本實(shí)用新型涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種有纜遙控水下攝像機(jī)器人，該水下攝像機(jī)器人是一種小尺度、智能化、能夠在水下進(jìn)行攝像的水下航行器。
背景技術(shù)：
機(jī)器人技術(shù)是一種新興的智能制造技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛應(yīng)用。大疆無(wú)人機(jī)和云洲智能無(wú)人船的興起就說(shuō)明了這一點(diǎn)。自主水下攝像機(jī)器人是一種能夠在水面以下幾米甚至上千米、上萬(wàn)米深度進(jìn)行自主航行的機(jī)器人，具有自動(dòng)航行、自主導(dǎo)航、自主執(zhí)行水下任務(wù)的能力。與無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)和無(wú)人船相比，它所處的任務(wù)環(huán)境更加復(fù)雜，所使用的傳感器和推進(jìn)系統(tǒng)也有不同。具體表現(xiàn)在：1)高頻無(wú)線電波在水下十幾米以下深度無(wú)法使用，將會(huì)導(dǎo)致操作人員與水下攝像機(jī)器人難以保持良好的通信聯(lián)系；而采用水聲通信機(jī)，不僅成本高，且通信速率和容量都無(wú)法與無(wú)線電波相比；2)電子元部件等任何非水密電子部件、機(jī)械部件、推進(jìn)部件均須做水密、耐壓保護(hù)，否則將發(fā)生滲水、漏水導(dǎo)致不能正常水下航行。
目前，水下攝像機(jī)器人用戶基本上全部是國(guó)家、地方或者企業(yè)、高校，價(jià)格十分昂貴，體積和重量都很大，裝載的傳感器大多為科學(xué)儀器。本專(zhuān)利是一種專(zhuān)門(mén)面向水下攝像的小微水下攝像機(jī)器人，具有專(zhuān)門(mén)的攝像功能、便捷的可操作性以及很強(qiáng)的實(shí)用性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種有纜遙控水下攝像機(jī)器人。
為解決技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：
提供一種有纜遙控水下攝像機(jī)器人，包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、用戶控制系統(tǒng)、臍帶電纜和電源；
所述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括載體框架、浮力塊、推進(jìn)器，以及具有透明前罩的耐壓艙；水下控制系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)設(shè)于耐壓艙內(nèi)部，耐壓艙、浮力塊和推進(jìn)器固定安裝在載體框架上；推進(jìn)器共有三個(gè)，其中1個(gè)安裝在載體框架的中心位置，另2個(gè)分別安裝在載體框架尾部的兩側(cè)；
所述水下控制系統(tǒng)包括安裝在耐壓艙內(nèi)部的基本控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和姿態(tài)傳感器，以及安裝在耐壓艙外部的深度傳感器和高度計(jì)；基本控制模塊分別通過(guò)電纜連接至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)傳感器、深度傳感器和高度計(jì)，其中與耐壓艙外的部件連接由水密接插件和水密電纜完成；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)電纜接至推進(jìn)器；
所述任務(wù)載荷系統(tǒng)包括攝像頭和照明燈，各自通過(guò)電纜分別與基本控制模塊和臍帶電纜連接；
所述用戶控制系統(tǒng)包括用戶控制終端，用戶控制終端包括計(jì)算終端、觸摸可視化屏幕、電纜接口和操控手柄，能通過(guò)有線通信方式與水下攝像機(jī)器人實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)接收和控制信號(hào)傳遞；
