基于无线通讯的水下救援机器人及其救援方法

摘要

本发明公开了基于无线通讯的水下救援机器人及其救援方法，包括机架，机架包括支撑臂Ⅰ、支撑臂Ⅱ以及支撑臂Ⅲ、安装圈，安装圈内安装一个观察窗，观察窗内设有控制系统、无线通信系统以及避障系统，支撑臂上设有推进系统以及救援系统，推进系统与观察窗内的控制系统无线通讯，救援系统包括用于检测潜水人员生命体征的智能检测手环以及高压气囊，高压气囊通过启动装置控制，所述智能检测手环以及启动装置均通过无线通讯与无线通信系统连接，所述高压气囊设有一对，且对称设在支撑臂Ⅰ以及支撑臂Ⅲ上，本发明避免了有线控制系挂在人体腰部造成的潜水不便，增强了潜水者的体验感，能够自主避开障碍物，实现水下救援机器人的智能化。

说明书

技术领域

本发明涉及水下救援系统，特别涉及基于无线通讯的水下救援机器人及其救援方法。

背景技术

随着陆地资源开发殆尽，而开发太空资源的科学技术水平还不足够，人类已经把目光转向了海洋。但是海洋环境恶劣危险，人类的潜水深度有限，不能直接完成深海及海底资源的探测任务。水下机器人强度高、抗高水压、可操控，能够完成深水海域的探测和分析任务，并将探测数据返回到陆地上，已逐渐成为人类进行海洋资源开发的主要工具。水下机器人主要分为有缆遥控潜水器(POV)和无缆遥控潜水器(AUV)两种。有缆机器人使用范围受到极大的限制，不能完成很多复杂环境下的工作。无缆机器人控制灵活，能够适应复杂环境中的各项任务，因此无缆机器人获得广泛的应用，已成为各国研究的核心。然而现在的水下机器人的作用主要是完成各种科学考察、探测、深海打捞等高难度任务，目前市场上还没有一款基于无线通信的水下救援机器人，能够实时陪伴潜水者运动，记录潜水者水下情况，在潜水者出现溺水或者紧急事故下能够按照合理速度携带潜水者上浮至水面等待救护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无线通讯的水下救援机器人及其救援方法，避免了有线控制系挂在人体腰部造成的潜水不便，增强了潜水者的体验感，能够自主避开障碍物，实现水下救援机器人的智能化。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：基于无线通讯的水下救援机器人，包括机架，所述机架包括三个支撑臂以及与三个支撑臂连为一体的安装圈，支撑臂以及安装圈构成的整体呈流线型，三个支撑臂分别为支撑臂Ⅰ、支撑臂Ⅱ以及支撑臂Ⅲ，支撑臂Ⅱ位于支撑臂Ⅰ和支撑臂Ⅲ之间，且支撑臂Ⅰ与支撑臂Ⅲ相对于支撑臂Ⅱ对称，支撑臂Ⅰ与支撑臂Ⅱ之间的夹角小于90°，安装圈内安装一个观察窗，所述观察窗内设有控制系统、无线通信系统以及避障系统，支撑臂上设有推进系统以及救援系统，所述推进系统与观察窗内的控制系统无线通讯，所述救援系统包括用于检测潜水人员生命体征的智能检测手环以及高压气囊，高压气囊通过启动装置控制，所述智能检测手环以及启动装置均通过无线通讯与无线通信系统连接，所述高压气囊设有一对，且对称设在支撑臂Ⅰ以及支撑臂Ⅲ上。

优选的，推进系统包括水平推进器以及垂直推进器，所述水平推进器、垂直推进器均通过伺服电机控制，伺服电机通过无线与位于观察窗内的控制系统连接，且水平推进器、垂直推进器均通过电池组供电。

