CN114802659A - 一种高抗流水下有缆机器人及其控制方法 - Google Patents
一种高抗流水下有缆机器人及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高抗流水下有缆机器人及其控制方法，涉及水下机器人技术领域，包括机器人壳体，机器人壳体通过水下流体运动仿真模拟方法构建，呈流线型纺锤结构并为封闭式设置，机器人壳体上搭载超短基线定位系统、天线、照明灯、摄像头、机械扫描声呐、测速仪和推进器，以及用于控制水下有缆机器人的主控电路；本发明利用在水下机器人结构设置合理，降低了运行阻力，提高水下运行速率和抗流稳定性，进而提高了此水下机器人载体的水下定位精度等指标，同时其搭载设置的数据采集设备，便于在复杂的水域中进行查看和使用，具有定深控制、定向控制、实时监测的功能，水下监测工作更加的智能化和信息化。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及在流速较强的水流条件下能安全作业的水下有缆机器人。
背景技术
ROV自身具有较高的经济性，且灵活性也较强，对各类作业环境能够有效适应，其自身具备诸多优点使得目前国内外加强了对其的研究。目前在海洋资源开发或是水下工程调查等方面得到了广泛应用。为保障航道的平稳运行，内河航道的整治工作必不可少。内河沿线的建筑物是整治工作的要点。
同时内河建筑两岸堤坝、桥梁、码头、抛石等，特别是长江航道，流域面积大，情况多变、流速大、水体浑浊。由于现阶段的水下机器人功能比较单一，对水下环境的数据采集精度一般，不全面且不便于查看和使用。对于现阶段水下机器在航道病害调查过程中的困难性，急需一种可以在内河使用的水下机器人平台来完成智能化、信息化和稳定的控制；同时长江下游水流速平均为2～3米/秒，目前还没有能应用于强流环境的ROV设备。传统rov都是开放性构架，迎流面积大、高达1.2的阻力系数，拥有较大的阻力系数，导致潜水过程中无法快速移动。应说明的国际上较为新进的ROV产品航行速度都不超过3节，如v8系列，Falcon系列最大速度都是3节，也给水下机器人的运行带来了困扰。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有的水下机器人中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中的一个目的是提供一种高抗流水下有缆机器人及其使用方法，其利用在水下机器人上合理布局设置数据采集设备，以及对应的数据处理控制水下机器人的运行状态，控制更加的智能化和信息化，并改善了开放式的机身为扁平流线型纺锤结构，降低了运行阻力，提高水下运行速率和稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括机器人壳体，所述机器人壳体通过水下流体运动仿真模拟方法构建，呈流线型纺锤结构并为封闭式设置，其上部安装有吊装万向节、超短基线定位系统和天线，艏部安装照明灯、摄像头、浮材块和安装在所述浮材块上的机械扫描声呐，底部安装腿部支撑架和测速仪，两侧部和艉部均以机器人壳体的中心轴线为对称轴，呈水平对称状的安装有照明灯、摄像头以及安装架，每个所述安装架上均安装有推进机构；
还包括用于控制水下有缆机器人的主控电路，所述水下有缆机器人包括处理器、与所述处理器对应相连接的数据采集模块、I/O控制设备模块、接口端和稳压电源模块；所述机械扫描声呐、测速仪、摄像头、超短基线定位系统以及天线均与数据采集模块相连接，所述推进机构与I/O控制设备模块相连接，所述主控电路通过接口端连接工控主机。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的一种优选方案，其中：所述推进机构包括用于前进移动的艉部推进器和用于控制下沉、上升、平衡或转向的侧部推进器，所述艉部推进器和侧部推进器均电性连接I/O控制设备模块。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的一种优选方案，其中：所述艉部推进器包括用于驱动的螺旋桨、位于螺旋桨外部的导流壳罩、与螺旋桨连接的无刷电机和与无刷电机电性连接的控制线缆；
且所述艉部推进器中的无刷电机与螺旋桨驱动轴之间采用磁性耦合结构驱动，且无刷电机与螺旋桨驱动轴的外部安装有密封壳体；
