本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于水下環(huán)境復(fù)雜、水草叢生的混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人。

背景技術(shù)：

淺水域水底也存在著大量的水生植物，水草的生長對(duì)水下機(jī)器人的工作存在一定的干擾。傳統(tǒng)的單一的驅(qū)動(dòng)方式，例如僅用螺旋槳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)水下機(jī)器人到達(dá)一定深度時(shí)，螺旋槳對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)比較大，而且水底水草的存在，會(huì)影響螺旋槳的工作，可能會(huì)出現(xiàn)螺旋槳槳葉卡死的現(xiàn)象，使整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作。現(xiàn)在想辦法替代水底螺旋槳的工作，本文采取螺旋槳加噴泵的混合驅(qū)動(dòng)方式，有效地避免了螺旋槳卡死的現(xiàn)象，在有水草的環(huán)境工作時(shí)，采取噴泵的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使水下機(jī)器人更好的工作。也就是，水下機(jī)器人正常工作時(shí)，在主推力方向，采用螺旋槳來提供主推力，在側(cè)向姿態(tài)的調(diào)整，采用噴泵系統(tǒng)來完成。但當(dāng)水下機(jī)器人進(jìn)入水草等復(fù)雜水生植物區(qū)域時(shí)，采用噴泵系統(tǒng)來代替螺旋槳進(jìn)行姿態(tài)的快速穩(wěn)定調(diào)整。單向泵和電磁閥回路組合而成的噴泵系統(tǒng)，不僅響應(yīng)速度快、噪聲小，實(shí)現(xiàn)了用單向泵來完成雙向控制，在外界擾動(dòng)不大的情況下，實(shí)現(xiàn)了有效的定深和定姿態(tài)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種在復(fù)雜水下環(huán)境下穩(wěn)定拍攝的混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人,以滿足水下動(dòng)植物探測需要。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：本發(fā)明采用球形機(jī)構(gòu)，能夠比較好的適應(yīng)復(fù)雜水下工作環(huán)境，當(dāng)淺水域的涌流和波浪對(duì)水下機(jī)器人產(chǎn)生干擾時(shí)，通過水下機(jī)器人姿態(tài)控制算法和運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)水下機(jī)器人整體姿態(tài)進(jìn)行一級(jí)抗擾調(diào)整；其次通過三軸云臺(tái)對(duì)拍攝平臺(tái)進(jìn)行二級(jí)抗擾調(diào)整；通過兩級(jí)抗擾調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)拍攝平臺(tái)的姿態(tài)控制，保證整個(gè)拍攝作業(yè)過程的連續(xù)性、平穩(wěn)性和完整性。

