一种水下考古机器人平台的制作方法

1.本实用新型涉及水下考古设备领域，特别是涉及一种水下考古机器人平台。


背景技术：

2.中国海域面积广阔，历史上由于地震、火山喷发、海啸等自然灾变，一些位于水边的居址、港口、墓葬等沉没于水中；水下考古除发掘水下的古代遗址、打捞沉船和水下文物外，还对研究古代造船术、航海术、海上交通等有重大意义。
3.深海考古是一件非常危险且耗时耗力的工作，潜水员的一个错误举动不仅会让自己陷入危险境地，还会让珍贵的历史文物遭受不可修复的损伤，甚至是遗失在茫茫深海。因此，深水考古工作中需要使用大量专门技术，特别是水下机器人技术，以解决水下作业的诸多难题。
4.目前我国主导开展的水下考古项目相对较少，未来需要搜索更多海域，自主开展更多水下考古项目。当前水下考古主要是通过搭载探测设备的科考船对大面积水域行搜索，发现水下遗址踪迹后通过进一步的探测手段来观测和确认。发现水下遗址后一般会通过遥控水下机器人(rov)、载人潜具、潜水员等方法进行下一步的探测和发掘。
5.搭载探测设备的科考船在水域搜索方面存在一些难以克服的问题，在大面积水域搜索的过程中效率偏低，尽管可以通过一些技术手段规划搜索路径，但仍然容易出现重复搜索的水域，或是出现漏检区域。对于深水区域搭载探测设备的科考船探测手段容易失效，由于海水深度的变化使得科考船在水域搜索方面的效率下降，搜索成效受到质疑。目前各国已经开始使用水下自主航行器(auv)对大面积水域进行自主搜索，但水下自主航行器(auv)造价较高，续航能力严重受限，对于局部水域搜索任务尚能胜任，对于大范围水域进行搜索的能力有限。
6.遥控水下机器人(rov)探测与发掘相对于载人潜具、潜水员等手段具有一定的优势，深水环境潜水员无法进入，载人潜具制造、使用成本较高。而遥控水下机器人(rov)却存在诸多能力不足的问题，例如：续航能力严重受限，无缆线运行存在多个技术难题，水下水上无缆线通信存在困难，高精度姿态控制面临困难等。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种水下考古机器人平台，可大幅降低能源供应的成本，可使水下考古机器人平台彻底摆脱岸基供电、船基供电的束缚；水下考古机器人平台还采用光、声、电复合通信的方式以及无线充电的供能方式，可使水下机器人彻底摆脱脐带缆线的束缚，大幅提升考古机器人的作业能力与效率，提升我国水下考古装备的作业能力。
8.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水下考古机器人平台，包括水下基站、水面漂浮通信站、浅水储能站、地面控制端；所述水下基站被布置于水底，用于容纳水下机器人，还用于对水下机器人充电、与水下机器人通信；所述水面漂浮通信站被布
置于水面区域，用于作为浮标标记水下基站的位置，还用于与水下基站、浅水储能站、地面控制端通信；所述浅水储能站被布置于靠近水面的浅水区，用于电能储备，并为水下基站和水面漂浮通信站供给电能。
9.进一步的，所述浅水储能站具有通过改变内部空舱体积的方式改变在水中的浮力的功能，用于在水中上升、下降或悬浮；所述浅水储能站通过线缆分别与水下基站和水面漂浮通信站连接。
10.进一步的，所述水下基站与水下机器人水声通信和/或激光通信，通信方式根据水下基站与水下机器人的距离、通信的信息量进行选择；所述水下基站与水面漂浮通信站通过线缆通信；水面漂浮通信站与地面控制端通过电磁波无线通信。
11.进一步的，所述水下基站包括基站架体；基站架体内具有多个机器人舱位，用于容纳水下机器人；基站架体上还安装有无线充电装置，用于为水下机器人无线充电；基站架体上还安装有深水电池，用于接收浅水储能站传送的电能，还用于为水下基站供电；水下基站上还安装有无线通信装置，用于提供水声通信和/或激光通信。
12.进一步的，所述水下机器人为多个；多个所述水下机器人之间激光通信或水声通信。
13.进一步的，所述水下机器人还与水面漂浮通信站水声通信。
