CN101234665B - 一种小型水下观测机器人 - Google Patents
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Abstract
一种小型水下观测机器人，它包括水下机器人本体和水上控制箱两个部分，其中水下机器人本体电子舱两侧水平方向安装左推进器、右推进器，照明灯；在电子舱中部垂直方向安装垂直推进器，支架、机械手与电子舱下部安装在一起；在电子舱内部安装罗盘、温度计、深度计、控制电路板；在电子舱前部安装可变焦摄像机、摄像机云台、照明灯，后部安装定焦摄像机，视频图像通过屏蔽电缆传至水上控制箱显示屏；水上控制箱由控制面板、控制电路、液晶显示屏、机箱本体组成；本发明通过视频传感器将水下被测物的外形、运作状态图像实时的传送至水上控制箱，供检修人员分析使用，并且配置的机械手可以进行轻量级的抓取作业。
Description
技术领域
本发明属于光电测控领域，特别涉及一种用于水下探测的小型作业机器人。
背景技术
随着经济的发展，人类对水下资源的探测与利用越来越广泛，如水电站、核电站、大坝的修建。小型水下观测机器人在海洋石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘测开发、海底打捞救生、核电工业设备测量、水库堤坝探测等方面具有重要的意义，特别是一些狭窄、污染水质，且有一定危险的浅水环境下作业，对小型水下观测机器人的需求越来越大。某些特殊设备常年处于水下工作，其运行状态无法实时了解，给正常的工程生产带来巨大的安全隐患。目前，上述对于水下设备的观测基本上都是取出水面观测或是采用进口水下观测机器人产品，其价格、维护费用都相当昂贵，在很大程度上制约了工程生产的进度，给工程生产带来了不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题：为了克服现有技术中存在的不能实时掌握水下设备的运作状态而带来的安全隐患及现有观测产品价格、维护费用昂贵的不足，提供了一种可以通过视频传感器把水下被测设备的外形、运作状态图像实时地传送至水上控制箱，供检修人员分析使用，并且配置的机械手可以进行轻量级的抓取作业。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种小型水下观测机器人，它包括水下机器人本体和水上控制箱两个部分，其特征在于：所述水下机器人本体的电子舱6两侧安装有左推进器9、右推进器10、照明灯4；在电子舱6中部垂直上方安装有垂直推进器11，各推进器由封装在内部的直流电机和螺旋桨组成，支架8、机械手7与电子舱6下部安装在一起；在电子舱6前部安装前摄像机1、前摄像机云台2，后部安装后摄像机3，电子舱6内部安装有第一控制电路；第一控制电路包含第一模数转换电路、水下主控制器、第一串口通信电路、第一信号差分变换电路、电机驱动电路；在电子舱6顶部开有输出电缆插座，通过屏蔽的电缆5至水上控制箱；
所述的水上控制箱包括控制面板12、第二控制电路、液晶显示屏13、机箱本体14四部分，控制面板12由主推进器、垂推进器控制摇杆、变倍调焦按钮、电源开关按钮、视频切换按钮、照明亮度旋钮、显示屏对比度旋钮、机械手推杆、云台推杆组成，控制面板12通过四个立柱与机箱本体14下部相接；第二控制电路安装在机箱本体14下部内，包含推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路、数据处理电路；其中数据处理电路包括信号滤波电路、第二模数转换电路、水上主控制器、第二串口通信电路、第二信号差分变换电路；液晶显示屏13安装在机箱本体14上部。
所述的电子舱6前部端面为45度锥面。
所述的电子舱6前部配置的前摄像机1为可变焦摄像机，后摄像机3为红外照明定焦摄像机，前摄像机云台2为俯仰方向的一维云台，运动范围为±60°。
所述的电子舱6内还安装有用于测量深度、温度的深度计和温度计及运动状态的电子罗盘。
所述的电子舱6下部安装的机械手7为单自由度小型夹持式机械手，与水平成30度安装，夹持能力1Kg。
所述的左推进器9、右推进器10以及垂直推进器11采用的密封方式为：静环采用光洁度为0.8的陶瓷面，动环采用光洁度为0.8的石墨，在不锈钢弹簧的压力作用及丁晴胶的辅助密封下，可完成在水下50m环境条件下的动密封，密封面的运动速度不小于12m/s。
所述的水上控制箱本体为黑色工程塑料仪器箱，下箱体还安装有直流电源。
所述的水上控制箱的第二控制电路包含的推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路具体特征如下：
推进器控制电路接收控制面板12中的推进器控制摇杆的控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器将控制信号及方向经第二信号经串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人本体的各推进器的电机；各推进器工作原理相同，通过控制面板12上文字标示区分；
