本發(fā)明涉及一種空化射流清潔船體機器人的控制系統(tǒng)，屬于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域和船舶防護技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海運是國際貿(mào)易中的一種重要交通方式，具有貨物運載量大，運輸費用低等優(yōu)點，但海洋中水生物種類繁多，船舶常年在水中航行，大量海生物會附著于船體之上。對船舶來講，海洋生物的附著會產(chǎn)生很多不利的影響：1)它增大了船體表面的粗糙程度，增加了船舶在水中航行的阻力。經(jīng)過實驗測定，當(dāng)航速為2-9節(jié)時，船體附著生物會使船舶的航行阻力增加3倍；2)海洋生物在螺旋槳上附著使螺旋槳的有效輸出功率減小為原來的80％；3)船體附著生物隨著時間的延長，其質(zhì)量會不斷增大，無形之中使得船舶運輸?shù)臒o效負(fù)荷增加；4)船體附著生物和鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌在海水環(huán)境中通過聯(lián)合作用呈現(xiàn)出弱酸性，會對船體表面的防護層產(chǎn)生很強的電化學(xué)腐蝕作用，最終可能導(dǎo)致船體鋼板的強烈腐蝕。

為了延長船舶的使用壽命，保證船舶的安全航行，船舶必須定期的進行船塢檢查。但是，船塢數(shù)量不足，清理修復(fù)時間長等問題，無形之中增加了船舶的成本損耗和非運營時間。所以開展船體水下清潔作業(yè)，提高水下清潔的自動化水平具有非常重要的實際意義和商業(yè)價值。為克服上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種用于清潔船體的機器人，其控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的集中式控制，核心CPU接收其他傳感器信號和控制指令，并解算控制指令傳遞給電機驅(qū)動器，以控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機器人運動控制。這種方式可靠性差、故障率高、系統(tǒng)擴展性和維修性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種控制精度高、模塊化程度高、升級維護便利的機器人控制系統(tǒng)。

為實現(xiàn)所述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種機器人的控制系統(tǒng)，其包括通過總線連接的控制微機、通信系統(tǒng)和動力控制器，其中，通信系統(tǒng)其用于與上位機進行數(shù)據(jù)交互，其特征在于，動力控制器用于接收控制微機提供的機器人左右鏈輪的轉(zhuǎn)速指令，并完成指令解算和控制算法解算，而后產(chǎn)生指令電流信號給伺服電機驅(qū)動器，以驅(qū)動水下機器人左右伺服電機達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速和扭矩。

優(yōu)選的，機器人的控制系統(tǒng)還包括傳感設(shè)備管理器，其中，傳感設(shè)備管理器用于對傳感器采所感應(yīng)的信號進行采集與處理，并發(fā)送至控制微機，控制微機根據(jù)所采集的傳感器所感應(yīng)的信息與導(dǎo)航指令信息進行解析運算，得出機器人左右鏈輪的轉(zhuǎn)速指令。

優(yōu)選的，傳感器包括深度傳感器、速度傳感器、姿態(tài)傳感器、障礙感應(yīng)器和攝像設(shè)備。

機器人的控制系統(tǒng)還包括能源管理器，所述能源管理器用控制機器人所有用電部件的供斷電控制。

機器人的控制系統(tǒng)還包括應(yīng)急管理器，其中，實時接收控制微機、動力控制器、傳感設(shè)備管理器、和能源管理器所傳送的信息，依據(jù)所接收的信息判斷機器人當(dāng)前工作環(huán)境的風(fēng)險狀態(tài)，當(dāng)判斷機器處于緊急情況時，發(fā)出應(yīng)急信號，觸發(fā)收控制微機、動力控制器、傳感設(shè)備管理器、和能源管理器的應(yīng)急機制程序以執(zhí)行機器人的應(yīng)急動作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人控制系統(tǒng)具有如下 優(yōu)點：

(1)機器人控制系統(tǒng)采用分布式嵌入系統(tǒng)架構(gòu)，提高了系統(tǒng)的模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化程度。

(2)機器人控制系統(tǒng)的模塊化布局，提升了系統(tǒng)的可維護性與升級便利性，增強了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人的整機示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人越障履帶俯仰機構(gòu)圖