优选的，观察窗内设有用于安装控制系统的支撑架。

优选的，无线通信系统包括一对无线串口模块，无线串口模块安装在观察窗内的支撑架上，无线串口模块与控制系统连接。

优选的，避障系统包括安装在支撑架上的两个激光测距仪，两个激光测距仪对称安装于支撑架的前端，且激光测距仪与控制系统连接。

优选的，观察窗内还设有视觉探测模块，所述视觉探测模块包括相机，相机通过云台安装在支撑架上。

优选的，观察窗内还设有稳定系统，稳定系统包括陀螺仪及加速计，陀螺仪与加速计对称的固定在支撑架上。

优选的，伺服电机分别通过位于观察窗内的电子调速器控制转速以及转向。

优选的，机架的前端还设有水深探测模块，水深探测模块包括水压传感器，所述水压传感器设在机架前端的传感器接口内。

基于无线通讯的水下救援机器人的救援方法，包括以下步骤：

1)、智能检测手环对潜水人员的体征进行检测，并实时向水下救援机器人发送无线信号，使水下救援机器人处于跟随状态，当出现异常时，智能检测手环发出救援的无线信号到水下救援机器人的无线通信系统以及地面观察站；

2)、水下救援机器人的无线通信系统在接收到智能检测手环发送的无线信号之后，将信号传输到控制系统，由控制系统控制水下救援机器人动作；或者由地面观察站发送无线指令信号到水下救援机器人的无线通信系统，再由无线通信系统将地面观察站发出的无线指令信号传输给控制系统来控制水下救援机器人动作；

3)、控制系统控制水下救援机器人接近潜水人员，在水下救援机器人前进的过程中，通过安装在水下救援机器人观察窗内的激光测距仪探测水下救援机器人前方是否具有障碍物，当具有障碍物时，控制系统控制电子调速器，使控制水平推进器产生不同的速度，从而使水下救援机器人转向，避开障碍物；同时，设在观察窗内的陀螺仪以及加速计测得水下救援机器人的姿态信号传输到控制系统，以及水压传感器测得水下救援机器人的深度信号传输给控制系统，控制系统在接收信号后通过PID算法控制伺服电机，使得水下救援机器人保持平衡；

4)、当水下救援机器人接触到潜水人员后，打开高压气囊，使水下救援机器人快速上升，浮到水面上，完成救援过程。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1)、利用智能检测手环实时监测人体特征，当出现异常时，救援水下机器人的无线通信系统能实时接收，并由控制系统控制机器人立即移动至潜水人员，潜水人员抓住水下救援机器人后，位于机架观察窗两侧位置的高压气囊迅速打开，机器人携带潜水人员人上浮至水面；

2)、能够实现水深在0-5米范围内的双向无线通信控制，避免了有线控制系统系挂在潜水人员腰部造成的潜水不便，大大增强了潜水者的体验感；

3)、能够自主规划避让路径，提前改变运动轨迹，避开障碍物，实现水下救援机器人的智能化。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明观察窗内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明做进一步说明：

如图1、2所示，本发明一种基于无线通讯的水下救援机器人，包括机架，机架包括三个支撑臂以及与三个支撑臂连为一体的安装圈4，支撑臂以及安装圈4构成的整体呈流线型，三个支撑臂分别为支撑臂Ⅰ1、支撑臂Ⅱ2以及支撑臂Ⅲ3，支撑臂Ⅱ2位于支撑臂Ⅰ1和支撑臂Ⅲ3之间，且支撑臂Ⅰ1与支撑臂Ⅲ3相对于支撑臂Ⅱ2对称，支撑臂Ⅰ1与支撑臂Ⅱ2之间的夹角小于90°，安装圈4内安装一个观察窗5，观察窗5通过密封圈和胶体实现IP68的防水等级，观察窗5内设有控制系统、无线通信系统以及避障系统，支撑臂上设有推进系统以及救援系统，推进系统与观察窗5内的控制系统无线通讯，救援系统包括用于检测潜水人员生命体征的智能检测手环以及高压气囊6，高压气囊6通过启动装置控制，智能检测手环以及启动装置均通过无线通讯与无线通信系统连接，高压气囊6设有一对，且对称设在支撑臂Ⅰ1以及支撑臂Ⅲ3上，观察窗5内设有用于安装控制系统的支撑架9，支撑架9采用轻质的亚克力和环氧树脂材料制成。无线通信系统包括一对无线串口模块10，无线串口模块10固定安装在观察窗5内的支撑架9上，无线串口模块10与控制系统连接，能够保证水下机器人在0-5m范围内，实现控制指令的双向通信，同时具有跳频扩频功能，大大提高抗干扰性，保证传输数据准确性。支撑架9上还设有集成线缆20，集成了观察窗5内部所有电力、控制线路。

