基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人及使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，包括水面輔助裝置，水面輔助裝置由隨自主水下航行器同步移動(dòng)的能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置構(gòu)成；能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置均通過(guò)纜線與自主水下航行器相互連接。能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置均設(shè)置在船型結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)身上；機(jī)器人機(jī)身內(nèi)設(shè)置有控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)；控制系統(tǒng)分別與無(wú)線信號(hào)中繼裝置等信號(hào)連接；并通過(guò)控制無(wú)線信號(hào)中繼裝置、能源補(bǔ)給裝置、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器保持在水平方向上的同步移動(dòng)；能源補(bǔ)給裝置分別與無(wú)線信號(hào)中繼裝置等電連接。
【專利說(shuō)明】基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人及使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水面機(jī)器人，特別涉及一種為自主水下航行提供輔助工作的水面輔助機(jī)器人及使用的方法，即基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人及使用方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類對(duì)海洋探索的不斷深入，深海技術(shù)得到了快速發(fā)展，水下航行器作為一種探索海洋的工具其應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。根據(jù)控制方式的不同，水下航行器可分為自主水下航行器和遙控水下航行器，遙控水下航行器是一種在基站的控制之下工作的水下航行器，通過(guò)電纜可進(jìn)行高速通信，并且能輸配電能，但受電纜的長(zhǎng)度的限制，其工作范圍有限；自主水下航行器在無(wú)人操控的情況下進(jìn)行深海作業(yè)，其工作范圍寬，并通過(guò)攜帶大容量蓄電池提高其續(xù)航能力，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間深海工作的自主水下航行器，會(huì)有通信慢、定位不連續(xù)、能量補(bǔ)充困難等問(wèn)題。
[0003]目前，自主水下航行器在深海作業(yè)時(shí)，通信方式采用較多的是水聲通信，其傳輸速度慢，數(shù)據(jù)量小，基本不能完成大量數(shù)據(jù)的高速傳輸，如傳輸高清視頻數(shù)據(jù)、高清圖片數(shù)據(jù)。水面船舶可采用無(wú)線電、衛(wèi)星、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)等進(jìn)行定位導(dǎo)航，而水下航行器在水底基本只能通過(guò)水聲技術(shù)定位，或者浮出水面定位。若采用水聲定位需要水下定位系統(tǒng)配合，并且只能作用于局部海域，當(dāng)在大面積海域作業(yè)時(shí)，水聲定位的實(shí)施難度大；若采用浮出水面定位將會(huì)極大的降低水下航行器的工作效率，而且定位不具有連續(xù)性。航行器的電能補(bǔ)充方式主要有:電磁隔離充電、通過(guò)電纜插頭充電、打撈更換電池。電磁隔離充電能在海平面下通過(guò)電磁感應(yīng)進(jìn)行非接觸式充電，這種充電方式方便，但充電時(shí)間長(zhǎng)，損耗大；電纜插頭充電，其充電速度較快，但是需要將電纜與航行器連接，其操作繁瑣；打撈更換電池可直接安裝滿電電池，但需要打撈和拆裝，并且對(duì)自主水下航行器的密封有不利影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的自主水下航行工作的水面輔助機(jī)器人。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，包括設(shè)置在自主水下航行器上的水面輔助機(jī)裝置；所述水面輔助裝置包括隨自主水下航行器同步移動(dòng)的能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置；所述能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置均通過(guò)纜線與自主水下航行器相互連接。
[0006]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的改進(jìn):所述能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置均設(shè)置在船型結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)身上；所述機(jī)器人機(jī)身內(nèi)設(shè)置有控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)分別與無(wú)線信號(hào)中繼裝置、能源補(bǔ)給裝置、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及自主水下航行器信號(hào)連接；并通過(guò)控制無(wú)線信號(hào)中繼裝置、能源補(bǔ)給裝置、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器保持在水平方向上的同步移動(dòng)；所述能源補(bǔ)給裝置分別與無(wú)線信號(hào)中繼裝置、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及自主水下航行器電連接。
