一种无缆水下机器人、机器人系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种无缆水下机器人、机器人系统及其控制方法。

背景技术

近年来，随着中国对海洋探索需求量的增加，水下机器人的需求量也逐渐增多。而无人机、巡检机器人和机械臂等机器人无法满足对水下探索的需求。

水下机器人是一种可以在水下执行各种任务的机器人设备，它可以用于深海勘测、避障监测、科学探索、水下作业、水下资源勘测等方面，应用十分广泛。

但到目前为止，对水下机器人产品的研发仍处于初级探索阶段，现阶段大部分的海洋探索均由人工完成。水下机器人在水下移动时会出现阻力过大、视觉效果差、无法定位等问题。其中，水下定位是水下机器人急需解决的问题，由于电磁波在水下的传播速度是空气中的2/3，而且在海水中同时会存在许多杂质，进而导致了机器人在水下作业时干扰因素较多，无法将自身定位信号传输到船中或地面从而影响工作效率，定位精度差且不稳定。此外，由于定位系统的反馈不及时，水下机器人会很快丢失自身的定位导航系统从而致使机器人和控制台彻底失去联系等，安全性系数低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无缆水下机器人、机器人系统及其控制方法，从而解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其它方面的问题中的一个或多个。

为了实现前述目的，本发明的第一方面提供了一种无缆水下机器人，其中，所述机器人包括：

摄像头，在所述机器人进行水下探索时，所述摄像头用于实时监测所述机器人所在当前水下位置的环境状况；

定位系统，所述定位系统用于实时地获取所述机器人在水下的运动数据；

预警系统，所述预警系统基于所述环境状况判断所述机器人所在当前水下位置的安全等级；

天线，所述天线用于发射所述环境状况的信号、所述运动数据的信号、所述安全等级的信号以及用于接收控制所述机器人的指令；以及

控制台，所述控制台连接所述摄像头、所述定位系统、所述预警系统和所述天线，所述控制台用于对所述摄像头、所述定位系统、所述预警系统和所述天线接收和输送信息和指令。

在如前所述的机器人中，可选地，所述定位系统、所述预警系统和所述控制台位于所述机器人的机身，所述摄像头位于所述机身的前端，所述天线位于所述机身的后端，所述机器人进一步包括电机和行走机构，所述电机用于驱动所述行走机构，在所述行走机构处设置有与所述控制台通信的水温传感器和力传感器。

在如前所述的机器人中，可选地，所述定位系统具有坐标系统和角度旋转监测系统，分别用于获取所述机器人在水下的平移数据和旋转数据。

在如前所述的机器人中，可选地，所述环境状况包括水下分辨率，所述运动数据包括所述机器人在水下的位置数据、速度数据和阻力数据。

为了实现前述目的，本发明的第二方面提供了一种无缆水下机器人系统，其中，所述机器人系统包括：

如前述第一方面中任一项所述的机器人；以及

水上总控制台，所述总控制台通过所述天线与所述控制台交换信息与指令。

在如前所述的机器人系统中，可选地，所述总控制台为地面总控制台或在船总控制台。

为了实现前述目的，本发明的第三方面提供了一种如前述第二方面中任一项所述的无缆水下机器人系统的控制方法，其中，所述方法包括如下步骤：

步骤I：启动所述机器人，所述机器人处于待机状态；

步骤II：将所述机器人放入水中，所述控制台通过所述天线传输启动信号至所述总控制台，所述总控制台启动；

步骤III：所述控制台将所述摄像头、所述定位系统和所述预警系统启动，分别获取和反馈所述环境状况、所述运动数据和所述安全等级；

步骤IV：所述控制台和所述总控制台进行信息和指令交换；

步骤V：所述总控制台对所述环境状况、所述运动数据和所述安全等级进行分析，并将分析数据再次传回至所述机器人的控制台，所述控制台根据所述总控制台的分析数据和所述定位系统的定位信息调整所述机器人的运动状态。

