本發(fā)明屬于海洋技術領域，具體涉及一種水下步行機器人測試系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術：

占地球面積71％的海洋與人類關系密切，海洋蘊藏著豐富的可再生資源、生物資源以及礦產資源，特別是在當前陸上資源正在飛速減少的現(xiàn)狀下，海洋的作用將尤為重要，其可以為人類提供可持續(xù)發(fā)展的動力，因此，海洋已成為世界各國重要的戰(zhàn)略目標，也是近些年國際上激烈競爭的焦點。不過，人類對海洋還知之甚少，在整個海洋中有95％的部分人類尚未觸及，因此，對海洋的探測及認識是急需完成的任務。

在認識海洋方面，人類的腳步一直都沒有停歇，近幾十年來，人類取得了豐碩的成果，其中水下機器人的應用對人類認識探索海洋起到了巨大的推動作用。水下機器人大體可以分為：水下載人潛水器(hov)和無人機器人，在無人機器人中應用最廣泛的是無人自治機器人(auv)和遠程遙控機器人(rov)。然而，auv和rov對于抗海流干擾能力不強，對于具有海流的海底環(huán)境，auv和rov的應用受限。水下步行機器人通過多條腿支撐在海底行進，其可以抵抗海流的干擾，水下步行機器人對海流具有良好的適應性，其特別適用于auv和rov所不能有效發(fā)揮作用的具有海流的海底環(huán)境。

在水下步行機器人開發(fā)過程中，需要反復不斷的研究其與海流之間的相互作用關系，根據(jù)對水下步行機器人水動力的分析，通過結構優(yōu)化等方法最終得到在抗流方面最優(yōu)或較優(yōu)的外形結構。通常海試過程復雜且成本高，一般適用于對較成熟的海洋設備進行檢驗驗證，并不適用于上述研究，而對于水下步行機器人水動力特性的研究直接決定機器人在海流環(huán)境的工作能力，因此迫切需要在實驗室環(huán)境中建立一種水下步行機器人測試系統(tǒng)，以完成對水下步行機器人水動力特性的反復研究，以最大限度提高水下步行機器人的抗流能力，從而為成熟的水下步行機器人海試驗證奠定堅實基礎。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種克服以上問題的水下步行機器人測試系統(tǒng)及其工作方法，本發(fā)明可以在實驗室中模擬海流環(huán)境完成水下步行機器人的水動力特性分析。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案如下：

水下步行機器人測試系統(tǒng)，由陸地控制分析系統(tǒng)和水中測試系統(tǒng)組成。

陸地控制分析系統(tǒng)置于陸地上，由工業(yè)控制計算機和陸上無線通訊模塊組成。陸地控制分析系統(tǒng)工業(yè)控制計算機主要完成對水中測試系統(tǒng)的控制及針對其反饋信息進行分析處理；陸上無線通訊模塊與工業(yè)控制計算機連接，用于與水中測試系統(tǒng)進行通訊。

水中測試系統(tǒng)包括水槽、具有姿態(tài)和腳力信息反饋的水下步行機器人、海流檢測部分、水下無線通訊部分、浮動部分和連接電纜部分。海流檢測部分由前置聲學多普勒流速剖面儀和后置聲學多普勒流速剖面儀組成。水下無線通訊部分由第一水下無線通訊模塊、第二水下無線通訊模塊和第三水下無線通訊模塊組成。浮動部分由第一球形漂浮裝置、第二球形漂浮裝置和第三球形漂浮裝置組成。連接電纜部分由第一連接電纜、第二連接電纜和第三連接電纜組成。在水槽底部沿水流方向分別放置前置聲學多普勒流速剖面儀、具有姿態(tài)和腳力信息反饋的水下步行機器人和后置聲學多普勒流速剖面儀；第一球形漂浮裝置、第二球形漂浮裝置和第三球形漂浮裝置依次放于水槽中并漂浮在水槽的水面上；第一水下無線通訊模塊、第二水下無線通訊模塊和第三水下無線通訊模塊分別安裝在第一球形漂浮裝置、第二球形漂浮裝置和第三球形漂浮裝置上；第一連接電纜的一端與前置聲學多普勒流速剖面儀連接，另一端穿過第一球形漂浮裝置與第一水下無線通訊模塊連接；第二連接電纜的一端與后置聲學多普勒流速剖面儀連接，另一端穿過第二球形漂浮裝置與第二水下無線通訊模塊連接；第三連接電纜的一端與具有姿態(tài)和腳力信息反饋的水下步行機器人連接，另一端穿過第三球形漂浮裝置與第三水下無線通訊模塊連接；第一水下無線通訊模塊、第二水下無線通訊模塊和第三水下無線通訊模塊通過無線信號與陸上無線通訊模塊進行通訊。

