一種微型自主潛水器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微型自主潛水器,屬于無人潛水器和水下機(jī)器人領(lǐng)域，由通訊模塊1、傳感模塊2、導(dǎo)航模塊3、視覺模塊4、推進(jìn)模塊5、控制模塊6、中央模塊7、電池組8、主殼體9組成，通訊模塊1、傳感模塊2、導(dǎo)航模塊3、視覺模塊4、控制模塊6在中央模塊7的統(tǒng)一管理下，協(xié)調(diào)工作完成預(yù)定任務(wù)，推進(jìn)模塊5在控制模塊6的控制下完成懸停、前行或后退等運(yùn)動。通訊模塊1、傳感模塊2、導(dǎo)航模塊3、視覺模塊4、推進(jìn)模塊5、控制模塊6、中央模塊7均安裝于主殼體9上，由電池組8進(jìn)行供電。該潛水器具有隱蔽性、機(jī)動性、智能性、低成本等特點(diǎn)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)，可用于水下考古、水下探險等領(lǐng)域，適用范圍廣泛。
【專利說明】—種微型自主潛水器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型自主潛水器，是一種執(zhí)行中遠(yuǎn)程水域水下目標(biāo)探測、跟蹤和識別的微型無人潛水器，屬于無人潛水器和水下機(jī)器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微型無人潛水器具有成本低、攜帶方便、操作簡單、可以進(jìn)入水下狹小空間等優(yōu)點(diǎn)，在水下考古、水下探險、海洋生物調(diào)查等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。商品化的微型無人潛水器有美國VideoRay公司的VideoRay pro系列微型無人潛水器、英國Aquabotix公司的HydroView的微型無人潛水艇、荷蘭Seascape公司水下機(jī)器人builder-150、中國沈陽自動化所的微型無人潛水器(蚊龍?zhí)栞d人潛器用).這些微型潛水器的尺寸一般在幾十厘米，重量一般在幾公斤。但這些潛水器都屬于遙控潛水器，活動范圍在百米內(nèi)；這些潛水器自主能力較弱，無法用于中遠(yuǎn)程海域作業(yè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]自主潛水器是一種自帶動力，能自行按照預(yù)定程序或基站指揮中心傳來的指令進(jìn)行活動和作業(yè)，或通過傳感器獲取水下環(huán)境信息進(jìn)行活動和作業(yè)，其最大的特點(diǎn)是具有智能和自治能力。
[0004]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有潛水器活動范圍小、自主能力弱，無法用于中遠(yuǎn)程海域作業(yè)的問題，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了 一種微型自主潛水器，該潛水器能夠在上千米至幾十千米遠(yuǎn)的水域進(jìn)行水下探測、定位、跟蹤和識別預(yù)定目標(biāo)，獲取目標(biāo)視頻圖像以及相關(guān)信息，并將信息發(fā)回到基站。
[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的基本思路如下:
[0006](I)微型自主潛水器上浮到靠近水面，通過全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取導(dǎo)航信息，然后下潛到水下，由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)控制運(yùn)動方向；微型自主潛水器需要多次上浮到靠近水面位置獲取GPS導(dǎo)航信息，對INS測量誤差進(jìn)行修正，使?jié)撍鞲咝实匕搭A(yù)定路徑到達(dá)幾千米甚至幾十千米的預(yù)定位置，實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)程距離海域的水下目標(biāo)探測、跟蹤、智能分析
與理解；
