一种水下自主作业机器人及其作业方法技术

本发明专利技术涉及水下作业机器人领域，提供了一种适用于多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人及其作业方法，该水下自主作业机器人包括能源动力模块、力学结构设计模块、外形设计模块、主控模块、动力推进模块以及功能模块，其中，主控模块包括强电流电子控制舱以及弱电流电子控制舱；动力推进模块包括至少两个侧向推进器、至少两个垂直推进器以及至少一个纵向主推进器；功能模块包括多普勒测速仪、成像声呐、集成LED灯的光学摄像头、光通信MODEM、深度和高度计、前端云台和后端云台。根据本发明专利技术实施例提供的水下自主作业机器人的检测范围更广，检测方式更加灵活，同时根据本发明专利技术实施例提供的水下自主作业机器人可以实现自主作业。

An Underwater Autonomous Operating Robot and Its Operating Method

The invention relates to the field of underwater working robots, and provides an underwater autonomous working robot and its operation method suitable for acoustic and optical detection of various underwater working surfaces. The underwater autonomous working robot includes energy power module, mechanical structure design module, shape design module, main control module, power propulsion module and function module, in which the main control module includes energy power power module, mechanical structure design module, and power propulsion module. Strong current electronic control cabin and weak current electronic control cabin; power propulsion module includes at least two lateral thrusters, at least two vertical thrusters and at least one longitudinal main thruster; functional modules include Doppler velocimeter, imaging sonar, integrated LED light optical camera, optical communication MODEM, depth and altimeter, front-end cloud platform and back-end cloud platform. According to the embodiment of the present invention, the detection range of the underwater autonomous operating robot is wider and the detection mode is more flexible. At the same time, the underwater autonomous operating robot provided according to the embodiment of the present invention can realize autonomous operation.

