补给装置获取电能，并将电能通过缆线传输到自主水下航行器，作为自主水下航行器的可用能源；所述水面辅助机器人通过无线信号中继装置实现无线信号的收发，并通过缆线传输到自主水下航行器，实现自主水下航行器通过实时的无线信号交互完成与水面基站的实时信号传递；所述水面辅助机器人通过控制系统主动控制水面辅助机器人的行动轨迹，并保持水面辅助机器人与自主水下航行器运动轨迹在水平方向上一致。
[0016]作为对本发明所述的一种自主水下航行器的水面辅助方法的改进:所述控制系统通过追踪导航系统以及辅助系统获取当前的航行环境以及自主水下航行器的相对位置；所述控制系统根据当前的航行环境以及自主水下航行器的相对位置，经缆线管理系统进行缆线的长度调节；通过能源补给装置给无线信号中继装置、控制系统、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统、辅助系统以及自主水下航行器提供能源；所述能源补给装置通过更换主电池组或备用电池组太阳能发电模块吸收太阳能后发电等形式来完成能源补给。
[0017]本发明的基于自主水下航行器的水面辅助机器人在实现过程中，一方面，自主水下航行器的惯性导航系统确定自主水下航行器的航向信息；水面辅助机器人则通过多普勒测速仪辅助惯性导航系统确定水面辅助机器人的航向信息；再通过声呐通信器水声定位系统和声呐通信器配合使用确定自主水下航行器与水面辅助机器人的相对位置，补偿惯性导航系统的测量误差；再通过天气监测器监测海面的实时天气状况；通过自诊断系统的传感器监测水面辅助机器人的运行状态；通过缆线状态监测器对缆线内集成的光纤线、电缆线和监测线的实时运行状态进行检测；另外一方面，在获取上述的机器人状态结果的同时，进行水面辅助机器人的运行状态控制:如通过缆线收放器经电机控制收放线装置进行缆线的收放；通过运动控制器控制左推进器和右推进器的电机转动，并通过左推进器和右推进器的电机转动实现水面辅助机器人的行程控制；由卫星定位导航模块确定水面辅助机器人位置信息，再由无线电模块实现水面辅助机器人与外部操作系统之间的信号传递；外部操作系统的控制信号经无线电模块的接收后，再通过电缆传输到自主水下航行器。
[0018]自主水下航行器输出的信号首先通过信号输送稳定的缆线输出到水面辅助机器人，再由水面辅助机器人将该信号通过无线电模块将信号以无线传输的方式传输到水面基站；这种方式解决了自主水下航行器远程航行的时候的信息收发送问题。而该水面辅助机器人上才用的能源补给装置为太阳能系统，通过将太阳能转换为电能进行自身能源的提供，也进行自主水下航行器的自主能源补给，增加自主水下航行器的续航能力；而水面辅助机器人通过定位系统和运动系统实现了在水平方向上与自主水下航行器轨迹的同步运行。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0020]图1是本发明的外形俯视示意图；
[0021]图2是本发明的外形仰视示意图；
[0022]图3是本发明的外形主视结构示意图；
[0023]图4是本发明的外形俯视结构示意图；
[0024]图5是本发明的外形左视结构示意图；
[0025]图6是本发明的无线信号中继装置示意图；
[0026]图7是本发明的缆线收放器结构示意图；
[0027]图8是本发明的缆线截面结构示意图；
[0028]图9是本发明的能源补给装置组成示意图；
[0029]图10是本发明的内部系统示意图；
[0030]图11是本发明与自主水下航行器协同工作示意图。

【具体实施方式】
[0031]实施例1、图1?图11给出了一种基于自主水下航行器的水面辅助机器人及使用的方法。该使用的方法克服现有技术中的自主水下航行器续航能力差、通讯能力弱等不足。
[0032]该基于自主水下航行器的水面辅助机器人采用船型结构的机器人机身100，通过这种船型的结构使得机器人在水面获得足够的浮力，使得机器人可以静止的停留在水面。在机器人机身100上的相应位置设置有控制系统720、运动系统20、无线信号中继装置30、缆线管理系统40、能源补给装置50、追踪导航系统60以及辅助系统70。
[0033]控制系统720包括控制主板和控制线路；控制主板控制运动系统20、无线信号中继装置30、缆线管理系统40、能源补给装置50、追踪导航系统60以及辅助系统70内各个模块的工作，控制主板上集成了嵌入式计算机722、集线器723和摄像头。