14.进一步的，所述水下机器人具有多种类型，包括探测机器人、取样机器人、发掘机器人；水下机器人皆包括机器人本体、安装于机器人本体的推进器、安装于机器人本体的通信接发装置，安装于机器人本体前端的探测装置。
15.进一步的，所述探测机器人的机器人本体的前端与后端之间在靠左和靠右的位置各设置有一组推进器，用于为探测机器人提供前进方向的动力；所述探测机器人的机器人本体的顶面中心区域和底面中心区域之间设置一组推进器，用于为探测机器人提供上下方向的动力。
16.进一步的，所述取样机器人的机器人本体的左右两侧之间设置有一组推进器，用于为取样机器人提供侧向移动的动力；所述取样机器人的机器人本体的顶面与底面之间，在靠近前端的位置靠左和靠右各设置一组推进器、在靠近后端的位置在中间区域设置有一组推进器，用于为取样机器人提供上下方向的动力；所述取样机器人的机器人本体的前端与后端之间在靠左和靠右的位置各设置有一组推进器，用于为探测机器人提供前进与后退方向的动力；所述取样机器人的机器人本体的前端还设置有机械手，用于采样作业。
17.进一步的，所述发掘机器人的机器人本体的顶面与底面之间，在靠近前端的位置靠左和靠右、在靠近后端的位置靠左和靠右，各设置有一组推进器；所述发掘机器人的机器人本体的前端面与左侧面之间、前端面与右侧面之间、后端面与左侧面之间、后端面与右侧面之间，在靠近各自的角落处各设置有一组推进器；发掘机器人的机器人本体的底侧还设置有履带行走机构；发掘机器人的机器人本体的前端还设置有多个机械手，用于发掘作业。
18.本实用新型的优点：本实用新型的一种水下考古机器人平台，通过浅水储能站的设计，将大部分的能量储存在浅水储能站中，不仅可以节省建造深水储能装置的成本，还可以适当避免海水表面风浪对储能站的冲击，大幅降低了能源供应的成本，易于实现，可使水下考古机器人平台彻底摆脱岸基供电、船基供电的束缚；采用光、声、电复合通信的方式，可使水下机器人彻底摆脱脐带缆线的束缚；采用多个多类型的水下机器人协同作业，可大幅
提升考古机器人的作业能力与效率，大幅提升我国水下考古装备的作业能力。
附图说明
19.图1为实施例的一种水下考古机器人平台的整体示意图；
20.图2为实施例的一种水下考古机器人平台的通信示意图；
21.图3为实施例的一种水下考古机器人平台的多机器人分区协同作业的示意图；
22.图4为实施例的一种水下考古机器人平台的水下基站的结构示意图；
23.图5为实施例的一种水下考古机器人平台的探测机器人的立体示意图；
24.图6为实施例的一种水下考古机器人平台的探测机器人的另一角度的立体示意图；
25.图7为实施例的一种水下考古机器人平台的取样机器人的立体示意图；
26.图8为实施例的一种水下考古机器人平台的取样机器人的另一角度的立体示意图；
27.图9为实施例的一种水下考古机器人平台的发掘机器人的立体示意图；
28.图10为实施例的一种水下考古机器人平台的发掘机器人的另一角度的立体示意图；
29.其中，1-水下基站，2-水面漂浮通信站，3-浅水储能站，4-地面控制端，5-线缆，6-水下机器人，7-水面，11-基站架体，12-机器人舱位，13-无线充电装置，14-深水电池，15-无线通信装置，16-吊耳，61-探测机器人，62-取样机器人，63-发掘机器人，601-机器人本体，602-探测装置，603-通信接发装置，604-推进器，605-机械手，606-履带行走机构。
具体实施方式
30.为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。
31.实施例
