本發(fā)明涉及水下機(jī)器人的控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的水下機(jī)器人。

背景技術(shù)：

在海洋開發(fā)熱的環(huán)境下，水下機(jī)器人的研究逐漸成為新的前沿和熱點(diǎn)，其中就涉及到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是遙控水下機(jī)器人(rov)，水下機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)一般實(shí)現(xiàn)控制、觀測(cè)和狀態(tài)反饋等功能。

但是現(xiàn)有大多數(shù)水下機(jī)器人監(jiān)控機(jī)的人機(jī)交互界面主要利用c語(yǔ)言或者vb語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，隨著水下機(jī)器人的控制精度的提升，以及附加功能需求的增加，類似mfc已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行快速開發(fā)，導(dǎo)致人機(jī)界面的開發(fā)周期變長(zhǎng)，功能受限，人力成本增加，同時(shí)隨著下潛深度的增加，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案也無(wú)法滿足多數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種水下機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)以下功能：1、利用ethercat實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信協(xié)議，滿足多數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸需求，實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人全方位工況信息的實(shí)時(shí)反饋與監(jiān)控。2、利用多傳感技術(shù)提高了水下機(jī)器人控制精度和運(yùn)行可靠性。3、利用labview自帶的多種開發(fā)模塊，縮短了人機(jī)界面開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種水下機(jī)器人，包括機(jī)器人本體以及監(jiān)控機(jī)器人本體的監(jiān)控站，所述機(jī)器人本體用于水下作業(yè)且包括機(jī)架、推進(jìn)器和plc控制器，所述推進(jìn)器和plc控制器設(shè)置在機(jī)架上，包括交換機(jī)，所述plc控制器包括ethercat總線耦合器、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊，所述數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊分別與ethercat總線耦合器連接，所述模擬量輸出模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊分別與ethercat總線耦合器連接，所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊與推進(jìn)器連接以驅(qū)動(dòng)推動(dòng)器，所述監(jiān)控站包括twincat主站、監(jiān)控主機(jī)和顯示器，所述plc控制器中的ethercat總線耦合器與交換機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)方式通信連接，所述交換機(jī)與twincat主站通過(guò)以太網(wǎng)方式通信連接，所述twincat主站與主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)方式通信連接，所述顯示器與主機(jī)連接，所述交換機(jī)可安裝在機(jī)器人本體上或者監(jiān)控站中。在此結(jié)構(gòu)中，plc控制器、交換機(jī)與twincat主站之間利用ethercat通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信連接，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸，并由主機(jī)及顯示器實(shí)時(shí)顯示水下狀況以及機(jī)器人本體的工況。

進(jìn)一步地，包括攝像頭云臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)攝像頭，所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝在攝像頭云臺(tái)上且與交換機(jī)通信連接，所述攝像頭云臺(tái)與模擬量輸出模塊電連接。

進(jìn)一步地，包括機(jī)械手和角度傳感器，所述機(jī)械手安裝在機(jī)架上且機(jī)械手的各關(guān)節(jié)分別具有一關(guān)節(jié)電機(jī)，所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊與機(jī)械手的關(guān)節(jié)電連接以驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，所述角度傳感器安裝在機(jī)械手各關(guān)節(jié)上且用于測(cè)量各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，所述角度傳感器的輸出端與模擬量輸入模塊電連接。

進(jìn)一步地，包括力傳感器，所述力傳感器安裝在機(jī)械手的自由端且用來(lái)感知夾持物體時(shí)的力度，所述力傳感器與模擬量輸入模塊電連接。

進(jìn)一步地，包括高亮led燈，所述高亮led燈與模擬量輸出模塊電連接，所述高亮led燈安裝在機(jī)架上。

進(jìn)一步地，包括溫度傳感器，所述溫度傳感器安裝在推進(jìn)器上以采集推進(jìn)器的溫度，所述溫度傳感器分別與數(shù)字量輸入模塊電連接。

進(jìn)一步地，包括深度傳感器、速度傳感器、陀螺儀、gps傳感器和流速傳感器，所述深度傳感器配備為測(cè)量機(jī)器人本體的下潛水深，所述速度傳感器配備為機(jī)器人本體的運(yùn)行速度，所述陀螺儀配備為測(cè)量機(jī)器人本體的姿態(tài)，所述gps傳感器配備為測(cè)量機(jī)器人本體的位置信息，所述流速傳感器配備為測(cè)量水流速度，所述深度傳感器、速度傳感器、陀螺儀、gps傳感器和流速傳感器分別固定在機(jī)器人本體上，所述深度傳感器與數(shù)字量輸入模塊電連接，所述速度傳感器、陀螺儀、gps傳感器和流速傳感器分別與模擬量輸入模塊電連接。