[0007]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn):所述無(wú)線信號(hào)中繼裝置包括無(wú)線電模塊、衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊以及光纜通信模塊；所述光纜通信模塊通過(guò)纜線與自主水下航行器信號(hào)連接；所述能源補(bǔ)給裝置通過(guò)纜線與自主水下航行器電連接；所述控制系統(tǒng)與無(wú)線電模塊、衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊以及光纜通信模塊信號(hào)連接；所述能源補(bǔ)給裝置與控制系統(tǒng)、無(wú)線電模塊、衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊以及光纜通信模塊電連接。
[0008]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn):所述纜線管理系統(tǒng)包括纜線收放器、纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器；所述的纜線收放器為通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)的收放線裝置，所述纜線均勻地纏繞在收放線裝置的卷筒上；所述的纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器與纜線之間信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)纜線傳輸狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；所述纜線收放器和纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器均與控制系統(tǒng)信號(hào)連接；所述纜線內(nèi)集成光纖線、電纜線和監(jiān)測(cè)線；所述纜線收放器和纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器均與能源補(bǔ)給裝置電連接。
[0009]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn):所述運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括推進(jìn)器、運(yùn)動(dòng)控制器；所述推進(jìn)器包括分別設(shè)置在機(jī)器人機(jī)身左、右兩側(cè)的左推進(jìn)器和右推進(jìn)器；所述運(yùn)動(dòng)控制器分別與控制系統(tǒng)、左推進(jìn)器和右推進(jìn)器信號(hào)連接；所述運(yùn)動(dòng)控制器、左推進(jìn)器和右推進(jìn)器均與能源補(bǔ)給裝置電連接。
[0010]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn):所述追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、水聲定位通信模塊和多普勒測(cè)速儀；所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、水聲定位通信模塊和多普勒測(cè)速儀均與控制系統(tǒng)信號(hào)連接，所述自主水下航行器上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)纜線與控制系統(tǒng)信號(hào)連接；
[0011]所述水聲定位通信模塊和多普勒測(cè)速儀均與能源補(bǔ)給裝置電連接，所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)纜線與能源補(bǔ)給裝置電連接。
[0012]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn):所述輔助系統(tǒng)包括均與控制系統(tǒng)信號(hào)連接的自診斷系統(tǒng)和天氣監(jiān)測(cè)器；所述自診斷系統(tǒng)和天氣監(jiān)測(cè)器均與能源補(bǔ)給裝置電連接。
[0013]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn):所述能源補(bǔ)給裝置為主電池組、備用電池組、太陽(yáng)能發(fā)電模塊、變壓穩(wěn)壓器以及電池管理控制器構(gòu)成的能源補(bǔ)給裝置。
[0014]作為對(duì)本發(fā)明所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn):所述控制系統(tǒng)包括控制主板和控制線路；所述控制主板控制各個(gè)模塊的工作，所述控制主板上集成了嵌入式計(jì)算機(jī)、集線器和攝像頭。
[0015]一種自主水下航行器的水面輔助方法:基于水面輔助機(jī)器人完成；所述水面輔助機(jī)器人通過(guò)能源補(bǔ)給裝置獲取電能，并將電能通過(guò)纜線傳輸?shù)阶灾魉潞叫衅?，作為自主水下航行器的可用能源；所述水面輔助機(jī)器人通過(guò)無(wú)線信號(hào)中繼裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的收發(fā)，并通過(guò)纜線傳輸?shù)阶灾魉潞叫衅?，?shí)現(xiàn)自主水下航行器通過(guò)實(shí)時(shí)的無(wú)線信號(hào)交互完成與水面基站的實(shí)時(shí)信號(hào)傳遞；所述水面輔助機(jī)器人通過(guò)控制系統(tǒng)主動(dòng)控制水面輔助機(jī)器人的行動(dòng)軌跡，并保持水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器運(yùn)動(dòng)軌跡在水平方向上一致。