所述无刷电机动力轴与螺旋桨驱动轴之间的传动机构为行星减速齿轮设置。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的一种优选方案，其中：所述照明灯和摄像头以机器人壳体的中心轴线为对称轴，呈对称状安装在机器人壳体的艏部、两侧部和底部。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的一种优选方案，其中：所述接口端包括用于通讯的串口通讯单元、I/O通讯单元、继电控制单元、MOS驱动单元、显示单元以及晶振单元；
所述串口通讯单元包括滤波电路、信号放大电路、光电转换电路、光电隔离电路、串口通讯电路、无线数据通讯电路及数据缓存电路。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的一种优选方案，其中：所述水下有缆机器人的主控电路基于DSP芯片、FPGA芯片或MCU芯片其中的一种设置。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的一种优选方案，其中：所述水下有缆机器人的主控电路还包括与处理器连接的传感设备；所述传感设备包括安装在机器人壳体外壁的温度传感器、流速传感器以及用于水质监测的传感器，还包括与推进机构驱动电机相连接的编码器、安装在机器人壳体内部的水平仪和倾角传感器。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的一种优选方案，其中：所述水下流体运动仿真模拟方法具体包括以下步骤：
S1，建立控制方程；
S2，确定初始条件及边界条件；
S3，划分计算网络生成计算节点；
S4，建立离散方程；
S5，离散初始条件和边界条件；
S6，确定求解控制方程；
S7，求解离散方程；
S8，解析是否正确；
S9，显示和输出计算结果；
其中通过建立至少两个机器人壳体物理模型，确定该模型对周围环境的影响，确定计算区域，进行网格划分，设置边界条件，把划分的网格图导入计算流体力学分析软件中，进行一系列的设置求解，对数据进行选择分析处理，得出数字模拟分析结果；
进一步的上述数据为对状态速度标量场和矢量场进行仿真处理，得到对应的仿真模型和数据，且数据包括总阻力、摩擦阻力和粘压阻力。
一种高抗流水下有缆机器人的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一，将水下有缆机器人的进行系统装配；主控电路装配在机器人壳体中，在机器人壳体的外部安装温度传感器、流速传感器以及用于水质监测的传感器，与推进机构驱动电机相连接的编码器，安装在机器人壳体内部的水平仪和倾角传感器，同时在机器人壳体上装配超短基线定位系统、天线、照明灯、摄像头、机械扫描声呐、测速仪以及艉部推进器和侧部推进器，将上述传感设备、超短基线定位系统、天线、照明灯、摄像头、机械扫描声呐、测速仪以及艉部推进器和侧部推进器均与主控电路进行电气连接，并调试；
步骤二，运行水下有缆机器人，与岸上的工控主机建立信息数据连接，通过吊装万向节将水下有缆机器人吊装至预定水域，水下有缆机器人基于数据采集模块和传感设备采集的数据信息，通过主控电路的数据处理，通过I/O控制设备模块控制推进机构运行并进行定深和定向控制，同时将数据采集模块和传感设备采集的数据信息传输至工控主机中进行实时的监测工作，工控主机可上传服务器或本地进行数据存储。
作为本发明所述一种高抗流水下有缆机器人的控制方法的一种优选方案，其中：所述定深和定向控制通过解耦式布局水下有缆机器人推动机构的无刷电机，获得推动机构无刷电机的解耦控制方式，然后通过回归拟合方式得到模型，再通过预设定深控制或定向控制的状态，确定推动机构中无刷电机输入输出关系，再通过坐标变换将世界坐标系与水下有缆机器人坐标系建立关系。
本发明的有益效果：本发明利用在水下机器人上合理布局设置数据采集设备，以及对应的数据处理控制水下机器人的运行状态，便于在复杂的水域中进行查看和使用，运行稳定，且检测精度高和有缆的抗干扰性强，具有定深控制、定向控制、实时监测的功能，使得水下监测工作更加的智能化和信息化，并改善了开放式的机身为扁平流线型纺锤结构，降低了运行阻力，提高水下运行速率和抗流稳定性，进而提高了此水下机器人载体的水下定位精度等指标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1和2中水下有缆机器人的结构示意图；
图2为本发明图1中艉部推进器的结构示意图；
图3为本发明实施例1中水下有缆机器人模块化组装示意图；
图4为本发明实施例1中水下有缆机器人主控电路的模块化结构图；
图5为本发明实施例2中水下有缆机器人主控电路的模块化示意图；
图6-1为本发明图1的正视图；
图6-2为本发明图1的俯视图；
图6-3为本发明图1的侧视图；
图6-4为本发明图1的仰视图；
图7为本发明实施例中1和2中流体运动仿真模拟方法流程框图。
