CN113335480A

CN113335480A - 一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人

Info

Publication number: CN113335480A
Application number: CN202110604269.0A
Authority: CN
Inventors: 范越; 李业政; 解锋; 陈弘宇; 李参强
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2021-09-03

Abstract

本发明公开了一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人，属于水下机器人技术领域，包括机器人主体，所述机器人主体两侧均固定连接有纵向电机，所述机器人主体尾部一侧固定安装有横向电机，所述机器人主体尾部四角处均固定连接有若干尾鳍模块。本发明中，通通过多功能的控制系统及上位机实现不同模式下的自由切换操作，同时通过设置脐带缆与水面通信浮标连接实现对北斗定位信号和岸基通信的信号强度，有利于保持机器人主体水下通信的性能，并且通过柔性脐带缆带动通信浮标的运动降低对通信线缆的限制性，满足有远距离工作通信的信号传输需要，并且降低对声学和磁通信的技术依赖，避免水下通信导致水下机器人的成本增大。

Description

一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，尤其涉及一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人。

背景技术

随着北斗全球组网的成功，北斗卫星导航系统应用于产业化将被更充分挖掘。并且随着海洋开发的重要性日益上升和科技的进步，水下机器人技术也得到了快速发展，并在军事、商业的部分领域起到了不可替代的作用。将北斗导航系统的功能与水下机器人有机深入融合到一起，有着很大的现实意义与应用前景。尤其是随着军事科技的发展，零伤亡将是未来战争中的选择，因而使得机器人在未来战争中的地位倍受重视，其潜在的作战效能越来越明显。作为无人武器系统重要组成部分的水下机器人能够以水面舰船或潜艇为平台，在濒陆的水下空间完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯，将大大地扩展了水面舰船或潜艇的作战空间，对我国海洋权益和安全有重要意义。

但现有技术中北斗定位技术和深水水下机器人的配合有如下的缺陷和不足：1、北斗定位及岸基通信由水面过渡到水下信号会迅速衰减，本发明利用脐带缆将通信装置引到水面，以保证水下通信性能；2、现有先进的水下机器人具有成本高，通信受制于有线，水下运动不稳定等情况；3、目前水下利用声学和磁通信的技术成本高且工作距离有限，针对前面现有技术的所有缺点，因此亟需开发一种能够解决上述问题的水下机器人。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决斗定位及岸基通信由水面过渡到水下信号会迅速衰减，本发明利用脐带缆将通信装置引到水面，以保证水下通信性能，现有先进的水下机器人具有成本高，通信受制于有线，水下运动不稳定等情况，目前水下利用声学和磁通信的技术成本高且工作距离有限的问题，而提出的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人，包括机器人主体，所述机器人主体两侧均固定连接有纵向电机，所述机器人主体尾部一侧固定安装有横向电机，所述机器人主体尾部四角处均固定连接有若干尾鳍模块，且机器人主体外部两侧远离横向电机的对应位置固定安装有两个鱼雷安装架，所述鱼雷安装架一侧固定安装有鱼雷模块，所述机器人主体前端一侧设有两个交叉横向竖向电机，所述机器人主体前端固定安装有双摄像头，所述机器人主体顶部设有脐带缆连接有水面通讯浮标，且水面通讯浮标内固定安装有北斗定位模块，且水面通讯浮标与通信基站引到对应水面位置。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述机器人主体前端与双摄像头一侧对应为设有密封钢化透光罩，所述机器人主体全段两侧均设有支撑筋。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述机器人主体还包括微控制器，且微控制器输出端分别连接有动力系统、传感器模块、机器视觉模块和攻击模块，且动力系统为多个水下螺旋桨，传感器模块包括陀螺仪和温深水下传感器，所述机器视觉模块用于获取水下视野摄像和物标识别摄像，所述攻击模块包括船舷侧鱼类和线缆件。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述微控制器型号为STM32F7，所述机器视觉模块为OPEN MV视觉模块，且视觉模块利用神经网络识别水中物标的光学特征。