所述臍帶電纜是中性水密電纜，其內(nèi)部包含多根分支電纜；其位于水下的一端分別連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)中的各設(shè)備，位于水上的一端分別連接用戶控制作系統(tǒng)和電源；在通過(guò)臍帶電纜向各設(shè)備提供電源的同時(shí)，利用電力線載波實(shí)現(xiàn)攝像頭與用戶控制系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸。
本實(shí)用新型中，所述載體框架是白色HDPE材料制作而成；耐壓艙由機(jī)玻璃或亞克力，與鋁合金管、不銹鋼管或鈦合金管拼接而成；所述浮力塊采用與水相對(duì)密度小于0.7的浮力材料制作而成，其提供的浮力比水下攝像機(jī)器人在空氣中的重量大0.5千克到5kg之間；所述推進(jìn)器采用MCT90型號(hào)的直流電機(jī)，配有三葉螺旋槳；直流電機(jī)具有水下磁耦合密封結(jié)構(gòu)，直流電機(jī)額定電壓范圍在12VDC到50VDC之間，額定功率范圍在30W到200W之間。
本實(shí)用新型中，所述基本控制模塊包括STM32系列或51系列的單片機(jī)及其輔助電路；基本控制模塊還包括220V交流電轉(zhuǎn)48V直流的電源板，額定功率范圍在120W到800W之間；基本控制模塊中設(shè)有電磁繼電器，用于控制推進(jìn)器和高度計(jì)供電電源的通斷；所述姿態(tài)傳感器模塊采用MTI30或MTI300航姿參考系統(tǒng)，其通信接口為串口；所述深度傳感器是YF-CS300D型號(hào)的壓力傳感器。
本實(shí)用新型中，所述用戶控制系統(tǒng)還包括輔助配件，包括耳機(jī)、手寫(xiě)筆或控制旋鈕；用戶控制系統(tǒng)的計(jì)算終端是STM32或51系列單片機(jī)、盛博PC104微型計(jì)算機(jī)或研華微型計(jì)算機(jī)，其電纜接口中設(shè)有SW500MA電力載波監(jiān)控?cái)z像頭視頻接收器和有線電力貓；所述觸摸可視化屏幕是諾基亞Lumia 630 635 638RM-1010 978觸摸屏。
本實(shí)用新型中，所述攝像頭采用炫光M800攝像頭，其電纜接口中設(shè)有SW500MA電力載波監(jiān)控?cái)z像頭視頻發(fā)送器；并對(duì)攝像頭進(jìn)行水下密封，密封結(jié)構(gòu)具有有機(jī)玻璃制成的透明窗；所述照明燈采用LED燈，數(shù)量為兩個(gè)，額定功率范圍在5W到30W之間，并對(duì)LED燈進(jìn)行水下密封，密封結(jié)構(gòu)具有有機(jī)玻璃制成的透明窗。
本實(shí)用新型中，該水下攝像機(jī)器人的重量在5kg到50千克之間，其長(zhǎng)度在30cm到80cm之間。
本實(shí)用新型中，所述基本控制模塊中內(nèi)置機(jī)動(dòng)控制器模塊；機(jī)動(dòng)控制器模塊的垂直面的縱傾力矩控制輸出量通過(guò)下述公式計(jì)算獲得：
τM＝Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzWsinθ
其中，τM是垂直面的縱傾力矩，是控制輸出量；θ是當(dāng)前縱傾角，θd是當(dāng)前的目標(biāo)縱傾角，兩者均為狀態(tài)量，能通過(guò)姿態(tài)傳感器測(cè)量和計(jì)算得到；(θ-θd)是縱傾角誤差，q是垂直角速率，兩者為控制輸入量；Kpθ2是縱傾角誤差系數(shù)，Kdθ2是垂直角速率系數(shù)，BGzWsinθ是重力/浮力垂直靜力矩，三者能通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定獲得，是已知參數(shù)。
本實(shí)用新型中，所述基本控制模塊中內(nèi)置升降控制器模塊；升降控制器模塊的控制輸出量通過(guò)下述公式計(jì)算獲得：
