水下步行机器人测试系统及其工作方法与流程

本发明属于海洋技术领域，具体涉及一种水下步行机器人测试系统及其工作方法。

背景技术：

占地球面积71％的海洋与人类关系密切，海洋蕴藏着丰富的可再生资源、生物资源以及矿产资源，特别是在当前陆上资源正在飞速减少的现状下，海洋的作用将尤为重要，其可以为人类提供可持续发展的动力，因此，海洋已成为世界各国重要的战略目标，也是近些年国际上激烈竞争的焦点。不过，人类对海洋还知之甚少，在整个海洋中有95％的部分人类尚未触及，因此，对海洋的探测及认识是急需完成的任务。

在认识海洋方面，人类的脚步一直都没有停歇，近几十年来，人类取得了丰硕的成果，其中水下机器人的应用对人类认识探索海洋起到了巨大的推动作用。水下机器人大体可以分为：水下载人潜水器(hov)和无人机器人，在无人机器人中应用最广泛的是无人自治机器人(auv)和远程遥控机器人(rov)。然而，auv和rov对于抗海流干扰能力不强，对于具有海流的海底环境，auv和rov的应用受限。水下步行机器人通过多条腿支撑在海底行进，其可以抵抗海流的干扰，水下步行机器人对海流具有良好的适应性，其特别适用于auv和rov所不能有效发挥作用的具有海流的海底环境。

在水下步行机器人开发过程中，需要反复不断的研究其与海流之间的相互作用关系，根据对水下步行机器人水动力的分析，通过结构优化等方法最终得到在抗流方面最优或较优的外形结构。通常海试过程复杂且成本高，一般适用于对较成熟的海洋设备进行检验验证，并不适用于上述研究，而对于水下步行机器人水动力特性的研究直接决定机器人在海流环境的工作能力，因此迫切需要在实验室环境中建立一种水下步行机器人测试系统，以完成对水下步行机器人水动力特性的反复研究，以最大限度提高水下步行机器人的抗流能力，从而为成熟的水下步行机器人海试验证奠定坚实基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种克服以上问题的水下步行机器人测试系统及其工作方法，本发明可以在实验室中模拟海流环境完成水下步行机器人的水动力特性分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

水下步行机器人测试系统，由陆地控制分析系统和水中测试系统组成。

陆地控制分析系统置于陆地上，由工业控制计算机和陆上无线通讯模块组成。陆地控制分析系统工业控制计算机主要完成对水中测试系统的控制及针对其反馈信息进行分析处理；陆上无线通讯模块与工业控制计算机连接，用于与水中测试系统进行通讯。

水中测试系统包括水槽、具有姿态和脚力信息反馈的水下步行机器人、海流检测部分、水下无线通讯部分、浮动部分和连接电缆部分。海流检测部分由前置声学多普勒流速剖面仪和后置声学多普勒流速剖面仪组成。水下无线通讯部分由第一水下无线通讯模块、第二水下无线通讯模块和第三水下无线通讯模块组成。浮动部分由第一球形漂浮装置、第二球形漂浮装置和第三球形漂浮装置组成。连接电缆部分由第一连接电缆、第二连接电缆和第三连接电缆组成。在水槽底部沿水流方向分别放置前置声学多普勒流速剖面仪、具有姿态和脚力信息反馈的水下步行机器人和后置声学多普勒流速剖面仪；第一球形漂浮装置、第二球形漂浮装置和第三球形漂浮装置依次放于水槽中并漂浮在水槽的水面上；第一水下无线通讯模块、第二水下无线通讯模块和第三水下无线通讯模块分别安装在第一球形漂浮装置、第二球形漂浮装置和第三球形漂浮装置上；第一连接电缆的一端与前置声学多普勒流速剖面仪连接，另一端穿过第一球形漂浮装置与第一水下无线通讯模块连接；第二连接电缆的一端与后置声学多普勒流速剖面仪连接，另一端穿过第二球形漂浮装置与第二水下无线通讯模块连接；第三连接电缆的一端与具有姿态和脚力信息反馈的水下步行机器人连接，另一端穿过第三球形漂浮装置与第三水下无线通讯模块连接；第一水下无线通讯模块、第二水下无线通讯模块和第三水下无线通讯模块通过无线信号与陆上无线通讯模块进行通讯。