[0034]运动系统20包括推进器200和运动控制器210 ;推进器200包括电机驱动的左推进器201和右推进器202，如图2所示；左推进器201和右推进器202分别设置在机器人机身100下侧面的左边和右边；在本发明的机器人通过机器人机身100悬浮在水面上的时候，可以确保左推进器201和右推进器202全部在水面以下。运动控制器210与控制系统720之间信号连接(嵌入式计算机722通过集线器723经控制线路与运动控制器210之间信号连接)，通过控制系统720的嵌入式计算机722实施控制指令的发布，并由运动控制器210按照预定的实行标准控制左推进器201和右推进器202进行控制指令的实行。左推进器201和右推进器202主要有如下的运行模式:当左推进器201和右推进器202同时正转且产生的推力相同时，机器人完成直线前进运动；左推进器201和右推进器202同时正转并存在速度差时，机器人前进并带有转向运动，左推进器201的正推力大于右推进器202的正推力时机器人向右转向，左推进器201的正推力小于右推进器202的正推力时机器人向左转向；当左推进器201和右推进器202同时反转且产生的推力相同时，机器人完成后退运动；通过差分控制推进器还可完成旋转运动。
[0035]无线信号中继装置30主要是为解决自主水下航行器在水底工作通信定位困难的问题。无线信号中继装置30包括无线电模块300、卫星定位导航模块310、光缆通信模块320，如图6所示。无线电模块300包括垂直天线I 301、垂直天线II 303和水平天线302 ;垂直天线I 301、垂直天线II 303和水平天线302组合使用，用于收发电磁波。垂直天线I 301、垂直天线II 303和水平天线302均通过信号处理后经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，并通过无线电模块300 (垂直天线I 301、垂直天线II 303和水平天线302)与控制系统720 (嵌入式计算机722)之间的相互协作，完成通信以及船舶无线电定位功能。卫星定位导航模块310可利用GPS或者北斗系统进行定位，并通过卫星与基站通信；卫星定位导航模块310通过控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，由嵌入式计算机722信号获取定位信息后，就可以通过嵌入式计算机722经左推进器201和右推进器202进行机器人的运动控制。光缆通信模块320通过控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，嵌入式计算机722通过光缆通信模块320经缆线420 (光纤)与自主水下航行器实现数据信息的收发。
[0036]缆线管理系统40包括缆线收放器400、缆线状态监测器410和缆线420 ;通过基于缆线管理系统40实现的缆线管理方案，并根据此方案保证缆线420在不影响自主水下航行器正常工作的前提下尽可能的短，这种将缆线420束缚在自主水下航行器和水面辅助机器人之间最短距离的方式可以减少自主水下航行器和水面辅助机器人的运行阻力。缆线管理系统40通过自主水下航行器的深度数据以及与水面辅助机器人的相对位置来管理缆线。缆线收放器400由外壳401、伺服电机402、主卷筒403、引线卡404以及副卷筒405组成，如图7所示。伺服电机402安装在主卷筒403的转轴上且同轴，伺服电机402无变速直接驱动主卷筒403转动；引线卡404和副卷筒405协同工作使缆线均匀布置在主卷筒403上；伺服电机402通过控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，在嵌入式计算机722获取自主水下航行器的深度数据以及与水面辅助机器人的相对位置后，确定释放缆线420的长度。缆线420集成了光纤线421、电缆线422、监测线423、填充线424、防护外层425，图8是缆线的截面图；防护外层425内设置监测线423，监测线423内设置光纤线421和电缆线422，光纤线421和电缆线422与监测线423之间的空间内填充填充线424。缆线状态检测器410通过检测线423判断缆线420的防护外层425是否有破损以及破损程度；缆线状态检测器410通过控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，缆线状态检测器410对缆线420的检测结果发送到嵌入式计算机722，由嵌入式计算机722根据内置的程序对缆线420的检测结果进行进一步的操作；而缆线状态检测器410在获取缆线420收放的拉力数据后，就可以将该缆线420收放的拉力数据传输到嵌入式计算机722，并由嵌入式计算机722通过伺服电机402来实现微调节缆线420的收放线速度。