水下步行機器人測試系統(tǒng)的工作方法如下：

水下步行機器人測試系統(tǒng)的工作方法分為兩種，一種是水下步行機器人靜立水動力測量，另一種是水下步行機器人行走水動力測量。

水下步行機器人靜立水動力測量過程為：測量開始后，首先，在工業(yè)控制計算機中設定水下步行機器人的靜立參數(shù)(包括機器人航向角、橫滾角、俯仰角和機器人高度)及水槽的水流流量參數(shù)，工業(yè)控制計算機基于設定參數(shù)生成水下步行機器人控制指令；然后，陸上無線通訊模塊與第三水下無線通訊模塊進行無線通訊，通過第三連接電纜將控制信號傳遞給水下步行機器人，從而控制水下步行機器人保持設定的靜立狀態(tài)；測試過程中，前置聲學多普勒流速剖面儀所測得的海流數(shù)據(jù)通過第一連接電纜傳遞給第一水下無線通訊模塊，后置聲學多普勒流速剖面儀所測得的海流數(shù)據(jù)通過第二連接電纜傳遞給第二水下無線通訊模塊，水下步行機器人腳力和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過第三連接電纜傳遞給第三水下無線通訊模塊，第一水下無線通訊模塊、第二水下無線通訊模塊和第三水下無線通訊模塊分別通過無線通訊方式將數(shù)據(jù)傳遞給陸上無線通訊模塊，從而傳遞給工業(yè)控制計算機；工業(yè)控制計算機根據(jù)反饋數(shù)據(jù)分析得到水下步行機器人水動力特性，至此一次水下步行機器人靜立水動力測量過程完成，如若重復測試則重新開始不斷循環(huán)整個過程即可。

水下步行機器人行走水動力測量過程為：測量開始后，首先，在工業(yè)控制計算機中設定水下步行機器人的行走參數(shù)(包括機器人航向角、橫滾角、俯仰角，機器人行走速度、機器人高度)及水槽的水流流量參數(shù)，工業(yè)控制計算機基于設定參數(shù)生成水下步行機器人控制指令；然后，陸上無線通訊模塊與第三水下無線通訊模塊進行無線通訊，通過第三連接電纜將控制信號傳遞給水下步行機器人，從而控制水下步行機器人保持設定的行走狀態(tài)；測試過程中，前置聲學多普勒流速剖面儀所測得的海流數(shù)據(jù)通過第一連接電纜傳遞給第一水下無線通訊模塊，后置聲學多普勒流速剖面儀所測得的海流數(shù)據(jù)通過第二連接電纜傳遞給第二水下無線通訊模塊，水下步行機器人的腳力和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過第三連接電纜傳遞給第三水下無線通訊模塊，第一水下無線通訊模塊、第二水下無線通訊模塊和第三水下無線通訊模塊分別通過無線通訊方式將數(shù)據(jù)傳遞給陸上無線通訊模塊，從而傳遞給工業(yè)控制計算機；工業(yè)控制計算機根據(jù)反饋數(shù)據(jù)分析得到水下步行機器人水動力特性，至此一次水下步行機器人行走水動力測量過程完成，如若重復測試則需先控制水下步行機器人回到初始位置，然后再重新開始循環(huán)整個過程。

