水下機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及水下航行器領域，旨在提供一種水下機器人。該水下機器人包括結構系統、控制與導航系統、任務載荷系統和用戶操作系統；控制與導航系統包括自動駕駛模塊、自主導航模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)傳感器模塊、深度傳感器、通訊模塊、應急模塊和通信電子線路；結構系統包括載體框架、耐壓艙、耐壓前罩、推進器和電池；用戶操作系統由用戶終端及輔助部件組成。本實用新型尺寸小，重量輕，操作簡便，無需吊車、船等其它設備輔助，沒有任何專業(yè)背景的個人即可操作。價格低廉，面向大眾消費群體。能夠完成水下攝像、水下照相、水下游戲等功能，具有很強的娛樂性、實用性和趣味性。具有智能，能夠自動完成水下攝像任務，無需人員幫助。
【專利說明】
水下機器人
技術領域
[0001] 本實用新型涉及水下航行器領域，尤其涉及一種水下機器人。
【背景技術】
[0002] 機器人技術是一種新興的智能制造技術，在國內外受到廣泛應用。大疆無人機和 云洲智能無人船的興起就說明了這一點。自主水下機器人是一種能夠在水面以下幾米甚至 上千米、上萬米深度進行自主航行的機器人，具有自動航行、自主導航、自主執(zhí)行水下任務 的能力。與無人機、無人車和無人船相比，自主水下機器人所處的任務環(huán)境更加復雜，所使 用的傳感器和推進系統也有不同。具體表現在：1)高頻無線電波在水下十幾米以下深度無 法使用，將會導致操作人員與水下機器人難以保持良好的通信聯系;而采用水聲通信機，不 僅成本高，且通信速率和容量都無法與無線電波相比；2)電子元部件等任何非水密電子部 件、機械部件、推進部件均須做水密、耐壓保護，否則將發(fā)生滲水、漏水導致不能正常水下航 行。
[0003] 目前，水下機器人用戶基本上全部是國家、地方或者企業(yè)、高校，價格十分昂貴，體 積和重量都很大，裝載的傳感器為科學儀器，所以面向大眾用戶的水下機器人出現空白。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提供一種水下機器人。
[0005] 為解決技術問題，本實用新型的解決方案是：
[0006] 提供一種水下機器人，包括結構系統、控制與導航系統、任務載荷系統和用戶操作 系統；
[0007] 所述結構系統包括載體框架、耐壓艙、耐壓前罩、推進器和電池;其中，耐壓艙和耐 壓前罩均固定于載體框架中；耐壓艙有兩個，分別為前端耐壓艙和后端耐壓艙，均由亞克力 管制成;耐壓前罩由玻璃鋼制成，耐壓前罩、前端耐壓艙和后端耐壓艙依次布置;所述控制 與導航系統設于前端耐壓艙中，電池則安裝在后端耐壓艙中；推進器共有4個，其中2個分別 安裝在載體框架中部位置的左右兩側，另2個推進器分別安裝在載體框架尾部的左右兩側；
[0008] 所述控制與導航系統包括自動駕駛模塊、自主導航模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)傳感 器模塊、深度傳感器、通訊模塊、應急模塊、和通信電子線路;各模塊和電路的連接關系是： 自動駕駛模塊通過通信電子線路分別連接連接自主導航模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)傳感器 模塊、深度傳感器、通訊模塊、應急模塊，實現數據通信和供電；自動駕駛模塊設有電磁繼電 器，用于控制自主導航模塊、姿態(tài)傳感器模塊、深度傳感器、通訊模塊和應急模塊的供電電 源通斷。