其中，F(xiàn)是垂直面的升降力，是控制輸出量；D是當(dāng)前深度，Dd是當(dāng)前的目標(biāo)深度，兩者是狀態(tài)量，能通過(guò)深度傳感器測(cè)量和計(jì)算得到；(D-Dd)是深度誤差，是升降速率，兩者是控制輸入量；Kp是深度誤差系數(shù)，Kd是垂直角速率系數(shù)，KI是深度誤差積分系數(shù)，∫(D-θd)dt是深度誤差積分，均能通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定獲得，是已知參數(shù)。
本實(shí)用新型中，所述電源是220V交流電源，并接有電壓轉(zhuǎn)換裝置。
實(shí)用新型原理描述：
本實(shí)用新型中采用了特殊的視頻數(shù)據(jù)傳輸方式，即臍帶電纜信號(hào)傳輸方式。臍帶電纜采用電力線載波進(jìn)行信號(hào)傳輸，臍帶電纜在水下攝像機(jī)器人的一端連接SW500MA電力載波監(jiān)控?cái)z像頭視頻發(fā)送器，在另一端即用戶控制系統(tǒng)連接SW500MA電力載波監(jiān)控?cái)z像頭視頻接收器。攝像頭拍攝到的視頻直接通過(guò)電力線載波完成視頻信息傳輸。
用戶控制系統(tǒng)輸出的信號(hào)通過(guò)臍帶電纜控制水下攝像機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、上浮、下沉等動(dòng)作，并可控制水下攝像機(jī)器人搭載的水下攝像頭和水下燈動(dòng)作；還可顯示并存儲(chǔ)載體攝像頭拍攝到的視頻數(shù)據(jù)。還可以包括與通訊模塊相連的接口，用于與水下互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算系統(tǒng)、人工智能系統(tǒng)或水下物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。
臍帶電纜采用中性水密電纜，長(zhǎng)度范圍在10米到200米之間；使得水下攝像機(jī)器人的工作深度范圍是10米到200米之間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：
1.本實(shí)用新型尺寸小，重量輕，操作簡(jiǎn)便，無(wú)需吊車(chē)、船等其它設(shè)備輔助，沒(méi)有任何專(zhuān)業(yè)背景的個(gè)人即可操作。
2.本實(shí)用新型價(jià)格低廉，面相大眾消費(fèi)群體和普通商業(yè)用戶，能夠讓每個(gè)用戶有能力購(gòu)買(mǎi)。
3.本實(shí)用新型能夠完成水下攝像、水下照明等功能，具有很強(qiáng)的娛樂(lè)性、實(shí)用性和趣味性。
4.本實(shí)用新型的圖像傳輸質(zhì)量高，距離遠(yuǎn)，視頻圖像清晰。
附圖說(shuō)明
圖1是本實(shí)用新型的組成示意圖。
圖中附圖標(biāo)記：用戶控制終端1；推進(jìn)器2、3、4；耐壓艙5；照明燈6、7；攝像頭8；臍帶電纜9；浮力塊10；載體框架11。
具體實(shí)施方式
首先需要說(shuō)明的是，本實(shí)用新型涉及智能控制技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的一種應(yīng)用。在本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，會(huì)涉及到多個(gè)軟件功能模塊的應(yīng)用。申請(qǐng)人認(rèn)為，如在仔細(xì)閱讀申請(qǐng)文件、準(zhǔn)確理解本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)用新型目的以后，在結(jié)合現(xiàn)有公知技術(shù)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以運(yùn)用其掌握的軟件編程技能實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。前述軟件功能模塊包括但不限于：升降控制器模塊、機(jī)動(dòng)控制器模塊等，凡本實(shí)用新型申請(qǐng)文件提及的均屬此范疇，申請(qǐng)人不再一一列舉。
