一种水下观测机器人及控制方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种水下观测机器人及控制方法。

背景技术：

为了谋求生存与发展，人们开始涌入海洋资源的探索，然而，海底压力巨大，一片漆黑，环境极其恶劣。这对沉船打捞、海上救生、光缆铺设或资源勘探和开采都给一般的设备造成巨大困难。于是水下机器人应运而生，在军事和工业生产上所需的水下观测机器人技术已较为成熟，然后结构复杂、机身体积大、价格也十分昂贵，若要推动民用水下机器人的发展，开拓民用水下机器人的市场，需要一种价格低廉的产品来减少生产成本，需要一种结构简单、方便携带、观测可靠的水下机器人；另一方面为了丰富儿童生活、更多渠道发展儿童思维，用于水下环境观赏、供儿童娱乐、甚至服务于儿童的早期科学技术教育，由于现有的水下观测机器人结构复杂，测试和操作过程繁琐，并不能直接用于早期科学技术教育教学。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种水下观测机器人及控制方法，通过推进器控制机器人移动从而实现水下环境中进行观测、检测等工作，本发明结构简单、设计合理，采用模块化设计，使得对水下观测机器人进行拆装维护、更换或加装功能模块都非常方便，并且对在一定时间内获得的视频图像进行压缩处理，在保证视频图像质量的前提下，提高传输速率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种水下观测机器人，包括平台主体、观测装置、传输装置和控制装置，

所述平台主体包括密封舱、多个水下推进器和驱动电机，所述驱动电机驱动水下推进器转动，所述水下推进器包括水平推进器和垂直推进器；所述观测装置包括摄像头和照明模块；所述控制装置经过传输装置建立信号传输通道，观测装置获得的图像视频信息经传输装置传输到用户端，所述观测装置设于密封舱内；

所述控制装置包括陀螺仪传感器和控制器，所述陀螺仪传感器用于检测机器人偏转角度，所述控制器接收用户端预设控制信号并控制驱动电机。

作为优选的技术方案，所述传输装置包括rs485信号线缆、树莓派和电力载波传输模块，

所述控制装置通过rs485信号线缆与用户端连接，建立信号传输通道，所述树莓派对观测装置获得的图像视频信息进行数据处理，所述电力载波传输模块将处理后的图像视频信息传输到用户端。

作为优选的技术方案，所述深度检测装置通过传输装置将测得的深度数据传到用户端。

作为优选的技术方案，所述平台主体还包括推进器承接板、垂直转换板、第一侧板、第二侧板、第一安装板和第二安装板，

所述第二安装板一侧与第一侧板连接，另一侧与第二侧板连接，所述垂直转换板一侧与第一侧板连接，另一侧与第二侧板连接，所述密封舱安装在第二安装板上，第一安装板与第二安装板相互配合安装，所述推进器承接板一侧与第二安装板连接，另一侧与垂直转换板连接，水平推进器安装在推进器承接板上，垂直推进器安装在第二安装板上。