圖3是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人系統(tǒng)組成框圖；

圖4是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端的示意圖；

圖5是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人的控制系統(tǒng)組成框圖；

圖6是本發(fā)明提供的通信系統(tǒng)的組成框圖；

圖7是本發(fā)明提供的傳感器管理器的組成框圖；

圖8是本發(fā)明提供的應(yīng)急管理器的組成框圖；

圖9是本發(fā)明提供的電源管理器的組成框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān) 系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。術(shù)語“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方向是以機器人設(shè)置清潔槍的方位為參考的，設(shè)置清潔槍的方向為前，與其相反的方向為后，在左為左側(cè)，在右為右側(cè)。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內(nèi)部的連通，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

圖1是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體水下機器人的整機示意圖，如圖1所示，本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人包括主體框架1，在主體框架左側(cè)設(shè)置有左側(cè)主履帶2A和左側(cè)越障履帶3A，在主體框架右側(cè)設(shè)置有右側(cè)主履帶2B和右側(cè)越障履帶3B；左側(cè)主履帶2A和左側(cè)越障履帶3A通過左側(cè)履帶間傳動機構(gòu)4A連接，右側(cè)主履帶2B和右側(cè)越障履帶3B通過右側(cè)履帶間傳動機構(gòu)4B連接。機器人還包括左側(cè)越障俯仰機構(gòu)、右側(cè)越障俯仰機構(gòu)、左側(cè)伺服電機6A和右側(cè)伺服電機6B；左側(cè)伺服電機6A通過左側(cè)錐形齒輪機構(gòu)7A驅(qū)動左側(cè)主履帶2A，右側(cè)伺服電機6B通過右側(cè)錐形齒輪機構(gòu)7B驅(qū)動右側(cè)主履帶2B。主體框架1內(nèi)-后部設(shè)置有電氣密封箱8，其內(nèi)搭載機器人控制系統(tǒng)電路板及其他輔助電路、接插件等，完成機器人運動控制、清潔設(shè)備控制、傳感信號接收以及與遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端的數(shù)據(jù)傳輸；電氣密封箱8通過數(shù)據(jù)電纜與攝像設(shè)備、傳感器設(shè)備、動力設(shè)備等連接。主體框架1內(nèi)-前部搭載3個空化射流清潔盤(簡稱：空化盤) 9A、9B、9C，呈“三角型”布置并設(shè)置在機器人本體主體框架的下部；在主體框架1的前端兩側(cè)位置設(shè)置有2個空化射流清潔槍(簡稱：空化槍)10A、10B，實現(xiàn)機器人履帶前向區(qū)域以及履帶與空化盤間隙前向區(qū)域的清潔。本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人至少還包括兩個攝像機，分別設(shè)置有主體框架的前面和后面。

圖2是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人越障履帶俯仰機構(gòu)圖，如圖2所示，機器人越障履帶俯仰機構(gòu)至少包括越障履帶連桿39，起到軸間距定位和力學(xué)強化作用越障履帶連桿39具有平行于越障履帶內(nèi)導(dǎo)向板的縱板和兩根垂直設(shè)置在縱板上的兩個橫柱，兩橫柱通過連接板固定連接?？v板前端和后端分別設(shè)置有裝配孔，越障履帶的主動軸22設(shè)置在前端裝配孔內(nèi)，越障履帶的從動軸設(shè)置在后端裝配孔內(nèi)。越障履帶俯仰機構(gòu)至少還包括一個套筒，其與縱板上后端的通孔同軸連接，越障履帶的從動軸依次從套筒和縱板上后端的裝配孔穿過。機器人越障履帶俯仰機構(gòu)至少還包括垂直設(shè)置于套筒上的彈簧安裝桿46和蝸桿連接件45。機器人越障履帶俯仰機構(gòu)至少還包括減速渦輪機構(gòu)44，蝸桿連接件45與減速渦輪機構(gòu)44的輸出蝸桿組成蝸桿機構(gòu)。機器人越障履帶俯仰機構(gòu)至少還包括驅(qū)動電機，其設(shè)置在連接件38內(nèi)，電機輸出軸通過聯(lián)軸器與減速渦輪機構(gòu)44的輸入軸連接，減速渦輪機構(gòu)44的輸出蝸桿與蝸桿連接件45連接。由此，電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動減速渦輪機構(gòu)44旋轉(zhuǎn)，減速渦輪機構(gòu)44輸出蝸桿轉(zhuǎn)動驅(qū)動蝸桿連接件45上下運動，從而帶動越障履帶軸的上下運動，即越障履帶的俯仰；彈簧安裝桿46裝配彈簧后起到機構(gòu)預(yù)緊和定位作用。機器人越障俯仰機構(gòu)的使用使得越障履帶具有一定角度的擺動能力，能夠使得機器人越障時，越障履帶在主動控制下趨向于被吸附壁面，增強了機器人的越障能力及越障過程中的穩(wěn)定性與可靠性。圖3是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人系統(tǒng)組成框圖，如圖3所示，本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人系統(tǒng)包括空化射流清潔機器人本體11（簡稱：機器人本體）、遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端12、空化供水設(shè)備13、連接機器人本體與遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端的供電通信纜14以及連接機器人本體與其空化供水設(shè)備的供水纜15，其中，機器人本體11為系統(tǒng)核心單元，搭載空化清潔設(shè)備執(zhí)行清潔任務(wù)；遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端12執(zhí)行對機器人本體的任務(wù)規(guī)劃、運動控制、狀態(tài)監(jiān)視等；空化供水設(shè)備13則為機器人本體搭載的空化清潔設(shè)備提供所需高壓空化水流；遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端通過供電通信纜14與機器人本體進行通信，并為機器人本體提供電能；通過供水纜15給機器人本體供水。

