一种水下作业机器人系统的制作方法

本实用新型涉及机器人技术设备领域，特别涉及一种水下作业机器人系统。

背景技术：

随着对海洋科学研究和海洋开发战略的深化与发展，在浅滩、滩涂、海洋、湖泊等环境中勘察探测的工作越来越多。现代工程勘察探测技术趋于完善的今天，水下勘测虽然已有发展，但依然面临着水下环境恶劣危险、人的潜水深度有限无法到达、不确定因素过多等困难。而在水下建筑工程入桥墩大坝的勘测又直接关系着人们的生命财产安全，因此发展一种水下机器人代替人类实现水下勘测任务就变得十分重要。

而现有的水下机器人存在对环境的抗干扰能力弱、能耗大、噪声大、扰动大、不能在特殊位置悬停作业及无法长时间大范围实施勘测作业等缺点。并且由于水下环境距离作业中心的距离通常比较远，会影响二者直接信号传输的稳定性，从而影响水下机器人进行作业的稳定性和可靠性，降低了水下机器人的作业效率。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种水下作业机器人系统，机器人本体通过水泵改变浮潜桶内的蓄水量从而改变浮潜桶的浮力，使机器人本体下潜或上浮，实现了特殊位置悬停作业，前测距声纳探测机器人前进路线上的障碍物，舵机驱动舵叶辅助机器人本体灵活转向从而避开障碍物，后测距声纳探测机器人本体身后是否有鱼类接近，第二控制模块读取预先存放在存储模块内的鱼类天敌音频文件并通过声响驱鱼器进行播放从而驱走鱼群，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好，同时设置了浮标作为机器人本体与远端的作业中心之间的信号中转站，提升了机器人本体与作业中心之间信号传输的稳定性、可靠性和高效性，从而保证了机器人本体作业的稳定性和可靠性，提升了机器人本体的作业效率。

(二)技术方案

一种水下作业机器人系统，包括浮标和机器人本体，所述浮标与所述机器人本体通过无线信号相互连接；所述浮标包括基座，所述基座漂浮于水面上，所述基座的上表面居中的设有控制杆，所述控制杆内设有第一控制模块、GPS定位模块、第一无线通信模块和第一蓄电模块，所述控制杆的外侧周向的设有环状的第一太阳能光伏板，所述控制杆的顶部设有顶板，所述顶板的上表面居中的设有信号指示灯，所述信号指示灯的两侧对称的设有一对风轮机，所述风轮机通过支架连接于所述顶板的上表面，所述第一控制模块的输出端连接所述信号指示灯，所述第一控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，所述第一控制模块通过所述第一无线通信模块分别连接所述机器人本体和远端的作业中心，所述第一太阳能光伏板和所述风轮机均与所述第一蓄电模块电性连接，所述第一蓄电模块为所述浮标提供工作电压；所述机器人本体包括壳体与若干浮潜桶，所述浮潜桶对称的连接于所述壳体的两侧，所述壳体为梭形结构，所述壳体内分为控制室和动力室，所述动力室位于所述控制室的下方，所述动力室与所述控制室之间设有第一隔板，所述动力室的中间设有推进器，所述推进器固定于所述壳体的底部内侧，所述推进器的推进轴贯穿所述壳体的底部并伸出所述壳体的下方，所述推进轴通过耐磨密封圈与所述壳体的底部相连接，所述推进轴的端部设有螺旋桨，所述动力室的一侧设有舵机，所述舵机位于所述壳体的背面内侧，所述舵机的舵轴贯穿所述壳体的底部并伸出所述壳体的下方，所述舵轴也通过耐磨密封圈与所述壳体的底部相连接，所述舵轴的端部设有舵叶，所述动力室的另一侧设有第二蓄电模块，所述第二蓄电模块位于所述壳体的正面内侧，所述第二蓄电模块设有电量检测器，所述控制室的中间设有第二控制模块，所述控制室的一侧设有图像处理模块，所述图像处理模块位于所述壳体的正面内侧，所述控制室的另一侧设有存储模块，所述存储模块位于所述壳体的背面内侧，所述控制室内还设有第二无线通信模块，所述第二无线通信模块位于所述图像处理模块与所述第二控制模块之间，所述动力室内还设有若干旋转电机，所述旋转电机均匀对称的设于所述壳体的两个正面内侧，所述旋转电机的旋转轴贯穿所述壳体的侧面并伸出于所述壳体，所述旋转轴通过耐磨密封圈与所述壳体的侧面相连接，所述旋转轴的端部与所述浮潜桶的外侧相连接，所述浮潜桶包括桶体，所述桶体内分为蓄水室和泵力室，所述泵力室位于所述蓄水室的下方，所述蓄水室与所述泵力室之间设有第二隔板，所述泵力室内居中的设有水泵，所述水泵的第一水管贯穿所述第二隔板并伸入所述蓄水室，所述第一水管通过耐磨密封圈与所述第二隔板相连接，所述水泵的第二水管贯穿所述桶体的底部并伸出于所述桶体，所述第二水管通过耐磨密封圈与所述桶体的底部相连接，所述蓄水室内设有液位传感器，所述液位传感器位于所述第二隔板的上表面，所述壳体的正面居中的设有摄像头，所述壳体的正面两侧对称的设有若干前测距声纳，所述壳体的背面两侧对称的设有若干后测距声纳，所述壳体的背面还设有一对声响驱鱼器，所述声响驱鱼器对称的位于所述壳体的背面，所述壳体的顶部设有第二太阳能光伏板，所述摄像头、所述前测距声纳、所述后测距声纳、所述液位传感器和所述存储模块连接所述第二控制模块的输入端，所述第二控制模块的输出端分别连接所述水泵、所述旋转电机、所述推进器、所述舵机、所述图像处理模块和所述声响驱鱼器，所述第二控制模块通过所述第二无线通信模块与所述浮标相连接，所述第二太阳能光伏板与所述第二蓄电模块电性连接，所述第二蓄电模块为所述机器人本体提供工作电压。