本发明的推进系统包括两个个水平推进器7以及三个垂直推进器8，水平推进器7、垂直推进器8均通过伺服电机控制，伺服电机通过无线与位于观察窗5内的控制系统连接，且水平推进器7、垂直推进器8均通过两组电池组17供电，三个垂直推进器8成三角形排列安装在机架上，实现机器人上浮和下潜运行的稳定性。两个水平推进器7分别安装在支撑臂Ⅰ1以及支撑臂Ⅲ3上，并保持平行分布，实现机器人前进、后退和旋转运行。两组高容量电池组17分别安装在支撑臂Ⅰ1以及支撑臂Ⅲ3的底部，可以保证续航1.2小时的电力供应，伺服电机分别通过位于观察窗5内的电子调速器16控制转速以及转向。

本发明的避障系统包括安装在支撑架9上的两个激光测距仪11，两个激光测距仪11对称安装于支撑架9的前端，且激光测距仪11与控制系统连接，可以实时探测前方情况，指导水下机器人及时避开障碍物。观察窗5内还设有视觉探测模块、稳定系统以及水深探测模块。视觉探测模块包括相机12，相机12通过云台13安装在支撑架9上，相机12和云台13配合使用可以实现大范围的观测。稳定系统包括陀螺仪14及加速计15，陀螺仪14与加速计15对称的固定在支撑架9上，陀螺仪14和加速计15的配合使用，可以保证水下救援机器人处于稳定状态。水深探测模块包括水压传感器18，水压传感器18设在机架前端的传感器接口内，水深探测模块安装在机架前端，用于实时反馈水下救援机器人所在的深度，并保证机器人处于无线控制范围内；在机架的尾部安装一个天线19，天线19可以实现机器人在靠近水面位置时的通讯。

本发明基于无线通讯的水下救援机器人的水下救援方法，包括以下步骤：

1)、智能检测手环对潜水人员的体征进行检测，并实时向水下救援机器人发送无线信号，使水下救援机器人处于跟随状态，当出现异常时，智能检测手环发出救援的无线信号到水下救援机器人的无线通信系统以及地面观察站；

2)、水下救援机器人的无线通信系统在接收到智能检测手环发送的无线信号之后，将信号传输到控制系统，由控制系统控制水下救援机器人动作；或者由地面观察站发送无线指令信号到水下救援机器人的无线通信系统，再由无线通信系统将地面观察站发出的无线指令信号传输给控制系统来控制水下救援机器人动作；

3)、控制系统控制水下救援机器人接近潜水人员，在水下救援机器人前进的过程中，通过安装在水下救援机器人观察窗5内的激光测距仪11探测水下救援机器人前方是否具有障碍物，当具有障碍物时，控制系统控制电子调速器16，使控制水平推进器7产生不同的速度，从而使水下救援机器人转向，避开障碍物；同时，设在观察窗5内的陀螺仪14以及加速计15测得水下救援机器人的姿态信号传输到控制系统，以及水压传感器18测得水下救援机器人的深度信号传输给控制系统，控制系统在接收信号后通过PID算法控制伺服电机，使得水下救援机器人保持平衡；

4)、当水下救援机器人接触到潜水人员后，打开高压气囊6，使水下救援机器人快速上升，浮到水面上，完成救援过程。

本发明利用智能检测手环实时监测人体特征，当出现异常时，救援水下机器人的无线通信系统能实时接收，并由控制系统控制机器人立即移动至潜水人员，潜水人员抓住水下救援机器人后，位于机架观察窗两侧位置的高压气囊迅速打开，机器人携带潜水人员人上浮至水面；能够实现水深在0-5米范围内的双向无线通信控制，避免了有线控制系统系挂在潜水人员腰部造成的潜水不便，大大增强了潜水者的体验感；也能够自主规划避让路径，提前改变运动轨迹，避开障碍物，实现水下救援机器人的智能化。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。