一种免掉头水下清洗机器人及其控制方法

1.本发明属于大型结构表面水下清洗机器人技术领域，具体而言，涉及一种免掉头水下清洗机器人及其控制方法。


背景技术：

2.长期浸泡在海水中的船体外壳、港口、码头立面等表面会附着大量的贝类、海藻、藤壶等海洋生物，影响船舶的航速、耗油量、操控性等，加剧附着壁面的腐蚀程度，影响使用寿命。因此，从经济、环保和安全可靠等角度来说，需要经常或定期进行清洗。
3.相对于传统的人工清洗方式，采用水下机器人清洗具有经济、安全、高效等优势，国内外均在积极投入研发相关的清洗机器人产品，并取得了一定的成果。然而，目前公开的相关大型清洗机器人专利或产品中，在进行大型壁面清洗时，基本都采用了机器人到头后掉头的方式，而大型水下机器人掉头半径大、调转时间长、控制难度大，因而此种掉头方式大大降低了工作效率，另外，由于掉头后的机器人姿态、位置偏差大，控制精度低，因此容易造成漏洗或重复清洗。


技术实现要素：

4.为了克服现有水下清洗机器人掉头方法具有的上述缺陷，解决大型水下清洗机器人掉头作业效率低、控制难度大、控制精度低、易漏洗的问题，我们提供了一种解决方案。
5.首先，本发明提供了一种免掉头水下清洗机器人，包括主框架1、推进与吸附组件2、行走与转向组件3、密封电子舱4、传感控制组件5、光通设备6、浮力模块7、空化清洗装置8；其中：
6.所述推进与吸附组件2包括多个垂直推进器21和多个水平推进器22，所述垂直推进器21为机器人提供翻滚力矩和贴壁吸附力；所述水平推进器22为机器人提供巡游和贴壁行走的驱动力；
7.所述行走与转向组件3包括第一承重轮31、第二承重轮32、第三承重轮33、第一舵机34和第二舵机35；所述第一承重轮31由所述第一舵机34驱动转向及固定方向，所述第二承重轮32由所述第二舵机35驱动转向及固定方向；所述第三承重轮33为万向轮；
8.所述密封电子舱4中包括机器人供电设备、控制设备和信息传输设备；
9.所述传感控制组件5包括压力传感器51、多普勒速度仪52、水声定位器53、姿态传感器，所述压力传感器51提供机器人的深度信息，所述多普勒速度仪52提供机器人的移动速度，所述水声定位器53提供机器人的位置信息，所述姿态传感器提供机器人的当前姿态信息；
10.所述光通设备6包括摄像机61和照明灯62，二者同时安装在主框架1前端和后端的中部，用于照明、摄录和观察机器人前后方的环境；
11.所述浮力模块7由多个密封薄壁壳体组成，左右对称地设置在所述主框架1的前部、中部和后部；
12.所述空化清洗装置8由三个空化射流清洗盘组成，设置在所述主框架1的中间位置。
13.进一步地，本发明免掉头水下清洗机器人中所述主框架1为管材连接而成的双层密封框架结构，其能提供远大于自重的浮力。
14.进一步地，本发明免掉头水下清洗机器人中所述第一承重轮31、第二承重轮32、第三承重轮33均为被动轮，呈等腰三角形安装在所述主框架1下侧，由所述水平推进器22推动三个承重轮移动。
15.进一步地，本发明免掉头水下清洗机器人中所述第一舵机34和第二舵机35能够360
°
旋转，当达到目标角后可自锁；所述第一舵机34和第二舵机35内安装有位置传感器，用于反馈转动角度信息，以实现转向闭环可控。
16.其次，本发明还提供了上述免掉头水下清洗机器人的控制方法，包括以下步骤：
17.(1)控制多个水平推进器22推动机器人在作业壁面直线行走；
18.(2)当机器人到达作业壁面边缘时，控制第一舵机34和第二舵机35同步转动90
°
，驱动第一承重轮31和第二承重轮32转动90
°
；
19.(3)然后控制多个水平推进器22推动机器人横移一个工位宽度，再控制第一舵机34和第二舵机35驱动第一承重轮31和第二承重轮32转动90
°
；
20.(4)最后控制多个水平推进器22推动机器人向相反方向直线行走，实现免掉头“弓”字形作业。
21.进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人在作业壁面直线行走时，根据压力传感器51、多普勒速度仪52以及姿态传感器采集的数据进行闭环控制，分别控制多个水平推进器22的转速和转向，使得机器人按一定速度向前直线行走。