[0016]作為對(duì)本發(fā)明所述的一種自主水下航行器的水面輔助方法的改進(jìn):所述控制系統(tǒng)通過(guò)追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)獲取當(dāng)前的航行環(huán)境以及自主水下航行器的相對(duì)位置；所述控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的航行環(huán)境以及自主水下航行器的相對(duì)位置，經(jīng)纜線管理系統(tǒng)進(jìn)行纜線的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)；通過(guò)能源補(bǔ)給裝置給無(wú)線信號(hào)中繼裝置、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及自主水下航行器提供能源；所述能源補(bǔ)給裝置通過(guò)更換主電池組或備用電池組太陽(yáng)能發(fā)電模塊吸收太陽(yáng)能后發(fā)電等形式來(lái)完成能源補(bǔ)給。
[0017]本發(fā)明的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，一方面，自主水下航行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定自主水下航行器的航向信息；水面輔助機(jī)器人則通過(guò)多普勒測(cè)速儀輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定水面輔助機(jī)器人的航向信息；再通過(guò)聲吶通信器水聲定位系統(tǒng)和聲吶通信器配合使用確定自主水下航行器與水面輔助機(jī)器人的相對(duì)位置，補(bǔ)償慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量誤差；再通過(guò)天氣監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)海面的實(shí)時(shí)天氣狀況；通過(guò)自診斷系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測(cè)水面輔助機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器對(duì)纜線內(nèi)集成的光纖線、電纜線和監(jiān)測(cè)線的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；另外一方面，在獲取上述的機(jī)器人狀態(tài)結(jié)果的同時(shí)，進(jìn)行水面輔助機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)控制:如通過(guò)纜線收放器經(jīng)電機(jī)控制收放線裝置進(jìn)行纜線的收放；通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制左推進(jìn)器和右推進(jìn)器的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)左推進(jìn)器和右推進(jìn)器的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水面輔助機(jī)器人的行程控制；由衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊確定水面輔助機(jī)器人位置信息，再由無(wú)線電模塊實(shí)現(xiàn)水面輔助機(jī)器人與外部操作系統(tǒng)之間的信號(hào)傳遞；外部操作系統(tǒng)的控制信號(hào)經(jīng)無(wú)線電模塊的接收后，再通過(guò)電纜傳輸?shù)阶灾魉潞叫衅鳌?br> [0018]自主水下航行器輸出的信號(hào)首先通過(guò)信號(hào)輸送穩(wěn)定的纜線輸出到水面輔助機(jī)器人，再由水面輔助機(jī)器人將該信號(hào)通過(guò)無(wú)線電模塊將信號(hào)以無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)剿婊荆贿@種方式解決了自主水下航行器遠(yuǎn)程航行的時(shí)候的信息收發(fā)送問(wèn)題。而該水面輔助機(jī)器人上才用的能源補(bǔ)給裝置為太陽(yáng)能系統(tǒng)，通過(guò)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行自身能源的提供，也進(jìn)行自主水下航行器的自主能源補(bǔ)給，增加自主水下航行器的續(xù)航能力；而水面輔助機(jī)器人通過(guò)定位系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在水平方向上與自主水下航行器軌跡的同步運(yùn)行。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]圖1是本發(fā)明的外形俯視示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明的外形仰視示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明的外形主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明的外形俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是本發(fā)明的外形左視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6是本發(fā)明的無(wú)線信號(hào)中繼裝置示意圖；
[0026]圖7是本發(fā)明的纜線收放器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖8是本發(fā)明的纜線截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖9是本發(fā)明的能源補(bǔ)給裝置組成示意圖；
[0029]圖10是本發(fā)明的內(nèi)部系統(tǒng)示意圖；
[0030]圖11是本發(fā)明與自主水下航行器協(xié)同工作示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031]實(shí)施例1、圖1?圖11給出了一種基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人及使用的方法。該使用的方法克服現(xiàn)有技術(shù)中的自主水下航行器續(xù)航能力差、通訊能力弱等不足。
