水下机器人的水下本体装置及自主避障方法

摘要

本发明公开了一种水下机器人的水下本体装置，包含：主控系统，其通过光电复合缆通信连接水面的控制中心，接收水面的远程控制指令，并上传水下的视频信息和传感数据；旋转云台，其上设有视频接收设备，旋转云台的输入端通信连接主控系统，主控系统根据远程控制指令控制旋转云台带动视频接收设备旋转；传感器系统，其包含声纳组件，声纳组件实时探测水下环境，传送水下环境信息至主控系统，主控系统根据水下环境信息向水下本体装置的运动机构输出运动控制指令。本发明采用了光纤传输技术，可以实现远距离获得高质量的实时高清视频和遥测数据，以及具有较高的操控灵活性，并通过声纳探测实现自主避障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下作业设备，具体涉及一种水下机器人的水下本体装置及自主避障方法。

背景技术

作为人类研究和开发海洋的得力助手，水下机器人在海洋工程领域正扮演着越来越重要的角色，尤其在海底电缆铺设、海底搜救和海底军事设施维护等工程领域。水下机器人能够在潜水员不可能到达的深度进行综合考察和研究，并能完成各种作业任务，在海洋开发中发挥着极其重要的作用。

但是未知多变的海洋环境比陆地环境要复杂得多，加上水下机器人自身存在强耦合、非线性、欠驱动及模型不确定性，使得有效控制成为技术难点。按控制方式来分，主要有遥控水下机器人ROV（Remotely Operated Vehicle）和自治水下机器人AUV（Autonomous Underwater Vehicle）。凭借遥控水下机器人的低成本、控制简便性和信息交互实时性好，以及能满足作业机械手和复杂水下探测设备的电力需求，从而在决策和作业水平上，仍是当今使用最广且最为重要的水下勘探和侦查设备。而水下机器人的重要组成部分-水下机器人本体装置的设计显得特别重要。水下机器人本体装置就是水下机器人的水下潜水器本体，负责水下机器人水下作业时的具体任务的执行，主要用于执行水面操作人员的手动操控，并将水下环境的局部信息和自身的所有状态信息上传至水面。而目前国外和国内的水下机器人本体装置，通讯多采用双绞线传输，通讯质量不高，尤其对于高清水下视频，往往达不到比较好的效果。

发明内容

本发明提供一种水下机器人的水下本体装置及自主避障方法，具有四自由度运动，能进行自主避障，具有高质量的实时高清视频、遥测数据和操控灵活性。

为实现上述目的，本发明提供一种水下机器人的水下本体装置，其固定于水下机器人框架中，其特点是，该水下本体装置包含：

主控系统，其通过光电复合缆通信连接水面的控制中心，接收水面的远程控制指令，并上传水下的视频信息和传感数据；

旋转云台，其上设有视频接收设备，旋转云台的输入端通信连接主控系统，主控系统根据远程控制指令控制旋转云台带动视频接收设备旋转；

传感器系统，其包含声纳组件，声纳组件实时探测水下环境，传送水下环境信息至主控系统，主控系统根据水下环境信息向水下本体装置的运动机构输出运动控制指令。

上述主控系统包含：

嵌入式主控板，其上传传感器系统的传感数据至水面的控制中心，接收水面的远程控制指令，进行解析后输出水下本体装置的运动控制指令；

数据采集板，其通信连接嵌入式主控板，接收传感器系统的数字和模拟的传感数据并传送至嵌入式主控板，并将运动控制指令输出至水下本体装置的运动机构；

多串口板，其通信连接嵌入式主控板，接收传感器系统的RS485和RS232的传感数据并传送至嵌入式主控板；多串口板还连接光电复合缆，嵌入式主控板通过多串口板通信连接水面的控制中心。

上述主控系统通过光端机通信连接光电缆接口板，并通过光电缆接口板与光电复合缆连接，以通过光电复合缆与水面的控制中心建立通信连接。

上述水下本体装置还包含动力驱动系统，动力驱动系统作为水下本体装置的运动机构，接收主控系统输出的运动控制指令，驱动水下机器人进行运动。

上述动力驱动系统包含：

垂向推进器，其设置于水下机器人框架纵剖面的艏艉端，控制水下机器人进行潜浮和纵倾运动；

艉部推进器，其设置于水下机器人框架艉部的左右两侧，控制水下机器人进行进退和艏向运动。

上述水下本体装置还包含功率分配板，其输入端电路连接光电缆接口板，接收光电缆接口板输出的电源，并分配至光端机、主控系统、旋转云台、传感器系统和水下本体装置的运动机构。