水下步行机器人测试系统的工作方法如下：

水下步行机器人测试系统的工作方法分为两种，一种是水下步行机器人静立水动力测量，另一种是水下步行机器人行走水动力测量。

水下步行机器人静立水动力测量过程为：测量开始后，首先，在工业控制计算机中设定水下步行机器人的静立参数(包括机器人航向角、横滚角、俯仰角和机器人高度)及水槽的水流流量参数，工业控制计算机基于设定参数生成水下步行机器人控制指令；然后，陆上无线通讯模块与第三水下无线通讯模块进行无线通讯，通过第三连接电缆将控制信号传递给水下步行机器人，从而控制水下步行机器人保持设定的静立状态；测试过程中，前置声学多普勒流速剖面仪所测得的海流数据通过第一连接电缆传递给第一水下无线通讯模块，后置声学多普勒流速剖面仪所测得的海流数据通过第二连接电缆传递给第二水下无线通讯模块，水下步行机器人脚力和姿态数据通过第三连接电缆传递给第三水下无线通讯模块，第一水下无线通讯模块、第二水下无线通讯模块和第三水下无线通讯模块分别通过无线通讯方式将数据传递给陆上无线通讯模块，从而传递给工业控制计算机；工业控制计算机根据反馈数据分析得到水下步行机器人水动力特性，至此一次水下步行机器人静立水动力测量过程完成，如若重复测试则重新开始不断循环整个过程即可。

水下步行机器人行走水动力测量过程为：测量开始后，首先，在工业控制计算机中设定水下步行机器人的行走参数(包括机器人航向角、横滚角、俯仰角，机器人行走速度、机器人高度)及水槽的水流流量参数，工业控制计算机基于设定参数生成水下步行机器人控制指令；然后，陆上无线通讯模块与第三水下无线通讯模块进行无线通讯，通过第三连接电缆将控制信号传递给水下步行机器人，从而控制水下步行机器人保持设定的行走状态；测试过程中，前置声学多普勒流速剖面仪所测得的海流数据通过第一连接电缆传递给第一水下无线通讯模块，后置声学多普勒流速剖面仪所测得的海流数据通过第二连接电缆传递给第二水下无线通讯模块，水下步行机器人的脚力和姿态数据通过第三连接电缆传递给第三水下无线通讯模块，第一水下无线通讯模块、第二水下无线通讯模块和第三水下无线通讯模块分别通过无线通讯方式将数据传递给陆上无线通讯模块，从而传递给工业控制计算机；工业控制计算机根据反馈数据分析得到水下步行机器人水动力特性，至此一次水下步行机器人行走水动力测量过程完成，如若重复测试则需先控制水下步行机器人回到初始位置，然后再重新开始循环整个过程。

本发明可以达到的有益效果：

(1)在实验室环境即可实现对水下步行机器人的水动力分析，系统结构简单、价格低廉、易实现，精度高，可以反复开展试验；

(2)系统采用两种方法实现对水下步行机器人水动力特性的测量，一种采用前置声学多普勒流速剖面仪和后置声学多普勒流速剖面仪采集到的水流流场信息、分析水下步行机器人水动力特性，另一种采用水下步行机器人反馈的脚力信息完成对水下步行机器人水动力特性的测量，通过这两种方法的对比验证及数据融合，可以有效提高水下步行机器人水动力特性的测量精度；

(3)采用陆地控制分析系统和水中测试系统分开的实现形式，控制分析系统和水中测试系统之间采用无线通讯方式实现测量数据及控制信号的传输，进一步降低了系统的复杂程度，从而提高了系统的可靠性；

(4)本发明的测试系统不仅可以完成水下步行机器人静立状态的水动力特性分析，还可以完成水下步行机器人行走过程中的水动力测量，从而使系统功能更为丰富，实用性更强。

附图说明

图1本发明的水下步行机器人测试系统示意图；

图2本发明的水下步行机器人测试系统工作方法1流程图；

图3本发明的水下步行机器人测试系统工作方法2流程图。

图中：101.工业控制计算机，201.陆上无线通讯模块，301.水槽，401.具有姿态和脚力信息反馈的水下步行机器人，501.前置声学多普勒流速剖面仪，502.后置声学多普勒流速剖面仪，601.第一水下无线通讯模块，602.第二水下无线通讯模块，603.第三水下无线通讯模块，701.第一球形漂浮装置，702.第二球形漂浮装置，703.第三球形漂浮装置，801.第一连接电缆，802.第二连接电缆，803.第三连接电缆

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，水下步行机器人测试系统，由陆地控制分析系统和水中测试系统组成。

陆地控制分析系统置于陆地上，由工业控制计算机101和陆上无线通讯模块201组成。陆地控制分析系统的工业控制计算机101主要用于完成对水中测试系统的控制及针对其反馈信息进行分析处理；陆上无线通讯模块201与工业控制计算机101连接，用于与水中测试系统进行通讯。