[0009] 所述任務載荷系統包括DSP(數字信號處理器）、FPGA(現場可編程門陣列）、攝像 機、照相機、燈、紅外傳感器、激光傳感器和磁力傳感器;其中，DSP和FPGA安裝在前端耐壓艙 中，攝像機、照相機、燈、紅外傳感器、激光傳感器和磁力傳感器安裝在耐壓前罩內；DSP通過 水密連接器分別連接激光傳感器和磁力傳感器，FPGA通過水密連接器分別連接攝像機、照 相機、燈和紅外傳感器，FPGA和DSP分別與自動駕駛模塊相連；
[0010] 所述用戶操作系統由用戶終端及輔助部件組成；用戶終端是具有觸摸可視化屏幕 和無線通信接口的遙控設備，能通過無線通信方式與水下機器人實現信號傳遞;輔助部件 包括耳機和手寫筆。
[0011] 本實用新型中，所述電池采用NICJOY耐杰12V鋰電池;所述推進器采用12V、30W有 刷直流電機和雙葉螺旋槳，直流電機具有水下動密封結構；所述自動駕駛模塊采用 STM32F103ZET6單片機，并連接了 64M的SD存儲卡；所述通訊模塊采用GSM小吸盤無線電天 線;所述姿態(tài)傳感器模塊采用GY-801三軸磁場加速度陀螺儀大氣壓強模塊;所述深度傳感 器采用YF-CS300D低功耗壓力傳感器;所述磁力傳感器采用HMC5883三維磁力傳感器，且由 無磁性材料制成的密封艙封閉；所述DSP采用TMS320F28335型號的產品；所述FPGA采用 EP4CE10E22C8N型號的產品；所述攝像機采用炫光M800攝像頭，其左右兩端各安裝一個燈； 所述照相機采用Canon/佳能IXUS160;所述紅外傳感器采用GP2Y0A02YK0F夏普紅外測距傳 感器;所述激光傳感器采用M18漫反射激光傳感器;所述觸摸可視化屏幕采用諾基亞Lumia 630 635 638RM-1010 978觸摸屏；所述無線通信接口采用ED頂AX EW-7811Un迷你 USB無線 網卡。
[0012] 本實用新型中，所述水下機器人的外形是下述形狀中的任意一種：魚雷形、立扁 形、平扁形、蝶形、雙體結構或三體結構。
[0013] 本實用新型中，所述水下機器人長度為30cm，重量為10kg。
[0014] 本實用新型中，所述自動駕駛模塊還包括與通訊模塊相連的接口，用于與水下互 聯網、云計算系統、人工智能系統或水下物聯網的設備與系統實現對接。
[0015] 本實用新型中，所述自動駕駛模塊中包括機動控制器。
[0016] 本實用新型中，所述自動駕駛模塊中包括升降控制器。
[0017] 與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果及優(yōu)點：
[0018] 1.本實用新型尺寸小，重量輕，操作簡便，無需吊車、船等其它設備輔助，沒有任何 專業(yè)背景的個人即可操作。
[0019] 2.本實用新型價格低廉，面相大眾消費群體，能夠讓每個工作者有能力消費。
[0020] 3.本實用新型能夠完成水下攝像、水下照相、水下游戲等功能，具有很強的娛樂 性、實用性和趣味性。
[0021] 4.本實用新型具有智能，能夠自動完成水下攝像任務，無需人員幫助。
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型的組成和功能不意圖；
[0023]圖2是本實用新型的用戶操控示意圖；
[0024]圖3是本實用新型的水下機器人工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0025]首先需要說明的是，本實用新型涉及機器人技術。在本實用新型的實現過程中，可 能會涉及到多個軟件功能模塊的應用。
【申請人】認為，如在仔細閱讀申請文件、準確理解本實 用新型的實現原理和實用新型目的以后，在結合現有公知技術的情況下，本領域技術人員 完全可以運用其掌握的軟件編程技能實現本實用新型。凡本實用新型申請文件提及的均屬 此范疇，
【申請人】不一一列舉。另外，本實用新型的實現依賴于多種電子元器件的應用，而這 些電子元器件均為現有技術，且有成熟產品可市場購置獲得，例如下面提到的自動駕駛模 塊、自主導航模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)傳感器模塊、深度傳感器、通訊模塊、應急模塊、電磁 繼電器、DSP、FPGA、紅外傳感器、激光傳感器和磁力傳感器等等。