根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人，包括：一個(gè)水下機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于：所述水下機(jī)器人機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝有一個(gè)主控制系統(tǒng)、一個(gè)電源管理系統(tǒng)、一個(gè)姿態(tài)傳感系統(tǒng)、一個(gè)任務(wù)傳感系統(tǒng)、一個(gè)無線接收裝置、一個(gè)沉浮系統(tǒng)和一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述主控制系統(tǒng)與電源管理系統(tǒng)相連，用于實(shí)現(xiàn)電源的監(jiān)測與電池的管理，所述主控制系統(tǒng)與姿態(tài)傳感系統(tǒng)相連，用于獲得機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)信息，所述主控制系統(tǒng)與任務(wù)傳感系統(tǒng)相連，用于獲得當(dāng)前水下機(jī)器人實(shí)時(shí)的視頻信息等，所述主控制系統(tǒng)與無線接收裝置相連，用于獲得遠(yuǎn)程控制信號(hào)，所述主控制系統(tǒng)與浮沉系統(tǒng)相連，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水深控制，所述主控制系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的推進(jìn)驅(qū)動(dòng)和噴水泵位置調(diào)整功能。所述水下機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括一個(gè)頭部半球罩、十二個(gè)側(cè)噴口、四個(gè)端噴口、一個(gè)后連接器、一個(gè)推進(jìn)器、一個(gè)水袋、兩個(gè)翼板、一個(gè)主殼體、一個(gè)控制系統(tǒng)、一個(gè)前連接器、一個(gè)姿態(tài)傳感器和一個(gè)任務(wù)載荷；其特征在于：所述主殼體連接前后連接器，前連接器連接一個(gè)頭部半球罩；四根連接桿分別插入頭部半球罩上的u形孔，姿態(tài)傳感器通過螺栓擰緊固定在任務(wù)載荷上，任務(wù)載荷通過自身的安裝勾固定在四根連接桿其中兩個(gè)長桿上；在前連接器兩端的外圓柱面各安裝一個(gè)密封圈，四根連接桿通過頭部半球罩上的u形孔，再次插入前連接器的四個(gè)對(duì)應(yīng)通孔，壓緊前連接器兩側(cè)的密封圈使頭部半球罩和前連接器完全配合；所述控制系統(tǒng)的十六根根水管分別通向十二個(gè)個(gè)側(cè)噴口和四個(gè)端噴口；十六根根水管分別通過噴口后使用密封圈和緊固螺母來進(jìn)行密封安裝；所述水袋通過繃帶固定在四根連接桿中間；所述主殼體的內(nèi)圓柱面分別和前連接器、后連接器的外圓柱面配合連接，并壓緊密封圈，使用蓋型螺母緊固；兩根延伸桿通過內(nèi)外螺紋固定在后連接器突起外端上，兩個(gè)固定板通過四個(gè)六角長螺栓固定在延伸桿上，所述推進(jìn)器套進(jìn)固定板內(nèi)，并通過推進(jìn)器上預(yù)留的螺紋孔用螺栓擰緊定位；所述兩個(gè)翼板通過十個(gè)定位螺栓的內(nèi)外螺紋進(jìn)行固定。所述電源管理系統(tǒng)通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個(gè)六角長螺栓固定在后連接器突起外端的延伸桿上；所述電源管理系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)電源的監(jiān)測與電池的管理。所述姿態(tài)傳感系統(tǒng)采用九軸自由度傳感器gy-85，九軸自由度傳感器包括三軸加速度計(jì)adxl345、三軸陀螺儀itg3205和三軸磁力計(jì)hmc5883l；所述姿態(tài)傳感系統(tǒng)通過緊固螺母固定在連接桿上，用于獲得當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能夠姿態(tài)信息和加速度信息，以便于判斷當(dāng)前機(jī)器人所處環(huán)境的涌流驅(qū)動(dòng)情況和自身電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況。所述任務(wù)傳感系統(tǒng)主要包括秀客c30水下防水?dāng)z像機(jī)，該攝像機(jī)通過緊固螺母固定在連接桿上，用于獲得當(dāng)前水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)水下視頻圖像等。所述無線接收裝置通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個(gè)六角長螺栓固定在后連接器突起外端的延伸桿上，用于獲得遠(yuǎn)程控制信號(hào)。所述浮沉系統(tǒng)通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個(gè)六角長螺栓固定在后連接器突起外端的延伸桿上，所述浮沉系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水深控制。所述運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過膠帶固定在固定板上，固定板通過四個(gè)六角長螺栓固定在后連接器突起外端的延伸桿上，所述運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的推進(jìn)驅(qū)動(dòng)和噴水泵位置調(diào)整等功能。

上述主控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：一個(gè)微處理器經(jīng)過電源管理系統(tǒng)連接蓄電池、經(jīng)過位置、速度傳感電路連接直流無刷電機(jī)、連接復(fù)位電路、接口轉(zhuǎn)換電路和功率驅(qū)動(dòng)模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊繼而連接沉浮系統(tǒng),所述接口轉(zhuǎn)換電路連接姿態(tài)傳感系統(tǒng)、任務(wù)傳感系統(tǒng)和無線接收裝置；所述主控制系統(tǒng)用于控制直流無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等控制，在有無水草的兩種情況下，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人更穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步：本發(fā)明采用螺旋槳推進(jìn)器加噴泵的混合驅(qū)動(dòng)方式，如果僅采用單一的螺旋槳推進(jìn)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)水下機(jī)器人到達(dá)一定深度時(shí)，螺旋槳對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)比較大，而且水底水草的存在，會(huì)影響螺旋槳的工作，可能會(huì)出現(xiàn)螺旋槳槳葉卡死的現(xiàn)象，使整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作。所述的混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人采取螺旋槳加噴泵的混合驅(qū)動(dòng)方式，有效地避免了螺旋槳卡死的現(xiàn)象，在有水草的環(huán)境工作時(shí)，采取噴泵的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使水下機(jī)器人更好的工作。