在如前所述的方法中，可选地，所述预警系统将所述安全等级分为安全区域、一般区域和危险区域，并且：

当所述机器人处于所述安全区域时，所述控制台向所述总控制台报告所述机器人的环境状况、运动数据和安全等级；

当所述机器人处于所述一般区域时，所述总控制台分析所述机器人的环境状况、运动数据和安全等级，基于其设定所述机器人的安全区域，并建议将所述机器人移动到安全区域内；

当所述机器人处于所述危险区域时，所述控制台将所述机器人的安全等级传给所述总控制台，所述总控制台向所述控制台发出将所述机器人召回至安全区域的指令，所述控制台将强制机器人移动到安全区域。

在如前所述的方法中，可选地，当所述机器人处于所述安全区域时，所述预警系统的提示灯为绿；当所述机器人处于所述一般区域时，所述预警系统的提示灯为黄；当所述机器人处于所述危险区域时，所述预警系统的提示灯为红。

在如前所述的方法中，可选地，所述危险区域为深度超过200米的区域、所述摄像头无法识别周围环境的区域、水温过高的区域、水温过低或者信号过差的区域。

本发明提出了一种无缆水下机器人、机器人系统及其控制方法。本发明的技术方案中，水下机器人通过摄像头、定位系统、预警系统、天线与控制台的之间配合使机器人完成对水下情况的探索、对自身的定位以及预警。

进一步地，该无缆水下机器人系统由上述的无缆水下机器人以及水上总控制台组成。具体地，所述摄像头、定位系统和预警系统获取水下的环境状况、运动数据和安全等级并将获取的数据传输至所述控制台，所述控制台可以将数据反馈给水上总控制台，所述总控制台对该数据进行分析，并将分析后的数据传输回所述控制台，所述控制台根据所述总控制台分析的数据和定位系统的定位信息及时调整机器人的运动状态，以此来完成对无缆水下机器人系统的实时控制。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1为本发明的无缆水下机器人的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的无缆水下机器人系统的一个实施例的示意性系统框图；

图3为图2中机器人系统的一个实施例的控制方法流程示意图。

附图标记：1-机器人；2-摄像头；3-定位系统；4-预警系统；5-天线；6-控制台；7-电机；8-行走机构；9-总控制台；10-机器人系统。

具体实施方式

参照附图和具体实施例，下面将以示例方式来说明本发明的无缆水下机器人、机器人系统及其控制方法的结构、组成、特点和优点等，然而所有描述不应用于对本发明形成任何限制。

此外，对于在本文提及的实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，从而应当认为这些根据本发明的更多实施例也是在本文的记载范围之内。

还需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示即无缆水下机器人、机器人系统的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

图1为本发明的无缆水下机器人的一个实施例的结构示意图。

在如图1中所示的实施例中，机器人1可以包括摄像头2、定位系统3、预警系统4、行走机构8、电机7、天线5以及控制台6。上述部件通过相互之间的配合完成机器人1对水下环境情况的探索、对自身的定位以及预警。

具体而言，所述控制台6可以位于机器人1的机身处，图示为位于机器人1的机身内部。作为机器人1的核心部件，该控制台6与机器人1的摄像头2、定位系统3、预警系统4、天线5、电机7以及行走机构8处的传感器通过内部数据线（未图示）相连接，用于对上述摄像头2、定位系统3、预警系统4、天线5、电机7以及行走机构8处的传感器接收和传输信息和指令，实现智能化控制。

在该实施例中，所述摄像头2可以位于机器人1机身的前端，主要用于对水下的环境进行拍摄。在机器人1进行水下探索时，该摄像头2可实时监测当前机器人1所处水下位置的环境情况。在这里还需要具体说明的是，该环境状况包括但不限于为水下分辨率。在可选的实施例中，为了使拍摄画面更清晰，该摄像头2可以设置为至少两个。在可选的其他实施例中，所述摄像头2的个数和部署位置可根据实际的工作运行需要与水下环境来布设调整。