在總體設(shè)計(jì)方面，本實(shí)用新型可以根據(jù)水下攝像機(jī)器人組成和功能結(jié)構(gòu)劃分，將其水下主體部分、用戶控制系統(tǒng)和臍帶電纜9，組成和原理如圖1所示。臍帶電纜9可傳輸電力、控制信號(hào)和視頻信號(hào)。主體部分的載體框架11采用開(kāi)放式框架結(jié)構(gòu)和流線型外形。用戶控制系統(tǒng)接收通過(guò)臍帶電纜9發(fā)送來(lái)的信息和視頻信號(hào)，并向主體部分發(fā)送遙控命令。臍帶電纜9的兩端采用SW500MA電力載波監(jiān)控?cái)z像頭視頻發(fā)送器和接收器，通過(guò)普通電力傳輸視頻信號(hào)，無(wú)需專(zhuān)門(mén)布線，傳輸距離可達(dá)300米，抗干擾性強(qiáng)。
具體而言，本實(shí)用新型中的有纜遙控水下攝像機(jī)器人，包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、用戶控制系統(tǒng)、臍帶電纜9和電源。該水下攝像機(jī)器人的重量在5kg到50千克之間，其長(zhǎng)度在30cm到80cm之間。
所述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括載體框架11、浮力塊10、推進(jìn)器2、3、4，以及具有透明前罩的耐壓艙5；水下控制系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)設(shè)于耐壓艙5內(nèi)部，耐壓艙5、浮力塊10和推進(jìn)器2、3、4固定安裝在載體框架11上；推進(jìn)器共有三個(gè)，其中推進(jìn)器4安裝在載體框架11的中心位置，推進(jìn)器2、3分別安裝在載體框架11尾部的兩側(cè)；
水下控制系統(tǒng)包括安裝在耐壓艙5內(nèi)部的基本控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和姿態(tài)傳感器，以及安裝在耐壓艙5外部的深度傳感器和高度計(jì)；基本控制模塊分別通過(guò)電纜連接至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)傳感器、深度傳感器和高度計(jì)，其中與耐壓艙5外的部件連接由水密接插件和水密電纜完成；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)電纜接至推進(jìn)器2、3、4；
任務(wù)載荷系統(tǒng)包括攝像頭8和照明燈6、7，各自通過(guò)電纜分別與基本控制模塊和臍帶電纜9連接；
用戶控制系統(tǒng)包括用戶控制終端1，用戶控制終端1包括計(jì)算終端、觸摸可視化屏幕、電纜接口和操控手柄，能通過(guò)有線通信方式與水下攝像機(jī)器人實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)接收和控制信號(hào)傳遞；
所述臍帶電纜9是中性水密電纜，其內(nèi)部包含多根分支電纜；其位于水下的一端分別連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)中的各設(shè)備，位于水上的一端分別連接用戶控制作系統(tǒng)和電源；在通過(guò)臍帶電纜9向各設(shè)備提供電源的同時(shí)，利用電力線載波實(shí)現(xiàn)攝像頭6、7與用戶控制系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸。
電源是220V交流電源，并接有電壓轉(zhuǎn)換裝置。
載體框架11是白色HDPE材料制作而成；耐壓艙5由機(jī)玻璃或亞克力，與鋁合金管、不銹鋼管或鈦合金管拼接而成；浮力塊10采用與水相對(duì)密度小于0.7的浮力材料制作而成，其提供的浮力比主體部分在空氣中的重量大0.5千克到5kg之間；所述推進(jìn)器2、3、4采用MCT90型號(hào)的直流電機(jī)，配有三葉螺旋槳；直流電機(jī)具有水下磁耦合密封結(jié)構(gòu)，直流電機(jī)額定電壓范圍在12VDC到50VDC之間，額定功率范圍在30W到200W之間。
