一种水下联合搜救机器人及系统技术方案

本发明专利技术提供一种水下联合搜救机器人及系统，包括外壳、密封舱、救援装置、动力推进装置、控制装置、感知装置；外壳关于质点铅锤面相对称，呈双水滴对称型；控制装置用于控制动力推进装置、救援装置；救援装置用于固定搜寻到的目标，旋转安装于外壳左右两侧；动力推进装置用于提供动力、辅助机器人稳定，设置于外壳内。从而提供一种阻力小、受阻力均匀、抗乱流能力强、搜寻与救援一体化、具有自主识别能力的水下联合搜救机器人；多个水下搜救机器人终端之间通过LoRa无线通信，另一方面，提供了一种具备高效搜救能力的基于Lora和深度学习的水下联合搜救系统。联合搜救系统。联合搜救系统。

【技术实现步骤摘要】
一种水下联合搜救机器人及系统


[0001]本专利技术涉及水下机器人领域，具体的说，涉及了一种水下联合搜救机器人及系统。

技术介绍

[0002]机器人在水下运行时会存在较大阻力，不仅加剧耗能而且严重阻碍运行速度。为尽可能减小水下阻力同时保证稳定性，本领域水下机器人采用不同形态外形设计来规避以上问题，按照形态一般分为流线型、鱼雷型、水滴型等。在外壳设计上,流线型水下机器人虽然大大减小了阻力但是由于侧轮廓投影面积远大于正面投影面积，侧面所受阻力将显著增大，有时达六倍以上，从而导致流线型外壳机器人因压力分布不均而不具有强劲的抗水流冲击能力。同样“水滴型”的“前尖后钝”仍会造成机器尾部压强过大，在提高机器自稳性方面优势并不明显。为了提升运行速度，也有在动力推进系统上进行规避设计，如吊舱式推进系统。然而，吊舱式推进系统虽然灵活度比较高，但是对于吊舱和桨轴的密封要求极高且传递的功率也受到一定限制，成本较高，不宜维护，故障率高。
[0003]另一方面，目前的水下机器人虽然可以代替人工进行长时间的作业，但是随着作业任务要求的提高，单个水下搜救机器人已经无法满足日益复杂的高强度、大负荷的作业需求而且即便是增加搜寻作业的机器人也不过是在数量上增加，各个机器人之间仍是独立工作，没有很好的统一协调调度机制。
[0004]为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，一方面，提供一种阻力小、受阻力均匀、抗乱流能力强、搜寻与救援一体化、具有自主识别能力的水下联合搜救机器人；另一方面，提供了一种多个水下搜救机器人终端与空中无人机搜救终端联合组网，搜救终端之间相互通信相互配合，具备高效搜救能力的基于Lora和深度学习的水下联合搜救系统。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术第一方面提供一种水下搜救机器人，包括外壳、密封舱、动力推进装置和控制系统；所述外壳关于质点铅锤面相对称，呈双水滴对称型；所述外壳顶部沿中心线对称开设凹槽；所述密封舱，嵌设在所述凹槽内，用于内置所述控制系统；所述动力推进装置设置于所述外壳内；所述控制系统控制连接所述动力推进装置，以控制所述动力推进装置进行动力推进。
[0007]基于上述，所述动力推进装置包括四个用于实现前后行进的水平推进器和两个用于实现上下浮沉的垂直推进器；所述外壳开设四条用于放置所述水平推进器的水平通道和两条用于放置推进辅助装置的垂直通道；所述四条水平通道分布在所述外壳同一水平面上，每条水平通道贯穿所述外壳的相邻两侧面并与所述外壳长边中线呈45
°
夹角；所述两条垂直通道垂直均布在所述外壳的两侧并贯穿所述外壳的顶、底面。
[0008]基于上述，所述外壳的前端面、后端面、左侧面、右侧面和底面设计为弧形内凹面；所述外壳的顶面的垂直通道贯穿处也设计为弧形内凹面；所述外壳前端面位于所述密封舱下部，设计有一个用于对流线进行分割的尖端结构；所述外壳后端的上方设计为类似尾翼的稳流结构。
[0009]基于上述，还包括与所述控制系统控制连接、基于声视觉探测搜救目标的感知装置；所述感知装置包括声呐协同探测单元、摄像单元和图像识别单元；所述声呐协同探测单元包括安装于所述外壳前、后端面，用于进行双视野交替探测的前视声呐探测器，以及安装于所述外壳左、右侧面，用于弥补前视声呐视野盲区的合成孔径声呐探测器；所述摄像单元包括水下高清摄像机和LED照明灯；所述图像识别单元，分别与所述声呐协同探测单元和所述摄像单元连接，用于根据接收到的所述图像识别单元获取到的图像和所述声呐协同探测单元捕捉到的图像进行目标识别跟踪和水域情况探测。
[0010]基于上述，所述图像识别单元采用预置YOLOV5神经网络模型的Jetson Nano模块。
[0011]基于上述，所述控制系统还连接有用于监测机器人水下姿态的姿态监测模块，以及用于实时检测搜救机器人水下作业深度的水深计。
[0012]基于上述，还包括救援装置，所述救援装置包括设置于所述外壳左、右两侧的搜救机械臂和设置于所述搜救机械臂上的逃生装置；所述搜救机械臂包括环形机械爪、连杆、曲柄和舵机；所述舵机，由所述控制系统控制驱动，安装在所述外壳上，与所述曲柄连接；所述连杆的一端连接所述曲柄，另一端连接所述环形机械爪，设计为只在水平方向上具有自由度，在所述舵机的驱动下，完成抓握或打开动作；所述逃生装置包括感应模块、气体发生器及逃生气囊；所述感应模块，设置于所述环形机械爪上，与所述控制系统电连接，用于检测所述机械臂是否抓牢并反馈给所述控制系统；所述气体发生器与所述控制系统电连接，当所述感应模块检测到机械臂抓牢信号后，所述控制系统触发所述气体发生器动作；所述气体发生器设置于所述环形机械爪爪部内，用于产生气体充装所述逃生气囊；所述逃生气囊覆盖在所述环形机械爪表面上，用于产生向上的浮力。