机械手及摄像机云台控制电路接收控制面板12中的机械手推杆及云台推杆控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器输出控制信号及方向信号经第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第二串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人本体的机械手、云台的电机；
摄像机控制电路接收控制面板12中的变倍调焦按钮控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经水上主控制器I/O端口判读电路至第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路控制器相应端口输出高低电平至视频切换电路、前摄像机变倍调焦电路；
照明灯控制电路接收控制面板12中的照明亮度旋钮控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路板中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，水上主控制器输出控制信号经第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆传输5与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给照明灯。
所述的电缆5为硅胶管封装的六芯导线，两对双绞信号线，分别与水上控制箱的第二控制电路的第二信号差分变换电路和水下机器人本体的第一控制电路中的第一信号差分变换电路相连，一对电源线，与直流电源相连。
所述的控制面板12上还装有一1602字符型辅显示屏，用于显示水下机器人本体的深度、方位以及机器人所在环境的温度。
所述的机箱本体14右侧还开有充电、视频输出、电缆接口。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的特点主要表现在：具有潜水巡航观察、狭窄区域安全监测、侦查、搜索等功能，体积小，成本低廉，便于携带，操作灵活，可以实时观测水下被测物的状态，脐带电缆导线芯数较少，适合批量生产；
2、本发明所述水下机器人配备了不同功能的传感器，为操作人员提供了丰富的信息数据；
3、本发明可以推广应用于核电反应堆大修管道检查以及石油、水下养殖、考古、探矿、航运、水下工程监测等一些危险或人无法进入的场合。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明的水下机器人本体结构示意图；
图3是本发明的水上控制箱结构示意图；
图4是本发明的推进器控制电路原理框图；
图5是本发明的机械手及摄像机云台控制电路原理框图；
图6是本发明的摄像机控制电路原理框图；
图7是本发明的照明灯控制电路原理框图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实时方式对本发明作进一步详细说明。
本发明是一种有缆小型水下观测用机器人，由水下机器人本体和水上控制箱两部分组成，如图1所示，两部分通过六芯脐带电缆连接。
如图2所示，水下机器人本体由螺旋桨式推进器、前摄像机1、前摄像机云台2、后摄像机3、电子罗盘、温度计、深度计、照明灯4、电缆5、电子舱6、控制电路板、机械手7、支架8组成。
在电子舱6两侧安装有左推进器9、右推进器10，控制机器人前进、后退、左转、右转等运动。电子舱6前部两侧安装有两组并联的LED照明灯4，为前摄像机提供照明；在电子舱6中部垂直上方安装有垂推进器11，控制机器人上升、下沉运动；机械手7、支架8与电子舱6下部安装在一起，机械手7与舱体6底部成30°安装，使机械手7可以夹取与支架8底部平齐物体，不会出现夹取死区，同时可根据实际工作需要将机械手换装成水下吸尘器或其他作业工具；在电子舱6前部安装一个可变焦前视摄像机1附一维俯仰旋转云台2，摄像机俯仰角为±60°；在电子舱6后部安装一个红外照明定焦摄像机3，用于水下机器人后退避障；电子舱6前端面为45°的锥面，前后部是透明的半球型有机玻璃罩。在电子舱6内部安装有数字式电子罗盘、温度计、深度计和第一控制电路，可以通过罗盘、深度计得知机器人的运动方位、深度，温度计测得作业环境温度；其中第一控制电路包含第一模数转换电路、水下主控制器、第一串口通信电路、第一信号差分变换电路、电机驱动电路；在电子舱6顶部开有输出电缆接口，通过屏蔽的电缆5至水上控制箱。
电缆5采用硅胶管封装的六芯导线，其中一对双绞线负责控制信号的传输；另一对双绞线负责视频图像差分信号的传输，采用差分信号适合远距离传输，抗干扰能力强；剩下两芯为电源线，为机器人推进器、传感器及控制电路系统提供电源。