图中标号：1、机器人壳体；101、浮材；102、腿部支撑架；103、吊装万向节；11、机械扫描声呐；12、摄像头；13、照明灯；14、超短基线定位系统；15、天线；16、测速仪； 2、主控电路；21、处理器；22、数据采集模块；23、I/O控制设备模块；24、稳压电源模块； 25、传感设备；
3、艉部推进器；301、螺旋桨；302、导流壳罩；303、无刷电机；304、控制线缆；31、侧部推进器；
4、工控主机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1，参照图1-图6-4，为本发明的一个实施例，该实施例提供了一种高抗流水下有缆机器人。包括机器人壳体1，机器人壳体1通过水下流体运动仿真模拟方法构建，呈流线型纺锤结构并为封闭式设置，其上部安装有吊装万向节103、超短基线定位系统14和天线15，艏部安装照明灯13、摄像头12、浮材101块和安装在浮材101块上的机械扫描声呐11，底部安装腿部支撑架102和测速仪16，两侧部和艉部均以机器人壳体1的中心轴线为对称轴，呈水平对称状的安装有照明灯13、摄像头12以及安装架，每个安装架上均安装有推进机构；还包括用于控制水下有缆机器人的主控电路2，水下有缆机器人包括处理器21、与处理器21对应相连接的数据采集模块22、I/O控制设备模块23、接口端和稳压电源模块 24；机械扫描声呐11、测速仪16、摄像头12、超短基线定位系统14以及天线15均与数据采集模块22相连接，推进机构与I/O控制设备模块23相连接，主控电路2通过接口端连接工控主机4。
基于上述此水下机器人通过设置数据采集设备，以及对应的数据处理控制水下机器人的运行状态，便于在复杂的水域中进行查看和使用，运行稳定，且检测精度高和有缆的抗干扰性强，具有定深控制、定向控制、实时监测的功能，使得水下监测工作更加的智能化和信息化，具体如下：
本实施例推进机构具体包括用于前进移动的艉部推进器3和用于控制下沉、上升、平衡或转向的侧部推进器31，艉部推进器3和侧部推进器31均电性连接I/O控制设备模块23。
参照图2，本实施例艉部推进器3进一步的包括用于驱动的螺旋桨301、位于螺旋桨301外部的导流壳罩302、与螺旋桨301连接的无刷电机303和与无刷电机303电性连接的控制线缆304；且艉部推进器3中的无刷电机303与螺旋桨301驱动轴之间采用磁性耦合结构驱动，且无刷电机303与螺旋桨301驱动轴的外部安装有密封壳体；无刷电机303动力轴与螺旋桨301驱动轴之间的传动机构为行星减速齿轮设置,使得电机传动的效率更高，噪音更小，推进器整机的体积更小，重量更轻。
基于上述此艉部推进器3能有效的减少了推进器运行过程中的冲击与振动，完全消除了因过载而导致的损坏，大幅度的提高了推进器的使用寿命，此外这种磁性耦合驱动技术使整个推进器处于静密封状态，大大的降低了密封泄露的风险，而且免维护，能节省大量的维护费用。
具体的照明灯13和摄像头12在机器人壳体1上布置多组，可进行监控和照明灯功能，以机器人壳体1的中心轴线为对称轴，呈对称状安装在机器人壳体1的艏部、两侧部和底部。
此外，接口端包括用于通讯的串口通讯单元、I/O通讯单元、继电控制单元、MOS 驱动单元、显示单元以及晶振单元；串口通讯单元包括滤波电路、信号放大电路、光电转换电路、光电隔离电路、串口通讯电路、无线数据通讯电路及数据缓存电路，上述电路设置来提高电控和数据传输系统运行的稳定性和精确性。
优选的，水下有缆机器人的主控电路2基于DSP芯片、FPGA芯片或MCU芯片其中的一种设置。
参照图7，机器人壳体1通过水下流体运动仿真模拟方法构建，呈流线型纺锤结构并为封闭式设置，水下流体运动仿真模拟方法具体包括以下步骤：
S1，建立控制方程；
S2，确定初始条件及边界条件；
S3，划分计算网络生成计算节点；
S4，建立离散方程；
S5，离散初始条件和边界条件；
S6，确定求解控制方程；
S7，求解离散方程；
S8，解析是否正确；
S9，显示和输出计算结果；
其中通过建立至少两个机器人壳体1物理模型，确定该模型对周围环境的影响，确定计算区域，进行网格划分，设置边界条件，把划分的网格图导入计算流体力学分析软件中，进行一系列的设置求解，对数据进行选择分析处理，得出数字模拟分析结果；机器人壳体1模型确定后，将模型简化为流体仿真所用模型，分别为4kn状态模型和6kn状态模型，对状态速度标量场和矢量场进行仿真处理，得到对应的仿真模型和数据，且数据包括总阻力、摩擦阻力和粘压阻力。
表1水下有缆机器人性能仿真结果
| 工况 | 总阻力(N) | 摩擦阻力(N) | 粘压阻力(N) |
| 4kn | 350.156 | 26.789 | 323.367 |