圖4是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端示意圖，如圖4所示，本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人的控制系統(tǒng)封裝于電氣密封箱8內(nèi)，并通過供電信號電纜14與機器人遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端連接，本發(fā)明提供的機器人遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端包括操控計算機16、顯示設(shè)備17、運動操作裝置18及通信模塊(串口)19，其中，機器人遠(yuǎn)程操控監(jiān)視終端通過連接通信模塊19與機器人本體11的通信電纜14實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；操控計算機16運行上位機軟件實現(xiàn)對機器人本體11的運動控制和狀態(tài)信息顯示。

圖5是本發(fā)明提供的空化射流清潔船體機器人控制系統(tǒng)的示意圖，如圖5所示，本發(fā)明提供的機器人的控制系統(tǒng)包括通過總線連接的控制微機20、通信系統(tǒng)21和動力控制器25，其中，通信系統(tǒng)21其用于與上位機進行數(shù)據(jù)交互，動力控制器25用于接收控制微機20提供的機器人左右鏈輪的轉(zhuǎn)速指令，并完成指令解算和控制算法解算，而后產(chǎn)生指令電流信號給動力驅(qū)動器，以驅(qū)動機器人左右伺服電機達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速和扭矩。

機器人的控制系統(tǒng)還包括傳感設(shè)備管理器23，其中，傳感設(shè)備管理器23用于對傳感器采所感應(yīng)的信號進行采集與處理，并發(fā)送至控制微機，控制微機根據(jù)所采集的傳感器所感應(yīng)的信息與導(dǎo)航指令信息進行解析運算，得出機器人左右鏈輪的轉(zhuǎn)速指令。傳感器包括深度傳感器29、速度傳感器30、姿態(tài)傳感器28、障礙感應(yīng)器32和攝像設(shè)備32，其中攝像設(shè)備至少包括兩個，分別設(shè)置在機器的前端和后端。

體機器人的控制系統(tǒng)還包括能源管理器22，所述能源管理器22與供電線纜34相連用控制機器人所有用電部件的供斷電控制。

機器人的控制系統(tǒng)還包括應(yīng)急管理器24，其中，實時接收控制微機20、動力控制器25、傳感設(shè)備管理器23、和能源管理器22所傳送的信息，依據(jù)所接收的信息判斷機器人當(dāng)前工作環(huán)境的風(fēng)險狀態(tài)，當(dāng)判斷機器處于緊急情況時，發(fā)出應(yīng)急信號，觸發(fā)收控制微機20、動力控制器25、傳感設(shè)備管理器23和能源管理器22的應(yīng)急機制程序以執(zhí)行機器人的應(yīng)急動作，所述動控制器控制伺服電機27的工作狀態(tài)。