[0032]該基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人采用船型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人機(jī)身100，通過(guò)這種船型的結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人在水面獲得足夠的浮力，使得機(jī)器人可以靜止的停留在水面。在機(jī)器人機(jī)身100上的相應(yīng)位置設(shè)置有控制系統(tǒng)720、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)20、無(wú)線信號(hào)中繼裝置30、纜線管理系統(tǒng)40、能源補(bǔ)給裝置50、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)60以及輔助系統(tǒng)70。
[0033]控制系統(tǒng)720包括控制主板和控制線路；控制主板控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)20、無(wú)線信號(hào)中繼裝置30、纜線管理系統(tǒng)40、能源補(bǔ)給裝置50、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)60以及輔助系統(tǒng)70內(nèi)各個(gè)模塊的工作，控制主板上集成了嵌入式計(jì)算機(jī)722、集線器723和攝像頭。
[0034]運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)20包括推進(jìn)器200和運(yùn)動(dòng)控制器210 ;推進(jìn)器200包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202，如圖2所示；左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202分別設(shè)置在機(jī)器人機(jī)身100下側(cè)面的左邊和右邊；在本發(fā)明的機(jī)器人通過(guò)機(jī)器人機(jī)身100懸浮在水面上的時(shí)候，可以確保左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202全部在水面以下。運(yùn)動(dòng)控制器210與控制系統(tǒng)720之間信號(hào)連接(嵌入式計(jì)算機(jī)722通過(guò)集線器723經(jīng)控制線路與運(yùn)動(dòng)控制器210之間信號(hào)連接)，通過(guò)控制系統(tǒng)720的嵌入式計(jì)算機(jī)722實(shí)施控制指令的發(fā)布，并由運(yùn)動(dòng)控制器210按照預(yù)定的實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)控制左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202進(jìn)行控制指令的實(shí)行。左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202主要有如下的運(yùn)行模式:當(dāng)左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202同時(shí)正轉(zhuǎn)且產(chǎn)生的推力相同時(shí)，機(jī)器人完成直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)；左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202同時(shí)正轉(zhuǎn)并存在速度差時(shí)，機(jī)器人前進(jìn)并帶有轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，左推進(jìn)器201的正推力大于右推進(jìn)器202的正推力時(shí)機(jī)器人向右轉(zhuǎn)向，左推進(jìn)器201的正推力小于右推進(jìn)器202的正推力時(shí)機(jī)器人向左轉(zhuǎn)向；當(dāng)左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202同時(shí)反轉(zhuǎn)且產(chǎn)生的推力相同時(shí)，機(jī)器人完成后退運(yùn)動(dòng)；通過(guò)差分控制推進(jìn)器還可完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0035]無(wú)線信號(hào)中繼裝置30主要是為解決自主水下航行器在水底工作通信定位困難的問(wèn)題。無(wú)線信號(hào)中繼裝置30包括無(wú)線電模塊300、衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊310、光纜通信模塊320，如圖6所示。無(wú)線電模塊300包括垂直天線I 301、垂直天線II 303和水平天線302 ;垂直天線I 301、垂直天線II 303和水平天線302組合使用，用于收發(fā)電磁波。垂直天線I 301、垂直天線II 303和水平天線302均通過(guò)信號(hào)處理后經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，并通過(guò)無(wú)線電模塊300 (垂直天線I 301、垂直天線II 303和水平天線302)與控制系統(tǒng)720 (嵌入式計(jì)算機(jī)722)之間的相互協(xié)作，完成通信以及船舶無(wú)線電定位功能。衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊310可利用GPS或者北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位，并通過(guò)衛(wèi)星與基站通信；衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊310通過(guò)控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，由嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)獲取定位信息后，就可以通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)722經(jīng)左推進(jìn)器201和右推進(jìn)器202進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。光纜通信模塊320通過(guò)控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，嵌入式計(jì)算機(jī)722通過(guò)光纜通信模塊320經(jīng)纜線420 (光纖)與自主水下航行器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收發(fā)。