[0026]本實用新型在總體設計方面，根據水下機器人組成和功能結構劃分將水下機器人 分為結構系統、控制與導航系統、任務載荷系統和用戶操作系統，其組成和原理如圖1所示。 裝載了任務載荷系統的耐壓艙能實現更換，可根據任務要求更換相應的載荷系統。本實用 新型的載體形式采用開放式框架結構和流線型外形。對于水下機器人外形而言，高立扁外 形相比于魚雷形、球形等外形，具有尺寸小、阻力性能好、航速較高、垂直運動能力強等優(yōu) 點。水下機器人長度為30cm，重量為10kg。載體框架可以選用玻璃鋼，這類材料與金屬和木 材相比，具有高的比強度、無磁性、不腐蝕、能防蛀、低成本等優(yōu)點，通過水動力分析、耐波性 計算和水池試驗進行驗證。按照續(xù)航力、航速、任務等指標要求，進行動力需求分析，計算所 需理論功率，為動力設備選取提供依據。借鑒現有自主水下機器人動力技術，采用鋰電池和 螺旋槳推進器作為主動力設備，具有效率高、環(huán)保、可正反轉運行、抗沖擊性好、易于自動控 制等優(yōu)點。在任務模塊接口方面，將從安裝、供電、通信接口、控制命令、驅動裝置等角度，為 任務模塊開發(fā)一套便捷轉換接口。
[0027]本實用新型的具體描述如下：
[0028] 水下機器人包括結構系統、控制與導航系統、任務載荷系統和用戶操作系統；
[0029] 所述結構系統包括載體框架、耐壓艙、耐壓前罩、推進器和電池;其中，耐壓艙和耐 壓前罩均固定于載體框架中；耐壓艙有兩個，分別為前端耐壓艙和后端耐壓艙，均由亞克力 管制成;耐壓前罩由玻璃鋼制成，耐壓前罩、前端耐壓艙和后端耐壓艙依次布置;所述控制 與導航系統設于前端耐壓艙中，電池則安裝在后端耐壓艙中；推進器共有4個，其中2個分別 安裝在載體框架中部位置的左右兩側，另2個推進器分別安裝在載體框架尾部的左右兩側；
[0030] 所述控制與導航系統包括自動駕駛模塊、自主導航模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)傳感 器模塊、深度傳感器、通訊模塊、應急模塊（用于實現自救功能)和通信電子線路;各模塊和 電路的連接關系是：自動駕駛模塊通過通信電子線路分別連接自主導航模塊、電機驅動模 塊、姿態(tài)傳感器模塊、深度傳感器、通訊模塊、應急模塊，實現數據通信和供電；自動駕駛模 塊設有電磁繼電器，用于控制自主導航模塊、姿態(tài)傳感器模塊、深度傳感器、通訊模塊和應 急模塊的供電電源通斷。
[0031] 所述任務載荷系統包括DSP(數字信號處理器）、FPGA(現場可編程門陣列）、攝像 機、照相機、燈、紅外傳感器、激光傳感器和磁力傳感器;其中，DSP和FPGA安裝在前端耐壓艙 中，攝像機、照相機、燈、紅外傳感器、激光傳感器和磁力傳感器安裝在耐壓前罩內；DSP通過 水密連接器分別連接激光傳感器和磁力傳感器，FPGA通過水密連接器分別連接攝像機、照 相機、燈和紅外傳感器，FPGA和DSP分別與自動駕駛模塊相連；
[0032] 所述用戶操作系統由用戶終端及輔助部件組成；用戶終端是具有觸摸可視化屏幕 和無線通信接口的遙控設備，能通過無線通信方式與水下機器人實現信號傳遞;輔助部件 包括耳機和手寫筆。
