一种水下机器人制造技术

本发明专利技术涉及水下航行器领域，旨在提供一种水下机器人。该水下机器人包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统；控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块和通信电子线路；结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池；用户操作系统由用户终端及辅助部件组成。本发明专利技术尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业背景的个人即可操作。价格低廉，面向大众消费群体。能够完成水下摄像、水下照相、水下游戏等功能，具有很强的娱乐性、实用性和趣味性。具有智能，能够自动完成水下摄像任务，无需人员帮助。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下航行器领域，尤其涉及一种水下机器人。
技术介绍
机器人技术是一种新兴的智能制造技术，在国内外受到广泛应用。大疆无人机和云洲智能无人船的兴起就说明了这一点。自主水下机器人是一种能够在水面以下几米甚至上千米、上万米深度进行自主航行的机器人，具有自动航行、自主导航、自主执行水下任务的能力。与无人机、无人车和无人船相比，自主水下机器人所处的任务环境更加复杂，所使用的传感器和推进系统也有不同。具体表现在：1)高频无线电波在水下十几米以下深度无法使用，将会导致操作人员与水下机器人难以保持良好的通信联系；而采用水声通信机，不仅成本高，且通信速率和容量都无法与无线电波相比；2)电子元部件等任何非水密电子部件、机械部件、推进部件均须做水密、耐压保护，否则将发生渗水、漏水导致不能正常水下航行。目前，水下机器人用户基本上全部是国家、地方或者企业、高校，价格十分昂贵，体积和重量都很大，装载的传感器为科学仪器，所以面向大众用户的水下机器人出现空白。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种水下机器人。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：提供一种水下机器人，包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统；所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池；其中，耐压舱和耐压前罩均固定于载体框架中；耐压舱有两个，分别为前端耐压舱和后端耐压舱，均由亚克力管制成；耐压前罩由玻璃钢制成，耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置；所述控制与导航系统设于前端耐压舱中，电池则安装在后端耐压舱中；推进器共有4个，其中2个分别安装在载体框架中部位置的左右两侧，另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧；所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块、和通信电子线路；各模块和电路的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电源通断。所述任务载荷系统包括DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器；其中，DSP和FPGA安装在前端耐压舱中，摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内；DSP通过水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器，FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照相机、灯和红外传感器，FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连；所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成；用户终端是具有触摸可视化屏幕和无线通信接口的遥控设备，能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递；辅助部件包括耳机和手写笔。本专利技术中，所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池；所述推进器采用12V、30W有刷直流电机和双叶螺旋桨，直流电机具有水下动密封结构；所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机，并连接了64M的SD存储卡；所述通讯模块采用GSM小吸盘无线电天线；所述姿态传感器模块采用GY-801三轴磁场加速度陀螺仪大气压强模块；所述深度传感器采用YF-CS300D低功耗压力传感器；所述磁力传感器采用HMC5883三维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品；所述摄像机采用炫光M800摄像头，其左右两端各安装一个灯；所述照相机采用Canon/佳能IXUS160；所述红外传感器采用GP2Y0A02YK0F夏普红外测距传感器；所述激光传感器采用M18漫反射激光传感器；所述触摸可视化屏幕采用诺基亚Lumia 630 635 638 RM-1010 978触摸屏；所述无线通信接口采用EDIMAX EW-7811Un迷你USB无线网卡。本专利技术中，所述水下机器人的外形是下述形状中的任意一种：鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体结构或三体结构。本专利技术中，所述水下机器人长度为30cm，重量为10kg。本专利技术中，所述自动驾驶模块还包括与通讯模块相连的接口，用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。本专利技术中，所述自动驾驶模块中包括机动控制器；机动控制器的垂直面的纵倾力矩控制输出量通过下述公式计算获得：τM＝Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzW sinθ上述公式中：τM是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量；θ是水下机器人的当前纵倾角，θd是水下机器人当前的目标纵倾角，两者均为水下机器人的状态量，能通过水下机器人的姿态传感器测量和计算得到；(θ-θd)是水下机器人的纵倾角误差，q是水下机器人的垂直角速率，两者为控制输入量；Kpθ2是水下机器人的纵倾角误差系数，Kdθ2是水下机器人的垂直角速率系数，BGzW sinθ是水下机器人的重力/浮力垂直静力矩，三者能通过试验测定获得，是已知参数。本专利技术中，所述自动驾驶模块中包括升降控制器；升降控制器力的控制输出量通过下述公式计算获得：F=Kp(D-Dd)+KdΔDΔt+KI∫(D-θd)dt]]>其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量；D是水下机器人的当前深度，Dd是水下机器人当前的目标深度，两者是水下机器人的状态量，能通过水下机器人的深度传感器测量和计算得到；(D-Dd)是水下机器人的深度误差，是水下机器人的升降速率，两者是控制输入量；Kp是水下机器人的深度误差系数，Kd是水下机器人的垂直角速率系数，KI是水下机器人的深度误差积分系数，∫(D-θd)dt是深度误差积分，均能通过试验测定获得，是已知参数。