32.请参照图1至图10所示，本实施例提供了一种水下考古机器人平台，包括水下基站1、水面漂浮通信站2、浅水储能站3、地面控制端4；所述水下基站1被布置于水底，用于容纳水下机器人6，还用于对水下机器人6充电、与水下机器人6通信；所述水面漂浮通信站2被布置于水面7区域，用于作为浮标标记水下基站的位置，还用于与水下基站1、浅水储能站3、地面控制端4通信；所述浅水储能站3被布置于靠近水面7的浅水区，用于电能储备，并为水下基站1和水面漂浮通信站2供给电能。本实施例中，该水下考古机器人平台在使用时，可以通过海洋装备(如舰船等)整体投放到海水中，水面漂浮通信站可以起到浮标和通信的作用，可标记水下基站的位置，便于水下考古机器人平台回收，还可通过高强度缆线与浅水储能站、水下基站电性连接，不仅可以接收来自水下基站的通信信息，还可以接收来自浅水储能站、水下基站的状态信息，水面漂浮通信站通过无线通信的方式与远程的地面控制端进行信息交互。浅水储能站的主要作用为储能，为整个水下考古机器人平台(除地面控制端)提供能源供应，浅水储能站的设计大幅降低了水下能源站的建造成本，将大部分的能量储存在浅水储能站中，不仅可以节省建造深水储能装置的成本，还可以适当避免海水表面风浪对储能站的冲击；水下基站适度配重，起到锚钩的作用，水下基站可与水下机器人通信，将
来自水面漂浮通信站的信息传递给水下机器人，还可将水下机器人的信息传递给水面漂浮通信站，起到信息枢纽的作用；其中，传递的信息包括对水下机器人的定位信息，定位信息通过水面漂浮通信站传递到地面控制端。
33.再参照图1所示，所述浅水储能站3具有通过改变内部空舱体积的方式改变在水中的浮力的功能，用于在水中上升、下降或悬浮；所述浅水储能站3通过线缆5分别与水下基站1和水面漂浮通信站2连接。本实施例中，线缆5为高强度缆线；浅水储能站通过高强度缆线对水面漂浮通信站及水下基站进行能源供应；浅水储能站通过改变内部空舱体积的方法改变自重，一般通过配重、配置空舱等方法将浅水储能站调节到重力与浮力几乎相等，或重力比浮力略大，以便于进行水下投放和布置；高强度缆线不仅可以起到传递能量、信息的作用，还可以像缆绳一样起到连接作用。
34.再参照图2所示，所述水下基站1与水下机器人6水声通信和/或激光通信，通信方式根据水下基站1与水下机器人6的距离、通信的信息量进行选择；所述水下基站1与水面漂浮通信站2通过线缆5通信；水面漂浮通信站2与地面控制端4通过电磁波无线通信。本实施例中，水下考古机器人平台使用光、声、电复合通信系统传递信息，以达到高效、即时通信的目的，同时解决了水下水上大容量信息传递的技术难题，可以使水下考古机器人彻底摆脱脐带缆线束缚，满足水下考古的大容量信息传递需求。水下考古机器人可以通过激光或水声通信方式与水下基站进行通信，对于短距离、大容量的信息可以通过激光通信方式传递，通常用于传输图像、视频等信息，激光通信装置在100米内可以实现稳定大容量信息传输；对于小容量的控制、状态信息，水下机器人与水下基站通过水声通信方式进行传输。水面漂浮通信站通与地面控制端通过电磁波进行无线通信，可以实现远距离大容量信息交互。水下基站与水面漂浮通信站通过高强度缆线连接，可以进行大容量信息的稳定传输。传递到水下基站的信息通过高强度缆线中的通信线路传输到水面漂浮通信站，水面漂浮通信站通过无线通信将信息传输到远程的地面控制端。
35.再参照图4所示，所述水下基站1包括基站架体11；基站架体11内具有多个机器人舱位12，用于容纳水下机器人；基站架体11上还安装有无线充电装置13，用于为水下机器人无线充电；基站架体11上还安装有深水电池14，用于接收浅水储能站3传送的电能，还用于为水下基站1供电；水下基站1上还安装有无线通信装置15，用于提供水声通信和/或激光通信。本实施例中，水下基站通过多个机器人舱位，为水下机器人提供收纳空间；设置的无线充电装置为无线充电的发射端，水下机器人配合有无线充电的接收端，可为水下机器人提供无线充电方式的能源供应；深水电池造价成本较高，不宜配置过多，可以为水下基站提供一定能量供应，同时能够起到配重的作用。水下基站提供的机器人舱位，起到收纳水下机器人作用。水下基站配备了水声、激光通信的收发装置，可以与水下机器人进行水声及激光通信。水下基站与浅水储能站、水面漂浮通信站电性连接，可以实现能量与信息的传输，同时高强度缆线具备较强的抗拉能力，能够弯折，能够耐受一定的拉力冲击，便于水下基站的投放与回收；水下基站配备了水声定位装置，必要时可以架设具有一定高度的支架，提升定位效果与定位距离，水声定位装置与水下机器人端的定位设备配合使用，可以实现水下机器人的精确定位；基站架体11的顶侧设置有吊耳16，用于方便对水下基站进行吊装运输。
