一种用于水下探测的多传感机器人及使用方法

1.本发明涉及水下探测机器人技术领域，具体涉及一种用于水下探测的多传感机器人及使用方法。


背景技术：

2.水下探测机器人是一种在水下进行探测作业的机器人，由于水下环境恶劣危险，且人的潜水深度有限，所以水下探测机器人已成为水下探测作业的重要工具。水下探测机器人不仅能用于环境监测、资源监测等，还可应用于军事领域，如对蛙人进行探测。但在蛙人探测过程中，由于蛙人目标远小于常规的海下潜行器目标，采用常规手段无法做到高效、准确的监控，并且很容易受到外界干扰产生误判，若要提高探测面积与精度，需要铺设较为复杂的蛙人检测系统，成本较高并且会带来诸多不便。因此，亟需一种高效准确、抗干扰能力强，且同时对周围硬件配套设施要求不高，能方便使用的探测系统或探测装置，基于此，我们提出了一种用于水下探测的多传感机器人。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于水下探测的多传感机器人及使用方法，能够在水中灵活运动，实现高速巡航和探测等。
4.本发明采用的技术方案为：
5.一种用于水下探测的多传感机器人，包括壳体、轮足模块、升降模块、检测模块及控制模块；
6.所述壳体为中心设置有圆形空腔的方形封闭壳体；
7.所述轮足模块包括至少两对轮足组件，每对轮足组件均对称设置在壳体的两侧；
8.所述升降模块设置在壳体的圆形空腔内；
9.所述控制模块包括mcu单元，所述mcu单元与轮足模块、升降模块、检测模块及主控端通信连接，用于根据主控端的控制指令及检测模块所提供的信息对轮足模块及升降模块进行控制。
10.进一步地，每个所述轮足组件均包括轮足轴及至少三个围绕轮足轴设置的足辐，且轮足轴靠近壳体的一侧固定有轮足驱动电机；
11.所述足辐呈阿基米德螺旋回收状弯曲，每个足幅还向其弯曲方向向外扭转，且所述足辐从靠近轮足轴的一端至自由端厚度逐渐减薄。
12.进一步地，所述足辐采用橡胶材质制成。
13.进一步地，所述升降模块包括环套、位于环套中心的固定环及固定设置于固定环上的桨叶组件，所述环套固定设置于壳体的圆形空腔内，所述固定环通过固定辐条与环套固定连接；
14.所述桨叶组件包括桨叶及桨叶驱动电机，所述桨叶驱动电机与固定环固定连接，所述桨叶与桨叶驱动电机的输出轴固定连接。
15.进一步地，还包括重心调整模块，所述重心调整模块设置于升降模块的外圈且位于壳体内部，且所述重心调整模块与mcu单元通信连接。
16.进一步地，所述重心调整模块包括圆形齿环及能够围绕圆形齿环运动的重心调整组件，所述重心调整组件设置2组；
17.所述圆形齿环的顶部设置有若干个安装柱，所述圆形齿环通过安装柱固定设置在壳体内部，且所述圆形齿环的内圈设置有齿条；
18.每组所述重心调整组件均包括位于圆形齿环外侧的第一l型挡板、位于圆形齿环内侧的第二l型挡板、设置在第一l型挡块与第二l型挡块之间的主动齿轮及设置在第一l型挡块下方的配重块，所述主动齿轮与圆形齿环内圈的环形齿条啮合，且所述主动齿轮固定设置于角度驱动电机的输出轴，所述角度驱动电机设置在第一l型挡块与第二l型挡块之间。
19.进一步地，所述第一l型挡块与第二l型挡块拼接形成矩形结构将圆形齿环包裹，且所述第一l型挡块与第二l型挡块拼接形成的矩形结构顶部设置有间隙，所述间隙的宽度大于安装柱的直径。
20.进一步地，所述检测模块包括声呐探头、金属探测器、红外探头及陀螺仪，所述声呐探头、金属探测器及陀螺仪设置于壳体上方，所述红外探头设置于壳体侧面。
21.基于上述一种用于水下探测的多传感机器人，本发明还提供一种用于水下探测的多传感机器人的使用方法，包括如下步骤：
22.（1）校正检测模块的初始化参数；
23.（2）控制模块从主控端获取环境判定巡航指令，如果需要进行水下巡航，则检测模块判断环境是否异常，如无异常，控制模块发送指令至升降模块及重心调整模块控制水陆两栖机器人下潜至设定深度在海底进行巡航，并获取巡航坐标；如有异常，则检测模块确定异常情况并发送警报至控制模块，控制模块发送停止巡航指令，且控制模块将异常情况及警报发送至主控端；
24.（3）当水陆两栖机器人下潜至海底设定深度时，控制模块发送指令至升降模块、重心调整模块及轮足模块，升降模块停止运行，由轮足模块及重心调整模块配合控制机器人行进，且同时行进过程中检测模块定时检测环境是否异常，如有异常，则检测模块确定异常情况并发送警报至控制模块，控制模块发送自我水下伪装指令，且控制模块将异常情况发送至主控端。
25.进一步地，所述步骤（3）中水下伪装通过升降模块与轮足模块配合实现，具体为：