【技术实现步骤摘要】
一种水下自主作业机器人及其作业方法
本专利技术涉及水下作业机器人领域，具体为一种适用于多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人及其作业方法。
技术介绍
随着我国海洋强国战略的实施，海洋经济和海洋军事都对水下自主作业机器人提出了迫切的要求。在海洋经济方面，水下基础设施在水下长时间运行后需要进行定期检测，以保障水下基础设施运行的安全性。例如，水利行业水库的侧面、电力行业大坝和海上风力发电水下设施的侧面、交通行业水下桥墩的侧面、海洋油气行业钻井平台及浮式生产储卸油装置的侧面和底面，都需要进行定期检测，以保障其长期运行的安全性。在海洋军事方面，军舰和潜艇的水下部分侧面和底面、港口水下部分的底面和侧面，也需要进行定期检测，以防止水雷及爆炸物的非法浸入，来保障军用设施的安全性。目前，国内外对水下基础设施进行检测的水下机器人主要有以下两种：一种是自主式水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)，它通常由纵向主推进器进行推进，舵面进行姿态操纵，携带声纳和光学成像设备，按照事先规划的路径进行航行，从而实现对作业面的检测。这种方法的优点是可以实现大面积的快速检测；主要缺点：1)由于声纳和光学成像设备在机器人壳体上固定安装,因此只能对某一种特定作业面进行检测，不同时具备垂直侧面、倾斜面、顶面、底面的检测能力；2)机器人通常只能对作业面进行行进间检测，难以实现定点悬停检测；3)机器人为了实现水下自主的检测，通常采用惯性导航设备来测量机器人的航向和姿态，采用面向海底的多普勒测速仪来测量机器人相对于海底的绝对速度，从而实现机器人在水下的绝对导航，但由于导航误差会随时间累积，后续难于对机器人探测到的声学和光学图像进行精确的拼接；4)机器人检测到的信息只能事后上传，缺乏实时性。另一种方法是遥控式水下机器人(RemoteOperatedVehicles，ROV)，采用6～8个推进器的结构布局，实现机器人六个自由度的操控，机器人携带声纳和光学成像设备，由操作员遥控水下机器人对水下作业面进行检测。这种方法的优点：1)虽然声纳和光学成像设备在机器人壳体上固定安装,但由于遥控式水下机器人采用多个推进器的结构布局,仍然可以通过遥控水下机器人的姿态来对不同水下作业面进行检测；2)可以实现定点悬停检测；3)机器人检测到的信息能实时上传；主要缺点：1)机器人的检测缺乏自主性；2)受缆绳牵绊，检测效率低，作业面积有限；3)检测作业依赖于操作员的经验，对操作员的技术要求高；4)操作员经验限制，难以实现100％的全覆盖检测。
技术实现思路
(1)技术问题为解决现有技术的不足，本专利技术的实施例提出了一种可适用于多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人及其作业方法，以满足多个行业对水下自主探测作业机器人的需求。(2)技术方案根据本专利技术的一方面，本专利技术的实施例提供了一种可同时对多种水下作业面进行声学和光学检测的水下自主作业机器人的实现方式，根据本专利技术实施例提供的水下自主作业机器人的检测范围更广，检测方式更加灵活，同时根据本专利技术实施例提供的水下自主作业机器人可以实现自主作业。基于模块化设计理念，本专利技术实施例提出一种水下自主作业机器人的总体设计方案，其可根据作业任务，按需求增减或替换功能模块，可实现一定程度上的二次开发。根据本专利技术的实施例，将机器人的组部件按功能进行划分，以模块化为搭载，完成结构设计与功能布局。根据本专利技术实施例的可同时对多种水下作业面进行声学和光学检测的水下自主作业机器人包括：以蓄电池组11为主体的能源动力模块；以外框架12和内部和侧面支撑20、浮力模块14为主体的力学结构设计模块；以上壳体22-1和下壳体22-2为主体的外形设计模块；以强电流电子控制舱13和弱电流电子控制舱15为主体的主控模块；以至少两个垂直推进器24、至少两个侧向推进器8和至少一个纵向主推进器19为主体的动力推进模块；以多普勒测速仪5、成像声呐2、集成LED灯的光学摄像头3、光通信MODEM9、深度和高度计10、前端云台1和后端云台23为主体的功能模块。所述的能源动力模块用于机器人多个推进器和组部件的供电；所述的力学结构设计模块包括内部和侧面支撑20、外框架12以及浮力模块14，外框架12和内部和侧面支撑20用于搭载内部功能模块，可完成内部能源动力模块、主控模块、浮力模块的空间分布和布局优化，内部和侧面支撑20的前后两侧分别对称安装至少一个侧向推进器8，外框架12左右两端上分别对称安装一个垂直推进器24；内部和侧面支撑20的右端与悬臂梁7固连，并同时固定于外框架12上，用于分担机器人前端由于自重产生的载荷及力矩；内部和侧面支撑20的前侧左端安装有深度和高度计10，上壳体22-1上端安装有光通信MODEM9；外框架12同时与内部和侧面支撑20、悬臂梁7固连，用于承担机器人总体应力分布，是最重要的力学结构件。本专利技术实施例进一步的技术方案是：内部和侧面支撑20的结构以两个横梁18、两个长纵梁17和两个短纵梁16组成，短纵梁16设计成带槽结构，两个长纵梁17固定在外框架12上，整体设计以井字型为基础，大大减少了机器人内部的空间占用率，并利于增减内部功能模块时，对空间布局优化。在保证横、纵梁结构强度的基础上，设计若干蜂窝状安装孔，利于搭载其他功能模块，对现有模块的空间位置微调，减小安装过程、安装顺序、安装方式的难度。本专利技术实施例进一步的技术方案是：两个浮力模块14固定在长纵梁17和内部和侧面支撑20的前后两端，保证总体零浮力，实现机器人的总体衡重参数配置，保证机器人的动力学平衡。本专利技术实施例进一步的技术方案是：机器人的外壳设计为流线型纵剖面，减小流体阻力系数；上壳体22-1、下壳体22-2表面均布若干孔，实现壳体内外压平衡，适应大深度要求。本专利技术实施例进一步的技术方案是：动力推进模块采用至少一个纵向主推进器19、至少两个对称安装的侧向推进器8和至少两个对称安装的垂直推进器24，实现机器人的联合推进与操纵控制，内部和侧面支撑20的前后端分别安装一个侧向推进器8，用于控制机器人的侧向运动；外框架12的左右端分别安装一个垂直推进器24，用于控制机器人的航行深度；机器人底部搭载一个纵向主推进器19，其动力方向为侧板法向，用于控制机器人扫描运动的速度。藉此，通过多个推进器的联合操纵与控制实现多自由度航行，并能够实现悬停。本专利技术实施例进一步的技术方案是：通过纵向主推进器安装架下段19-1和纵向主推进器安装架上段19-2将纵向主推进器19与短纵梁16固连。纵向主推进器的安装架上段19-2与T型螺钉21相连，T型螺钉21搭载在两个短纵梁16的滑槽中，通过挪动T型螺钉21，实现纵向主推进器19安装位置的微调，使其与纵向的流体动力特性相匹配，提高航行姿态的稳定性和控制精度。本专利技术实施例进一步的技术方案是：蓄电池组11安放在蓄电池组外框11-1之中，蓄电池组外框11-1固定在长纵梁17上，蓄电池组不直接与长纵梁17固连，使电池的安装和拆卸操作简单。本专利技术实施例进一步的技术方案是：主控模块由强电流电子控制舱13和弱电流电子控制舱15组成。强电流电子控制舱13内安装有多个推进器的驱动与控制模块，弱电流电子控制舱15内安装有航向姿态传感器、自动驾驶仪等模块，前者(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下自主作业机器人，其特征在于，所述水下自主作业机器人包括能源动力模块、力学结构设计模块、外形设计模块、主控模块、动力推进模块以及功能模块，其中，能源动力模块为蓄电池组，用于为主控模块、动力推进模块以及功能模块供电；力学结构设计模块包括外框架、内部和侧面支撑以及浮力模块，其中，外框架与内部和侧面支撑用于搭载能源动力模块、浮力模块以及主控模块；外形设计模块包括上壳体和下壳体；主控模块包括强电流电子控制舱以及弱电流电子控制舱；动力推进模块包括至少两个侧向推进器、至少两个垂直推进器以及至少一个纵向主推进器；功能模块包括多普勒测速仪、成像声呐、集成LED灯的光学摄像头、光通信MODEM、深度和高度计、前端云台和后端云台；内部和侧面支撑的外侧分别对称安装至少一个侧向推进器，外框架左右两端上分别对称安装至少一个垂直推进器；内部和侧面支撑的右端与悬臂梁固连，并固定于外框架上；内部和侧面支撑的左端安装有深度和高度计；上壳体上端安装有光通信MODEM，下壳体下端安装有至少一个纵向主推进器；多普勒测速仪与后端云台相连，后端云台可在±90°范围内转动，后端云台另一端固定在悬臂支架上，通过悬臂梁将悬臂支架与外框架和内部和侧面支撑连接固定；成像声呐与前端云台相连，前端云台可在±90°范围内转动，前端云台另一端固定在悬臂支架上，通过悬臂梁将悬臂支架与外框架和内部和侧面支撑连接固定；集成LED灯的光学摄像头通过光学摄像头固定支架固定在轴承座上，成像声呐的一端伸出轴与轴承座的外圈通过法兰固连，多普勒测速仪的一端伸出轴与轴承座的内圈采用过盈配合的方式固连。...