一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人通信方法，具体包括机器人主体在获取动力系统、传感器模块、机器视觉模块和攻击模块数据后通过脐带线缆数据传输至水面通讯浮标内，此时位于水面通讯浮标内的北斗定位模块通过无线数据传输至岸上通讯基站，岸上通讯基站将传感器数据传输至上位机，上位机通过判断传感器数据后通过控制命令传输至岸上通讯基站并通过水面通讯浮标对机器人主体进行控制操作。

一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人控制系统，包括上位机软件和下位机软件，所述上位机软件为基于Vs的C语言控制系统，且上位软件包括与下位机无线通信模块、调用百度地图模块、手柄控制信号收发模块、经纬度、深度、航向、模式显示模块和视频信号接收模块，用于实现对机器人的控制。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述下位机软件为基于Keil的下位机控制系统，且下位机软件包括运动控制模块、传感器信号处理接收模块、上位机无线通信模块和舵机以及探照灯控制模，且上位机无线通信模块与下位机无线通信模块通信连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述上位软件控制机器人主体分为手柄控制、自主巡航和物标跟随。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过设计的机器人主体头部的交叉横向竖向电机实现斜向上45度的X型动力布局，提高机器人主体移动安全性和稳定性，并且通过多功能的控制系统及上位机实现不同模式下的自由切换操作，同时通过设置脐带缆与水面通信浮标连接实现对北斗定位信号和岸基通信的信号强度，有利于保持机器人主体水下通信的性能，并且通过柔性脐带缆带动通信浮标的运动降低对通信线缆的限制性，满足有远距离工作通信的信号传输需要，并且降低对声学和磁通信的技术依赖，避免水下通信导致水下机器人的成本增大。

2、本发明中，机器人主体主要通过上位机实现对水下机器人的设计控制，传感器判断机器人周围的情况并实时通过全双工通信实现岸上人员掌握水下机器各类情况，采用北斗定位模块，总体结构采用流线型外壳，两侧分别布置垂直推进器以及水平推进器，前端布置有两个图像识别摄像头进行图像采集，能够以5次/秒获取距离或角度偏差量，采用质心检测和线性回归算法，结合搭载的深度、姿态传感器，利用闭环控制算法实现了在水下复杂环境中保持稳定和自主航行的能力。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人的拆分爆炸结构示意图；

图2为本发明提出的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人的立体结构示意图；

图3为本发明提出的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人通讯方法的逻辑框图；

图4为本发明提出的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人的定位模块原理图；

图5为本发明提出的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人控制系统的的软件逻辑图；

图6为本发明提出的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人侧视立体图。

图例说明：

1、机器人主体；2、探照灯；3、纵向电机；4、双摄像头；5、支撑筋；6、鱼雷模块；7、鱼雷安装架；8、尾鳍模块；9、横向电机；10、交叉横向竖向电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人，包括机器人主体1，所述机器人主体1两侧均固定连接有纵向电机3，所述机器人主体1尾部一侧固定安装有横向电机9，所述机器人主体1尾部四角处均固定连接有若干尾鳍模块8，且机器人主体1外部两侧远离横向电机9的对应位置固定安装有两个鱼雷安装架7，所述鱼雷安装架7一侧固定安装有鱼雷模块6，所述机器人主体1前端一侧设有两个交叉横向竖向电机10，所述机器人主体1前端固定安装有双摄像头4，所述机器人主体1顶部设有脐带缆连接有水面通讯浮标，且水面通讯浮标内固定安装有北斗定位模块，且水面通讯浮标与通信基站引到对应水面位置，所述机器人主体1前端与双摄像头4一侧对应为设有密封钢化透光罩，所述机器人主体1全段两侧均设有支撑筋5，所述机器人主体1还包括微控制器，且微控制器输出端分别连接有动力系统、传感器模块、机器视觉模块和攻击模块，且动力系统为多个水下螺旋桨，传感器模块包括陀螺仪和温深水下传感器，所述机器视觉模块用于获取水下视野摄像和物标识别摄像，所述攻击模块包括船舷侧鱼类和线缆件，所述微控制器型号为STM32F7，所述机器视觉模块为OPEN MV视觉模块，且视觉模块利用神经网络识别水中物标的光学特征。