[0013]基于上述，所述密封舱包括半球罩、法兰盘和密封舱体，所述半球罩通过法兰盘密封安装在所述密封舱体的前端，所述密封舱体的后端与设置在所述凹槽内的法兰盘连接。
[0014]本专利技术第二方面提供一种水下联合搜救系统，包括由多个所述的水下联合搜救机器人联合组网的搜救机器人编队、空中无人机和云管理调度平台；所述搜救机器人编队的水下联合搜救机器人内置北斗定位模块；所述搜救机器人编队的联合组网方式包括：各个水下联合搜救机器人通过零浮力线缆与水面对应的信号浮标相连接，各个信号浮标之间使用无线通信技术组建局域网进行数据交互，并通过无线网关与云管理调度平台进行通信连接；所述水下联合搜救系统的搜救方法：首先由空中无人机在空中进行初步的筛查搜寻目标；在初步筛查缩小目标范围后，由水下联合搜救机器人在探测区域内搜寻目标；在搜寻到目标人员后，云管理调度平台根据上报上来的水域情况和目标位置，云管理调度平台规划搜寻路径和救援任务并下发，各水下联合搜救机器人再根据接收到的搜寻路径和救援任务进行跟踪和救援。
[0015]基于上述，各个信号浮标之间使用LoRa通信技术组建局域网进行数据交互，并通过LoRa网关与云管理调度平台进行通信连接；所述LoRa网关使用RF器件。
[0016]本专利技术相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，在综合考虑到流线型与水滴型外壳设计的优缺点后，设计了一款关于质点铅锤面相对称的“双水滴对称型”外壳结构，从而实现了水下联合搜救机器人受水流阻力小、受阻力均匀、抗乱流能力强的效果；水下联合搜救机器人内置了Jetson Nano自主识别模块具备了自主识别能力，解决了传统搜救方式及现有机器人存在的识别准确度和识别速度不能兼顾的问题；此外水下联合搜救机器人两侧安装了所述救援机械臂从而达到了搜寻与救援一体化的效果。
[0017]另一方面，采用LoRa无线通信技术构建搜救局域网实现多机组网，便于信息在各个水下搜救机器人终端之间流通，同时在搜寻的不同阶段采用不同措施，在远距离时依赖空中无人机搜救终端协同搜救方式缩小搜救范围，较小范围内采用水下搜救机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下搜救机器人，其特征在于：包括外壳、密封舱、动力推进装置和控制系统；所述外壳关于质点铅锤面相对称，呈双水滴对称型；所述外壳顶部沿中心线对称开设凹槽；所述密封舱，嵌设在所述凹槽内，用于内置所述控制系统；所述动力推进装置设置于所述外壳内；所述控制系统控制连接所述动力推进装置，以控制所述动力推进装置进行动力推进。2.根据权利要求1所述的水下联合搜救机器人，其特征在于：所述动力推进装置包括四个用于实现前后行进的水平推进器和两个用于实现上下浮沉的垂直推进器；所述外壳开设四条用于放置所述水平推进器的水平通道和两条用于放置推进辅助装置的垂直通道；所述四条水平通道分布在所述外壳同一水平面上，每条水平通道贯穿所述外壳的相邻两侧面并与所述外壳长边中线呈45
°
夹角；所述两条垂直通道垂直均布在所述外壳的两侧并贯穿所述外壳的顶、底面。3.根据权利要求2所述的水下联合搜救机器人，其特征在于：所述外壳的前端面、后端面、左侧面、右侧面和底面设计为弧形内凹面；所述外壳的顶面的垂直通道贯穿处也设计为弧形内凹面；所述外壳前端面位于所述密封舱下部，设计有一个用于对流线进行分割的尖端结构；所述外壳后端的上方设计为类似尾翼的稳流结构。4.根据权利要求1所述的水下联合搜救机器人，其特征在于：还包括与所述控制系统控制连接、基于声视觉探测搜救目标的感知装置；所述感知装置包括声呐协同探测单元、摄像单元和图像识别单元；所述声呐协同探测单元包括安装于所述外壳前、后端面，用于进行双视野交替探测的前视声呐探测器，以及安装于所述外壳左、右侧面，用于弥补前视声呐视野盲区的合成孔径声呐探测器；所述摄像单元包括水下高清摄像机和LED照明灯；所述图像识别单元，分别与所述声呐协同探测单元和所述摄像单元连接，用于根据接收到的所述图像识别单元获取到的图像和所述声呐协同探测单元捕捉到的图像进行目标识别跟踪和水域情况探测。5.根据权利要求4所述的水下联合搜救机器人，其特征在于：所述图像识别单元采用预置YOLOV5神经网络模型的Jetson Nano模块。6.根据权利要求1所述的水下联合搜救机器人，其特征在于：所述控制系统还连接有用于监测机器人水下姿态的姿态监测模块，以及用于实时检测搜救机器人水下作业深度的水深计。7.根据权利要求1所述的水下联合搜救...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一帆，王超，曹仰杰，张迪，王丽朵，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：