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业背景的个人即可操作。2.本专利技术价格低廉，面相大众消费群体，能够让每个工作者有能力消费。3.本专利技术能够完成水下摄像、水下照相、水下游戏等功能，具有很强的娱乐性、实用性和趣味性。4.本专利技术具有智能，能够自动完成水下摄像任务，无需人员帮助。附图说明图1是本专利技术的组成和功能示意图；图2是本专利技术的用户操控示意图；图3是本专利技术的水下机器人工作原理示意图。具体实施方式首先需要说明的是，本专利技术涉及机器人技术。在本专利技术的实现过程中，可能会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本专利技术的实现原理和专利技术目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本专利技术。凡本专利技术申请文件提及的均属此范畴，申请人不一一列举。另外，本专利技术的实现依赖于多种电子元器件的应用，而这些电子元器件均为现有技术，且有成熟产品可市场购置获得，例如下面提到的自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块、电磁继电器、DSP、FPGA、红外传感器、激光传感器和磁力传感器等等。本专利技术在总体设计方面，根据水下机器人组成和功能结构划分将水下机器人分为结构系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下机器人，包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统；其特征在于，所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池；其中，耐压舱和耐压前罩均固定于载体框架中；耐压舱有两个，分别为前端耐压舱和后端耐压舱，均由亚克力管制成；耐压前罩由玻璃钢制成，耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置；所述控制与导航系统设于前端耐压舱中，电池则安装在后端耐压舱中；推进器共有4个，其中2个分别安装在载体框架中部位置的左右两侧，另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧；所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块和通信电子线路；各模块和电路的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电源通断；所述任务载荷系统包括DSP、FPGA、摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器；其中，DSP和FPGA安装在前端耐压舱中，摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内；DSP通过水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器，FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照相机、灯和红外传感器，FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连；所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成；用户终端是具有触摸可视化屏幕和无线通信接口的遥控设备，能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递；辅助部件包括耳机和手写笔。...

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人，包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统；其特征在于，所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池；其中，耐压舱和耐压前罩均固定于载体框架中；耐压舱有两个，分别为前端耐压舱和后端耐压舱，均由亚克力管制成；耐压前罩由玻璃钢制成，耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置；所述控制与导航系统设于前端耐压舱中，电池则安装在后端耐压舱中；推进器共有4个，其中2个分别安装在载体框架中部位置的左右两侧，另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧；所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块和通信电子线路；各模块和电路的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电源通断；所述任务载荷系统包括DSP、FPGA、摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器；其中，DSP和FPGA安装在前端耐压舱中，摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内；DSP通过水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器，FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照相机、灯和红外传感器，FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连；所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成；用户终端是具有触摸可视化屏幕和无线通信接口的遥控设备，能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递；辅助部件包括耳机和手写笔。2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池；所述推进器采用12V、30W有刷直流电机和双叶螺旋桨，直流电机具有水下动密封结构；所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机，并连接了64M的SD存储卡；所述通讯模块采用GSM小吸盘无线电天线；所述姿态传感器模块采用GY-801三轴磁场加速度陀螺仪大气压强模块；所述深度传感器采用YF-CS300D低功耗压力传感器；所述磁力传感器采用HMC5883三维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品；所述摄像机采用炫光M800摄像头，其左...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀大雄，
申请(专利权)人：冀大雄，
类型：发明
国别省市：浙江;33