进一步的，所述基座由聚氯乙烯材料制成。

进一步的，所述浮潜桶的数量至少为4以上的偶数个。

进一步的，所述液位传感器选用静压投入式液位传感器。

进一步的，所述摄像头选用3D高清夜视摄像头。

进一步的，所述存储模块预先存放离线地图包和鱼类天敌的音频文件。

进一步的，所述GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。

进一步的，所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块均选用2G、3G或4G通信模组。

进一步的，所述第一控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128，所述第二控制模块选用32位ARM控制器LPC1768。

进一步的，所述第一太阳能光伏板和所述第二太阳能光伏板均为柔性单晶硅太阳能光伏板。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种水下作业机器人系统，机器人本体通过水泵改变浮潜桶内的蓄水量从而改变浮潜桶的浮力，使机器人本体下潜或上浮，实现了特殊位置悬停作业，机器人本体由螺旋桨推进器提供前进动力，动力性能好，作业范围大，同时机器人本体设置为梭形结构，并且在下潜后旋转电机将浮潜桶由竖向变为横向，减小了机器人本体前进时水的阻力，提升了动力转换效率，减小了能耗，3D高清夜视摄像头能让机器人本体在水下昏暗的环境下也能精确识别所处的地形环境特征，前测距声纳探测机器人本体前进路线上的障碍物，舵机驱动舵叶辅助机器人本体灵活转向从而避开障碍物，后测距声纳探测机器人本体身后是否有鱼类接近，第二控制模块读取预先存放在存储模块内的鱼类天敌音频文件并通过声响驱鱼器进行播放从而驱走鱼群，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好，第二蓄电模块自带电量检测器，当电量不足时，机器人本体自动浮至水面，通过第二太阳能光伏板给第二蓄电模块进行充电，符合节能环保的设计理念，增加了机器人本体的续航能力，提升了机器人本体的作业效率，同时设置了浮标作为机器人本体与远端的作业中心之间的信号中转站，浮标通过第一无线通信模块接收作业中心的作业指令并转发给机器人本体，同时机器人本体通过第二无线通信模块将摄像头采集的水下图像信息传送给浮标并由浮标传送给作业中心，实现了远程智能化监控管理，提升了机器人本体与作业中心之间信号传输的稳定性、可靠性和高效性，从而保证了机器人本体作业的稳定性和可靠性，提升了机器人本体的作业效率，浮标自身由第一蓄电模块供电，可通过第一太阳能光伏板和风轮机给第一蓄电模块进行充电，充分利用了水域环境的自然能源，提升了能源利用率，也保证了浮标充足的电量，进一步保证了机器人本体与远端作业中心之间的信号传输稳定性，浮标通过GPS定位模块接收GPS定位卫星的导航电文，当机器人本体结束作业时，浮标将GPS定位数据分别发送给机器人本体和作业中心，方便机器人本体回到浮标的位置，同时通过信号指示灯进行指示，方便了作业中心能快速找到机器人本体，其结构简单，设计巧妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种浅滩、滩涂、海洋、湖泊等环境的勘察探测工作。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的一种水下作业机器人系统的结构示意图。