本發(fā)明可以達到的有益效果：

(1)在實驗室環(huán)境即可實現(xiàn)對水下步行機器人的水動力分析，系統(tǒng)結構簡單、價格低廉、易實現(xiàn)，精度高，可以反復開展試驗；

(2)系統(tǒng)采用兩種方法實現(xiàn)對水下步行機器人水動力特性的測量，一種采用前置聲學多普勒流速剖面儀和后置聲學多普勒流速剖面儀采集到的水流流場信息、分析水下步行機器人水動力特性，另一種采用水下步行機器人反饋的腳力信息完成對水下步行機器人水動力特性的測量，通過這兩種方法的對比驗證及數(shù)據(jù)融合，可以有效提高水下步行機器人水動力特性的測量精度；

(3)采用陸地控制分析系統(tǒng)和水中測試系統(tǒng)分開的實現(xiàn)形式，控制分析系統(tǒng)和水中測試系統(tǒng)之間采用無線通訊方式實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)及控制信號的傳輸，進一步降低了系統(tǒng)的復雜程度，從而提高了系統(tǒng)的可靠性；

(4)本發(fā)明的測試系統(tǒng)不僅可以完成水下步行機器人靜立狀態(tài)的水動力特性分析，還可以完成水下步行機器人行走過程中的水動力測量，從而使系統(tǒng)功能更為豐富，實用性更強。

附圖說明

圖1本發(fā)明的水下步行機器人測試系統(tǒng)示意圖；

圖2本發(fā)明的水下步行機器人測試系統(tǒng)工作方法1流程圖；

圖3本發(fā)明的水下步行機器人測試系統(tǒng)工作方法2流程圖。

圖中：101.工業(yè)控制計算機，201.陸上無線通訊模塊，301.水槽，401.具有姿態(tài)和腳力信息反饋的水下步行機器人，501.前置聲學多普勒流速剖面儀，502.后置聲學多普勒流速剖面儀，601.第一水下無線通訊模塊，602.第二水下無線通訊模塊，603.第三水下無線通訊模塊，701.第一球形漂浮裝置，702.第二球形漂浮裝置，703.第三球形漂浮裝置，801.第一連接電纜，802.第二連接電纜，803.第三連接電纜

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，水下步行機器人測試系統(tǒng)，由陸地控制分析系統(tǒng)和水中測試系統(tǒng)組成。

陸地控制分析系統(tǒng)置于陸地上，由工業(yè)控制計算機101和陸上無線通訊模塊201組成。陸地控制分析系統(tǒng)的工業(yè)控制計算機101主要用于完成對水中測試系統(tǒng)的控制及針對其反饋信息進行分析處理；陸上無線通訊模塊201與工業(yè)控制計算機101連接，用于與水中測試系統(tǒng)進行通訊。

水中測試系統(tǒng)包括水槽301、具有姿態(tài)和腳力信息反饋的水下步行機器人401、海流檢測部分、水下無線通訊部分、浮動部分和連接電纜部分。海流檢測部分由前置聲學多普勒流速剖面儀501和后置聲學多普勒流速剖面儀502組成。水下無線通訊部分由第一水下無線通訊模塊601、第二水下無線通訊模塊602和第三水下無線通訊模塊603組成。浮動部分由第一球形漂浮裝置701、第二球形漂浮裝置702和第三球形漂浮裝置703組成。連接電纜部分由第一連接電纜801、第二連接電纜802和第三連接電纜803組成。在水槽301底部沿水流方向依次放置前置聲學多普勒流速剖面儀501、具有姿態(tài)和腳力信息反饋的水下步行機器人401和后置聲學多普勒流速剖面儀502；第一球形漂浮裝置701、第二球形漂浮裝置702和第三球形漂浮裝置703依次放于水槽301中并漂浮在水槽301的水面上；第一水下無線通訊模塊601、第二水下無線通訊模塊602和第三水下無線通訊模塊603分別安裝在第一球形漂浮裝置701、第二球形漂浮裝置702和第三球形漂浮裝置703上；第一連接電纜801的一端與前置聲學多普勒流速剖面儀501連接，另一端穿過第一球形漂浮裝置701與第一水下無線通訊模塊601連接；第二連接電纜802的一端與后置聲學多普勒流速剖面儀502連接，另一端穿過第二球形漂浮裝置702與第二水下無線通訊模塊602連接；第三連接電纜803的一端與具有姿態(tài)和腳力信息反饋的水下步行機器人401連接，另一端穿過第三球形漂浮裝置703與第三水下無線通訊模塊603連接；第一水下無線通訊模塊601、第二水下無線通訊模塊602和第三水下無線通訊模塊603通過無線信號與陸上無線通訊模塊201進行通訊。