[0036]纜線管理系統(tǒng)40包括纜線收放器400、纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器410和纜線420 ;通過(guò)基于纜線管理系統(tǒng)40實(shí)現(xiàn)的纜線管理方案，并根據(jù)此方案保證纜線420在不影響自主水下航行器正常工作的前提下盡可能的短，這種將纜線420束縛在自主水下航行器和水面輔助機(jī)器人之間最短距離的方式可以減少自主水下航行器和水面輔助機(jī)器人的運(yùn)行阻力。纜線管理系統(tǒng)40通過(guò)自主水下航行器的深度數(shù)據(jù)以及與水面輔助機(jī)器人的相對(duì)位置來(lái)管理纜線。纜線收放器400由外殼401、伺服電機(jī)402、主卷筒403、引線卡404以及副卷筒405組成，如圖7所示。伺服電機(jī)402安裝在主卷筒403的轉(zhuǎn)軸上且同軸，伺服電機(jī)402無(wú)變速直接驅(qū)動(dòng)主卷筒403轉(zhuǎn)動(dòng)；引線卡404和副卷筒405協(xié)同工作使纜線均勻布置在主卷筒403上；伺服電機(jī)402通過(guò)控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，在嵌入式計(jì)算機(jī)722獲取自主水下航行器的深度數(shù)據(jù)以及與水面輔助機(jī)器人的相對(duì)位置后，確定釋放纜線420的長(zhǎng)度。纜線420集成了光纖線421、電纜線422、監(jiān)測(cè)線423、填充線424、防護(hù)外層425，圖8是纜線的截面圖；防護(hù)外層425內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)線423，監(jiān)測(cè)線423內(nèi)設(shè)置光纖線421和電纜線422，光纖線421和電纜線422與監(jiān)測(cè)線423之間的空間內(nèi)填充填充線424。纜線狀態(tài)檢測(cè)器410通過(guò)檢測(cè)線423判斷纜線420的防護(hù)外層425是否有破損以及破損程度；纜線狀態(tài)檢測(cè)器410通過(guò)控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，纜線狀態(tài)檢測(cè)器410對(duì)纜線420的檢測(cè)結(jié)果發(fā)送到嵌入式計(jì)算機(jī)722，由嵌入式計(jì)算機(jī)722根據(jù)內(nèi)置的程序?qū)|線420的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的操作；而纜線狀態(tài)檢測(cè)器410在獲取纜線420收放的拉力數(shù)據(jù)后，就可以將該纜線420收放的拉力數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧接?jì)算機(jī)722，并由嵌入式計(jì)算機(jī)722通過(guò)伺服電機(jī)402來(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)節(jié)纜線420的收放線速度。
[0037]能源補(bǔ)給裝置50為水面輔助機(jī)器人工作提供電能，為自主水下航行器輸送電能。能源補(bǔ)給裝置50包括主電池組511、備用電池組512、太陽(yáng)能發(fā)電模塊500、變壓穩(wěn)壓器520以及電池管理控制器530，如圖9所示。主電池組511和備用電池組512置于水面輔助機(jī)器人機(jī)身100的內(nèi)部；太陽(yáng)能發(fā)電模塊500主要由太陽(yáng)能光伏板I 501、太陽(yáng)能光伏板II 502、太陽(yáng)能光伏板III 503、太陽(yáng)能光伏板IV 504、太陽(yáng)能光伏板V 505和太陽(yáng)能控制器506組成，通過(guò)太陽(yáng)光發(fā)電；太陽(yáng)能發(fā)電模塊500產(chǎn)生的電能通過(guò)太陽(yáng)能控制器506直接輸送到主電池組511，太陽(yáng)能發(fā)電模塊500所產(chǎn)生的電能基本能滿足自主水下航行器和水面輔助機(jī)器人作業(yè)的供電要求；變壓穩(wěn)壓器520能夠進(jìn)行電壓逆變，提升輸送電壓以減少電能損失；電池管理控制器530管理電能輸配與控制，電池管理控制器530控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)722經(jīng)過(guò)輔助系統(tǒng)70的天氣監(jiān)測(cè)器710獲取的天氣狀況優(yōu)化電能的使用。
[0038]追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)60由水聲定位通信模塊600、多普勒測(cè)速儀610和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)620組成。水聲定位通信模塊600包括水聲探頭I 601、水聲探頭II 602、水聲探頭III603以及信號(hào)收發(fā)處理器604 ;水聲探頭III 603可發(fā)射接收攜帶信息的聲波，水聲通信可作為水面輔助機(jī)器人和自主水下航行器的輔助通信。信號(hào)收發(fā)處理器604分別與水聲探頭I 601、水聲探頭II 602、水聲探頭III 603以及嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接；嵌入式計(jì)算機(jī)722通過(guò)信號(hào)收發(fā)處理器604經(jīng)水聲探頭I 601、水聲探頭II 602、水聲探頭III 603發(fā)出通訊信號(hào)；