26.升降模块的桨叶高速转动，带起海底的泥沙覆盖壳体；轮足模块中位于壳体同一侧的轮足组件反向高速转动，带起海底的泥沙覆盖壳体。
27.本发明的有益效果为：
28.（1）本发明所提供的一种用于水下探测的多传感机器人，通过升降模块与重心调整模块配合能实现机器人在水中调整姿态，并辅助轮足模块实现水中灵活运动及高速巡航及探测；
29.（2）本发明所提供的一种用于水下探测的多传感机器人，通过升降模块与轮足模块配合，还能够在水底巡航及探测过程中实现自我伪装功能，提高隐蔽性；
30.（3）本发明所提供的一种用于水下探测的多传感机器人，其轮足模块的足幅设计
为阿基米德螺旋回收状弯曲，且足辐从靠近轮足轴的一端至自由端厚度逐渐减薄，并具有一定的扭转角，能实现旋转无间隙配合，能同时实现在陆地及水中行走；且足幅采用具有一定柔韧性的橡胶材质，且足辐自由端较薄，在行进的过程中可实现柔性接触，不仅提高了行进过程中的运动平稳性，且同时在高速行进过程中具有较好的减震性能；
31.（4）本发明所提供的一种用于水下探测的多传感机器人，其检测模块采用声呐成像配合金属探测与红外成像，提高了蛙人检测的可靠性和准确性。
附图说明
32.为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为水陆两栖机器人的整体结构示意图；
34.图2为图1去掉壳体后的结构示意图；
35.图3为轮足组件的结构示意图；
36.图4为轮足的结构示意图；
37.图5为升降模块的整体结构示意图；
38.图6为升降模块的剖视图；
39.图7为重心调整模块的整体结构示意图；
40.图8为重心调整模块的局部剖视图；
41.图9为水下伪装的示意图；
42.图10为水陆两栖机器人的控制过程的连接关系图。
43.图中标注：
44.1.壳体；
45.2.轮足模块；21.轮足；211.轮足轴；212.足幅；22.轮足驱动电机；
46.3.升降模块；31.环套；32.固定辐条；33.固定环；34.桨叶组件；341.桨叶；342.桨叶驱动电机；
47.4.重心调整模块；41.圆形齿环；42.重心调整组件；421.第一l型挡板；422.第二l型挡板；423.主动齿轮；424.配重块；425.角度驱动电机；426.上固定螺栓；427.下固定螺栓；43.安装柱；
48.5.检测模块；51.声呐探头；52.金属探测器；53.红外探头；54.陀螺仪。
具体实施方式
49.本发明提供了一种用于水下探测的多传感机器人及使用方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.下面结合附图对本发明进行详细说明：
51.参照图1及图2，本实施例提供一种用于水下探测的多传感机器人，包括壳体1、轮足模块2、升降模块3、重心调整模块4、检测模块5及控制模块。
52.其中，上述壳体1为中心设置有圆形空腔的方形封闭壳体，且壳体为空壳设计；上述轮足模块2包括两对轮足组件，即4个轮足组件，且每对轮足组件均对称设置在壳体1的两侧；上述升降模块3设置在壳体1的圆形空腔内；上述重心调整模块4设置于升降模块3的外圈且位于壳体1内部；
53.上述控制模块包括mcu单元，且mcu单元与轮足模块2、升降模块3、重心调整模块4、检测模块5及主控端通信连接，用于根据主控端的控制指令及检测模块所提供的信息对轮足模块、升降模块及重心调整模块进行控制；上述主控端为人机交互终端，具体为计算机，另外，为便于信号通信，主控端与控制模块采用无线通信连接。
54.具体地，参照图3及图4，在轮足模块2中，每个轮足组件均包括轮足21及驱动轮足转动的轮足驱动电机22，轮足21设置于壳体外侧，轮足驱动电机22设置在壳体内部。其中，轮足21包括轮足轴211及三个围绕轮足轴设置的足辐212，轮足轴211靠近壳体的一端通过联轴器与轮足驱动电机22的输出轴固定连接。
55.另外，上述足辐212采用橡胶材质制成，且足辐212从靠近轮足轴211的连接端至自由端厚度逐渐减薄；上述足幅212呈阿基米德螺旋回收状弯曲，其弯曲角α为80~90
°
，具体到本实施例中该弯曲角为90
°
；且每个足幅212还向其弯曲方向向外扭转，其足幅的自由端相对于其连接端的扭转角为20~30
°
，具体到本实施例中该扭转角为20
°
。
56.基于上述轮足模块，其在旋转行进过程中每个轮足的足幅的自由端首先接触地面，并且扭转角配合弯曲角辅助轮足在旋转运动的过程中使每个足幅平稳过渡；而且足幅采用橡胶材质，且其自由端处厚度较薄相对柔软，可以起到较好的减震作用；另外，每个轮足通过其弯曲角及扭转角相配合还能同时实现在陆地及水中行走。