本發(fā)明中，能源管理器22、動力控制器25、控制微機20、應(yīng)急管理器24傳感設(shè)備管理器23和通信系統(tǒng)21通過總線33進行通信，所述總線優(yōu)選CAN總線。本發(fā)明中，應(yīng)急管理器24還與能源管理器22、動力控制器25、控制微機20、傳感設(shè)備管理器23和通信系統(tǒng)21直接線路相連，以防止當(dāng)總線發(fā)生故障時，應(yīng)急管理器24通過線路從能源管理器22、動力控制器25、控制微機20、傳感設(shè)備管理器23和通信系統(tǒng)21獲取信號并控制它們的工作狀態(tài)。

圖6是本發(fā)明提供的通信系統(tǒng)的組成框圖，如圖6所示，本發(fā)明提供的通信系統(tǒng)包括處理器、總線接口和串行通信接口，其中，總線接口優(yōu)選CAN總線接 口，發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線接口從CAN總線上獲取待傳送的數(shù)據(jù)，并傳送給處理器，所述處理器將待傳送的數(shù)據(jù)進行打包得到待上傳的數(shù)據(jù)幀而后傳送給串行通信接口，通過信接口將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼、調(diào)制而后通過線纜發(fā)送給上位機。接收數(shù)據(jù)時，串行通信接口將上位機傳送的信息進行解調(diào)、解碼得到下傳的數(shù)據(jù)幀而后提供給處理器，所述處理器對所接收的數(shù)據(jù)幀傳送總線接口，總線接口將接收的數(shù)據(jù)幀傳送到總線上。所述處理器還用于對串行通信接口和CAN總線接口進行控制。

圖7是本發(fā)明提供的應(yīng)急管理器的組成框圖，如圖7所示。其中，傳感設(shè)備管理器23用于主要完成深度傳感器29、速度傳感器30、姿態(tài)傳感器28、障礙感應(yīng)器31和攝像設(shè)備32的信號采集、調(diào)制與濾波處理，并通過總線33發(fā)送至控制微機20、通信系統(tǒng)21、動力控制器25及應(yīng)急管理器24，然后通信系統(tǒng)21向上位機實時傳輸機器人姿態(tài)與前行狀態(tài)，控制微機20根據(jù)傳感器反饋狀態(tài)信息與導(dǎo)航指令信息進行解析運算，得出機器人驅(qū)動機構(gòu)的執(zhí)行指令，以完成機器人的爬行控制。傳感設(shè)備管理器23包括處理計算機、信號采集電路和CAN總線通信接口，其中，深度傳感器29、速度傳感器30、姿態(tài)傳感器28、障礙感應(yīng)器31和攝像設(shè)備32通過信號采集電路連接于信號處理計算機，信號處理計算機用于對傳感器所提供的信號進行濾波，并對信采號采集電路、各個傳感器及總線通信接口進行故障診斷及通信控制。

圖8是本發(fā)明提供的應(yīng)急管理器的組成框圖，如圖8所示，本發(fā)明提供的應(yīng)急管理器包括MCU控制電路和CAN總線通信接口，MCU控制電路通過CAN總線通信接口連接于CAN總線，還直接通過線路與傳感器管理器、動力控制器、電源管理器、控制微機相連，如此結(jié)構(gòu)，可以從多個通道獲取信號。應(yīng)急管理器 通過傳感器管理器對深度傳感器、姿態(tài)傳感器、速度傳感器、障礙感應(yīng)器進行數(shù)據(jù)采集。依據(jù)所采集的傳感數(shù)據(jù)判斷機器人當(dāng)前工作環(huán)境的風(fēng)險狀態(tài)，在滿足一定條件下，如超深、超速、航向嚴(yán)重偏離、無法越過的障礙或航跡中斷等緊急情況，發(fā)出應(yīng)急信號，觸發(fā)其他控制管理模塊的應(yīng)急機制程序以執(zhí)行水下機器人的應(yīng)急動作或中斷前行、提示遙控操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)為遙控爬行模式。

圖9是本發(fā)明提供的電源管理器的組成框圖，如圖9所示，電源管理器主要由供電控制計算單元DSP、CAN總線收發(fā)單元、繼電驅(qū)動、繼電器等組成，主要負(fù)責(zé)機器人通信控制系統(tǒng)中各功能模塊的程序供斷電及信息的傳輸與分配。

以上結(jié)合附圖，詳細(xì)說明了本發(fā)明的工作原理。但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，說明書僅是用于解釋權(quán)利要求書。但本發(fā)明的保護范圍并不局限于說明書。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明批露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或者替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。