36.再参照图2和图3所示，所述水下机器人6为多个；多个所述水下机器人之间激光通信或水声通信。本实施例中，水下机器人间可以通过激光或水声通信方式进行通信，100米
内可以使用激光通信装置进行大容量信息传输，对于小容量的控制、状态信息可以通过水声通信装置进行远距离稳定传输。
37.再参照图2和图3所示，所述水下机器人6还与水面漂浮通信站2水声通信。本实施例中，对于一些状态信息、报警信息、紧急的控制指令水考古下机器人可以利用水声通信装置与水面漂浮通信站进行信息交互。
38.再参照图5至图10所示，所述水下机器人6具有多种类型，包括探测机器人61、取样机器人62、发掘机器人63；水下机器人2皆包括机器人本体601、安装于机器人本体601的推进器604、安装于机器人本体601的通信接发装置603，安装于机器人本体601前端的探测装置602。水下机器人还包括安装于机器人本体601内的储能装置(电池)、及无线充电的接收端等。本实施例中，推进器604包括贯穿于机器人本体的水流通道以及设置在水流通道内的推进组件，推进组件可采用螺旋桨。
39.本实施例中，探测机器人61、取样机器人62、发掘机器人63为具备不同功能的水下机器人，可以完成水下探测、取样、发掘等任务；各种水下机器人可以随水下基站一同沉入水底完成布置，回收时同水下基站一同收回；机器人本体601的外部的壳体，综合考虑了制造成本、流线型需求、收纳需求，采用了如图5至图10所展示的外形设计，既可较大程度减小在水下前进方向的阻力，还容易制造，降低制造成本，同时，还易于收纳，降低收纳难度；通信接发装置，对激光通信接收与发射装置、水声通信接收与发射装置进行了集成，外观更加简洁，进一步降低水下前进的阻力；每个类型的水下机器人的前端集成了必要的探测装置，探测装置包括但不限于摄像头、成像声纳、避障声纳、红外传感器；根据不同类型的水下机器人对探测的需求进行选择；由于制造成本及执行任务的需求的不同，每种类型的水下机器人可按照以下方式进行配置。
40.再参照图5和图6所示，所述探测机器人61的机器人本体601的前端与后端之间在靠左和靠右的位置各设置有一组推进器604，用于为探测机器人提供前进方向的动力；所述探测机器人61的机器人本体601的顶面中心区域和底面中心区域之间设置一组推进器604，用于为探测机器人提供上下方向的动力。本实施例中，探测机器人61在多组推进器的作用下，进行前进、定深度、上升、下潜动作；通过前端与后端之间的两组推进器604左右分开设置，可以协同实现转向动作；集成了前述的多种探测装置，是进行水下探测的主要手段。
41.再参照图7和图8所示，所述取样机器人62的机器人本体601的左右两侧之间设置有一组推进器604，用于为取样机器人62提供侧向移动的动力；所述取样机器人62的机器人本体601的顶面与底面之间，在靠近前端的位置靠左和靠右各设置一组推进器604、在靠近后端的位置在中间区域设置有一组推进器604，用于为取样机器人62提供上下方向的动力；所述取样机器人62的机器人本体601的前端与后端之间在靠左和靠右的位置各设置有一组推进器604，用于为探测机器人61提供前进与后退方向的动力；所述取样机器人62的机器人本体601的前端还设置有机械手605，用于采样作业。本实施例中，取样机器人62在多组推进器的作用下，进行前进、后退、侧向移动、定深度、上升、下潜动作；通过前端与后端之间的两组推进器604左右分开设置，可以协同实现转向动作；取样机器人62集成了部分前述的多种探测装置，探测手段相较于探测机器人61有所减少；取样机器人62通过机械手605实现采样操作。
42.再参照图9和图10所示，所述发掘机器人63的机器人本体601的顶面与底面之间，