【技术特征摘要】
1.一种水下自主作业机器人，其特征在于，所述水下自主作业机器人包括能源动力模块、力学结构设计模块、外形设计模块、主控模块、动力推进模块以及功能模块，其中，能源动力模块为蓄电池组，用于为主控模块、动力推进模块以及功能模块供电；力学结构设计模块包括外框架、内部和侧面支撑以及浮力模块，其中，外框架与内部和侧面支撑用于搭载能源动力模块、浮力模块以及主控模块；外形设计模块包括上壳体和下壳体；主控模块包括强电流电子控制舱以及弱电流电子控制舱；动力推进模块包括至少两个侧向推进器、至少两个垂直推进器以及至少一个纵向主推进器；功能模块包括多普勒测速仪、成像声呐、集成LED灯的光学摄像头、光通信MODEM、深度和高度计、前端云台和后端云台；内部和侧面支撑的外侧分别对称安装至少一个侧向推进器，外框架左右两端上分别对称安装至少一个垂直推进器；内部和侧面支撑的右端与悬臂梁固连，并固定于外框架上；内部和侧面支撑的左端安装有深度和高度计；上壳体上端安装有光通信MODEM，下壳体下端安装有至少一个纵向主推进器；多普勒测速仪与后端云台相连，后端云台可在±90°范围内转动，后端云台另一端固定在悬臂支架上，通过悬臂梁将悬臂支架与外框架和内部和侧面支撑连接固定；成像声呐与前端云台相连，前端云台可在±90°范围内转动，前端云台另一端固定在悬臂支架上，通过悬臂梁将悬臂支架与外框架和内部和侧面支撑连接固定；集成LED灯的光学摄像头通过光学摄像头固定支架固定在轴承座上，成像声呐的一端伸出轴与轴承座的外圈通过法兰固连，多普勒测速仪的一端伸出轴与轴承座的内圈采用过盈配合的方式固连。2.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，内部和侧面支撑包括至少两个横梁、至少两个长纵梁、至少两个短纵梁以及至少两个侧板，其中，短纵梁设计成带槽结构，长纵梁固定在外框架上。3.如权利要求2所述的水下自主作业机器人，其特征在于，浮力模块固定在长纵梁和内部和侧面支撑的前后两端。4.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，上壳体和下壳体设计为流线型纵剖面；上壳体和下壳体的表面均布若干孔。5.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，侧向推进器的动力方向为内部和侧面支撑中侧板的径向，纵向主推进器的动力方向为内部和侧面支撑中侧板的法向。6.如权利要求2所述的水下自主作业机器人，其特征在于，纵向主推进器通过纵向主推进器安装架下段和纵向主推进器安装架上段与短纵梁固连，纵向主推进器的安装架上段与T型螺钉相连，T型螺钉搭载在两个短纵梁的滑槽中，通过挪动T型螺钉，实现纵向主推进器安装位置的微调。7.如权利要求2所述的水下自主作业机器人，其特征在于，蓄电池组安放在蓄电池组外框之中，蓄电池组外框固定在长纵梁上。8.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，强电流电子控制舱内安装有侧向推进器、垂直推进器以及纵向主推进器的驱动与控制模块，弱电流电子控制舱内安装有航向姿态传感器以及自动驾驶仪，强电流电子控制舱通过水密电缆与侧向推进器、垂直推进器、纵向主推进器、前端云台、以及后端云台连接，弱电流电子控制舱通过水密线缆与光通信MODEM、成像声呐、深度和高度计、集成LED灯的光学摄像头、以及多...

【专利技术属性】
技术研发人员：严卫生，崔荣鑫，邓飞，李慧平，许晖，张福斌，高剑，邢瑶，蒋绍博，
申请(专利权)人：西北工业大学，昆明海威机电技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61