水下步行機器人測試系統(tǒng)的工作方法如下：

水下步行機器人測試系統(tǒng)的工作方法分為兩種，一種是水下步行機器人靜立水動力測量，另一種是水下步行機器人行走水動力測量。

水下步行機器人靜立水動力測量過程為：如圖2所示，測量開始后，首先，在工業(yè)控制計算機101中設定水下步行機器人401的靜立參數(shù)(包括機器人航向角、橫滾角、俯仰角和機器人高度)及水槽301的水流流量參數(shù)，工業(yè)控制計算機101基于設定參數(shù)生成水下步行機器人控制指令；然后，陸上無線通訊模塊201與第三水下無線通訊模塊603進行無線通訊，通過第三連接電纜803將控制信號傳遞給水下步行機器人401，從而控制水下步行機器人401保持設定的靜立狀態(tài)；測試過程中，前置聲學多普勒流速剖面儀501所測得的海流數(shù)據(jù)通過第一連接電纜801傳遞給第一水下無線通訊模塊601，后置聲學多普勒流速剖面儀502所測得的海流數(shù)據(jù)通過第二連接電纜802傳遞給第二水下無線通訊模塊602，水下步行機器人401的腳力和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過第三連接電纜803傳遞給第三水下無線通訊模塊603，第一水下無線通訊模塊601、第二水下無線通訊模塊602和第三水下無線通訊模塊603分別通過無線通訊方式將數(shù)據(jù)傳遞給陸上無線通訊模塊201，從而傳遞給工業(yè)控制計算機101；工業(yè)控制計算機101根據(jù)反饋數(shù)據(jù)分析得到水下步行機器人水動力特性，至此一次水下步行機器人靜立水動力測量過程完成，如若重復測試則重新開始不斷循環(huán)整個過程即可。

水下步行機器人行走水動力測量過程為：如圖3所示，測量開始后，首先，在工業(yè)控制計算機101中設定水下步行機器人401的行走參數(shù)(包括機器人航向角、橫滾角、俯仰角，機器人行走速度、機器人高度)及水槽301的水流流量參數(shù)，工業(yè)控制計算機101基于設定參數(shù)生成水下步行機器人控制指令；然后，陸上無線通訊模塊201與第三水下無線通訊模塊603進行無線通訊，通過第三連接電纜803將控制信號傳遞給水下步行機器人401，從而控制水下步行機器人401保持設定的行走狀態(tài)；測試過程中，前置聲學多普勒流速剖面儀501所測得的海流數(shù)據(jù)通過第一連接電纜傳遞801給第一水下無線通訊模塊601，后置聲學多普勒流速剖面儀502所測得的海流數(shù)據(jù)通過第二連接電纜802傳遞給第二水下無線通訊模塊602，水下步行機器人401的腳力和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過第三連接電纜803傳遞給第三水下無線通訊模塊603，第一水下無線通訊模塊601、第二水下無線通訊模塊602和第三水下無線通訊模塊603分別通過無線通訊方式將數(shù)據(jù)傳遞給陸上無線通訊模塊201，從而傳遞給工業(yè)控制計算機101；工業(yè)控制計算機101根據(jù)反饋數(shù)據(jù)分析得到水下步行機器人水動力特性，至此一次水下步行機器人行走水動力測量過程完成，如若重復測試則需先控制水下步行機器人回到初始位置，然后再重新開始循環(huán)整個過程。