在靠近前端的位置靠左和靠右、在靠近后端的位置靠左和靠右，各设置有一组推进器604，该四组推进器可以实现俯仰、横滚姿态的调整，可以实现定深悬浮，并且能够应对一定程度的冲击，具有很强的保持稳定能力；所述发掘机器人63的机器人本体601的前端面与左侧面之间、前端面与右侧面之间、后端面与左侧面之间、后端面与右侧面之间，在靠近各自的角落处各设置有一组推进器604，该四组推进器可以实现水平的各向运动，实现偏航角的任意调整；发掘机器人63的机器人本体601的底侧还设置有履带行走机构606，能够适应水下发掘作业时的复杂环境，必要时可以进行履带行走，发掘作业时履带机构可以起到支撑作用；发掘机器人63的机器人本体601的前端还设置有多个机械手605，用于发掘作业，多个机械手可适应不同的抓取任务，机械手也可以同其他工具配合使用，以便更好的进行发掘作业；发掘机器人不仅动作灵活，而且具有较好的保持稳定能力，适合进行水下发掘作业；发掘机器人可以对水下环境进行必要的观测，同时将观测信息进行回传，借助水下考古机器人平台可以接收来自地面控制端的指令信息。
43.本实施例的一种水下考古机器人平台，使用时，可利用多个多类型的机器人实现整体协作，其中，探测机器人的主要任务为：通过多个探测机器人间的协作、机器人与基站之间的协作完成对大面积水域的高效探测。水下基站通过水声定位装置实现对探测机器人的精确定位，通常水下考古机器人平台会将探测水域进行分区，例如，请参照图3所示，大体将探测水域分为a、b、c区域，分派多个探测机器人进行分区协同作业。水面漂浮通信站具有gps定位功能，完成覆盖区域海域探测后，可以根据gps定位信息来规划再次投放位置，提升水下考古机器人平台大范围水域搜索能力。水下考古机器人平台会协同控制各水下探测机器人进行水下探测，对于需要重点探测的区域会放慢搜索速度，必要时会增派探测机器人。多个水下探测机器人通过协同可以构建动态的激光通信网络，水下机器人将信息传递给通信距离范围内的机器人，收到信息的水下机器人再按照系统规划传递给下一个探测机器人，最终将大容量信息传递给水下基站，水下基站通过高强度缆线及水面漂浮通信站将大容量探测信息即时传出。多个水下探测机器人通过协同可以构建动态的水声通信网络，通过动态的水声通信网络拓展水下考古机器人平台的通信范围。对于一些容量较大的非紧要信息，水下探测机器人会在系统的协同控制下，在适当的距离范围内通过激光通信传递给水下基站，水下基站通过高强度缆线及水面漂浮通信站将大容量探测信息传递到地面控制端。水下考古机器人平台控制系统分析出可疑位置后，会派出取样机器人到达指定地点，取样机器人在控制系统的指导下完成自动取样。完成取样分析及进一步探测后，再决定是否调用发掘机器人进行进一步的发掘。
44.本实施例的一种水下考古机器人平台，提高了在复杂水域环境中的水下考古作业能力，成为水下考古的新手段新工具，为我国在浅滩、暗礁、浑水、急流等复杂海水域开展水下考古探测、取样、发掘提供了技术支撑。
45.上述实施例不应以任何方式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本实用新型的保护范围内。

技术特征：
1.一种水下考古机器人平台，其特征在于：包括水下基站、水面漂浮通信站、浅水储能站、地面控制端；所述水下基站被布置于水底，用于容纳水下机器人，还用于对水下机器人充电、与水下机器人通信；所述水面漂浮通信站被布置于水面区域，用于作为浮标标记水下基站的位置，还用于与水下基站、浅水储能站、地面控制端通信；所述浅水储能站被布置于靠近水面的浅水区，用于电能储备，并为水下基站和水面漂浮通信站供给电能。2.根据权利要求1所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述浅水储能站具有通过改变内部空舱体积的方式改变在水中的浮力的功能，用于在水中上升、下降或悬浮；所述浅水储能站通过线缆分别与水下基站和水面漂浮通信站连接。3.根据权利要求2所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述水下基站与水下机器人水声通信和/或激光通信，通信方式根据水下基站与水下机器人的距离、通信的信息量进行选择；所述水下基站与水面漂浮通信站通过线缆通信；水面漂浮通信站与地面控制端通过电磁波无线通信。