水中测试系统包括水槽301、具有姿态和脚力信息反馈的水下步行机器人401、海流检测部分、水下无线通讯部分、浮动部分和连接电缆部分。海流检测部分由前置声学多普勒流速剖面仪501和后置声学多普勒流速剖面仪502组成。水下无线通讯部分由第一水下无线通讯模块601、第二水下无线通讯模块602和第三水下无线通讯模块603组成。浮动部分由第一球形漂浮装置701、第二球形漂浮装置702和第三球形漂浮装置703组成。连接电缆部分由第一连接电缆801、第二连接电缆802和第三连接电缆803组成。在水槽301底部沿水流方向依次放置前置声学多普勒流速剖面仪501、具有姿态和脚力信息反馈的水下步行机器人401和后置声学多普勒流速剖面仪502；第一球形漂浮装置701、第二球形漂浮装置702和第三球形漂浮装置703依次放于水槽301中并漂浮在水槽301的水面上；第一水下无线通讯模块601、第二水下无线通讯模块602和第三水下无线通讯模块603分别安装在第一球形漂浮装置701、第二球形漂浮装置702和第三球形漂浮装置703上；第一连接电缆801的一端与前置声学多普勒流速剖面仪501连接，另一端穿过第一球形漂浮装置701与第一水下无线通讯模块601连接；第二连接电缆802的一端与后置声学多普勒流速剖面仪502连接，另一端穿过第二球形漂浮装置702与第二水下无线通讯模块602连接；第三连接电缆803的一端与具有姿态和脚力信息反馈的水下步行机器人401连接，另一端穿过第三球形漂浮装置703与第三水下无线通讯模块603连接；第一水下无线通讯模块601、第二水下无线通讯模块602和第三水下无线通讯模块603通过无线信号与陆上无线通讯模块201进行通讯。

水下步行机器人测试系统的工作方法如下：

水下步行机器人测试系统的工作方法分为两种，一种是水下步行机器人静立水动力测量，另一种是水下步行机器人行走水动力测量。

水下步行机器人静立水动力测量过程为：如图2所示，测量开始后，首先，在工业控制计算机101中设定水下步行机器人401的静立参数(包括机器人航向角、横滚角、俯仰角和机器人高度)及水槽301的水流流量参数，工业控制计算机101基于设定参数生成水下步行机器人控制指令；然后，陆上无线通讯模块201与第三水下无线通讯模块603进行无线通讯，通过第三连接电缆803将控制信号传递给水下步行机器人401，从而控制水下步行机器人401保持设定的静立状态；测试过程中，前置声学多普勒流速剖面仪501所测得的海流数据通过第一连接电缆801传递给第一水下无线通讯模块601，后置声学多普勒流速剖面仪502所测得的海流数据通过第二连接电缆802传递给第二水下无线通讯模块602，水下步行机器人401的脚力和姿态数据通过第三连接电缆803传递给第三水下无线通讯模块603，第一水下无线通讯模块601、第二水下无线通讯模块602和第三水下无线通讯模块603分别通过无线通讯方式将数据传递给陆上无线通讯模块201，从而传递给工业控制计算机101；工业控制计算机101根据反馈数据分析得到水下步行机器人水动力特性，至此一次水下步行机器人静立水动力测量过程完成，如若重复测试则重新开始不断循环整个过程即可。

水下步行机器人行走水动力测量过程为：如图3所示，测量开始后，首先，在工业控制计算机101中设定水下步行机器人401的行走参数(包括机器人航向角、横滚角、俯仰角，机器人行走速度、机器人高度)及水槽301的水流流量参数，工业控制计算机101基于设定参数生成水下步行机器人控制指令；然后，陆上无线通讯模块201与第三水下无线通讯模块603进行无线通讯，通过第三连接电缆803将控制信号传递给水下步行机器人401，从而控制水下步行机器人401保持设定的行走状态；测试过程中，前置声学多普勒流速剖面仪501所测得的海流数据通过第一连接电缆传递801给第一水下无线通讯模块601，后置声学多普勒流速剖面仪502所测得的海流数据通过第二连接电缆802传递给第二水下无线通讯模块602，水下步行机器人401的脚力和姿态数据通过第三连接电缆803传递给第三水下无线通讯模块603，第一水下无线通讯模块601、第二水下无线通讯模块602和第三水下无线通讯模块603分别通过无线通讯方式将数据传递给陆上无线通讯模块201，从而传递给工业控制计算机101；工业控制计算机101根据反馈数据分析得到水下步行机器人水动力特性，至此一次水下步行机器人行走水动力测量过程完成，如若重复测试则需先控制水下步行机器人回到初始位置，然后再重新开始循环整个过程。