作为优选的技术方案，所述垂直转换板上设有透水槽，所述第一侧板、第二侧板上均设有镂空槽。

作为优选的技术方案，所述第一安装板与第二安装板上均设有定位销孔，所述第一侧板与第二侧板上设有负重安装孔。

作为优选的技术方案，所述第一安装板和第二安装板均通过角码与垂直转换板连接，所述推进器承接板与第二安装板、垂直转换板均采用楔形连接。

作为优选的技术方案，所述密封舱包括透明顶盖、密封垫圈、立柱、第一法兰，第二法兰、固定板、隔板和密封亚克力板，

所述透明顶盖设于密封舱顶部，所述透明顶盖与第一法兰之间通过密封垫圈连接，所述第一法兰与第二法兰之间通过多个立柱连接，所述立柱穿过固定板和隔板。

本发明还提供一种水下观测机器人的控制方法，包括下述步骤：

s1、用户端发送预设移动路径的数据，控制器根据用户端信号和机器人的偏转角度变化情况，对水下推进器发出控制信号；

s2、控制器通过陀螺仪传感器获得水下观测机器人的角度数据，对机身平衡状态进行评估；

s3、通过平衡状态评估数据，控制器规划出能恢复水下观测机器人平衡状态的水下推进器运行状况，控制水下推进器进行平衡调整；

s4、水下观测机器人按照预设移动路径进行移动，同时对水下物体进行拍摄；

s5、对摄像头获得的水下视频图像进行滤波、压缩处理，处理后的视频图像信息传输到用户端，同时将监测到的深度数据、控制信号、机器人偏转角度传输到用户端；

s6、判断是否观测到图像，若无法观测到图像，执行步骤s7，若已观测到图像，则执行步骤s8；

s7、打开照明模块进行辅助观测；

s8、保持水下观测机器人的平衡，等待用户端发出新的期望移动路径。

作为优选的技术方案，步骤s3控制水下推进器进行平衡调整的具体步骤如下：

陀螺仪传感器获得当前的偏转角度数据，包括偏转角度、偏转角速度和偏转角加速度；

控制器根据历史运动数据及陀螺仪传感器获得的当前偏转角度数据，评估当前状态，包括稳定，左倾，右倾状态；

控制器控制驱动电机运转，在空间中设有六个自由度，不同的自由度对应不同的驱动电机运转方式，驱动电机相应地驱动水下推进器进行平衡调整。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用多推进器的结构令水下观测机器人在湍急水流中，按照用户端设定的运动路径进行水下拍摄，并在旋涡中保持摄像头相对位置的稳定，保证视频图像信息的高质量。

(2)本发明通过传感器检测水下深度、机器人偏转角、视频图像数据，并通过传输装置进行长距离传输，使用户端能实时监测水下的状况；并且对在一定时间内获得的视频图像进行压缩处理，在保证视频图像质量的前提下，提高传输速率。

(3)本发明通过平台主体能够增减负重的方式，优化了对浮力的控制调节，使水下观测机器人实现了在各种环境下通过改变重力从而改变浮力大小。

(4)本发明通过模块化设计，并改变平台主体内部结构的连接固定方式，使得整个水下观测机器人在设备维护方面更加方便，也极大地缩小了空间，方便携带。

附图说明

图1为本实施例水下观测机器人的结构示意图；

图2为本实施例水下观测机器人俯视图；

图3为本实施例水下观测机器人仰视图；

图4为本实施例水下观测机器人侧视图；

图5为本实施例水下观测机器人底部局部结构示意图；

图6为本实施例水下观测机器人密封舱结构示意图；

图7为本实施例水下观测机器人的控制流程示意图。

其中，1、水平推进器；2、垂直推进器；3、推进器承接板；4、透明顶盖；5、第一垂直转换板；6、第二垂直转换板；7、第二安装板；8、密封舱；9、固定环；10、第一侧板；11、第二侧板；12、透水槽；13、密封垫圈；14、密封亚克力板；15、第一安装板；16、楔形连接孔；17、驱动电机；18、底座固定片；19、负重安装孔；20、镂空槽；21、固定板；22、第一法兰；23、观测装置；24、立柱；25、隔板；26、第二法兰。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例提供了一种水下观测机器人，包括平台主体、观测装置、传输装置和控制装置，所述传输装置一端连接有用户端，另一端分别与观测装置、控制装置相连，所述控制装置与平台主体相连，

在本实施例中，平台主体包括密封舱、多个水下推进器和驱动电机，所述密封舱设置在平台主体上，所述驱动电机驱动水下推进器转动，推进器推动水下观测机器人移动，还包括深度检测装置，所述深度检测装置通过传输装置将测得的深度数据传到用户端。观测装置包括摄像头和照明模块，所述观测装置设于密封舱内。