| 6kn | 349.533 | 45.533 | 304.000 |
本实施例基于上述高抗流水下有缆机器人，还提供一种高抗流水下有缆机器人的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一，将水下有缆机器人的进行系统装配；主控电路2装配在机器人壳体1中，在机器人壳体1的外部安装温度传感器、流速传感器以及用于水质监测的传感器，与推进机构驱动电机相连接的编码器，安装在机器人壳体1内部的水平仪和倾角传感器，同时在机器人壳体1 上装配超短基线定位系统14、天线15、照明灯13、摄像头12、机械扫描声呐11、测速仪16以及艉部推进器3和侧部推进器31，将上述传感设备25、超短基线定位系统14、天线 15、照明灯13、摄像头12、机械扫描声呐11、测速仪16以及艉部推进器3和侧部推进器 31均与主控电路2进行电气连接，并调试；
步骤二，运行水下有缆机器人，与岸上的工控主机4建立信息数据连接，通过吊装万向节 103将水下有缆机器人吊装至预定水域，水下有缆机器人基于数据采集模块22和传感设备 25采集的数据信息，通过主控电路2的数据处理，通过I/O控制设备模块23控制推进机构运行并进行定深和定向控制，同时将数据采集模块22和传感设备25采集的数据信息传输至工控主机4中进行实时的监测工作，工控主机4可上传服务器或本地进行数据存储。
本实施例上述的定深和定向控制需要进一步说明的，通过解耦式布局水下有缆机器人推动机构的无刷电机，获得推动机构无刷电机的解耦控制方式，然后通过回归拟合方式得到模型，再通过预设定深控制或定向控制的状态，确定推动机构中无刷电机输入输出关系，再通过坐标变换将世界坐标系与水下有缆机器人坐标系建立关系。
需要说明的，本实施例基于上述可知，此水下机器人结构设置合理科学，通过水下流体运动仿真模拟出物理模型，降低了运行阻力，提高水下运行速率和抗流稳定性，进而提高了此水下机器人载体的水下定位精度等指标，同时其搭载设置的数据采集设备，便于在复杂的水域中进行查看和使用，具有定深控制、定向控制、实时监测的功能，水下监测工作更加的智能化和信息化。
实施例2，参照图5，为本发明的一个实施例，该实施例提供了水下有缆机器人的主控电路2还包括与处理器21连接的传感设备25，该实施例与实施例1的具体实施内容相同，不同的是在此水下有缆机器人机器人上加装满足需求和功能的传感设备，以提高检测数据的全面性，有利于进行不同水域的监测工作。
本实施例具体的传感设备25包括安装在机器人壳体1外壁的温度传感器、流速传感器以及用于水质监测的传感器，还包括与推进机构驱动电机相连接的编码器、安装在机器人壳体1内部的水平仪和倾角传感器。
综上所述，本发明利用在水下机器人上合理布局设置数据采集设备，以及对应的数据处理控制水下机器人的运行状态，便于在复杂的水域中进行查看和使用，运行稳定，且检测精度高和有缆的抗干扰性强，具有定深控制、定向控制、实时监测的功能，使得水下监测工作更加的智能化和信息化，并改善了开放式的机身为扁平流线型纺锤结构，降低了运行阻力，提高水下运行速率和抗流稳定性，进而提高了此水下机器人载体的水下定位精度等指标。
此外本发明还有应用示例，如下：
示例1天津大沽炮台测试，天津大沽炮台测试场地是紧邻天津港码头航道的一块静水海域。岸堤有人工架设的简易码头。高抗流设备布放、回收时利用吊车和快锁的配合使用可快速将设备布放至海水中，设备搭载BV5000声呐时，在测试水域下水，测试其最大航航行速度可达到6节(3米/秒)。
示例2仪征崩岸水域测试，设备校准完成后在长江航道内开启自主抗流功能，在长江航道内可完全抵抗长江航道内2m/s流速水流对设备的冲击。
示例3泸州神背嘴段航道测试，长江上游航道段流速更强，设备顺利完成在泸州神背嘴段航道自主航行能力和抗流能力测试，本次发明的高抗流型ROV完全能抵御3m/s流速水流对设备的冲击。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种高抗流水下有缆机器人，包括机器人壳体（1），其特征在于，所述机器人壳体（1）通过水下流体运动仿真模拟方法构建，呈流线型纺锤结构并为封闭式设置，其上部安装有吊装万向节（103）、超短基线定位系统（14）和天线（15），艏部安装照明灯（13）、摄像头（12）、浮材（101）块和安装在所述浮材（101）块上的机械扫描声呐（11），底部安装腿部支撑架（102）和测速仪（16），两侧部和艉部均以机器人壳体（1）的中心轴线为对称轴，呈水平对称状的安装有照明灯（13）、摄像头（ 12）以及安装架，每个所述安装架上均安装有推进机构；