4.根据权利要求1所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述水下基站包括基站架体；基站架体内具有多个机器人舱位，用于容纳水下机器人；基站架体上还安装有无线充电装置，用于为水下机器人无线充电；基站架体上还安装有深水电池，用于接收浅水储能站传送的电能，还用于为水下基站供电；水下基站上还安装有无线通信装置，用于提供水声通信和/或激光通信。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述水下机器人为多个；多个所述水下机器人之间激光通信或水声通信。6.根据权利要求5所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述水下机器人还与水面漂浮通信站水声通信。7.根据权利要求5所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述水下机器人具有多种类型，包括探测机器人、取样机器人、发掘机器人；水下机器人皆包括机器人本体、安装于机器人本体的推进器、安装于机器人本体的通信接发装置，安装于机器人本体前端的探测装置。8.根据权利要求7所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述探测机器人的机器人本体的前端与后端之间在靠左和靠右的位置各设置有一组推进器，用于为探测机器人提供前进方向的动力；所述探测机器人的机器人本体的顶面中心区域和底面中心区域之间设置一组推进器，用于为探测机器人提供上下方向的动力。9.根据权利要求7所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述取样机器人的机器人本体的左右两侧之间设置有一组推进器，用于为取样机器人提供侧向移动的动力；所述取样机器人的机器人本体的顶面与底面之间，在靠近前端的位置靠左和靠右各设置一组推进器、在靠近后端的位置在中间区域设置有一组推进器，用于为取样机器人提供上下方向的动力；所述取样机器人的机器人本体的前端与后端之间在靠左和靠右的位置各设置有一组推进器，用于为探测机器人提供前进与后退方向的动力；所述取样机器人的机器人本体的前端还设置有机械手，用于采样作业。10.根据权利要求7所述的一种水下考古机器人平台，其特征在于：所述发掘机器人的机器人本体的顶面与底面之间，在靠近前端的位置靠左和靠右、在靠近后端的位置靠左和靠右，各设置有一组推进器；所述发掘机器人的机器人本体的前端面与左侧面之间、前端面
与右侧面之间、后端面与左侧面之间、后端面与右侧面之间，在靠近各自的角落处各设置有一组推进器；发掘机器人的机器人本体的底侧还设置有履带行走机构；发掘机器人的机器人本体的前端还设置有多个机械手，用于发掘作业。

技术总结
本实用新型涉及了一种水下考古机器人平台，包括水下基站、水面漂浮通信站、浅水储能站、地面控制端；水下基站被布置于水底，用于容纳水下机器人、对水下机器人充电、与水下机器人通信；水面漂浮通信站被布置于水面区域，用于作为浮标标记水下基站的位置，与水下基站、浅水储能站、地面控制端通信；浅水储能站被布置于靠近水面的浅水区，用于电能储备，并为水下基站和水面漂浮通信站供给电能。本实用新型的一种水下考古机器人平台，可降低能源供应的成本，彻底摆脱岸基、船基供电的束缚；采用光、声、电复合通信方式以及无线充电方式，使水下机器人摆脱脐带缆线的束缚，大幅提升考古机器人的作业能力与效率，提升我国水下考古装备的作业能力。作业能力。作业能力。


技术研发人员：宋建军 刘跃进 李帅 李启航
受保护的技术使用者：蓓伟机器人科技（上海）有限公司
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/7/4