图2为本实用新型所涉及的一种水下作业机器人系统的壳体的内部结构示意图。

图3为本实用新型所涉及的一种水下作业机器人系统的机器人本体的正面内部结构示意图。

图4为本实用新型所涉及的一种水下作业机器人系统的系统工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型所涉及的实施例做进一步详细说明。

结合图1～图4，一种水下作业机器人系统，包括浮标和机器人本体，浮标与机器人本体通过无线信号相互连接；浮标包括基座33，基座漂浮于水面上，基座33的上表面居中的设有控制杆34，控制杆34内设有第一控制模块、GPS定位模块、第一无线通信模块和第一蓄电模块，控制杆34的外侧周向的设有环状的第一太阳能光伏板35，控制杆34的顶部设有顶板36，顶板36的上表面居中的设有信号指示灯39，信号指示灯39的两侧对称的设有一对风轮机38，风轮机38通过支架37连接于顶板36的上表面，第一控制模块的输出端连接信号指示灯39，第一控制模块通过GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，第一控制模块通过第一无线通信模块分别连接机器人本体和远端的作业中心，第一太阳能光伏板35和风轮机38均与第一蓄电模块电性连接，第一蓄电模块为浮标提供工作电压；机器人本体包括壳体1与若干浮潜桶，浮潜桶对称的连接于壳体1的两侧，壳体1为梭形结构，壳体1内分为控制室3和动力室2，动力室2位于控制室3的下方，动力室2与控制室3之间设有第一隔板4，动力室2的中间设有推进器5，推进器5固定于壳体1的底部内侧，推进器5的推进轴6贯穿壳体1的底部并伸出壳体1的下方，推进轴6通过耐磨密封圈与壳体1的底部相连接，推进轴6的端部设有螺旋桨7，动力室2的一侧设有舵机8，舵机8位于壳体1的背面内侧，舵机8的舵轴9贯穿壳体1的底部并伸出壳体1的下方，舵轴9也通过耐磨密封圈与壳体1的底部相连接，舵轴9的端部设有舵叶10，动力室2的另一侧设有第二蓄电模块11，第二蓄电模块11位于壳体1的正面内侧，第二蓄电模块11设有电量检测器，控制室3的中间设有第二控制模块12，控制室3的一侧设有图像处理模块13，图像处理模块13位于壳体1的正面内侧，控制室3的另一侧设有存储模块14，存储模块14位于壳体1的背面内侧，控制室3内还设有第二无线通信模块15，第二无线通信模块15位于图像处理模块13与第二控制模块12之间，动力室2内还设有若干旋转电机17，旋转电机17均匀对称的设于壳体1的两个正面内侧，旋转电机17的旋转轴18贯穿壳体1的侧面并伸出于壳体1，旋转轴18通过耐磨密封圈与壳体1的侧面相连接，旋转轴18的端部与浮潜桶的外侧相连接，浮潜桶包括桶体19，桶体19内分为蓄水室21和泵力室20，泵力室20位于蓄水室21的下方，蓄水室21与泵力室20之间设有第二隔板22，泵力室20内居中的设有水泵23，水泵23的第一水管24贯穿第二隔板22并伸入蓄水室21，第一水管24通过耐磨密封圈与第二隔板22相连接，水泵23的第二水管25贯穿桶体19的底部并伸出于桶体19，第二水管25通过耐磨密封圈与桶体19的底部相连接，蓄水室21内设有液位传感器26，液位传感器26位于第二隔板22的上表面，壳体1的正面居中的设有摄像头27，壳体1的正面两侧对称的设有若干前测距声纳28，壳体1的背面两侧对称的设有若干后测距声纳30，壳体1的背面还设有一对声响驱鱼器31，声响驱鱼器31对称的位于壳体1的背面，壳体1的顶部设有第二太阳能光伏板32，摄像头27、前测距声纳28、后测距声纳30、液位传感器26和存储模块14连接第二控制模块12的输入端，第二控制模块12的输出端分别连接水泵23、旋转电机17、推进器5、舵机8、图像处理模块13和声响驱鱼器31，第二控制模块12通过第二无线通信模块15与浮标相连接，第二太阳能光伏板32与第二蓄电模块11电性连接，第二蓄电模块11为机器人本体提供工作电压。