还包括用于控制水下有缆机器人的主控电路（2），所述水下有缆机器人包括处理器（21）、与所述处理器（21）对应相连接的数据采集模块（22）、I/O控制设备模块（23）、接口端和稳压电源模块（24）；所述机械扫描声呐（11）、测速仪（16）、摄像头（ 12）、超短基线定位系统（14）以及天线（15）均与数据采集模块（22）相连接，所述推进机构与I/O控制设备模块（23）相连接，所述主控电路（2）通过接口端连接工控主机（4）。
2.如权利要求1所述的一种高抗流水下有缆机器人，其特征在于，所述推进机构包括用于前进移动的艉部推进器（3）和用于控制下沉、上升、平衡或转向的侧部推进器（31），所述艉部推进器（3）和侧部推进器（31）均电性连接I/O控制设备模块（23）。
3.如权利要求2所述的一种高抗流水下有缆机器人，其特征在于，所述艉部推进器（3）包括用于驱动的螺旋桨（301）、位于螺旋桨（301）外部的导流壳罩（302）、与螺旋桨（301）连接的无刷电机（303）和与无刷电机（303）电性连接的控制线缆（304）；
且所述艉部推进器（3）中的无刷电机（303）与螺旋桨（301）驱动轴之间采用磁性耦合结构驱动，且无刷电机（303）与螺旋桨（301）驱动轴的外部安装有密封壳体；
所述无刷电机（303）动力轴与螺旋桨（301）驱动轴之间的传动机构为行星减速齿轮设置。
4.如权利要求1所述的一种高抗流水下有缆机器人，其特征在于，所述照明灯（13）和摄像头（ 12）以机器人壳体（1）的中心轴线为对称轴，呈对称状安装在机器人壳体（1）的艏部、两侧部和底部。
5.如权利要求1所述的一种高抗流水下有缆机器人，其特征在于，所述接口端包括用于通讯的串口通讯单元、I/O通讯单元、继电控制单元、MOS驱动单元、显示单元以及晶振单元；
所述串口通讯单元包括滤波电路、信号放大电路、光电转换电路、光电隔离电路、串口通讯电路、无线数据通讯电路及数据缓存电路。
6.如权利要求1所述的一种高抗流水下有缆机器人，其特征在于，所述水下有缆机器人的主控电路（2）基于DSP芯片、FPGA芯片或MCU芯片其中的一种设置。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种高抗流水下有缆机器人，其特征在于，所述水下有缆机器人的主控电路（2）还包括与处理器（21）连接的传感设备（25）；所述传感设备（25）包括安装在机器人壳体（1）外壁的温度传感器、流速传感器以及用于水质监测的传感器，还包括与推进机构驱动电机相连接的编码器、安装在机器人壳体（1）内部的水平仪和倾角传感器。
8.如权利要求1所述的一种高抗流水下有缆机器人，其特征在于，所述水下流体运动仿真模拟方法具体包括以下步骤：
S1，建立控制方程；
S2，确定初始条件及边界条件；
S3，划分计算网络生成计算节点；
S4，建立离散方程；
S5，离散初始条件和边界条件；
S6，确定求解控制方程；
S7，求解离散方程；
S8，解析是否正确；
S9，显示和输出计算结果；
其中通过建立至少两个机器人壳体（1）物理模型，确定该模型对周围环境的影响，确定计算区域，进行网格划分，设置边界条件，把划分的网格图导入计算流体力学分析软件中，进行一系列的设置求解，对数据进行选择分析处理，得出数字模拟分析结果；
进一步的上述数据为对状态速度标量场和矢量场进行仿真处理，得到对应的仿真模型和数据，且数据包括总阻力、摩擦阻力和粘压阻力。
9.基于权利要求7所述的一种高抗流水下有缆机器人的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，将水下有缆机器人的进行系统装配；主控电路（2）装配在机器人壳体（1）中，在机器人壳体（1）的外部安装温度传感器、流速传感器以及用于水质监测的传感器，与推进机构驱动电机相连接的编码器，安装在机器人壳体（1）内部的水平仪和倾角传感器，同时在机器人壳体（1）上装配超短基线定位系统（14）、天线（15）、照明灯（13）、摄像头（ 12）、机械扫描声呐（11）、测速仪（16）以及艉部推进器（3）和侧部推进器（31），将上述传感设备（25）、超短基线定位系统（14）、天线（15）、照明灯（13）、摄像头（ 12）、机械扫描声呐（11）、测速仪（16）以及艉部推进器（3）和侧部推进器（31）均与主控电路（2）进行电气连接，并调试；
步骤二，运行水下有缆机器人，与岸上的工控主机（4）建立信息数据连接，通过吊装万向节（103）将水下有缆机器人吊装至预定水域，水下有缆机器人基于数据采集模块（22）和传感设备（25）采集的数据信息，通过主控电路（2）的数据处理，通过I/O控制设备模块（23）控制推进机构运行并进行定深和定向控制，同时将数据采集模块（22）和传感设备（25）采集的数据信息传输至工控主机（4）中进行实时的监测工作，工控主机（4）可上传服务器或本地进行数据存储。