進(jìn)一步地，所述twincat主站采用基于twincat控制器的twincat主站，所述主機(jī)安裝有l(wèi)abview系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：利用ethercat實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信協(xié)議，滿足多數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸需求，實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人全方位工況信息的實(shí)時(shí)反饋與監(jiān)控。2、利用多傳感技術(shù)組成冗余傳感器系統(tǒng)，提高了水下機(jī)器人控制精度和運(yùn)行可靠性。3、利用labview自帶的多種開發(fā)模塊，縮短了人機(jī)界面開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度。

附圖說(shuō)明

圖1所示為本發(fā)明的水下機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚，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)描述。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，附圖和說(shuō)明中省略了與本發(fā)明無(wú)關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件的表示和描述。

實(shí)施例1參考圖1，一種水下機(jī)器人，包括機(jī)器人本體以及監(jiān)控機(jī)器人本體的監(jiān)控站，所述機(jī)器人本體用于水下作業(yè)且包括機(jī)架、推進(jìn)器和plc控制器，所述推進(jìn)器和plc控制器設(shè)置在機(jī)架上，本發(fā)明改進(jìn)在于，包括交換機(jī)，所述plc控制器包括ethercat總線耦合器、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊，所述數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊分別與ethercat總線耦合器連接，所述模擬量輸出模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊分別與ethercat總線耦合器連接，所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊與推進(jìn)器連接以驅(qū)動(dòng)推動(dòng)器，所述監(jiān)控站包括twincat主站、監(jiān)控主機(jī)和顯示器，所述plc控制器中的ethercat總線耦合器與交換機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)方式通信連接，所述交換機(jī)與twincat主站通過(guò)以太網(wǎng)方式通信連接，所述twincat主站與主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)方式通信連接，所述顯示器與主機(jī)連接，所述交換機(jī)可安裝在機(jī)器人本體上或者監(jiān)控站中。plc控制器、交換機(jī)與twincat主站之間通過(guò)電纜連接，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。

在此結(jié)構(gòu)中，plc控制器、交換機(jī)與twincat主站之間利用ehercat通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信連接，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸，并由主機(jī)及顯示器實(shí)時(shí)顯示水下狀況以及機(jī)器人本體的工況。所述交換機(jī)優(yōu)選為光纖交換機(jī)，電纜采用光纖電纜，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)。優(yōu)選的，plc控制器采用德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司的總線耦合器模塊ek1100、模擬量輸出模塊el4028、數(shù)字量輸入模塊el1008、模擬量輸入模塊el3008和伺服驅(qū)動(dòng)模塊ax5000。

為了實(shí)時(shí)采集水下狀況，所述水下機(jī)器人包括攝像頭云臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)攝像頭，所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝在攝像頭云臺(tái)上且與交換機(jī)通信連接，所述攝像頭云臺(tái)與模擬量輸出模塊電連接，監(jiān)控站可給ethercat總線耦合器發(fā)送控制指令，控制攝像頭云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集多方位的水下狀況信息通過(guò)交換機(jī)傳輸給監(jiān)控站，監(jiān)控站實(shí)時(shí)顯示水下狀況。

為了使得水下機(jī)器人能夠水下進(jìn)行精準(zhǔn)地操作作業(yè)，如夾持物體等，所述水下機(jī)器人包括機(jī)械手和角度傳感器，所述機(jī)械手安裝在機(jī)架上且機(jī)械手的各關(guān)節(jié)分別具有一關(guān)節(jié)電機(jī)，所述伺服驅(qū)動(dòng)模塊與機(jī)械手的關(guān)節(jié)電連接以驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，所述角度傳感器安裝在機(jī)械手各關(guān)節(jié)上且用于測(cè)量各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，所述角度傳感器的輸出端與模擬量輸入模塊電連接，監(jiān)控站給ethercat總線耦合器發(fā)送控制指令，ethercat總線耦合器向伺服驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送動(dòng)作指令，伺服驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)控制機(jī)械手動(dòng)作，角度傳感器采集機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，通過(guò)plc控制器傳輸給監(jiān)控站，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高了控制精度度。

在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，包括力傳感器，所述力傳感器安裝在機(jī)械手的自由端且用來(lái)感知夾持物體時(shí)的力度，所述力傳感器與模擬量輸入模塊電連接。監(jiān)控站實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手夾持物體時(shí)的力度，以精準(zhǔn)地夾持物體，避免力度過(guò)大或者過(guò)小，保護(hù)好物體的同時(shí)完成操作作業(yè)。