[0007](2)采用四枚正反轉(zhuǎn)電動螺旋槳推進(jìn)器，對稱分布在潛水器兩側(cè)，每一枚推進(jìn)器通過旋轉(zhuǎn)軸連接一個方向電機(jī)。方向電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，改變推進(jìn)器推力方向。推進(jìn)器的推力方向、推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)和推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)速度是潛水器三個動力參數(shù)，控制這三個參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)潛水器在水中懸停、前行和倒退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、上浮和下沉、斜向等運(yùn)動，這些運(yùn)動的組合，能實(shí)現(xiàn)潛水器機(jī)動靈活高效率的任意方向運(yùn)動；
[0008](3)在潛水器前部和后部都安裝有云臺攝像機(jī)，潛水器前行和后退時都可以獲取運(yùn)動前方場景圖像；攝像機(jī)通過云臺運(yùn)動，可以獲取潛水器左右、上下等方向的場景圖像，提高場景圖像獲取效率。在潛水器的前部和后部還安裝有聲吶測距傳感器，完成前行和后退的避障任務(wù)。[0009]下面詳細(xì)說明本發(fā)明的內(nèi)容。
[0010]如圖1所示，本發(fā)明由通訊模塊⑴、傳感模塊(2)、導(dǎo)航模塊⑶、視覺模塊⑷、推進(jìn)模塊(5)、控制模塊(6)、中央計算模塊(7)、電池組(8)和主殼體(9)組成，各組成部分間的連接和通訊關(guān)系如圖5所示，通訊模塊(I)、傳感模塊(2)、導(dǎo)航模塊(3)、視覺模塊
(4)、控制模塊(6)在中央計算模塊(7)的統(tǒng)一管理下，協(xié)調(diào)工作完成預(yù)定任務(wù)，推進(jìn)模塊
(5)在控制模塊(6)的控制下完成懸停、前行或后退等運(yùn)動。通訊模塊(I)、傳感模塊(2)、導(dǎo)航模塊(3)、視覺模塊(4)、推進(jìn)模塊(5)、控制模塊(6)、中央計算模塊(7)均安裝于主殼體(9)上，由電池組⑶進(jìn)行供電。
[0011]通訊模塊⑴完成信息接收和信息發(fā)送任務(wù)。該模塊接收來自基站的各種指令和其它潛水器的信息，以規(guī)劃潛水器的任務(wù)和運(yùn)動。該模塊向基站發(fā)送潛水器狀態(tài)信息、水下目標(biāo)圖像信息和告警信息，向其它潛水器發(fā)送交流信息。
[0012]傳感模塊(2)由深度(壓力)測量計和泄露測量傳感器組成。深度(壓力)測量計提供潛水器下潛深度，保證潛水器在水下固定深度作業(yè)；泄露測量傳感器用于測量潛水器內(nèi)部氣壓，如果氣壓變化，說明潛水器有泄露。
[0013]導(dǎo)航模塊(3)由全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)組成。GPS和INS共同確定潛水器的初始位置和姿態(tài)信息，潛水器下潛到預(yù)定深度后，按預(yù)定航線方向運(yùn)動。為了消除INS產(chǎn)生的誤差積累導(dǎo)致潛水器運(yùn)動偏離預(yù)定航線，潛水器要定時或定距離上浮，接近水面接收GPS信息，修正INS誤差。
[0014]視覺模塊(4)由云臺攝像機(jī)、波束聲吶和高性能嵌入式計算機(jī)組成。波束聲吶主要用于探測水下障礙物或目標(biāo)，云臺攝像機(jī)主要用于獲取水下目標(biāo)圖像，高性能嵌入式計算機(jī)用于高效完成探測、跟蹤和識別目標(biāo)等計算任務(wù)。云臺攝像機(jī)和波束聲吶信息融合，完成目標(biāo)的定位和跟蹤任務(wù)。
[0015]推進(jìn)模塊(5)采用獨(dú)立的四枚正反轉(zhuǎn)電動螺旋槳推進(jìn)器，每枚推進(jìn)器的推進(jìn)方向由一臺步進(jìn)電機(jī)控制。四枚推進(jìn)器對稱分布在潛水器兩側(cè)。推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)、推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)速度、推進(jìn)器的推進(jìn)方向是潛水器的三個動力參數(shù)，控制這三個動力參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)潛水器在水中懸停、正向和反向、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、上浮和下潛、斜向等運(yùn)動；這些運(yùn)動的組合，實(shí)現(xiàn)潛水器機(jī)動靈活高效率的運(yùn)動。例如，圖2、3、4示出了通過調(diào)整推進(jìn)器的推進(jìn)方向可實(shí)現(xiàn)潛水器沿水平、垂直和斜向等不同方向運(yùn)動時的側(cè)視外觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]控制模塊(6)控制潛水器工作在二種模式，一種是巡航工作模式，一種是搜尋工作模式。