实施方式具体为：密封钢化透光罩能够实现透光照射需要，置于水下机器人内部防水壳体中的主控制器，手柄控制模式下，各个传感器通过不同的数据处理方式采集后由串口将数据传输至主控板，在由主控板统一打包后通过水上浮标发送给岸上基站，岸上人员通过上位机显示的数据下达指令，控制机器人的动作及姿态，其中，上行数据帧17位，下行数据帧10位，自主巡航模式下，主板会依靠陀螺仪的数据和最后存储的上位机指令进行自主航行，通过PID算法调整姿态，PID算法为，即利用反馈来检测偏差信号，并通过偏差信号来控制被控量。而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和，并可以读取记录的指令进行返航，当陀螺仪出现较大偏转，无法正确判断方位时，主板会将此时的北斗定位数据上传以便于机器人的回收维修，物标跟随模式下，主板接受来自OPENMV摄像通过识别—锁敌—跟踪得到的指令直接控制电机的转向转速，从而达到跟踪的目的，机器人主体1工作方式分为手柄控制、自主巡航、物标跟随三种。机器人执行近距离探查任务时，通过摇杆进行人工操纵，灵活探测水下区域。执行近海巡防任务时，可通过北斗模块按照设定轨迹进行长时间自主航行。在航行过程中，若发现水下目标，可选用机器人物标跟随模式，锁定跟踪目标，择机对其进行打击摧毁，考虑机器人在水下航行时的阻力大小，要求其能够保证稳定的姿态，通过平衡重力与浮力使水下机器人实现零浮力状态进行总体设计，总体结构采用流线型外壳，两侧分别布置垂直推进器以及水平推进器。

一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人通信方法，具体包括机器人主体1在获取动力系统、传感器模块、机器视觉模块和攻击模块数据后通过脐带线缆数据传输至水面通讯浮标内，此时位于水面通讯浮标内的北斗定位模块通过无线数据传输至岸上通讯基站，岸上通讯基站将传感器数据传输至上位机，上位机通过判断传感器数据后通过控制命令传输至岸上通讯基站并通过水面通讯浮标对机器人主体1进行控制操作。

一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人控制系统，包括上位机软件和下位机软件，所述上位机软件为基于Vs的C语言控制系统，且上位软件包括与下位机无线通信模块、调用百度地图模块、手柄控制信号收发模块、经纬度、深度、航向、模式显示模块和视频信号接收模块，用于实现对机器人的控制，所述下位机软件为基于Keil的下位机控制系统，且下位机软件包括运动控制模块、传感器信号处理接收模块、上位机无线通信模块和舵机以及探照灯2控制模，且上位机无线通信模块与下位机无线通信模块通信连接，所述上位软件控制机器人主体1分为手柄控制、自主巡航和物标跟随。

实施方式具体为：且优选的陀螺仪型号为JY901陀螺仪

JY901在9600的波特率下通过UART4向STM32F7传输加速度3维，角速度3维，角度3维，格式算法如下(以x轴为例)：

加速度：ax＝((AxH<<8)|AxL)/32768*16g(g为重力加速度，可取9.8m/s2)

角速度：wx＝((wxH<<8)|wxL)/32768*2000(°/s)

角度：滚转角(x轴)Roll＝((RollH<<8)|RollL)/32768*180(°)，优选的压力传感器型号为MS5837压力传感器；

MS5837压力传感器布置在内壳层表面，深度解算板上将I² C协议转换为TTL协议把水深和温度后传给主板，用于上位机的显示和加入PID数据计算。

动力模块为5个350W D80无刷电机通过电调驱动器接收来自主板的PWM波信号进行调速换向，通过电池的24V用电源控制板供电；主板使能2个定时器4个通道由于输出PWM波，信号的来源为：闭环PID控制，上位机直接遥控，openMV控制。

优选的通讯模块为ATK-HC05蓝牙串口模块模块通过TTL电平进行上下位机的通信，主要形式为十六进制数据帧，由于串口通信不方便传输视频数据，就通过5.8G图传发射器接收器将广角摄像头的影像通过单独的视频线路传送给上位机视频窗口，两条线路互不影响；