在该实施例中，所述定位系统3位于机器人1处，图示为位于机器人1机身内部。所述定位系统3用于实时获取机器人在水下的运动数据。所述运动数据可以包括机器人1在水下的位置数据和速度数据。因此，所述定位系统3可以具有坐标系统和角度旋转系统，其中，所述坐标系统用来实时监测并获取机器人1在水下的平移数据，所述角度旋转系统可以用来实时监测并获取机器人1在水下的旋转数据。所述平移数据和所述旋转数据都可以精确对应到机器人1所在的坐标点位置，例如所述机器人1从某个坐标点平移到另一个坐标点并且平移了多少，再例如所述机器人1从某个角度旋转到另一个角度并且旋转了多少度。在可选的实施例中，所述定位系统3采用三维坐标系用于全方位精确定位机器人1。

在该实施例中，所述预警系统4位于机器人1机身处，图示为位于机器人1的机身内部。所述预警系统4可以基于机器人1当前所处的环境状况判断该机器人1当前水下位置的安全等级并为其提供预警指示。在一个实施例中，安全等级可以划分为安全区域、一般区域和危险区域。在不同的实施例中，可以根据具体情况进行不同的安全等级划分。

具体地，在安全区域内，水的深度较浅、摄像头2可以清晰地识别周围区域，且温度适宜、信号状况极佳，机器人1可以安全的在该区域运行；在一般区域内，水的深度适中、摄像头2可以识别周围区域，且温度在机器人1可承受范围之内或信号状况良好，机器人1可以相对安全的在该区域运行；在危险区域内，或者深度超过200米，或者摄像头2无法识别周围环境的区域，或者水温过高或过低或者信号过差，或者机器人1无法在该区域正常运行与传输数据。

在可选的实施例中，该预警系统4上存在提示灯，机器人1在水下所处的区域不同，提示灯所显示的颜色也不同。例如，当机器人1处于安全区域时，该预警系统4的提示灯可以为绿；当机器人1处于一般区域时，该预警系统4的提示灯可以为黄；当机器人1处于危险区域时，该预警系统4的提示灯可以为红。

在该实施例中，所述电机7用于为机器人1提供机械能，该电机7位于机器人1的机身处，图示为位于机器人1的机身内部，用于驱动行走机构8。在可选的实施例中，电机7的型号具体可以根据所述机器人1的实际运行需求以及水下工作环境而定。行走机构8可以为履带或者叶片式推进器。

如图1中所示，所述行走机构8位于机器人1的机身的两侧。在该实施例中，该行走机构8为履带，并且，在可选的实施例中，在所述行走机构8处还可以设置有水温传感器和力传感器，用于与控制台6通信传输机器人所处位置的水温情况与阻力数据。具体而言，所述水温传感器用于灵敏监测机器人1周围的水温情况，力传感器用于监测机器人1在水下所受到的阻力大小。

所述天线5位于机器人1机身的后端。控制台6可以将上述摄像头2、定位系统3、预警系统4所接收的环境状况、运动数据（包括平移数据、旋转数据、位置数据、速度数据和力传感器测得的阻力数据）、安全等级的信号通过内部数据线（未图示）发送至天线5，所述天线5再将水下机器人1的数据发射至水上总控制台9进行数据通信。同时，所述天线5也用于接受总控制台9对水下机器人1的指令。

图2为本发明的无缆水下机器人系统的一个实施例的示意性系统框图。

从图2可以看出，该无缆水下机器人系统10可以包括上述的水下机器人1以及水上总控制台9。所述总控制台9位于水上。在可选的实施例中，该总控制台9可以是位于地面的地面总控制台，也可以是位于船体的在船总控制台。所述总控制台9用于与水下机器人1通过天线5进行远程的信息与指令的交换。

在该实施例中，机器人1中的摄像头2、定位系统3、预警系统4和行走机构8处的传感器用于实时检测机器人1水下的环境状况、运动数据以及安全等级，并通过内部数据线传输信号至机器人1内部的控制台6，同时控制台6也通过内部数据线将该信号传输至天线5，天线5与该总控制台9远程通信。具体而言，所述天线5再将水下机器人1的数据发射至水上总控制台9进行统一分析，同时，所述天线5也用于接受总控制台9对水下机器人1的指令。