巡航工作模式時，該模塊接收深度測量計和慣性陀螺儀的信號，計算當(dāng)前航線與預(yù)定航線的偏差來控制微型潛水器前進(jìn)的方向；該模塊接收聲吶導(dǎo)航信息，控制潛水器完成避障任務(wù)。搜尋工作模式時，由攝像機(jī)和聲吶信息共同控制潛水器作業(yè)，包括朝向目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)、圍繞目標(biāo)等運(yùn)動，并獲取目標(biāo)圖像，通過圖像識別和定位目標(biāo)，或目標(biāo)的特定部位，比如艙門、螺旋槳等。潛水器也可以進(jìn)入目標(biāo)內(nèi)部狹小空間，完成懸停、前行或后退等運(yùn)動，獲取目標(biāo)內(nèi)部圖像。
[0017]中央計算模塊(7)是潛水器的大腦，執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)自救等任務(wù)。
[0018]電池組(8)位于潛水器下部，和潛水器分離，充電方便，更換電池方便。電池能輸出多種規(guī)格的電壓和功率，為各模塊供電。[0019]有益效果:
[0020]對比現(xiàn)有產(chǎn)品，本發(fā)明具有隱蔽性、機(jī)動性、智能性、低成本等特點(diǎn)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)，適用范圍廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明微型自主潛水器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明巡航模式的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明垂直上浮下潛運(yùn)動的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為本發(fā)明斜向潛行運(yùn)動的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5為微型潛水器組成模塊關(guān)系示意圖。
[0026]附圖標(biāo)記:通訊模塊一I ;傳感模塊一2 ;導(dǎo)航模塊一3 ;控制模塊一4 ;視覺模塊一5 ;推進(jìn)模塊一6 ;中央計算模塊一 7 ;電池組一 8 ;主殼體一9。
[0027]實(shí)施方式
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的工作過程作進(jìn)一步說明:
[0029]微型自主潛水器在非工作狀態(tài)下，電池組⑶和潛水器主殼體(9)分離放置，以保證潛水器的安全，方便電池充電和更換。
[0030]微型自主潛水器工作前，首先安裝電池組(8)。電池組(8)和潛水器主殼體(9)是通過緊固件和彈性密封材料緊密地連接在一起，保證微型潛水器的密封性能。緊固一定程度，潛水器處于密封狀態(tài)，再繼續(xù)緊固，則潛水器中的空氣壓力提高，為潛水器自動檢測泄露提供物理測量參數(shù)。電池安裝后，中央計算模塊自動啟動自檢程序，包括電源狀態(tài)、潛水器密封、各個模塊等自檢工作。自檢結(jié)束后，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。
[0031]下水前，基站通過無線發(fā)射裝置激活潛水器，并給潛水器安裝任務(wù)指令，包括潛行航跡、目的地坐標(biāo)、目標(biāo)類型、執(zhí)行任務(wù)性質(zhì)等。安裝完畢，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。安裝指令過程可以重復(fù)進(jìn)行，比如，當(dāng)任務(wù)改變時，可以再次激活潛水器，再次給潛水器安裝任務(wù)指令。
[0032]潛水器下水后，潛水器遇水呈現(xiàn)的低阻抗激活潛水器。潛水器在中央計算模塊(7)發(fā)出的指令控制下開始潛水，到達(dá)預(yù)定深度，按預(yù)定航跡開始巡航。為了消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差偏離預(yù)定航線，潛水器在預(yù)定的時間或距離點(diǎn)上，上浮到接近水面，接收GPS定位信息，校正航跡。
[0033]潛水器在水下潛行時由波束聲吶探測前方的障礙物。水中最多的障礙物是魚類，這種障礙物一般都是運(yùn)動的，并且會游離潛水器，因此，遇到小型的運(yùn)動障礙物，可以適當(dāng)減速或保持速度前行。如果遇到靜態(tài)或運(yùn)動緩慢障礙物，可以根據(jù)障礙物的大小以及運(yùn)動方向，決定潛水器的運(yùn)動方向。
