一种遥控式水下机器人水面与水下协同控制装置及方法

摘要

本发明涉及水下机器人领域，具体地说是一种遥控式水下机器人水面与水下协同控制装置及方法，包括水面控制单元和水下控制单元，水面控制单元包括水面处理器、水面控制输入装置、水面显示模块和通讯模块，水面控制输入装置、水面显示模块和通讯模块分别通过线路与水面处理器相连，并且所述通讯模块通过线路与机器人控制系统相连，水下控制单元包括水下控制器、水下控制输入装置和水下显示模块，水下控制输入装置和水下显示模块分别通过线路与水下控制器相连，并且所述水下控制器通过线路与水下机器人上的机器人控制系统相连。本发明结合遥控式水下机器人水面控制与潜水员水下控制两种方式，提高了水下机器人运动与作业性能及工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，具体地说是一种遥控式水下机器人水面与水下协同控制装置及方法。

背景技术

21世纪是人类向海洋进军的世纪，作为生命的摇篮，海洋存储着丰富的生物资源与矿产资源，随着国内外对海洋的研究与探索日益增多，各类水下观测、水下作业装备得到迅速发展，而遥控式水下机器人能够与外界实时通信，具有水下观测与作业的能力，因此得到广泛应用。

现有技术中的遥控式水下机器人是通过水密电缆或者光纤与水面母船通信，由操作人员在水面查看机器人获取的摄像机视频与传感器数据等，并控制机器人运动与作业，但由于摄像机视野有限、光线昏暗、视频传输延时与失真等干扰存在，会对机器人控制造成干扰，而潜水员与机器人共同作业时，受潜水员活动限制，又难以实现大范围快速运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种遥控式水下机器人水面与水下协同控制装置及方法，结合遥控式水下机器人水面控制与潜水员水下控制两种方式，使水下机器人同时具有大范围快速移动能力与局部精细作业能力，提高了水下机器人运动与作业性能及工作效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种遥控式水下机器人水面与水下协同控制装置，包括水面控制单元和水下控制单元，水面控制单元包括水面处理器、水面控制输入装置、水面显示模块和通讯模块，所述水面控制输入装置、水面显示模块和通讯模块分别通过线路与所述水面处理器相连，并且所述通讯模块通过线路与水下机器人上的机器人控制系统相连，水下控制单元包括水下控制器、水下控制输入装置和水下显示模块，所述水下控制输入装置和水下显示模块分别通过线路与所述水下控制器相连，并且所述水下控制器通过线路与水下机器人上的机器人控制系统相连。

所述水面控制单元设有电源模块，且所述电源模块分别通过线路与所述水面处理器和通讯模块相连。

所述水面显示模块设有屏幕，且所述屏幕的显示界面包括视频显示部分和数据显示部分。

一种根据所述的遥控式水下机器人水面与水下协同控制装置的控制方法，其特征在于：

一、水面控制单元与水下控制单元分别连接至机器人控制系统，上电启动系统，测试水面控制单元、水下控制单元与机器人控制系统通讯是否正常，检测正常后将水下控制单元固定在水下机器人本体上；

二、将水下机器人放入水中，先通过水面控制单元控制水下机器人大范围运动寻找合适区域或目标，此时水下控制单元关闭；

三、区域或目标确认后，水面控制单元输入禁能，水下控制单元启动，潜水员在水下移动至水下机器人处并取下水下控制单元操控水下机器人作业，作业完成后将水下控制单元重新固定在水下机器人上；

四、回收水下机器人。

步骤二中，水面操作人员通过操控水面控制输入装置输入控制数据，且水面控制输入数据经水面处理器处理后发送给水面显示模块显示；通讯模块实时接收水下机器人采集的视频信息及数据信息，并经水面处理器处理后发送给水面显示模块显示。

所述水面显示模块的屏幕显示界面包括视频显示部分和数据显示部分，步骤二中，水面控制输入数据和水下机器人采集的数据信息在所述数据显示部分显示，水下机器人采集的视频信息在所述视频显示部分显示。

步骤二中，若水面显示模块显示的某一数据超过设定阀值，所述数据在水面显示模块的屏幕上强调显示，同时水面控制单元发出报警提醒。

步骤三中，潜水员通过操作水下控制输入装置向水下控制器输入操控数据，且水下控制输入数据经水下控制器处理后一方面发送给机器人控制系统实现水下机器人控制，另一方面发送给水下显示模块显示。

步骤三中，水面控制单元中的通讯模块正常接收水下机器人采集的数据，并通过水面处理器处理后在水面显示模块上显示。

步骤三中，水面显示模块上显示水面控制输入数据的部分变灰同时停止更新。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明先利用水面权限通过水面控制单元控制水下机器人大范围运动，寻找合适区域或目标，当区域或目标确认后，再切换为水下权限，由潜水员利用水下控制单元操控水下机器人作业，使水下机器人同时具有大范围快速移动能力与局部精细作业能力，缩短机器人作业时间，提高工作效率。