浮标底部的基座33由聚氯乙烯材料制成，聚氯乙烯为无定形结构的白色通用塑料，支化度较小，相对密度仅1.4左右，因此浮标通过基座33可漂浮于水面上。浮标通过控制杆34内的第二无线通信模块接收远端的作业中心发送给机器人本体的作业指令，并通过第二无线通信模块转发给机器人本体。

机器人本体的浮潜桶为空腔结构，具有一定的浮力，可使机器人本体浮于水面。为了保证机器人本体的平衡性和稳定性，浮潜桶的数量至少为4以上的偶数个。机器人本体通过第一无线通信模块15与水面上的浮标进行通信，接收浮标转发的由作业中心发送的作业指令。当需要下潜时，浮潜桶底部泵力室20的水泵23工作，第二水管25将外部的水流吸入浮潜桶的蓄水室21增加浮潜桶内的重量从而改变其浮力。第二控制模块12将下潜的具体深度转化为浮潜桶的浮力变化量，均化至单个浮潜桶即为其重量的变化量。蓄水室21内的液位传感器26实时监测水量的变化，液位传感器26选用静压投入式液位传感器，静压投入式液位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。液位传感器26精准的检测蓄水室21内水量的变化，送入第二控制模块12进行处理，第二控制模块12从而计算得到该浮潜桶重量的变化量，实现了机器人本体可悬停于某一深度进行作业。

待机器人本体下潜至需要的深度后，壳体1内动力室2两侧的旋转电机17工作，旋转电机17驱动旋转轴18转动，带动浮潜桶旋转，使浮潜桶由原来的竖向变为横向，从而减小了机器人本体前进时受到的水的阻力。同时机器人本体设计为梭形结构，进一步减小了受到的水的阻力，提升了动力转换效率，减小了能耗。推进器5工作，通过推进轴6驱动螺旋桨7旋转，产生向前的推进力，使机器人本体在水下向前运动，扩大了作业范围，并且由螺旋桨推进器提供前进动力，动力性能好。机器人本体正面的摄像头27采集水中的图像信息，由于水下环境光线比较昏暗，摄像头27选用3D高清夜视摄像头，能让机器人本体精确识别所处的地形环境特征，采集到清晰的图像信息，向作业中心提供了宝贵可靠的图像资料，提供了勘察探测的有力参考。同时避免了使用探照灯等照明设备来辅助摄像头27，不会惊扰到水下的鱼类，提升了机器人本体的安全性。同时机器人本体的前测距声纳28和后测距声纳30工作，前测距声纳28探测机器人本体前进线路上的障碍物，如需要改变前进方向，第二控制模块12控制舵机8工作，舵机8驱动舵轴9旋转，带动舵叶10旋转，从而改变水流的流向，使机器人本体改变前进方向，实现了非常灵活的转弯避开障碍物。后测距声纳30探测机器人本体身后是否有鱼类接近，当有鱼类靠近机器人本体身后时，第二控制模块12读取预先存储在存储模块14内的鱼类天敌的音频文件，并通过机器人本体背面两侧的声响驱鱼器31进行播放，从而驱走鱼类，避免了鱼类与机器人本体发生碰撞，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好。