具体地，总控制台9对接收到的机器人1水下的环境状况、运动数据以及安全等级信号进行分析，并将分析数据传回至天线5，该天线5通过内部数据线将分析数据传回控制台6，控制台6再根据总控制台9和自身定位系统3的定位信息及时调整自身在移动过程中的位移、速度、加速度、转动角度等参数，来确保该机器人1平稳运行。

在该实施例中，总控制台9除了可以及时将水下机器人1探索的科学数据进行实时反馈，同时也会通过图像识别分析处当前位置周围的环境状况。

图3为图2中机器人系统的一个实施例的控制方法流程示意图。

在如图3所示的实施例中，所述无缆水下机器人系统10的控制方法可以包括以下步骤：

步骤I：启动机器人，机器人处于待机状态。

在步骤I中，机器人1初始状态为关机状态，在机器人1入水前应提前启动该机器人1，在机器人1被启动后，该机器人1的电机7也及时启动。并且，在机器人1未进入水下之前其他零部件仍处于待机状态。

步骤II：将机器人1放入水中，控制台6通过天线5传输启动信号至总控制台9，所述总控制台9启动。

在步骤II中，机器人1被放入水中，处于待机状态下的控制台6会最先自启动，并发送启动信号至总控制台9，同时总控制台9在接收到启动信号后开机并启动。

步骤III：控制台6将摄像头2、定位系统3和预警系统4启动，分别获取和反馈环境状况、运动数据和安全等级。

在步骤III中，总控制台9启动后通过天线5向水下机器人1的控制台6传输启动指令连带摄像头2、定位系统3和预警系统4一同启动。所述摄像头2、定位系统3和预警系统4在接收到控制台6的启动指令后启动，并在机器人1水下作业时，实时检测机器人1当前的环境状况、运动数据和安全等级，检测后实时反馈该数据至控制台6。具体的结构、数据上传与监测方式已在前文详细说明，此处不再多加赘述。

步骤IV：控制台6和总控制台9进行信息和指令交换。

在步骤IV中，机器人1中的摄像头2、定位系统3、预警系统4和行走机构8处的传感器实时检测机器人1水下的环境状况、运动数据以及安全等级，并通过内部数据线传输信号至机器人1内部的控制台6，同时控制台6也通过内部数据线将该信号传输至天线5，所述天线5将水下机器人1的数据发射至水上总控制台9进行数据通信。

步骤V：总控制台9对环境状况、运动数据和安全等级进行分析，并将分析数据再次传回至所述机器人1的控制台6，控制台6根据总控制台9的分析数据和定位系统3的定位信息调整所述机器人1的运动状态。

在步骤V中，总控制台9通过天线5接收控制台6发送的机器人1的环境状况、运动数据和安全等级的信息，并对该信息进行分析，分析后的分析数据会再次通过天线5反馈至控制台6，控制台6再根据总控制台9的指令信息和自身定位系统3的定位信息来及时调整自身在移动过程中的位移、速度、加速度、转动角度等参数，来确保该机器人1平稳运行。

在该实施例中，总控制台9会将机器人1当前在水下遇到的所有情况进行分析，并设定一个机器人1水下作业安全范围。

具体为图1实施例中所述的预警系统4的安全等级分为安全区域、一般区域和危险区域。

具体而言，当机器人1处于安全区域时，预警系统4的提示灯为绿，控制台6向总控制台9报告机器人1的环境状况、运动数据和安全等级。

当机器人1处于一般区域时，预警系统4的提示灯为黄，总控制台9通过控制台6上传的机器人1的水下数据分析机器人1所处的环境状况、运动数据和安全等级，同时，总控制台9也会基于其设定机器人1的安全区域，并发送指令至机器人1的控制台6建议将机器人1移动到安全区域内。

当机器人1处于危险区域时，预警系统4的提示灯为红，控制台6将机器人1的安全等级传给总控制台9，总控制台9向控制台6发出将机器人1召回至安全区域的指令，然后控制台6将强制机器人1移动到安全区域。

在不同的实施例中，可以自行设定各种安全等级下的提示灯颜色。当水下机器人1进入安全区域后，预警系统4会自动解除警报。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明书中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施方式进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。