[0033] 各設備的選型：所述電池采用NICJOY耐杰12V鋰電池;所述推進器采用12V、30W有 刷直流電機和雙葉螺旋槳，直流電機具有水下動密封結構；所述自動駕駛模塊采用 STM32F103ZET6單片機，并連接了 64M的SD存儲卡；所述通訊模塊采用GSM小吸盤無線電天 線;所述姿態(tài)傳感器模塊采用GY-801三軸磁場加速度陀螺儀大氣壓強模塊;所述深度傳感 器采用YF-CS300D低功耗壓力傳感器;所述磁力傳感器采用HMC5883三維磁力傳感器，且由 無磁性材料制成的密封艙封閉；所述DSP采用TMS320F28335型號的產品；所述FPGA采用 EP4CE10E22C8N型號的產品；所述攝像機采用炫光M800攝像頭，其左右兩端各安裝一個燈； 所述照相機采用Canon/佳能IXUS160;所述紅外傳感器采用GP2Y0A02YK0F夏普紅外測距傳 感器;所述激光傳感器采用M18漫反射激光傳感器;所述觸摸可視化屏幕采用諾基亞Lumia 630 635 638 RM-1010 978觸摸屏;所述無線通信接口采用EDIMAX EW-781 IUn迷你 USB無線 網卡。
[0034] 水下機器人的外形是下述形狀中的任意一種:魚雷形、立扁形、平扁形、蝶形、雙體 結構或三體結構。水下機器人長度為30cm，重量為10kg。
[0035] 自動駕駛模塊還包括與通訊模塊相連的接口，用于與水下互聯網、云計算系統、人 工智能系統或水下物聯網的設備與系統實現對接。
[0036] 自動駕駛模塊中包括機動控制器。機動控制器的垂直面的縱傾力矩控制輸出量可 以通過下述公式計算獲得：
[0037]
[0038] 上述公式中：
[0039] τΜ是垂直面的縱傾力矩，是控制輸出量;Θ是水下機器人的當前縱傾角，0(1是水下機 器人當前的目標縱傾角，兩者均為水下機器人的狀態(tài)量，能通過水下機器人的姿態(tài)傳感器 測量和計算得到；（9_0 d)是水下機器人的縱傾角誤差，q是水下機器人的垂直角速率，兩者 為控制輸入量;Κρθ2是水下機器人的縱傾角誤差系數，Kde 2是水下機器人的垂直角速率系數， BGzW sin0是水下機器人的重力/浮力垂直靜力矩，三者能通過試驗測定獲得，是已知參數。
[0040] 自動駕駛模塊中包括升降控制器。升降控制器力的控制輸出量可以通過下述公式 計算獲得：
[0042] 兵屮，定·且囬的力*哞刀，定性市I」獅出M; U定水下機器人的當前深度，Dd是水下 機器人當前的目標深度，兩者是水下機器人的狀態(tài)量，能通過水下機器人的深度傳感器測
[0041]
量和計算得到；（D-Dd)是水下機器人的深度誤差 I水下機器人的升降速率，兩者是控 制輸入量;KP是水下機器人的深度誤差系數，Kd是承卜機器人的垂直角速率系數，K1是水下 機器人的深度誤差積分系數J(D-0d)dt是深度誤差積分，均能通過試驗測定獲得，是已知 參數。
[0043]用戶操控原理如圖2所示，本實用新型的用戶操控模塊具有與水下機器人的無線 通信接口，實現載體控制單元與任務模塊的雙向數據傳輸和通信。用戶具有觸摸屏幕、按鈕 和無線通信接口，安裝有我們所自行開發(fā)的用戶操控軟件。用戶可將操控指令通過用戶終 端通信接口以網絡、藍牙等無線方式發(fā)送給水下機器人自動駕駛模塊，來操控淺水航行的 水下機器人，從而實現用戶終端對水下機器人的各種交互和信息傳輸等功能。
[0044]水下機器人工作如圖3所示，使用者持用戶終端1向本實用新型的水下機器人發(fā)送 長波指令，水下機器人由耐壓艙6內的電池提供電能，利用耐壓艙7內的自主導航模塊計算 位置，然后再利用耐壓艙7內的自動駕駛模塊調節(jié)推進器2、3、4、5的推力和力矩，實現自主 航行;耐壓艙6內的電池為機器人提供電子部件動力、任務模塊動力和推進器動力，支持機 器人長時間水下續(xù)航。耐壓前罩11內的燈8和9、照相機、攝像機11、激光傳感器和紅外傳感 器等任務模塊進行觀測或作業(yè)，例如照相機任務模塊可完成水下數百張高清晰拍照，攝像 機任務模塊可完成全方位高清晰水下攝影。
【主權項】