22.进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人在作业壁面直线行走时，被控变量为机器人的俯仰角、深度和行走速度，控制方法包括：
23.(1)首先，将期望俯仰角设为零，期望深度和期望行走速度由上位机下发；
24.(2)其次，在利用姿态传感器、压力传感器51和多普勒速度仪52获取机器人的俯仰角、深度和行走速度的基础上，构造俯仰角、深度和行走速度误差；
25.(3)再次，根据水平推进器22的空间布局，构建水平推进器22推力与横向合力、俯仰力矩与前向合力之间的映射关系；
26.(4)最后，利用pid控制策略构建水平推进器22推力与俯仰角、深度和行走速度误差之间的映射关系，即控制律。
27.进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，控制第一舵机34和第二舵机35驱动第一承重轮31和第二承重轮32转动90
°
，其控制方法包括：
28.(1)首先，控制水平推进器22调整机器人姿态，使机器人俯仰角误差达到期望值；
29.(2)其次，由上位机下发期望舵机转角；
30.(3)再次，利用安装在第一舵机34和第二舵机35内的位置传感器获取两个舵机的转角，构造舵机转角误差；
31.(4)最后，基于舵机位置控制模式进行转角闭环修正，使舵机转角误差达到期望值。
32.进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人横向移动时，根据
压力传感器51、多普勒速度仪52、水声定位器53以及姿态传感器采集的数据进行闭环控制，分别控制多个水平推进器22的转速和转向，控制机器人横移一个工位宽度。
33.进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人横向移动时，被控变量为机器人的横移距离和俯仰角，控制方法包括：
34.(1)首先，将期望横移距离和期望俯仰角分别设为机器人一个工位宽度和零；
35.(2)其次，在利用多普勒速度仪52、压力传感器51、水声定位器53和姿态传感器获取机器人的横移量、深度差、俯仰角和横滚角的基础上，构造横移距离和俯仰角误差；
36.(3)再次，根据水平推进器22的空间布局，构建水平推进器22推力与横向合力和俯仰力矩之间的映射关系；
37.(4)最后，利用pid控制策略构建水平推进器22推力与横移距离和俯仰角误差之间的映射关系，即控制律。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
39.1)本发明采用水平推进器推动轮子行走的方式，结构简单，可避免出现轮子打滑的现象。
40.2)本发明采用舵机驱动轮子转向-横移-转向的方式代替掉头，可减小操控难度，增大机动性，节约掉头时间和空间，提高机器人的清洗效率和单次清洗覆盖率。
41.3)本发明提供的舵机-承重轮组合，在直线行走时方向固定不动，在需要转向时可转动到任意指定角度，提高了机器人的行走直线度和转向灵活性。
42.4)本发明提供的控制方法，集成了多种传感器信息，面向免掉头清洗机器人作业模式构建的控制策略，控制精度高、控制稳定性好。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面对实施例描述中需要使用的附图作简要介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明中记载的一些实施例，而不是全部实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明实施例提供的水下清洗机器人总体图。
45.图2为本发明实施例提供的水下清洗机器人俯视图。
46.图3为本发明实施例提供的水下清洗机器人仰视图。
47.图4为本发明实施例提供的舵机-承重轮组合图。
48.图5为本发明实施例提供的水下清洗机器人横移时的轮子方向示意图。
49.图6为本发明实施例提供的水下清洗机器人作业流程图。