10.基于权利要求1所述的一种高抗流水下有缆机器人的使用方法，其特征在于，所述定深和定向控制通过解耦式布局水下有缆机器人推动机构的无刷电机，获得推动机构无刷电机的解耦控制方式，然后通过回归拟合方式得到模型，再通过预设定深控制或定向控制的状态，确定推动机构中无刷电机输入输出关系，再通过坐标变换将世界坐标系与水下有缆机器人坐标系建立关系。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115123504A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-09-30 | 应急管理部国家自然灾害防治研究院 | 用于人工岛护岸及防波堤结构变位的水下探测机器人装置 |
| CN115453576A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-09 | 盛东如东海上风力发电有限责任公司 | 一种海上风电有缆水下机器人定位装置及其定位方法 |
| CN115542779A (zh) * | 2022-12-01 | 2022-12-30 | 深之蓝海洋科技股份有限公司 | 基于仿真平台的水下机器人抗流性能的测试方法及装置 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103998186A (zh) * | 2011-12-15 | 2014-08-20 | 韩国海洋科学技术院 | 具有行走及游泳的复合移动功能的多关节海底机器人及海底探测系统 |
| CN105253278A (zh) * | 2015-11-16 | 2016-01-20 | 青岛海西电机有限公司 | 深海磁力耦合器推进装置 |
| CN106828838A (zh) * | 2017-01-24 | 2017-06-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种便携式流线型遥控水下机器人 |
| CN108008733A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-05-08 | 中国地质大学（武汉） | 一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备 |
| CN108319793A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-07-24 | 大连理工大学 | 一种基于cfd的低速倾斜入水自由运动的分析方法 |
| CN208181382U (zh) * | 2018-02-27 | 2018-12-04 | 天津大学 | 一种水下吊放机器人 |
| CN109501986A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-03-22 | 福州大学 | 一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人及其检测方法 |
| CN110386238A (zh) * | 2018-04-19 | 2019-10-29 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种全海深arv水下机器人结构 |
| CN113022827A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-06-25 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种100米级arv水下机器人结构 |
| CN113156982A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-23 | 中山大学 | 一种水下机器人控制系统及其控制方法 |
| WO2022033210A1 (zh) * | 2020-08-11 | 2022-02-17 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种高机动大潜深自主水下机器人形体结构 |
-
2022
- 2022-03-21 CN CN202210278303.4A patent/CN114802659B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103998186A (zh) * | 2011-12-15 | 2014-08-20 | 韩国海洋科学技术院 | 具有行走及游泳的复合移动功能的多关节海底机器人及海底探测系统 |