[0037]能源补给装置50为水面辅助机器人工作提供电能，为自主水下航行器输送电能。能源补给装置50包括主电池组511、备用电池组512、太阳能发电模块500、变压稳压器520以及电池管理控制器530，如图9所示。主电池组511和备用电池组512置于水面辅助机器人机身100的内部；太阳能发电模块500主要由太阳能光伏板I 501、太阳能光伏板II 502、太阳能光伏板III 503、太阳能光伏板IV 504、太阳能光伏板V 505和太阳能控制器506组成，通过太阳光发电；太阳能发电模块500产生的电能通过太阳能控制器506直接输送到主电池组511，太阳能发电模块500所产生的电能基本能满足自主水下航行器和水面辅助机器人作业的供电要求；变压稳压器520能够进行电压逆变，提升输送电压以减少电能损失；电池管理控制器530管理电能输配与控制，电池管理控制器530控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，通过嵌入式计算机722经过辅助系统70的天气监测器710获取的天气状况优化电能的使用。
[0038]追踪导航系统60由水声定位通信模块600、多普勒测速仪610和惯性导航系统620组成。水声定位通信模块600包括水声探头I 601、水声探头II 602、水声探头III603以及信号收发处理器604 ;水声探头III 603可发射接收携带信息的声波，水声通信可作为水面辅助机器人和自主水下航行器的辅助通信。信号收发处理器604分别与水声探头I 601、水声探头II 602、水声探头III 603以及嵌入式计算机722信号连接；嵌入式计算机722通过信号收发处理器604经水声探头I 601、水声探头II 602、水声探头III 603发出通讯信号；
[0039]确定水面辅助机器人与自主水下航行器的相对位置的方式一:通过水声探头
I601、水声探头II 602、水声探头III 603接收到的自主水下航行器发出的声波的时间差来计算两者的相对位置；
[0040]确定水面辅助机器人与自主水下航行器的相对位置的方式二:水面辅助机器人通过惯性导航系统620和多普勒测速仪610进行定位，定位数据与水下航行器的定位数据进行匹配计算。因存在累计误差，此方式作为辅助定位。
[0041]辅助系统70包括自诊断系统700以及天气监测器710。自诊断系统700集成了温度传感器、湿度传感器、霍尔传感器以及采集卡；可获取水面辅助机器人的工作状态参数，温度传感器、湿度传感器以及霍尔传感器通过采集卡由控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，嵌入式计算机722通过温度传感器、湿度传感器以及霍尔传感器获取的数据进行机器人的运行状态判断，并根据参数变化值作出故障判断。天气监测器710包括了气象监测仪I 711、气象监测仪II 712以及微计算机713;气象监测仪I 711、气象监测仪
II712均与微计算机713信号连接，微计算机713通过气象监测仪I 711、气象监测仪II 712获取当前的天气数据，而微计算机713通过控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接，嵌入式计算机722通过微计算机713获取的数据进行机器人运行状态的调整(如供电等)。
[0042]控制系统720的控制主板721集成了嵌入式计算机722、集线器723、主摄像头724以及底部摄像头725，主摄像头724安装在透光玻璃701下方；底部摄像头725的光学镜头集成和多普勒测速仪探头611 —起安装。底部摄像头725和主摄像头724均通过控制线路经集线器723与嵌入式计算机722信号连接；嵌入式计算机722经底部摄像头725和主摄像头724头采集的图像进行运动辅助控制，同时管理控制整个水面机器人的运行。图10是各系统组合结构的示意图。
[0043]图11是水面辅助机器人与自主水下航行器正常工作时的示意图，包括:海底1000、自主水下航行器2000、缆线3000、海平面4000、水面辅助机器人5000。
[0044]最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.基于自主水下航行器的水面辅助机器人，包括设置在自主水下航行器上的水面辅助机装置；其特征是:所述水面辅助装置包括随自主水下航行器同步移动的能源补给装置和无线信号中继装置； 所述能源补给装置和无线信号中继装置均通过缆线与自主水下航行器相互连接。
2.根据权利要求1所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述能源补给装置和无线信号中继装置均设置在船型结构机器人机身上； 所述机器人机身内设置有控制系统、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统以及辅助系统； 所述控制系统分别与无线信号中继装置、能源补给装置、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统、辅助系统以及自主水下航行器信号连接；并通过控制无线信号中继装置、能源补给装置、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统以及辅助系统实现水面辅助机器人与自主水下航行器保持在水平方向上的同步移动； 所述能源补给装置分别与无线信号中继装置、控制系统、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统、辅助系统以及自主水下航行器电连接。