如图3所示，水上控制箱包括控制面板12、第二控制电路、液晶显示屏13、机箱本体14四部分，控制面板12由推进器控制摇杆、变倍调焦按钮、电源开关按钮、视频切换按钮、照明亮度旋钮、显示屏对比度旋钮、机械手推杆、云台推杆组成，控制面板12通过四个立柱与机箱本体14下部相连；第二控制电路安装在机箱本体14下部内，并配有风扇；其中第二控制电路包含推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路、数据处理电路；其中数据处理电路包括信号滤波电路、第二模数转换电路、水上主控制器、第二串口通信电路、第二信号差分变换电路；显示屏13选用8.4英寸的液晶显示屏，安装在机箱本体14上部；机箱本体14右侧开有充电、视频输出、屏蔽电缆接口。充电接口可用来对机箱内蓄电池进行充电；视频输出接口可以外接其他视频监视器或视频录放机，使设备具有可扩展性。
操作人员只需扳动控制面板12上相应的摇杆、推杆、按钮、旋钮，就可实现对水下机器人本体的纵向、垂向的运动控制以及机械手7、云台2的动作控制、变焦摄像机1的功能控制，操作简单，使用方便。此外，在控制面板12上还装有一1602字符型辅显示屏，用于显示水下机器人本体的深度、方位以及机器人所在环境的温度。
其中水上控制箱控制电路包括的推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路具体实施方式如下：
如图4所示，推进器控制电路接收控制面板12中的推进器控制摇杆的控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器将控制信号及方向信号经第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人本体的各推进器的电机。各推进器工作原理相同，通过控制面板12上文字标示区分；
如图5所示，机械手及摄像机云台控制电路接收控制面板12中的机械手推杆及云台推杆控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器输出控制信号及方向信号经串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第二串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人本体的机械手、云台的电机；
如图6所示，摄像机控制电路接收控制面板12中的变倍调焦按钮控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路板中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经水上主控制器I/O端口判读电路至第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路相应端口输出高低电平至视频切换电路、前摄像机变倍调焦电路；
如图7所示，照明灯控制电路接收控制面板12中的照明亮度旋钮控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路板中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，水上主控制器输出控制信号经第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给照明灯。
本发明设计的小型水下观测机器人可实现两种环境下的作业工作，即只需观测的作业环境和需完成某些轻量级夹取工作的作业环境。由于本发明体积小(480×280×250mm)，可对被测设备近距离观测，提高了测量精度。水下机器人本体重量轻(12kg)携带方便，安全可靠，控制器一律采用低功耗芯片，所以整体系统功率小，适合长期水下工作。
Claims (12)
1.一种小型水下观测机器人，它包括水下机器人本体和水上控制箱两个部分，其特征在于：所述的水下机器人本体的电子舱(6)两侧安装有左推进器(9)、右推进器(10)、照明灯(4)；在电子舱(6)中部垂直上方安装有垂直推进器(11)，各推进器由封装在内部的直流电机和螺旋桨组成，支架(8)、机械手(7)与电子舱(6)下部安装在一起；在电子舱(6)前部安装前摄像机(1)、前摄像机云台(2)，后部安装后摄像机(3)，电子舱(6)内部安装有第一控制电路；第一控制电路包含第一模数转换电路、水下主控制器、第一串口通信电路、第一信号差分变换电路、电机驱动电路；在电子舱(6)顶部开有输出电缆插座，通过屏蔽的电缆(5)至水上控制箱；
所述的水上控制箱包括控制面板(12)、第二控制电路、液晶显示屏(13)、机箱本体(14)四部分，控制面板(12)由主推进器、垂推进器控制摇杆、变倍调焦按钮、电源开关按钮、视频切换按钮、照明亮度旋钮、显示屏对比度旋钮、机械手推杆、云台推杆组成，控制面板(12)通过四个立柱与机箱本体(14)下部相接；第二控制电路安装在机箱本体(14)下部内，包含推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路、数据处理电路；其中数据处理电路包括信号滤波电路、第二模数转换电路、水上主控制器、第二串口通信电路、第二信号差分变换电路；液晶显示屏(13)安装在机箱本体(14)上部。
2.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的电子舱(6)前部端面为45度锥面。