為了讓監(jiān)控站可觀察到水下作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作，所述水下機(jī)器人包括高亮led燈，所述高亮led燈與模擬量輸出模塊電連接，所述高亮led燈安裝在機(jī)架上，監(jiān)控站通過(guò)plc控制器控制高亮led燈的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)水下作業(yè)環(huán)境。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述水下機(jī)器人包括溫度傳感器，所述溫度傳感器安裝在推進(jìn)器上以采集推進(jìn)器的溫度，所述溫度傳感器分別與數(shù)字量輸入模塊電連接。推進(jìn)器是水下機(jī)器人的核心部件之一，如果推進(jìn)器出現(xiàn)了問(wèn)題不能及時(shí)知曉，會(huì)使得整個(gè)水下機(jī)器人失去動(dòng)力，溫度傳感器安裝在推進(jìn)器上主要測(cè)量推進(jìn)器運(yùn)行過(guò)程中的溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)器工況。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，水下機(jī)器人，還包括深度傳感器、速度傳感器、陀螺儀、gps傳感器和流速傳感器，所述深度傳感器配備為測(cè)量機(jī)器人本體的下潛水深，所述速度傳感器配備為機(jī)器人本體的運(yùn)行速度，所述陀螺儀配備為測(cè)量機(jī)器人本體的姿態(tài)，所述gps傳感器配備為測(cè)量機(jī)器人本體的位置信息，所述流速傳感器配備為測(cè)量水流速度，所述深度傳感器、速度傳感器、陀螺儀、gps傳感器和流速傳感器分別固定在機(jī)器人本體上，所述深度傳感器與數(shù)字量輸入模塊電連接，所述速度傳感器、陀螺儀、gps傳感器和流速傳感器分別與模擬量輸入模塊電連接。各傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)plc控制器傳輸給監(jiān)控站，監(jiān)控站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及在顯示器中顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)水的流速、溫度和深度（壓強(qiáng)）自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)運(yùn)行速度和位姿信息反饋可以判斷推進(jìn)器工作狀態(tài)，也能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

所述twincat主站采用基于twincat控制器的twincat主站，所述主機(jī)安裝有l(wèi)abview系統(tǒng)。twincat控制器采用cx2040嵌入式控制器，安裝twincat控制器軟件，plc控制器接入光纖交換機(jī)，光纖交換機(jī)與cx2040控制器的一個(gè)以太網(wǎng)卡相連，所述基于cx2040嵌入式控制器的twincat主站的另一個(gè)以太網(wǎng)口與主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接通信。

所述安裝有l(wèi)abview系統(tǒng)的主機(jī)和顯示器組成了labview監(jiān)控平臺(tái)，labview監(jiān)控平臺(tái)包括虛擬儀表模塊、基于魯棒控制器的操作控制模塊和數(shù)據(jù)分析與保存模塊，這些模塊均可采用labview自帶的多種開發(fā)模塊，虛擬儀表模塊包括網(wǎng)絡(luò)攝像窗口、電子地圖、機(jī)器人本體位姿和機(jī)械手姿態(tài)，網(wǎng)絡(luò)攝像窗口由labview視覺模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)用和水下圖像增強(qiáng)處理，電子地圖由labview讀取gps信息調(diào)用百度地圖靜態(tài)圖api接口實(shí)現(xiàn)，在電子地圖上可編輯運(yùn)行軌跡，機(jī)械手姿態(tài)由labview和solidworks聯(lián)合開發(fā)，3d控件實(shí)時(shí)顯示，基于魯棒控制器的操作控制模塊利用labviewcd&sim模塊分析機(jī)械手角度、機(jī)器人運(yùn)行速度、水下溫度和水流，對(duì)機(jī)器人本體和機(jī)械手的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)分析與保存模塊由labviewdsc模塊實(shí)現(xiàn)，利用labview自帶的多種開發(fā)模塊，縮短了人機(jī)界面開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度。

本發(fā)明的工作原理和過(guò)程是：水上操作員通過(guò)gps、視覺和姿態(tài)信息，對(duì)水下機(jī)器人本體進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和操作，通過(guò)光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)通信，利用基于魯棒控制器的操作控制模塊，提高機(jī)器人本體的操作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)修正，電子地圖實(shí)時(shí)顯示水下機(jī)器人位置信息，同時(shí)可以在上面編輯任意軌跡，使機(jī)器人按照設(shè)定軌跡運(yùn)行，labview監(jiān)控平臺(tái)對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)和運(yùn)行軌跡等過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存，以便后續(xù)研究使用，在本發(fā)明的水下機(jī)器人中，具有大量數(shù)據(jù)需要傳輸，采用plc控制器、交換機(jī)與twincat主站之間利用hercat通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信連接，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸，并由主機(jī)及顯示器實(shí)時(shí)顯示水下狀況以及機(jī)器人本體的工況，多個(gè)傳感器是為了建立冗余傳感器系統(tǒng)，保障可靠性。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：上述具體實(shí)施方式用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)實(shí)施例所闡述的技術(shù)方案進(jìn)行修改，而對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。