2、本发明的水面控制单元和水下控制单元分别独立与机器人控制系统连接，易于实现两个控制单元自如切换，并且所述水下控制单元可安装于水下机器人本体上并随水下机器人移动，当切换为水下权限时，潜水员将水下控制单元由水下机器人本体上取下即可，操作简单方便。

附图说明

图1为本发明的示意图。

其中，1为水面控制单元，101为水面处理器，102为水面控制输入装置，103为水面显示模块，104为通讯模块，105为电源模块，2为水下控制单元，201为水下控制器，202为水下控制输入装置，203为水下显示模块，3为机器人控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括水面控制单元1和水下控制单元2，水面控制单元1包括水面处理器101、水面控制输入装置102、水面显示模块103和通讯模块104，所述水面处理器101上设有多个接口，所述水面控制输入装置102、水面显示模块103和通讯模块104分别通过线路与所述水面处理器101上的对应接口相连，并且所述通讯模块104通过线路与水下机器人上的机器人控制系统3相连，水下控制单元2包括水下控制器201、水下控制输入装置202和水下显示模块203，所述水下控制器201上设有多个接口，所述水下控制输入装置202和水下显示模块203与所述水下控制器201上的对应接口相连，且所述水下控制器201通过线路与水下机器人上的机器人控制系统3相连。所述水下机器人上的机器人控制系统3为本领域公知技术。

所述水面处理器101为本领域公知技术，所述水面处理器101作为水面控制单元1的核心，可以是工控计算机、加固型笔记本等产品，其具有运算处理能力与图像显示能力，并提供友好的人机交互接口，能够实现控制输入采集、数据通讯与解析、视频与数据显示等功能，能够完成水面操作人员对水下机器人控制的功能。

所述水面显示模块103为本领域公知技术，本实施例中，所述水面显示模块103具有屏幕与视频信号接口，能够将水面处理器103的人机交互界面显示出来，其视频信号接口可以为VGA、DVI、HDMI等接口，并通过线路与水面处理器101上的对应接口连接。所述水面显示模块103的屏幕显示界面可分为两部分，即视频显示与数据显示，其中视频显示部分用于显示水下机器人上的摄像机获取的视频，操作人员可根据视频画面操作与控制机器人动作，数据显示部分用于显示水面控制输入数据、水下机器人采集数据等信息，操作人员可根据水面显示模块103的显示判断水下机器人状态以及是否发生故障，并可对不同数据设置阈值，不超过阈值时可认为未发生故障，一旦超过阈值，屏幕界面将相应数据强调显示，同时水面控制单元1通过发出警报声等方式向操作人员报警，以对发生的故障及时处理，水面控制单元1设有报警功能为本领域公知技术。

所述水面控制输入装置102为本领域公知技术，所述水面控制输入装置102可以为摇杆、按钮等器件，也可以为鼠标、键盘或具有触屏功能的显示器等产品，可根据实际需要选择，所述水面控制输入装置102通过线路与水面处理器101上的对应接口相连，其传输线可为USB、串口等接口形式，水面控制人员操控所述水面控制输入装置102发出控制数据，水面处理器101读取所述水面控制输入装置102的输入数据并解析，若系统当前控制权限在水面上，则将对应的控制指令经通讯模块104发送至水下机器人上的机器人控制系统3。

所述通讯模块104为本领域公知技术，所述通讯模块104可以为光端机、电力载波模块等产品，其具有视频与数据信号转换的功能，用于实现水面控制单元1与水下机器人通过长距离光纤或电缆实时通讯的目的。

如图1所示，所述水面控制单元1还包括电源模块105，所述电源模块105分别通过线路与所述水面处理器101和通讯模块104相连。所述电源模块105具有电压转换的功能，能够将外接供电转换为各电压等级，并为水面处理器101、水面显示模块103、水面控制输入102、通讯模块104等器件供电。所述电源模块105为本领域公知技术。

所述水面处理器101、水面控制输入装置102、水面显示模块103和通讯模块104可根据需要集成于一体形成所述水面控制单元1，方便转移。

所述水下控制器201为本领域公知技术，所述水下控制器201可以为单片机、嵌入式处理器等产品，其具有数据运算处理能力，可与水下显示模块203、水下控制输入装置202以及水下机器人的机器人控制系统3传输数据，所述水下控制器201的接口可根据实际需要选择串口、CAN、以太网等通讯接口形式用于发送水下潜水员的操作指令。

所述水下显示模块203为本领域公知技术，所述水下显示模块203可以为LED屏等产品，其具有简单的信息显示功能，能够显示水下控制单元2的开关信息、水下控制输入数据信息等供水下操作人员查看，并且水下操作人员将数据与观察到的水下机器人实际运动作业动作对比，可以判断机器人响应是否正常，是否出现故障。