在本实施例中，传输装置包括信号线缆、处理器和传输模块；所述控制装置通过信号线缆与用户端连接，建立信号传输通道，所述处理器对观测装置获得的图像视频信息进行数据处理，所述传输模块将处理后的图像视频信息传输到用户端；所述控制装置包括陀螺仪传感器和控制器；所述陀螺仪传感器用于检测机器人偏转角度，所述控制器接收用户端指令并控制驱动电机。

在本实施例中，传输装置的信号线缆采用rs485线缆，所述处理器采用树莓派，所述传输模块采用电力载波传输模块。树莓派对摄像头获得的水下视频图像信息进行如简单滤波，压缩等短期处理，以便缩短视频图像信息的传输时间，提高传输质量。摄像头获取的水下视频图像信息经树莓派处理后通过电力载波传输模块传输到岸上的用户端。

如图1、图2所示，水下推进器包括水平推进器1和垂直推进器2，水平推进器1设置在平台主体两侧，垂直推进器2设置在平台主体中间部位。本实施例中，优选水平推进器和垂直推进器各4个，其中垂直推进器位于底盘正下方，水平推进器分别位于底盘中间的前后侧，具有前后左右上下推进以及围绕xyz轴翻滚的六个自由度。

如图1、图2所示，平台主体包括推进器承接板3、垂直转换板、第一侧板10、第二侧板11、第一安装板15和第二安装板7；

在本实施例中，第二安装板7一侧与第一侧板10连接，另一侧与第二侧板11连接，所述垂直转换板一侧与第一侧板10连接，另一侧与第二侧板11连接，所述第二安装板7与垂直转换板相对设置，所述密封舱8安装在第二安装板上7，密封舱8上设有透明顶盖4，密封舱8通过固定环9固定第二安装板7上，所述垂直转换板包括第一垂直转换板5和第二垂直转换板6，分别设置在平台主体底部；在本实施例中，推进器承接板3一侧与第二安装板7连接，另一侧与垂直转换板连接，推进器承接板3上设有水平推进器1，所述第二安装板7上设有垂直推进器2，垂直转换板上设有透水槽12。

在实施例中，第二安装板7起辅助固定作用，第一安装板15和第二安装板7相互配合安装，两层板的强度极限和屈服极限相比一层板更高，起到增加结构强度的作用，另外一方面，第二安装板7上有定位销孔，与第一安装板15上的定位销孔配合，可以达到定位安装侧板的作用。

如图3所示，并结合图1、图2，第一安装板15和第二安装板7均通过角码与垂直转换板连接，第一安装板15和第二安装板7上均设置多个安装孔和多个插线槽。所述垂直转换板上设有多个楔形连接孔16，所述推进器承接板与第二安装板、垂直转换板均采用楔形连接.

如图4所示，并结合图1、图2和图3，水平推进器1与驱动电机17连接，第一侧板或第二侧板上均设有多个底座固定片18、镂空槽20以及负重安装孔19，用于增减负重保持重力平衡。所述底座固定片18用于固定第一垂直转换板5、第二垂直转换板6和第二安装板7，用于固定榫接配合连接的第一侧板和第二侧板，用于固定与该底座固定片对应连接的横向亚克力板，不同的底座固定片可能用于连接的不同的侧板和横向亚克力板。第一垂直转换板5、第二垂直转换板6和第二安装板7在本实施例中可采用横向亚克力板，

在本实施例中，控制装置、观测装置、深度检测装置和传输装置固定于密封舱中。

在本实施例中，控制装置包括锂电池、用于控制平衡的陀螺仪传感器、控制器。用户端通过rs485缆线，将控制指令传输到水下观测机器人的处理器中，处理器对控制指令进行解析，根据用户指令和水下观测机器人的偏转角变化情况对推进器进行控制，达到期望的运动效果。