附圖說明

附圖1是混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是圖1示例中混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。

附圖3是圖1示例中主控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框圖。

附圖4是圖1示例中主控制系統(tǒng)的程序流程框圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下：

實(shí)施例一：

如圖1所示，本混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人包括一個(gè)水下機(jī)器人機(jī)構(gòu)（101），所述水下機(jī)器人機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝有一個(gè)主控制系統(tǒng)（102）、一個(gè)電源管理系統(tǒng)（103）、一個(gè)姿態(tài)傳感系統(tǒng)（104）、一個(gè)任務(wù)傳感系統(tǒng)（105）、一個(gè)無線接收裝置（106）、一個(gè)沉浮系統(tǒng)（107）和一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（108），所述主控制系統(tǒng)（102）與電源管理系統(tǒng)（103）相連，用于實(shí)現(xiàn)電源的監(jiān)測與電池的管理，所述主控制系統(tǒng)（102）與姿態(tài)傳感系統(tǒng)（104）相連，用于獲得機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)信息，所述主控制系統(tǒng)（102）與任務(wù)傳感系統(tǒng)（105）相連，用于獲得當(dāng)前水下機(jī)器人實(shí)時(shí)的視頻信息等，所述主控制系統(tǒng)（102）與無線接收裝置（106）相連，用于獲得遠(yuǎn)程控制信號(hào)等，所述主控制系統(tǒng)（102）與浮沉系統(tǒng)（107）相連，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水深控制，所述主控制系統(tǒng)（102）與運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（108）相連，用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的推進(jìn)驅(qū)動(dòng)和噴水泵位置調(diào)整等功能，本混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人可廣泛適用于涌流環(huán)境中水資源信息探測等應(yīng)用。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于：

參見圖2，本混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，完成機(jī)器人支架和本體外蓋保護(hù)等功能，它包括：一個(gè)頭部半球罩（201）、十二個(gè)側(cè)噴口（202）、四個(gè)端噴口（203）、一個(gè)后連接器（206）、一個(gè)推進(jìn)器（210）、一個(gè)水袋（212）、兩個(gè)翼板（214）、一個(gè)主殼體（215）、一個(gè)控制系統(tǒng)（216）、一個(gè)前連接器（218）、一個(gè)姿態(tài)傳感器（220）和一個(gè)任務(wù)載荷（221）。

所述混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人采用推進(jìn)器和噴水泵組合驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)在水下更好地工作。四根連接桿（213）分別插入頭部半球罩（201）上的u形孔，姿態(tài)傳感器（220）通過螺栓擰緊固定在任務(wù)載荷（221）上，任務(wù)載荷（221）通過自身的安裝勾固定在四根連接桿（213）其中兩個(gè)長桿上；在前連接器（218）兩端的外圓柱面各安裝一個(gè)密封圈（217），四根連接桿（213）通過頭部半球罩（201）上的u形孔，再次插入前連接器（218）的四個(gè)對(duì)應(yīng)通孔，壓緊前連接器（218）兩側(cè)的密封圈（217）使頭部半球罩（201）和前連接器（218）完全配合；所述控制系統(tǒng)（216）的十六根水管（204）分別通向十二個(gè)側(cè)噴口（202）和四個(gè)端噴口（203）；十六根水管（204）分別通過噴口（202、203）后使用密封圈和緊固螺母（211）來進(jìn)行密封安裝；所述水袋（212）通過繃帶固定在四根連接桿（213）中間；所述主殼體（215）的內(nèi)圓柱面分別和前連接器（218）、后連接器（206）的外圓柱面配合連接，并壓緊密封圈（217），使用蓋型螺母（207）緊固；兩根延伸桿（209）通過內(nèi)外螺紋固定在后連接器（206）突起外端上，兩個(gè)固定板（208）通過四個(gè)六角長螺栓固定在延伸桿（209）上；所述推進(jìn)器（210）套進(jìn)固定板（208）內(nèi)，并通過推進(jìn)器（210）上預(yù)留的螺紋孔用螺栓擰緊定位；所述兩個(gè)翼板（214）通過十個(gè)定位螺栓（205）的內(nèi)外螺紋進(jìn)行固定。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，特別之處在于：