上述声纳组件包含：

测距声纳，其设置于水下机器人前端上方，水下作业时测量前方目标或障碍物的距离，将所得的距离数据传送至主控系统和水面的控制中心进行处理；

前视声纳，其设置于水下机器人前端上方，水下作业时测量同一水平面周围目标或障碍物的状况，将所得的图像数据上传至主控系统和水面的控制中心进行处理。

上述传感器系统还包含：

摄像机，其作为视频接收设备设置于水下机器人前方并与旋转云台机械连接，摄像机由旋转云台带动旋转，采集图像数据通过主控系统上传至水面的控制中心；

压力传感器，其设置于水下本体装置的后端下方，检测水下机器人所处深度，将深度数据通过主控系统上传至水面的控制中心；

高度计，其实时测量水下机器人所处高度，将高度数据通过主控系统上传至水面的控制中心；

陀螺仪，其设置于水下本体装置的舱体内部，测量水下机器人的艏向角速度，并将所获得的角速度数据通过主控系统上传至水面的控制中心；

电子罗盘，其设置于水下本体装置的舱体内部，测量水下机器人的艏向角、纵倾角和横摇角，并将所获得的方位数据通过主控系统上传至水面的控制中心；

电压电流传感器，其设置于水下本体装置的舱体内部，实时测量水下机器人各部分工作的电压和电流信息，通过主控系统上传至水面的控制中心。

一种水下机器人的水下本体装置的自主避障方法，其特点是，该自主避障方法包含：

步骤1、前视声纳和测距声纳实时对水下机器人周围的环境进行扫描，形成图像和距离数据传送至主控系统；

步骤2、主控系统对前视声纳和测距声纳的图像和距离数据进行处理，获得水下机器人与周围障碍物的方位与距离关系；

步骤3、主控系统根据水下机器人与周围障碍物的方位与距离关系，调整运动参量，输出运动控制指令至动力驱动系统；

步骤4、动力驱动系统驱动水下机器人避开障碍物，跳转到步骤1，循环进行自主避障。

本发明水下机器人的水下本体装置及自主避障方法和现有技术的水下机器人本体装置相比，其优点在于，本发明水下本体装置的主控系统通过光电复合缆通信连接水面的控制中心，采用了光纤传输技术，可实现远距离获得高质量的实时高清视频和遥测数据，以及具有较高的操控灵活性；

本发明设有前视声纳和测距声纳进行配合，可以更好完成水下作业操作，同时主控系统根据前视声纳和测距声纳所探测的图像和距离数据，判断出水下机器人在水下作业时周围环境的障碍物分布，从而输出运动控制指令，具有实现自主避障的能力，这是一般遥控水下机器人不具备的；

本发明采用旋转云台转动摄像机，便于对摄像机进行远程操控，最大程度扩大摄像机的观察方位，避免传统固定安装或集成云台的缺点，效果优于集成的云台摄像机，可大大扩大水下观察视角范围。

附图说明

图1为本发明水下机器人的水下本体装置的系统模块图；

图2为本发明水下机器人的水下本体装置的功率分配板上连接示意图；

图3为本发明水下机器人的水下本体装置的自主避障方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种水下机器人的水下本体装置的实施例，水下本体装置固定于水下机器人的铝合金框架中，该水下本体装置的外部设有一个用于放置控制电路及电气设备的密封电子舱体。

如图1所示，水下本体装置包含：光电缆接口板1、光端机2、主控系统3、功率分配板4、LED照明5、旋转云台6、动力驱动系统7及传感器系统8。

其中光电缆接口板1、光端机2、主控系统3、功率分配板4、动力驱动系统7和部分传感器系统8安装在水下机器人电子舱体内。LED照明5、旋转云台6和传感器系统8的部分传感设备安装在水下机器人铝合金框架上。

光电缆接口板1的输出端通信连接光端机2和功率分配板4的输入端，光电缆接口板1的输入端通过光电复合缆通信连接水面的控制中心的输出端。光端机2的输入端与主控系统3的输出端通信连接，光端机2的输出端与光电缆接口板1的输入端通信连接。从而使主控系统3通过光端机2、光电缆接口板1与光电复合缆通信连接水面的控制中心，接收水面的远程控制指令，并上传水下的视频信息和传感数据。另外，光电缆接口板1还通过光电复合缆为水下机器人提供动力电源，并输送至功率分配板4。

主控系统3包含：嵌入式主控板31、数据采集板32、多串口板33和电源板34。数据采集板32、多串口板33和电源板34分别与嵌入式主控板31通信连接。

嵌入式主控板31设置于水下机器人的水下本体装置的电子舱体内部，用于接收传感器系统8中所有传感设备的传感数据，并按通讯协议经由光端机2、光电缆接口板1和光电复合缆上传至水面的控制中心；同时经由光端机2、光电缆接口板1和光电复合缆接收水面的控制中心发送过来的运动控制指令，进行解析并传送给动力驱动系统7，以改变水下机器人的运动状态。

数据采集板32设置于水下机器人的水下本体装置的电子舱体内部，用于接收传感器系统8的数字和模拟传感数据，并将所获得的传感数据传送至嵌入式主控板31，经嵌入式主控板31处理并传至水面的控制中心进行处理显示，同时将运动控制指令输出至动力驱动系统7。