在本实施例中，陀螺仪传感器检测到的水下观测机器人的实际偏转角，推进器推进力大小，水下观测机器人所处深度，均能通过rs485缆线传输到岸上的用户端，供用户端实时监测使用。所述的电力载波传输模块，能对数据量较大的视频图像信息进行长距离传输，使用户能实时检测水下的环境和状况。

如图5、图6所示，并结合图1、图2，密封舱包括透明顶盖4、密封垫圈13、立柱24、第一法兰22，第二法兰26、固定板21、隔板25和密封亚克力板14，所述透明顶盖4设于密封舱8顶部，所述透明顶盖4与第一法兰22之间通过密封垫圈13连接，所述第一法兰22与第二法兰26之间通过多个立柱24连接，所述立柱24穿过固定板21和隔板25，所述隔板25用于放置电路板器件，第一法兰22和第二法兰26通过立柱24与端盖连接，同时通过角码与隔板25连接，起到固定作用。固定板21起到固定作用，部分电气元件(如电路板等)也可通过固定板21固定在密封舱内。

密封舱8的固定板21开设通孔，可让电线通过，本实施例的立柱可采用铜柱等金属材料，或者轻质强度高的非金属材料也可实现本实施例的功能。

在本实施例中，观测装置23包括摄像头和照明模块，设置于密封舱8内，且两者之间存在间隙并设置于隔板25上。水平推进器、垂直推进器、密封舱、摄像头、照明模块之间均通过线缆和水密接插件来连接，照明设备可采用水下专用的led照明灯，起到防水的作用，安装在水下观测机器人外部，摄像头通过透明顶盖的透明部分对水下物体进行拍摄。

如图7所示，本实施例还提供一种水下观测机器人的控制方法，具体包括以下步骤：

s1、用户端发送预设移动路径的数据，控制器根据用户端信号和机器人的偏转角度变化情况，对水下推进器发出控制信号；

s2、控制器通过陀螺仪传感器获得水下观测机器人的角度数据，对机身平衡状态进行评估；

s3、通过平衡状态评估数据，控制器规划出能恢复水下观测机器人平衡状态的水下推进器运行状况，控制水下推进器进行平衡调整；

s4、水下观测机器人按照预设移动路径进行移动，同时对水下物体进行拍摄；

s5、对摄像头获得的水下视频图像进行滤波、压缩处理，处理后的视频图像信息传输到用户端，同时将监测到的深度数据、控制信号、机器人偏转角度传输到用户端；

s6、判断是否观测到图像，可进行人工观测，若无法观测到图像，执行步骤s7，若已观测到图像，则执行步骤s8；

s7、打开照明模块进行辅助观测；

s8、保持水下观测机器人的平衡，等待用户端发出新的期望移动路径；

在本实施例中，对机身平衡状态进行评估的具体方式是：陀螺仪传感器能获得x、y、z轴当前相对于水平面的偏转角度，由此得到水下机器人当前的偏转程度。另外，陀螺仪传感器还能获得x，y，z轴当前的偏转角速度和角加速度，偏转角速度和角加速度意味着当前水下机器人于某一轴向的转动的趋势，控制器能从水下机器人进行运行开始，便记录数据，控制器根据历史数据和当前获得的偏转角度，偏转角速度和角加速度，评估当前状态：稳定，左倾，右倾等等。

在本实施例中，根据角度数据及用户控制信号控制机器人的具体运作方式是：接收到岸上人员发出的移动指令，获得水下机器人期望的移动位置和期望的运动轨迹；结合当前陀螺仪获得的偏转角，在保持水下机器人保持稳定状态的条件下，运动到岸上人员期望的空间位置；为了能实现上述保持机体平衡和移动到期望的空间位置的控制目标，水下机器人在空间中具有六个自由度，不同的自由度对应不同的驱动电机运转方式(包括不同组合的驱动电机的运转方向，运转功率)，那么，此时控制器对能提供相应自由度的水下电机进行控制，实现两个控制目标。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。