50.附图标记：1：主框架；2：推进与吸附组件；3：行走与转向组件；4：密封电子舱；5：传感控制组件；6：光通设备；7：浮力模块；8：空化清洗装置；21：垂直推进器；22：水平推进器；31：第一承重轮；32：第二承重轮；33：第三承重轮(万向轮)；34：第一舵机；35：第二舵机；51：压力传感器；52：多普勒速度仪；53：水声定位器；61：摄像机；62：照明灯。
具体实施方式
51.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明
的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
52.同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
53.实施例1：本发明为一种免掉头水下清洗机器人，下面结合附图1-5对本发明实施例进行详细阐述。
54.参照图1、图2、图3所示，本发明免掉头水下清洗机器人由主框架1、推进与吸附组件2、行走与转向组件3、密封电子舱4、传感控制组件5、光通设备6、浮力模块7、空化清洗装置8组成。
55.推进与吸附组件2包括多个垂直推进器21和多个水平推进器22，本实施例中垂直推进器和水平推进器各设置四个，垂直推进器的设置需保证至少能够受控实现水下机器人巡游过程的沉浮、俯仰和翻滚运动以及提供水下机器人在作业面上工作所需的吸附力；水平推进器的设置需保证至少能够受控实现水下机器人巡游过程的前后、偏航运动以及水下机器人贴壁工作时的前进、后退、横移等运动。
56.如图2和图3所示，行走与转向组件3包括第一承重轮31、第二承重轮32、第三承重轮33、第一舵机34和第二舵机35；对三个承重轮的轴承进行了密封设计，以避免长时间在海水中工作形成积盐、锈蚀等卡滞甚至别死；三个承重轮均为被动轮，呈等腰三角形固定安装在主框架1下侧，由四个水平推进器22推动轮子移动。
57.如图4所示，第一舵机34的输出轴通过键连接驱动第一承重轮31转向，达到目标角后，第一舵机34自锁，并固定住第一承重轮31的方向；第二舵机35的输出轴通过键连接驱动第二承重轮32转向，达到目标角后，第二舵机35自锁，并固定住第二承重轮32的方向；第一舵机34和第二舵机35可360
°
旋转，舵机内安装有位置传感器，可反馈转动角度信息，实现转向闭环可控。
58.如图2所示，密封电子舱4沿主框架1长度方向设置在主框架1靠前端的中间位置，其内部集成了机器人供电、控制和信息传输的全部非防水设备，并采用水密接插件作为外部接线口。
59.如图2和图3所示，传感控制组件5包括压力传感器51、多普勒速度仪52、水声定位器53、姿态传感器；压力传感器51安装在机器人横向中线位置，提供机器人在水下作业的深度信息；多普勒速度仪52通过支架安装在主框架1内部，提供机器人的移动速度；水声定位器53安装在主框架1边框上，提供机器人的位置信息；姿态传感器安装在密封电子舱4内部，提供机器人运动过程中的俯仰角、横滚角等姿态信息。
60.如图2和图3所示，光通设备6包括摄像机61和照明灯62，在主框架1下层前端和后端的中部，各安装一个摄像机61；在主框架1上层前端和后端的中部，各安装一套照明灯62；照明灯亮度可调，为摄像机进行水下照亮和补光，以清晰摄录和观察机器人前后方的环境信息。
61.如图1所示，主框架1为管材连接而成的双层框架结构，所用管材体积密度小于水，
整个框架进行全密封，能提供远大于自重的浮力。
62.如图1和图2所示，浮力模块7由若干个密封薄壁壳体组成，所述密封薄壁壳体可为圆柱筒、圆球壳等，本发明实施例采用若干圆柱筒作为浮力筒，左右对称地设置在所述主框架1的前部、中部和后部；所述浮力筒结构简单、比重小、成本低，不会出现玻璃微珠类浮力材料长时间浸水后密度变化的情况，对于浅水作业的水下机器人具有较大优势。
63.如图2所示，空化清洗装置8由三个空化射流清洗盘组成，三个空化射流清洗盘呈三角形设置，每个空化射流清洗盘下缘通过三个万向轮支撑；空化清洗装置8设置在主框架1的中间位置，机器人行走时，将带动三个空化射流清洗盘贴壁移动，实现边行走边清洗壁面。
64.本发明实施例的免掉头水下清洗机器人免掉头作业的主要步骤包括：首先控制四个水平推进器22推动机器人在作业壁面直线行走，当机器人到达壁面边缘时，控制两个舵机(第一舵机34和第二舵机35)同步转动90