3.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的机械手(7)与电子舱(6)底部成30°安装。
4.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的电子舱(6)前部配置的前摄像机(1)为可变焦摄像机，后摄像机(3)为红外照明定焦摄像机，前摄像机云台(2)为俯仰方向的一维云台，运动范围为±60°。
5.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的电子舱(6)内还安装有用于测量深度、温度的深度计和温度计及运动状态的电子罗盘。
6.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于所述的电子舱(6)下部安装的机械手(7)为单自由度小型夹持式机械手，夹持能力1Kg。
7.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的左推进器(9)、右推进器(10)以及垂直推进器(11)采用的密封方式为：静环采用光洁度为0.8的陶瓷面，动环采用光洁度为0.8的石墨，在不锈钢弹簧的压力作用及丁晴胶的辅助密封下，可完成在水下50m环境条件下的动密封，密封面的运动速度不小于12m/s。
8.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的水上控制箱本体为黑色工程塑料仪器箱，下箱体还安装有直流电源。
9.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的水上控制箱的第二控制电路包含的推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路具体特征如下：
推进器控制电路接收控制面板(12)中的推进器控制摇杆的控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器将控制信号及方向信号经第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆(5)传输经水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人本体的各推进器的电机；各推进器工作原理相同，通过控制面板(12)上文字标示区分；
机械手及摄像机云台控制电路接收控制面板(12)中的机械手推杆及云台推杆控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器输出控制信号及方向信号经第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆(5)传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第二串口通信电路，经水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人本体的机械手、云台的电机；
摄像机控制电路接收控制面板(12)中的变倍调焦按钮控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路中的信号滤波电路进行信号滤波处理，再经水上主控制器I/O端口判读电路至第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆(5)传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路控制器相应端口输出高低电平至视频切换电路、前摄像机变倍调焦电路；
照明灯控制电路接收控制面板(12)中的照明亮度旋钮控制信号，首先经水上控制箱的第二控制电路板中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经第二模数转换电路至水上主控制器，水上主控制器输出控制信号经第二串口通信电路，再经第二信号差分变换电路，经电缆(5)传输与水下机器人本体的第一信号差分变换电路变换，传至第一串口通信电路，经由水下机器人本体的水下主控制器电路将控制信号给照明灯。
10.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的电缆(5)为硅胶管封装的六芯导线，两对双绞信号线，分别与水上控制箱的第二控制电路的第二信号差分变换电路和水下机器人本体的第一控制电路中的第一信号差分变换电路相连，一对电源线，与直流电源相连。
11.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的控制面板(12)上还装有一1602字符型辅显示屏，用于显示水下机器人本体的深度、方位以及机器人所在环境的温度。
12.根据权利要求1所述的一种小型水下观测机器人，其特征在于：所述的机箱本体(14)右侧还开有充电、视频输出、电缆接口。
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