[0034]如果到達(dá)預(yù)定目標(biāo)區(qū)域，比如目標(biāo)是水下沉船，尺寸一般在幾米到幾十米以上，尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于魚類等水下生物。通過波束聲吶探測目標(biāo)物體，攝像機(jī)獲取目標(biāo)圖像，在波束聲吶的引導(dǎo)下，攝像機(jī)獲取目標(biāo)各個部分的圖像并存儲；潛水器可以進(jìn)入目標(biāo)內(nèi)部，獲取目標(biāo)內(nèi)部圖像并存儲；對圖像進(jìn)行分析和識別，識別目標(biāo)特定部位，并對特定部位進(jìn)行標(biāo)記等。
[0035]潛水器上浮到水面，可以將圖像等相關(guān)信息通過通訊模塊I發(fā)送給基站，也可以返航，將存儲信息傳給地面站。
[0036]為了說明本發(fā)明的內(nèi)容及實(shí)施方法，本說明書給出了具體實(shí)施例。在實(shí)施例中引入細(xì)節(jié)的目的不是限制權(quán)利要求書的范圍，而是幫助理解本發(fā)明所述方法。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解:在不脫離本發(fā)明及其所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，對最佳實(shí)施例步驟的各種修改、變化或替換都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例及附圖所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種微型自主潛水器，其特征在于，該潛水器由通訊模塊(I)、傳感模塊(2)、導(dǎo)航模塊(3)、視覺模塊(4)、推進(jìn)模塊(5)、控制模塊(6)、中央模塊(7)、電池組(8)、主殼體(9)組成；通訊模塊(I)、傳感模塊(2)、導(dǎo)航模塊(3)、視覺模塊(4)、控制模塊(6)在中央模塊(7)的統(tǒng)一管理下，協(xié)調(diào)工作完成預(yù)定任務(wù)，推進(jìn)模塊(5)在控制模塊(6)的控制下完成懸?；蚯靶谢蚝笸嘶蛏细』蛳聺摶蛐毕蜻\(yùn)動；通訊模塊(I)、傳感模塊(2)、導(dǎo)航模塊(3)、視覺模塊(4)、推進(jìn)模塊(5)、控制模塊(6)、中央模塊(7)均安裝于主殼體(9)上，由電池組(8)進(jìn)行供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型自主潛水器，其特征在于，所述導(dǎo)航模塊(3)由全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)組成，潛水器在水下潛行時，定時和定距離的多次上浮到接近水面，獲取GPS信息，修正INS系統(tǒng)誤差，在中央模塊(7)管理下，控制模塊(6)在導(dǎo)航模塊(3)導(dǎo)引下，控制推進(jìn)模塊(5)驅(qū)動潛水器到達(dá)預(yù)定水域，由視覺模塊(4)執(zhí)行水下目標(biāo)檢測、定位、跟蹤和識別任務(wù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型自主潛水器，其特征在于，所述視覺模塊(4)，由云臺攝像機(jī)、波束聲吶和高性能嵌入式計算機(jī)組成；潛水器前部和后部都安裝有云臺攝像機(jī)和波束聲吶，波束聲吶探測水下障礙物或目標(biāo)，攝像機(jī)獲取水下目標(biāo)圖像，高性能嵌入式計算機(jī)高效完成探測、跟蹤和識別目標(biāo)計算任務(wù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型自主潛水器，其特征在于，所述推進(jìn)模塊(5)包括獨(dú)立的四枚正反轉(zhuǎn)電動螺旋槳推進(jìn)器，每枚推進(jìn)器的推進(jìn)方向由一臺步進(jìn)電機(jī)控制，四枚推進(jìn)器對稱分布在潛水器兩側(cè)，通過控制推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)速度和推進(jìn)方向?qū)崿F(xiàn)潛水器在水下懸停以及任意方向的運(yùn)動。
【文檔編號】B63G8/08GK104002942SQ201410253181
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】賈云得 申請人:北京理工大學(xué)