[0039]確定水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器的相對(duì)位置的方式一:通過(guò)水聲探頭
I601、水聲探頭II 602、水聲探頭III 603接收到的自主水下航行器發(fā)出的聲波的時(shí)間差來(lái)計(jì)算兩者的相對(duì)位置；
[0040]確定水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器的相對(duì)位置的方式二:水面輔助機(jī)器人通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)620和多普勒測(cè)速儀610進(jìn)行定位，定位數(shù)據(jù)與水下航行器的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算。因存在累計(jì)誤差，此方式作為輔助定位。
[0041]輔助系統(tǒng)70包括自診斷系統(tǒng)700以及天氣監(jiān)測(cè)器710。自診斷系統(tǒng)700集成了溫度傳感器、濕度傳感器、霍爾傳感器以及采集卡；可獲取水面輔助機(jī)器人的工作狀態(tài)參數(shù)，溫度傳感器、濕度傳感器以及霍爾傳感器通過(guò)采集卡由控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，嵌入式計(jì)算機(jī)722通過(guò)溫度傳感器、濕度傳感器以及霍爾傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)判斷，并根據(jù)參數(shù)變化值作出故障判斷。天氣監(jiān)測(cè)器710包括了氣象監(jiān)測(cè)儀I 711、氣象監(jiān)測(cè)儀II 712以及微計(jì)算機(jī)713;氣象監(jiān)測(cè)儀I 711、氣象監(jiān)測(cè)儀
II712均與微計(jì)算機(jī)713信號(hào)連接，微計(jì)算機(jī)713通過(guò)氣象監(jiān)測(cè)儀I 711、氣象監(jiān)測(cè)儀II 712獲取當(dāng)前的天氣數(shù)據(jù)，而微計(jì)算機(jī)713通過(guò)控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接，嵌入式計(jì)算機(jī)722通過(guò)微計(jì)算機(jī)713獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整(如供電等)。
[0042]控制系統(tǒng)720的控制主板721集成了嵌入式計(jì)算機(jī)722、集線器723、主攝像頭724以及底部攝像頭725，主攝像頭724安裝在透光玻璃701下方；底部攝像頭725的光學(xué)鏡頭集成和多普勒測(cè)速儀探頭611 —起安裝。底部攝像頭725和主攝像頭724均通過(guò)控制線路經(jīng)集線器723與嵌入式計(jì)算機(jī)722信號(hào)連接；嵌入式計(jì)算機(jī)722經(jīng)底部攝像頭725和主攝像頭724頭采集的圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)輔助控制，同時(shí)管理控制整個(gè)水面機(jī)器人的運(yùn)行。圖10是各系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0043]圖11是水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器正常工作時(shí)的示意圖，包括:海底1000、自主水下航行器2000、纜線3000、海平面4000、水面輔助機(jī)器人5000。
[0044]最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，包括設(shè)置在自主水下航行器上的水面輔助機(jī)裝置；其特征是:所述水面輔助裝置包括隨自主水下航行器同步移動(dòng)的能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置； 所述能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置均通過(guò)纜線與自主水下航行器相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述能源補(bǔ)給裝置和無(wú)線信號(hào)中繼裝置均設(shè)置在船型結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)身上； 所述機(jī)器人機(jī)身內(nèi)設(shè)置有控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)； 所述控制系統(tǒng)分別與無(wú)線信號(hào)中繼裝置、能源補(bǔ)給裝置、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及自主水下航行器信號(hào)連接；并通過(guò)控制無(wú)線信號(hào)中繼裝置、能源補(bǔ)給裝置、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器保持在水平方向上的同步移動(dòng)； 所述能源補(bǔ)給裝置分別與無(wú)線信號(hào)中繼裝置、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及自主水下航行器電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述無(wú)線信號(hào)中繼裝置包括無(wú)線電模塊、衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊以及光纜通信模塊； 所述光纜通信模塊通過(guò)纜線與自主水下航行器信號(hào)連接； 所述能源補(bǔ)給裝置通過(guò)纜線與自主水下航行器電連接； 所述控制系統(tǒng)與無(wú)線電模塊、衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊以及光纜通信模塊信號(hào)連接； 