基本控制模塊包括STM32系列或51系列的單片機(jī)及其輔助電路；基本控制模塊還包括220V交流電轉(zhuǎn)48V直流的電源板，額定功率范圍在120W到800W之間；基本控制模塊中設(shè)有電磁繼電器，用于控制推進(jìn)器和高度計(jì)供電電源的通斷；所述姿態(tài)傳感器模塊采用MTI30或MTI300航姿參考系統(tǒng)，其通信接口為串口；所述深度傳感器是YF-CS300D型號(hào)的壓力傳感器。
用戶控制系統(tǒng)還包括輔助配件，包括耳機(jī)、手寫(xiě)筆或控制旋鈕；用戶控制系統(tǒng)的計(jì)算終端是STM32或51系列單片機(jī)、盛博PC104微型計(jì)算機(jī)或研華微型計(jì)算機(jī)，其電纜接口中設(shè)有SW500MA電力載波監(jiān)控?cái)z像頭視頻接收器和有線電力貓；所述觸摸可視化屏幕是諾基亞Lumia 630 635 638RM-1010 978觸摸屏。
攝像頭8采用炫光M800攝像頭，其電纜接口中設(shè)有SW500MA電力載波監(jiān)控?cái)z像頭視頻發(fā)送器；并對(duì)攝像頭8進(jìn)行水下密封，密封結(jié)構(gòu)具有有機(jī)玻璃制成的透明窗；所述照明燈6、7采用LED燈，數(shù)量為兩個(gè)，額定功率范圍在5W到30W之間，并對(duì)LED燈進(jìn)行水下密封，密封結(jié)構(gòu)具有有機(jī)玻璃制成的透明窗。
基本控制模塊中包括機(jī)動(dòng)控制器模塊；機(jī)動(dòng)控制器模塊的垂直面的縱傾力矩控制輸出量通過(guò)下述公式計(jì)算獲得：
τM＝Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzWsinθ
其中，τM是垂直面的縱傾力矩，是控制輸出量；θ是水下攝像機(jī)器人的當(dāng)前縱傾角，θd是水下攝像機(jī)器人當(dāng)前的目標(biāo)縱傾角，它們是水下攝像機(jī)器人的狀態(tài)量，通過(guò)水下攝像機(jī)器人的姿態(tài)傳感器可以測(cè)量和計(jì)算；(θ-θd)是水下攝像機(jī)器人的縱傾角誤差，q是水下攝像機(jī)器人的垂直角速率，它們是控制輸入量；Kpθ2是水下攝像機(jī)器人的縱傾角誤差系數(shù)，Kdθ2是水下攝像機(jī)器人的垂直角速率系數(shù)，BGzWsinθ是水下攝像機(jī)器人的重力/浮力垂直靜力矩，它們可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，是已知參數(shù)。
基本控制模塊中包括升降控制器模塊；升降控制器模塊力的控制輸出量通過(guò)下述公式計(jì)算獲得：
其中，F(xiàn)是垂直面的升降力，是控制輸出量；D是水下攝像機(jī)器人的當(dāng)前深度，Dd是水下攝像機(jī)器人當(dāng)前的目標(biāo)深度，它們是水下攝像機(jī)器人的狀態(tài)量，通過(guò)水下攝像機(jī)器人的深度傳感器可以測(cè)量和計(jì)算；(D-Dd)是水下攝像機(jī)器人的深度誤差，是水下攝像機(jī)器人的升降速率，它們是控制輸入量；Kp是水下攝像機(jī)器人的深度誤差系數(shù)，Kd是水下攝像機(jī)器人的垂直角速率系數(shù)，KI是水下攝像機(jī)器人的深度誤差積分系數(shù)，∫(D-θd)dt是深度誤差積分，它們可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，是已知參數(shù)。
水下攝像機(jī)器人工作的工作流程描述如下：
用戶利用用戶控制終端1，通過(guò)電纜9向水下攝像機(jī)器人發(fā)送指令，利用耐壓艙5內(nèi)的基本控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)節(jié)推進(jìn)器2、3、4輸出的推力和力矩，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。浮力塊10為水下攝像機(jī)器人提供主要的浮力。照明燈6、7為攝像頭8提供充分的光源，攝像頭8采集的視頻信息通過(guò)臍帶電纜9傳輸給用戶控制終端1。