| CN105253278A (zh) * | 2015-11-16 | 2016-01-20 | 青岛海西电机有限公司 | 深海磁力耦合器推进装置 |
| CN106828838A (zh) * | 2017-01-24 | 2017-06-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种便携式流线型遥控水下机器人 |
| CN108008733A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-05-08 | 中国地质大学（武汉） | 一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备 |
| CN108319793A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-07-24 | 大连理工大学 | 一种基于cfd的低速倾斜入水自由运动的分析方法 |
| CN208181382U (zh) * | 2018-02-27 | 2018-12-04 | 天津大学 | 一种水下吊放机器人 |
| CN110386238A (zh) * | 2018-04-19 | 2019-10-29 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种全海深arv水下机器人结构 |
| CN109501986A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-03-22 | 福州大学 | 一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人及其检测方法 |
| WO2022033210A1 (zh) * | 2020-08-11 | 2022-02-17 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种高机动大潜深自主水下机器人形体结构 |
| CN113022827A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-06-25 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种100米级arv水下机器人结构 |
| CN113156982A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-23 | 中山大学 | 一种水下机器人控制系统及其控制方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 朱荣: "《现代电弧炉炼钢用氧理论及技术》", 30 April 2018, 冶金工业出版社 * |
| 王承阳: "《热能与动力工程基础》", 31 January 2010, 冶金工业出版社 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115123504A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-09-30 | 应急管理部国家自然灾害防治研究院 | 用于人工岛护岸及防波堤结构变位的水下探测机器人装置 |
| CN115453576A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-09 | 盛东如东海上风力发电有限责任公司 | 一种海上风电有缆水下机器人定位装置及其定位方法 |
| CN115453576B (zh) * | 2022-09-16 | 2024-09-06 | 盛东如东海上风力发电有限责任公司 | 一种海上风电有缆水下机器人定位装置及其定位方法 |
| CN115542779A (zh) * | 2022-12-01 | 2022-12-30 | 深之蓝海洋科技股份有限公司 | 基于仿真平台的水下机器人抗流性能的测试方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114802659B (zh) | 2023-06-06 |
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