优选的定位模块为ATGM336H-5N定位模块置于浮标上，通过总通信缆与主控板相连，当接收到定位数据时，使能UART2串口进行经纬度信息接收转换，通过主板的计算压缩成4帧16进制数据后发送给上位机，上位机再通过标准地理坐标转换成BD09坐标，再将其显示在地图上；

攻击模块为鱼雷，通过主板控制舵机拉动引信，然后利用压缩空气将鱼雷推出，鱼雷体的头部有三种：战斗部，装水下炸药用于破坏，靶向部，通过明显的声光特性作为目标，定位部，用较小的推力推出后迅速上浮，进行北斗定位辅助惯性导航校准。当机器人在水底遇到紧急问题时，还可不开保险将压缩空气挤入水柜进行快速上浮；

物标识别模块，OPEN MV视觉模块利用神经网络识别水中物标的光学特征并将电机的动作指令传递给主控板从而实现对可疑物标的跟踪，在视觉模块内部按照摄像头获取的图像判断运动方式，例如：捕捉的物标上移则驱动电机向上运动；变小则加速前进；右移则向右运动。并结合广角摄像头让上位机操作者了解目前机器人的水下视野情况；

所述传感器的参考性能参数如表1所示:

表1

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人，包括机器人主体(1)，其特征在于，所述机器人主体(1)两侧均固定连接有纵向电机(3)，所述机器人主体(1)尾部一侧固定安装有横向电机(9)，所述机器人主体(1)尾部四角处均固定连接有若干尾鳍模块(8)，且机器人主体(1)外部两侧远离横向电机(9)的对应位置固定安装有两个鱼雷安装架(7)，所述鱼雷安装架(7)一侧固定安装有鱼雷模块(6)，所述机器人主体(1)前端一侧设有两个交叉横向竖向电机(10)，所述机器人主体(1)前端固定安装有双摄像头(4)，所述机器人主体(1)顶部设有脐带缆连接有水面通讯浮标，且水面通讯浮标内固定安装有北斗定位模块，且水面通讯浮标与通信基站引到对应水面位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人，其特征在于，所述机器人主体(1)前端与双摄像头(4)一侧对应为设有密封钢化透光罩，所述机器人主体(1)全段两侧均设有支撑筋(5)。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人控制系统，其特征在于，所述机器人主体(1)还包括微控制器，且微控制器输出端分别连接有动力系统、传感器模块、机器视觉模块和攻击模块，且动力系统为多个水下螺旋桨，传感器模块包括陀螺仪和温深水下传感器，所述机器视觉模块用于获取水下视野摄像和物标识别摄像，所述攻击模块包括船舷侧鱼类和线缆件。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人，其特征在于，所述微控制器型号为STM32F7，所述机器视觉模块为OPEN MV视觉模块，且视觉模块利用神经网络识别水中物标的光学特征。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人通信方法，其特征在于，具体包括机器人主体(1)在获取动力系统、传感器模块、机器视觉模块和攻击模块数据后通过脐带线缆数据传输至水面通讯浮标内，此时位于水面通讯浮标内的北斗定位模块通过无线数据传输至岸上通讯基站，岸上通讯基站将传感器数据传输至上位机，上位机通过判断传感器数据后通过控制命令传输至岸上通讯基站并通过水面通讯浮标对机器人主体(1)进行控制操作。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人控制系统，其特征在于，包括上位机软件和下位机软件，所述上位机软件为基于Vs的C语言控制系统，且上位软件包括与下位机无线通信模块、调用百度地图模块、手柄控制信号收发模块、经纬度、深度、航向、模式显示模块和视频信号接收模块，用于实现对机器人的控制。

7.根据权利要求6所述的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人控制系统，其特征在于，所述下位机软件为基于Keil的下位机控制系统，且下位机软件包括运动控制模块、传感器信号处理接收模块、上位机无线通信模块和舵机以及探照灯(2)控制模，且上位机无线通信模块与下位机无线通信模块通信连接。

8.根据权利要求6所述的一种基于北斗定位具有脐带缆的智能水下机器人控制系统，其特征在于，所述上位软件控制机器人主体(1)分为手柄控制、自主巡航和物标跟随。