°
，驱动第一承重轮31和第二承重轮32转动90
°
，然后控制四个水平推进器22推动机器人横移，此时第三承重轮33的方向将顺着受力方向自动转动90
°
，机器人横移过程中，三个承重轮的方向如图5所示；机器人横移一个工位宽度的距离后，再控制两个舵机驱动第一和第二承重轮转动90
°
，最后控制四个水平推进器22推动机器人向相反方向直线行走，此时三个承重轮的方向如图3所示，如此往复，实现免掉头“弓”字形作业。
65.当机器人在作业壁面直线行走时，根据压力传感器51、多普勒速度仪52以及姿态传感器采集的数据进行闭环控制，分别控制四个水平推进器22的转速和转向，使得机器人按一定速度向前直线行走。
66.本阶段被控变量为机器人的俯仰角、深度和行走速度。控制器的设计步骤包括：首先，将期望俯仰角设为零，期望深度和期望行走速度由上位机下发；其次，在利用姿态传感器、压力传感器51和多普勒速度仪52获取机器人的俯仰角、深度和行走速度的基础上，构造俯仰角、深度和行走速度误差；再次，根据水平推进器22的空间布局，构建水平推进器推力与横向合力、俯仰力矩与前向合力之间的映射关系；最后，利用pid控制策略构建水平推进器推力与俯仰角、深度和行走速度误差之间的映射关系，即控制律。
67.控制两个舵机驱动承重轮转90
°
的步骤包括：首先，控制水平推进器22调整机器人姿态，使机器人俯仰角误差达到期望值；其次，由上位机下发期望舵机转角；再次，利用安装在第一舵机34和第二舵机35内的位置传感器获取两个舵机的转角，构造舵机转角误差；最后，基于舵机位置控制模式进行转角闭环修正，使舵机转角误差达到期望值。
68.机器人横向移动时，根据压力传感器51、多普勒速度仪52、水声定位器53以及姿态传感器采集的数据进行闭环控制，分别控制四个水平推进器22的转速和转向，控制机器人横移一个工位宽度。
69.本阶段被控变量为机器人的横移距离和俯仰角。控制器的设计步骤包括：首先，将期望横移距离和期望俯仰角分别设为机器人一个工位宽度和零；其次，在利用多普勒速度仪52、压力传感器51、水声定位器53和姿态传感器获取机器人的横移量、深度差、俯仰角和横滚角的基础上，构造横移距离和俯仰角误差；再次，根据水平推进器22的空间布局，构建水平推进器推力与横向合力和俯仰力矩之间的映射关系；最后，利用pid控制策略构建水平推进器推力与横移距离和俯仰角误差之间的映射关系，即控制律。
70.实施例2：本发明免掉头水下清洗机器人的工作原理及作业过程
71.参照图6所示，本实施例的清洗作业步骤包括：
72.s1：启动机器人，控制水平推进器22推动机器人在水面巡游至待清洗壁面处，控制左、右垂直推进器21按相反方向产生推力，形成翻转力矩，使机器人侧向翻转90
°
，控制垂直推进器21产生朝向壁面方向的推力，推动机器人以侧立姿态贴到壁面上，确保三个承重轮贴紧壁面；
73.s2：根据姿态传感器反馈值调整机器人姿态，直至判断达到水平状态后，开启空化清洗装置8，同时控制水平推进器22推动三个承重轮向前直线行走进行清洗作业；
74.s3：机器人行走过程中，根据多普勒速度仪52和水声定位器53综合判断机器人位置，直至判断机器人到达壁面边缘(到头)时，停止前进；
75.s4：根据压力传感器51、船体及规划清洗面积等信息判断是否清洗完成，若完成，结束作业，回收机器人；若清洗未完成，继续进行以下步骤；
76.s5：发出舵机指令，控制两个舵机同步转动90
°
，分别驱动第一和第二承重轮转动90
°
；
77.s6：控制水平推进器22推动机器人横移一个工位宽度后停止；
78.s7：再次执行步骤s5，并修正机器人姿态至基本水平；
79.s8：控制水平推进器22推动机器人向相反方向直线行走进行清洗作业；
80.s9：重复执行s3～s8，如此往复，按“弓”字形进行清洗，直至完成壁面清洗作业。
81.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰获得等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。