參見圖3，所述主控制系統(tǒng)（102）的結(jié)構(gòu)：一個(gè)微處理器（301）經(jīng)過電源管理系統(tǒng)（103）連接蓄電池（223）、經(jīng)過位置、速度傳感電路（303）連接直流無刷電機(jī)（304）、連接復(fù)位電路（305）、接口轉(zhuǎn)換電路（306）和功率驅(qū)動(dòng)模塊（307），功率驅(qū)動(dòng)模塊（307）繼而連接沉浮系統(tǒng)（107）,所述接口轉(zhuǎn)換電路（306）連接姿態(tài)傳感系統(tǒng)（104）、任務(wù)傳感系統(tǒng)（105）和無線接收裝置（106）；所述主控制系統(tǒng)（102）用于控制直流無刷電機(jī)（304），實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等控制，在有無水草的兩種情況下，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人更穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

所述微處理器（301）采用美國ti公司的tms320f28035微處理器，內(nèi)含模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得姿態(tài)角數(shù)值，具有pwm脈寬調(diào)制輸出控制功能、ecan增強(qiáng)can總線和eqep增強(qiáng)計(jì)數(shù)器等功能。

所述微處理器（301）與所述接口轉(zhuǎn)換電路（306）相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和總線電平轉(zhuǎn)換等功能；所述微處理器的復(fù)位信號(hào)xrs與上電復(fù)位電路相連。

所述位置傳感電路（303）采用霍爾元件布局于直流無刷電機(jī)中，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的檢測。

所述接口轉(zhuǎn)換電路（306）與所述姿態(tài)傳感系統(tǒng)（104）、所述任務(wù)傳感系統(tǒng)（105）、所述無線接收裝置（106）連接，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和總線電平轉(zhuǎn)換等功能。

所述姿態(tài)傳感系統(tǒng)（104）采用microstrain公司的3dm-gx3姿態(tài)傳感系統(tǒng)，用于獲得機(jī)器人六自由度的速度、加速信息和全球gps定位信息等，為機(jī)器人控制系統(tǒng)提供姿態(tài)參考。

所述任務(wù)傳感系統(tǒng)（105）主要包括可視化三軸云臺(tái)拍攝系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所處水下環(huán)境的實(shí)時(shí)視頻圖像的獲得。

所述無線接收裝置（106），用于接收遠(yuǎn)程發(fā)送來的指令，對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

整個(gè)控制流程如圖4所示。具體過程如下：

（a）設(shè)備初始化；

（b）獲得當(dāng)前溫度、濕度、姿態(tài)、周邊環(huán)境信息；

（c）判斷是否接收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，如果有，則進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制；

（d）判斷前方是否有水草存在，如果沒有，則繼續(xù)以螺旋槳推動(dòng)器為工作動(dòng)力，進(jìn)行水下機(jī)器人運(yùn)行。如果存在水草，則停止螺旋槳工作模式，采用噴泵系統(tǒng)；

（f）判斷前方是否有障礙物，如果存在風(fēng)險(xiǎn)，則運(yùn)行避障模式；

（g）自身狀態(tài)監(jiān)測，判斷是否存在故障，如果有，則通過無線接收裝置發(fā)送當(dāng)前信息和故障信息；

（h）返回（b）運(yùn)行。

以上通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。