图像处理模块13对摄像头27采集的图像信息进行处理后送入第二控制模块12，第二控制模块12通过第二无线通信模块15发送给浮标，浮标再由第一无线通信模块传送给远端的作业中心。第一无线通信模块和第二无线通信模块15均为2G、3G或4G通信模组，移动网络信号覆盖范围广，信号幅度强，具有极高的性价比。设置了浮标作为机器人本体与远端的作业中心之间的信号中转站，提升了机器人本体与作业中心之间信号传输的稳定性、可靠性和高效性，保证了机器人本体与作业中心之间的无线传输效率，实现了作业中心智能化的远程监控。

第二蓄电模块11为机器人本体提供工作电压，第二蓄电模块11自带电量检测器，当监测到第二蓄电模块11的剩余电量不足，或机器人本体接收到远端作业中心的上浮指令时，旋转电机17工作，将浮潜桶由横向恢复为初始的竖向，然后水泵23工作，通过第一水管24抽取蓄水室21内的水流，并经第二水管25重新排入外部，从而使浮潜桶恢复至初始的浮力状态，使机器人本体回到水面，完成上浮动作。机器人本体的表面设有第二太阳能光伏板32，可充分利用水域环境太阳光能比较充足的特点，并且第二太阳能光伏板32选用柔性单晶硅太阳能光伏板，具有极高的光伏转换效率，提高了太阳光能利用率，为机器人本体提供充足的电能，使机器人本体具备良好的续航能力，提升了作业效率。浮标由内部的第一蓄电模块供电，由于浮标长时间位于水域表面，太阳光能比较充足，因此在控制杆34的外侧设置第一太阳能光伏板35，且第一太阳能光伏板35为环状，可多角度全天候的接收太阳光能，提升了太阳光能的利用率，并且第一太阳能光伏板25同样选用柔性单晶硅太阳能光伏板，具有极高的光伏转换效率，进一步提高了太阳光能利用率。同时考虑到水域环境风量非常充足，在浮标的顶部设置一对风轮机38，可通过水域环境的风量给第一蓄电模块充电，避免了连续阴雨环境下第一太阳能光伏板35无法给第一蓄电模块充电而导致浮标不能正常工作的情况，充分利用了水域环境的自然能源，提升了能源利用率，也保证了浮标充足的电量，进一步保证了机器人本体与远端作业中心之间的信号传输稳定性

浮标通过GPS定位模块接收GPS定位卫星的导航电文，GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组，SiRF Star III GPS芯片组具有灵敏度高，低信号下快速TTFF(首次定位时间)，20通道全视野跟踪，跟踪速度精度为0.1m/s，支持NMEA0183和SiRF二进位协议，通过串口固定输出NMEA0183规定的数据信息。MC95S12DJ128接收其中的推荐定位信息，获得时间、经纬度等信息。当浮标接收到远端作业中心发送的机器人本体结束作业的指令，浮标将GPS定位数据分别发送给机器人本体和远端的作业中心，机器人本体通过存储模块14内预先存入的作业水域离线地图包，并结合浮标发送的GPS定位数据返回至浮标所在的位置。同时浮标点亮顶板36的信号指示灯39进行指示，方便作业中心的人员能快速找到浮标，从而将机器人本体带回作业中心。