所述水下控制输入装置202为本领域公知技术，所述水下控制输入装置202可以为摇杆、按钮等器件，能够将操作人员施加的力或动作转换为模拟量或数字量，其可通过串口、USB等接口形式的传输线与水下控制器201通讯，由水下控制器201读取水下控制输入装置202的输入数据。

所述水下控制器201、水下控制输入装置202和水下显示模块203集成于一体形成所述水下控制单元2，且所述水下控制单元2设有耐压密封壳体能够承受水下压力并防止水进入，所述水下控制单元2中的水下控制器201通过光纤或电缆等与水下机器人的机器人控制系统3相连，以扩大水下操控范围，并且所述水下控制单元2的壳体上设有水密封接口供相应线路穿过，以避免水由接口进入，保证水下控制单元2正常作业，所述耐压密封壳体和水密封接口均为本领域公知技术。在所述水下控制单元2的壳体上设有挂钩或卡槽等结构与水下机器人本体相连并随水下机器人移动，当需要水下潜水员操作时，潜水员可将所述水下控制单元2由水下机器人本体上取下，所述水下控制单元2电能由水下机器人上的电源提供。

本发明的工作原理为：

本发明工作时，先将水面控制单元1与水下控制单元2分别连接至水下机器人的机器人控制系统3，上电启动系统，测试水面控制单元1、水下控制单元2与机器人控制系统3通讯是否正常，检测正常后将水下控制单元2固定在水下机器人上。

将水下机器人通过收放装置放入水中，由母船总指挥系统根据需要分配控制权限，并由所述水面控制单元1确定水下机器人的当前操作权限。当总控制系统确定权限位于水面时，水面控制单元1中的水面显示模块103正常显示水面控制输入数据部分并实时更新，此时水下控制单元2关闭，水下显示模块203无显示；当总控制系统确定权限位于水下时，水面控制单元1中的水面控制输入装置102输入禁能，水面处理器101不会处理并传送水面控制输入数据，此时水面显示模块103显示水面控制输入数据部分变灰同时停止更新，而水下控制单元2启动且水下显示模块203显示水下控制输入数值并实时更新，另外此时水面控制单元1中的通讯模块104正常接收水下机器人采集的数据，并通过水面处理器101处理后在水面显示模块103上的相应区域正常显示，以使水面控制人员了解水下机器人情况。

当控制权限位于水面时，水面控制人员通过操作水面控制输入装置102输入数据，并经水面处理器101处理发送给通讯模块104，通讯模块104则将信号发送给机器人控制系统3，从而实现控制水下机器人运动、作业等目的，同时水面控制输入数据经水面处理器101处理后发送给水面显示模块103，并且通讯模块104实时接收的水下机器人上的摄像机、传感器等器件采集的视频信息及数据信息也经水面处理器101处理后发送给水面显示模块103，所述水面显示模块103的屏幕显示界面包括视频显示部分与数据显示部分，其中水面控制输入数据、水下机器人采集的数据信息等在所述数据显示部分显示，水下机器人采集的视频信息在所述视频显示部分显示，操作人员可根据水面显示模块103上的显示判断水下机器人状态以及是否发生故障，并可通过对不同类型数据设置阀值，一旦相应数据超过阀值，则水面处理器101控制水面显示模块103上的该数据强调显示(比如闪烁提醒)，同时向操作人员发出报警提示。比如水下机器人电源绝缘电阻值，若水面显示模块103显示数值大于500MΩ，说明电源绝缘满足要求，若水面显示模块103显示数值小于500MΩ，表示水下机器人控制舱内可能漏水导致绝缘降低，此时水面显示模块103上显示的机器人电源绝缘电阻值会强调显示，同时水面控制单元1发出报警提醒，提示操作人员应立即将水下机器人回收排出故障，防止控制舱内器件短路损坏。

当控制权限位于水下时，水面控制输入装置102禁能，水面显示模块103上显示水面控制输入数据的部分变灰同时停止更新，但水面控制单元1中的通讯模块104正常接收水下机器人采集的数据，并通过水面处理器101处理后在水面显示模块103上的相应区域正常显示，以使水面控制人员了解水下机器人情况，此时潜水员在水下移动至水下机器人处并取下水下控制单元2，潜水员通过操作水下控制输入装置202向水下控制器201输入数据，数据经水下控制器201处理后一方面发送给机器人控制系统3实现水下机器人控制移动，另一方面发送给水下显示模块203显示相关数据信息以方便潜水员操作，水下操作人员通过查看确认当前控制输入数据，并通过观察与水下机器人实际运动作业进行动作对比，可以判断水下机器人响应是否正常，是否出现故障。

本发明使用时，可先由水面权限控制水下机器人大范围运动，寻找合适区域或目标，区域或目标确认后，再切换为水下权限，由潜水员控制水下机器人实现作业，缩短机器人作业时间，提高工作效率。