多串口板33设置于水下机器人的水下本体装置的电子舱体内部，用于接收传感器系统8的RS485和RS232的传感数据，并将所获得的传感数据传送至嵌入式主控板31，经嵌入式主控板31处理并传至水面的控制中心进行处理显示。

电源板34设置于水下机器人本体电子舱体内部，用于嵌入式主控板31和传感器系统8中部分传感设备的供电。

如图2并结合图1所示，功率分配板4的输出端分别与光端机2、主控系统3、LED照明5、旋转云台6、动力驱动系统7及传感器系统8连接，其输入端与光电缆接口板1的输出端连接。功率分配板4接收光电缆接口板1输出的动力电源，根据各设备具体的功率要求将电源分配至光端机2、主控系统3、LED照明5、旋转云台6、动力驱动系统7及传感器系统8。

LED照明5的输入端与数据采集板32的输出端连接，为水下机器人提供水下照明。

旋转云台6上设有类似摄像机81的视频接收设备，旋转云台6输入端与主控系统3的多串口板33的输出端通信连接；主控系统3根据远程控制指令控制旋转云台6带动视频接收设备旋转。

动力驱动系统7作为水下本体装置的运动机构，接收主控系统3输出的运动控制指令，驱动水下机器人进行运动。动力驱动系统7包含垂向推进器71和艉部推进器72。垂向推进器71和艉部推进器72分别与数据采集板32连接。

垂向推进器71设置于水下机器人框架纵剖面的艏艉端，用于控制机器人进行潜浮和纵倾运动。

艉部推进器72设置于水下机器人框架艉部的左右两侧，用于控制机器人进行进退和艏向运动。

传感器系统8用于实时探测水下机器人的水下工作环境，传送水下环境信息至主控系统，主控系统根据水下环境信息向水下本体装置的运动机构输出运动控制指令，并且将水下环境信息发送至水面的控制中心进行处理显示。

传感器系统8包含摄像机81、测距声纳82、压力传感器83、高度计84、前视声纳85、陀螺仪86、电子罗盘87和电压电流传感器88，通过数据采集板32和多串口板33接收数据，并由嵌入式主控板31进行数据处理。

摄像机81作为视频接收设备设置于水下机器人铝合金框架的前端上方，并与旋转云台6机械连接，摄像机81用于水下作业时前方环境的视频采集，摄像机81由旋转云台6带动旋转，最大程度扩大摄像机81的观察方位，摄像机81最终采集的图像数据通过主控系统3处理，经由光端机2、光电缆接口板1和光电复合缆上传至水面的控制中心进行处理显示。

测距声纳82设置水下机器人本体框架前端上方，用于水下作业时测量前方目标或障碍物的距离，并将所获得的距离数据经由多串口板33接收，由嵌入式主控板31处理，为自主避障决策提供依据，同时将距离数据上传至水面的控制中心进行处理显示。

压力传感器83设置于水下机器人本体框架后端下方，用于水下作业时测量所处的深度，并将所获得的深度数据经由数据采集板32接收，由嵌入式主控板31处理后上传至水面的控制中心进行处理显示。

高度计84设置于水下机器人的铝合金框架上，用于实时测量水下机器人所处的高度，并将所获得的测量数据通过主控系统3传至水面进行处理显示。

前视声纳85设置水下机器人本体框架前端上方，用于水下作业时探测同一水平面周围目标或障碍物的状况，并给出相应的声纳图像数据，并将所获得的声纳图像数据由多串口板33接收，经嵌入式主控板31处理，为自主避障决策提供依据，另外经由光端机2传至水面的控制中心进行处理显示。

陀螺仪86设置于水下机器人本体电子舱体内部，用于测量水下机器人的艏向角速度，并将所获得的角速度数据，经由数据采集板32接收，由嵌入式主控板31处理后传至水面的控制中心进行处理显示。

电子罗盘87设置于水下机器人本体电子舱体内部，用于测量水下机器人的艏向角、纵倾角和横摇角，并将所获得的方位数据由嵌入式主控板31接收并处理后传至水面的控制中心进行处理显示。

电压电流传感器88设置于水下机器人本体电子舱体内部，用于测量动力驱动系统的电压和电流，以及其它部分所耗电流，并将所获得的电压电流大小数据，经由数据采集板32接收，由嵌入式主控板31处理后传至水面的控制中心进行处理显示。

如图3所示，本发明还公开了一种水下机器人的水下本体装置的自主避障方法，该自主避障方法包含以下步骤：

步骤1、前视声纳和测距声纳实时对水下机器人周围的环境进行扫描，形成图像数据和距离数据传送至主控系统。

步骤2、主控系统对前视声纳和测距声纳的图像和距离数据进行处理，获得水下机器人与周围障碍物的方位与距离关系，完成周围障碍物的判别。

步骤3、主控系统根据水下机器人与周围障碍物的方位与距离关系，调整运动参量，输出运动控制指令至动力驱动系统。

步骤4、动力驱动系统驱动水下机器人在大范围内避开障碍物，以避免自身受损。完成避障运动后跳转到步骤1，循环进行自主避障。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。