第一控制模块通过GPS定位模块与GPS定位卫星建立通信互连，同时通过第一无线通信模块分别与远端的作业中心以及机器人本体相互通信，同时第一控制模块输出控制信号驱动信号指示灯39工作，为了简化电路，降低成本，提高系统后期的可扩展性，第一控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128，其内置128KB的Flash、8KB的RAM和2KB的EEPROM，具有5V输入和驱动能力，CPU工作频率可达到50MHz。29路独立的数字I/O接口，20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口，2个8通道的10位A/D转换器，具有8通道的输入捕捉/输出比较，还具有8个可编程PWM通道。具有2个串行异步通信接口SCI，2个同步串行外设接口SPI，I2C总线和CAN功能模块等，满足设计要求。第二控制模块12对摄像头27、前测距声纳28、后测距声纳30、液位传感器26和存储模块14的输入信号进行处理，输出控制信号分别控制水泵23、旋转电机17、推进器5、舵机8、图像处理模块13和声响驱鱼器31工作，同时通过第二无线通信模块16与浮标进行通信。由于第二控制模块12需要对多路数据和多个进程进行快速处理，工作量较大，因此要求第二控制模块12具备较强的数据处理能力的同时还要保证控制精度和图像传输的同步性。第二控制模块12选用32位ARM控制器LPC1768，基于ARM Cortex-M3内核，操作频率高达120MHz，代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，并具有丰富的外围接口部件，大大简化了电路。LPC1768自身的高速处理技术将有助于提高控制精度，同时也保证了数据传输的实时性。

本实用新型提供了一种水下作业机器人系统，机器人本体通过水泵改变浮潜桶内的蓄水量从而改变浮潜桶的浮力，使机器人本体下潜或上浮，实现了特殊位置悬停作业，机器人本体由螺旋桨推进器提供前进动力，动力性能好，作业范围大，同时机器人本体设置为梭形结构，并且在下潜后旋转电机将浮潜桶由竖向变为横向，减小了机器人本体前进时水的阻力，提升了动力转换效率，减小了能耗，3D高清夜视摄像头能让机器人本体在水下昏暗的环境下也能精确识别所处的地形环境特征，前测距声纳探测机器人本体前进路线上的障碍物，舵机驱动舵叶辅助机器人本体灵活转向从而避开障碍物，后测距声纳探测机器人本体身后是否有鱼类接近，第二控制模块读取预先存放在存储模块内的鱼类天敌音频文件并通过声响驱鱼器进行播放从而驱走鱼群，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好，第二蓄电模块自带电量检测器，当电量不足时，机器人本体自动浮至水面，通过第二太阳能光伏板给第二蓄电模块进行充电，符合节能环保的设计理念，增加了机器人本体的续航能力，提升了机器人本体的作业效率，同时设置了浮标作为机器人本体与远端的作业中心之间的信号中转站，浮标通过第一无线通信模块接收作业中心的作业指令并转发给机器人本体，同时机器人本体通过第二无线通信模块将摄像头采集的水下图像信息传送给浮标并由浮标传送给作业中心，实现了远程智能化监控管理，提升了机器人本体与作业中心之间信号传输的稳定性、可靠性和高效性，从而保证了机器人本体作业的稳定性和可靠性，提升了机器人本体的作业效率，浮标自身由第一蓄电模块供电，可通过第一太阳能光伏板和风轮机给第一蓄电模块进行充电，充分利用了水域环境的自然能源，提升了能源利用率，也保证了浮标充足的电量，进一步保证了机器人本体与远端作业中心之间的信号传输稳定性，浮标通过GPS定位模块接收GPS定位卫星的导航电文，当机器人本体结束作业时，浮标将GPS定位数据分别发送给机器人本体和作业中心，方便机器人本体回到浮标的位置，同时通过信号指示灯进行指示，方便了作业中心能快速找到机器人本体，其结构简单，设计巧妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种浅滩、滩涂、海洋、湖泊等环境的勘察探测工作。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。