3.根据权利要求2所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述无线信号中继装置包括无线电模块、卫星定位导航模块以及光缆通信模块； 所述光缆通信模块通过缆线与自主水下航行器信号连接； 所述能源补给装置通过缆线与自主水下航行器电连接； 所述控制系统与无线电模块、卫星定位导航模块以及光缆通信模块信号连接； 所述能源补给装置与控制系统、无线电模块、卫星定位导航模块以及光缆通信模块电连接。
4.根据权利要求3所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述缆线管理系统包括缆线收放器、缆线状态监测器； 所述的缆线收放器为通过电机带动的收放线装置，所述缆线均匀地缠绕在收放线装置的卷筒上； 所述的缆线状态监测器与缆线之间信号连接，实现缆线传输状态的监测； 所述缆线收放器和缆线状态监测器均与控制系统信号连接； 所述缆线内集成光纤线、电缆线和监测线； 所述缆线收放器和缆线状态监测器均与能源补给装置电连接。
5.根据权利要求4所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述运动系统包括推进器、运动控制器； 所述推进器包括分别设置在机器人机身左、右两侧的左推进器和右推进器； 所述运动控制器分别与控制系统、左推进器和右推进器信号连接； 所述运动控制器、左推进器和右推进器均与能源补给装置电连接。
6.根据权利要求5所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述追踪导航系统包括惯性导航系统、水声定位通信模块和多普勒测速仪； 所述惯性导航系统、水声定位通信模块和多普勒测速仪均与控制系统信号连接，所述自主水下航行器上的惯性导航系统通过缆线与控制系统信号连接； 所述水声定位通信模块和多普勒测速仪均与能源补给装置电连接，所述惯性导航系统通过缆线与能源补给装置电连接。
7.根据权利要求6所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述辅助系统包括均与控制系统信号连接的自诊断系统和天气监测器； 所述自诊断系统和天气监测器均与能源补给装置电连接。
8.根据权利要求7所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述能源补给装置为主电池组、备用电池组、太阳能发电模块、变压稳压器以及电池管理控制器构成的能源补给装置。
9.根据权利要求8所述的基于自主水下航行器的水面辅助机器人，其特征是:所述控制系统包括控制王板和控制线路； 所述控制主板控制各个模块的工作，所述控制主板上集成了嵌入式计算机、集线器和摄像头。
10.一种自主水下航行器的水面辅助方法，其特征是:基于水面辅助机器人完成； 所述水面辅助机器人通过能源补给装置获取电能，并将电能通过缆线传输到自主水下航行器，作为自主水下航行器的可用能源； 所述水面辅助机器人通过无线信号中继装置实现无线信号的收发，并通过缆线传输到自主水下航行器，实现自主水下航行器通过实时的无线信号交互完成与水面基站的实时信号传递； 所述水面辅助机器人通过控制系统主动控制水面辅助机器人的行动轨迹，并保持水面辅助机器人与自主水下航行器运动轨迹在水平方向上一致。
11.根据权利要求10所述的一种自主水下航行器的水面辅助方法，其特征是:所述控制系统通过追踪导航系统以及辅助系统获取当前的航行环境以及自主水下航行器的相对位置； 所述控制系统根据当前的航行环境以及自主水下航行器的相对位置，经缆线管理系统进行缆线的长度调节； 通过能源补给装置给无线信号中继装置、控制系统、运动系统、缆线管理系统、追踪导航系统、辅助系统以及自主水下航行器提供能源； 所述能源补给装置通过更换主电池组或备用电池组太阳能发电模块吸收太阳能后发电等形式来完成能源补给。
【文档编号】B63B35/00GK104369842SQ201410393093
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】唐建中, 谢凯源, 卢石松 申请人:浙江大学, 上海南华兰陵电气有限公司