所述能源補(bǔ)給裝置與控制系統(tǒng)、無(wú)線電模塊、衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊以及光纜通信模塊電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述纜線管理系統(tǒng)包括纜線收放器、纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器； 所述的纜線收放器為通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)的收放線裝置，所述纜線均勻地纏繞在收放線裝置的卷筒上； 所述的纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器與纜線之間信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)纜線傳輸狀態(tài)的監(jiān)測(cè)； 所述纜線收放器和纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器均與控制系統(tǒng)信號(hào)連接； 所述纜線內(nèi)集成光纖線、電纜線和監(jiān)測(cè)線； 所述纜線收放器和纜線狀態(tài)監(jiān)測(cè)器均與能源補(bǔ)給裝置電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括推進(jìn)器、運(yùn)動(dòng)控制器； 所述推進(jìn)器包括分別設(shè)置在機(jī)器人機(jī)身左、右兩側(cè)的左推進(jìn)器和右推進(jìn)器； 所述運(yùn)動(dòng)控制器分別與控制系統(tǒng)、左推進(jìn)器和右推進(jìn)器信號(hào)連接； 所述運(yùn)動(dòng)控制器、左推進(jìn)器和右推進(jìn)器均與能源補(bǔ)給裝置電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、水聲定位通信模塊和多普勒測(cè)速儀； 所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、水聲定位通信模塊和多普勒測(cè)速儀均與控制系統(tǒng)信號(hào)連接，所述自主水下航行器上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)纜線與控制系統(tǒng)信號(hào)連接； 所述水聲定位通信模塊和多普勒測(cè)速儀均與能源補(bǔ)給裝置電連接，所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)纜線與能源補(bǔ)給裝置電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述輔助系統(tǒng)包括均與控制系統(tǒng)信號(hào)連接的自診斷系統(tǒng)和天氣監(jiān)測(cè)器； 所述自診斷系統(tǒng)和天氣監(jiān)測(cè)器均與能源補(bǔ)給裝置電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述能源補(bǔ)給裝置為主電池組、備用電池組、太陽(yáng)能發(fā)電模塊、變壓穩(wěn)壓器以及電池管理控制器構(gòu)成的能源補(bǔ)給裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于自主水下航行器的水面輔助機(jī)器人，其特征是:所述控制系統(tǒng)包括控制王板和控制線路； 所述控制主板控制各個(gè)模塊的工作，所述控制主板上集成了嵌入式計(jì)算機(jī)、集線器和攝像頭。
10.一種自主水下航行器的水面輔助方法，其特征是:基于水面輔助機(jī)器人完成； 所述水面輔助機(jī)器人通過(guò)能源補(bǔ)給裝置獲取電能，并將電能通過(guò)纜線傳輸?shù)阶灾魉潞叫衅?，作為自主水下航行器的可用能源? 所述水面輔助機(jī)器人通過(guò)無(wú)線信號(hào)中繼裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的收發(fā)，并通過(guò)纜線傳輸?shù)阶灾魉潞叫衅?，?shí)現(xiàn)自主水下航行器通過(guò)實(shí)時(shí)的無(wú)線信號(hào)交互完成與水面基站的實(shí)時(shí)信號(hào)傳遞； 所述水面輔助機(jī)器人通過(guò)控制系統(tǒng)主動(dòng)控制水面輔助機(jī)器人的行動(dòng)軌跡，并保持水面輔助機(jī)器人與自主水下航行器運(yùn)動(dòng)軌跡在水平方向上一致。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種自主水下航行器的水面輔助方法，其特征是:所述控制系統(tǒng)通過(guò)追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)獲取當(dāng)前的航行環(huán)境以及自主水下航行器的相對(duì)位置； 所述控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的航行環(huán)境以及自主水下航行器的相對(duì)位置，經(jīng)纜線管理系統(tǒng)進(jìn)行纜線的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)； 通過(guò)能源補(bǔ)給裝置給無(wú)線信號(hào)中繼裝置、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、纜線管理系統(tǒng)、追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及自主水下航行器提供能源； 所述能源補(bǔ)給裝置通過(guò)更換主電池組或備用電池組太陽(yáng)能發(fā)電模塊吸收太陽(yáng)能后發(fā)電等形式來(lái)完成能源補(bǔ)給。
【文檔編號(hào)】B63B35/00GK104369842SQ201410393093
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】唐建中, 謝凱源, 盧石松 申請(qǐng)人:浙江大學(xué), 上海南華蘭陵電氣有限公司