1. 一種水下機器人，包括結構系統、控制與導航系統、任務載荷系統和用戶操作系統； 其特征在于， 所述結構系統包括載體框架、耐壓艙、耐壓前罩、推進器和電池;其中，耐壓艙和耐壓前 罩均固定于載體框架中；耐壓艙有兩個，分別為前端耐壓艙和后端耐壓艙，均由亞克力管制 成;耐壓前罩由玻璃鋼制成，耐壓前罩、前端耐壓艙和后端耐壓艙依次布置;所述控制與導 航系統設于前端耐壓艙中，電池則安裝在后端耐壓艙中；推進器共有4個，其中2個分別安裝 在載體框架中部位置的左右兩側，另2個推進器分別安裝在載體框架尾部的左右兩側； 所述控制與導航系統包括自動駕駛模塊、自主導航模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)傳感器模 塊、深度傳感器、通訊模塊、應急模塊和通信電子線路;各模塊和電路的連接關系是：自動駕 駛模塊通過通信電子線路分別連接自主導航模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)傳感器模塊、深度傳 感器、通訊模塊、應急模塊，實現數據通信和供電；自動駕駛模塊設有電磁繼電器，用于控制 自主導航模塊、姿態(tài)傳感器模塊、深度傳感器、通訊模塊和應急模塊的供電電源通斷； 所述任務載荷系統包括DSP、FPGA、攝像機、照相機、燈、紅外傳感器、激光傳感器和磁力 傳感器;其中，DSP和FPGA安裝在前端耐壓艙中，攝像機、照相機、燈、紅外傳感器、激光傳感 器和磁力傳感器安裝在耐壓前罩內；DSP通過水密連接器分別連接激光傳感器和磁力傳感 器，FPGA通過水密連接器分別連接攝像機、照相機、燈和紅外傳感器，FPGA和DSP分別與自動 駕駛模塊相連； 所述用戶操作系統由用戶終端及輔助部件組成；用戶終端是具有觸摸可視化屏幕和無 線通信接口的遙控設備，能通過無線通信方式與水下機器人實現信號傳遞;輔助部件包括 耳機和手寫筆。2. 根據權利要求1所述的水下機器人，其特征在于，所述電池采用NICJOY耐杰12V鋰電 池;所述推進器采用12V、30W有刷直流電機和雙葉螺旋槳，直流電機具有水下動密封結構； 所述自動駕駛模塊采用STM32F103ZET6單片機，并連接了 64M的SD存儲卡;所述通訊模塊采 用GSM小吸盤無線電天線;所述姿態(tài)傳感器模塊采用GY-801三軸磁場加速度陀螺儀大氣壓 強模塊;所述深度傳感器采用YF-CS300D低功耗壓力傳感器;所述磁力傳感器采用HMC5883 三維磁力傳感器，且由無磁性材料制成的密封艙封閉；所述DSP采用TMS320F28335型號的產 品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型號的產品；所述攝像機采用炫光M800攝像頭，其左右兩 端各安裝一個燈;所述照相機采用Canon/佳能IXUS160;所述紅外傳感器采用GP2Y0A02YK0F 夏普紅外測距傳感器;所述激光傳感器采用M18漫反射激光傳感器;所述觸摸可視化屏幕采 用諾基亞Lumia 630 635 638RM-1010 978觸摸屏；所述無線通信接口采用EDIMAX EW-781 IUn迷你 USB無線網卡。3. 根據權利要求1所述的水下機器人，其特征在于，所述水下機器人的外形是下述形狀 中的任意一種:魚雷形、立扁形、平扁形、蝶形、雙體結構或三體結構。4. 根據權利要求1所述的水下機器人，其特征在于，所述水下機器人長度為30cm，重量 為l〇kg。5. 根據權利要求1所述的水下機器人，其特征在于，所述自動駕駛模塊還包括與通訊模 塊相連的接口，用于與水下互聯網、云計算系統、人工智能系統或水下物聯網的設備與系統 實現對接。6. 根據權利要求1所述的水下機器人，其特征在于，所述自動駕駛模塊中包括機動控制 器。7.根據權利要求1所述的水下機器人，其特征在于，所述自動駕駛模塊中包括升降控制 器。
【文檔編號】G05D1/10GK205540286SQ201620201577
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】冀大雄
【申請人】冀大雄