57.具体地，参照图5及图6，上述升降模块3包括焊接固定设置于壳体1的圆形空腔内的环套31、位于环套31中心且与环套31通过固定辐条32固定连接的固定环33以及固定设置于固定环33上的桨叶组件34；上述固定环33设置2个，分别位于环套31的上端面及下端面，上述桨叶组件34设置2组，分别固定设置于环套31的上端面及下端面的固定环33上。
58.另外，上述桨叶组件34包括桨叶341及桨叶驱动电机342，上述桨叶驱动电机342与固定环33固定连接，上述桨叶341与桨叶驱动电机342的输出轴固定连接。
59.通过上述升降模块，在桨叶的驱动下可带动机器人在水中实现下潜或上浮。
60.具体地，参照图7及图8，上述重心调整模块4包括圆形齿环41及能够围绕圆形齿环41运动的重心调整组件42，重心调整组件42设置2组，通过调整2组重心调整组件在圆形齿环上的位置实现机器人重心的调整。
61.其中，上述圆形齿环41的顶部设置有若干个安装柱43，圆形齿环41通过安装柱43固定设置在壳体1内部，且上述圆形齿环41的内圈设置有齿条。
62.上述重心调整组件42均包括位于圆形齿环41外侧的第一l型挡板421、位于圆形齿环内侧的第二l型挡板422、设置在第一l型挡块421与第二l型挡块422之间的主动齿轮423及设置在第一l型挡块421下方的配重块424，另外，第一l型挡块与第二l型挡块之间还固定设置有角度驱动电机425；其中，上述第一l型挡块421与第二l型挡块422拼接形成矩形结构将圆形齿环41包裹，且所述第一l型挡块421与第二l型挡块422拼接形成的矩形结构顶部设置有间隙，该间隙的宽度大于安装柱43的直径；上述主动齿轮423与圆形齿环41内圈的齿条啮合，且主动齿轮423固定设置于角度驱动电机425的输出轴。
63.上述第一l型挡板421、第二l型挡板422、配重块424在安装过程中，通过位于圆形齿环内侧的上固定螺栓426将第一l型挡板421、第二l型挡板422、配重块424固定，通过位于圆形齿环底部且靠近圆形齿环外侧的下固定螺栓427将第一l型挡板421、配重块424固定。
64.基于上述重心调整模块，通过调整2组重心调整组件在圆形齿环上的分布位置，能够实现机器人整体的重心调整，可使机器人保持平衡或向一侧侧歪等。
65.具体地，上述检测模块5包括声呐探头51、金属探测器52、红外探头53及陀螺仪54，其中，声呐探头51设置4个，4个声呐探头位于壳体上方且分布于壳体的四角；金属探测器52设置4个，4个金属探测器位于壳体上方且位于相邻两个声呐探头之间；红外探头53设置2个，2个红外探头位于壳体的未设置轮足的两侧侧面；陀螺仪设置1个，陀螺仪设置于壳体上方且位于其中一组相邻的声呐探头之间的中间位置。
66.上述检测模块用于对蛙人进行探测，其在探测过程中，首先通过声呐探头进行检测，如声呐探头所检测的声呐信息有异常，则开启金属探测器及红外探头进行检测及扫描，确定具体异常信息，并将异常信息发送至控制模块。
67.上述检测模块中的陀螺仪用于检测机器人的姿态，其与重心调整模块配合使用，用于机器人姿态调整。
68.另外，参照图10，本实施例所提供的一种用于水下探测的多传感机器人，还包括电源及电源管理器，电源具体可采用电池，由电源管理器统一分配供电，且电源管理器也与控制模块电连接。
69.本实施例所提供的一种用于水下探测的多传感机器人，其轮足模块、升降模块、重心调整模块、检测模块由控制模块的mcu单元进行控制，采用spi与通讯接口数据进行交互，采用i2c通讯协议实现多通道高速adc数据读取，即读取检测模块所采集的信息，并采用dsp处理器对数据进行解算，根据所读取及解算的信息对轮足模块、升降模块及重心调整模块进行控制。
70.基于上述一种用于水下探测的多传感机器人，本实施例还提供一种用于水下探测的多传感机器人的使用方法，包括如下步骤：
71.（1）校正检测模块的初始化参数；
72.（2）控制模块从主控端获取环境判定巡航指令，如果需要进行水下巡航，则检测模块判断环境是否异常，如无异常，控制模块发送指令至升降模块及重心调整模块控制水陆两栖机器人下潜至设定深度在海底进行巡航，并获取巡航坐标；如有异常，则检测模块确定异常情况并发送警报至控制模块，控制模块发送停止巡航指令，且控制模块将异常情况及警报发送至主控端；该步骤中检测模块对环境进行检测时，首先通过声呐探头进行检测，如果声呐探头所检测的声呐信息有异常，则开启金属探测器及红外探头进行检测及扫描，确定具体异常信息，并将异常信息发送至控制模块，然后控制模块将异常信息发送至主控端；
73.（3）当水陆两栖机器人下潜至海底设定深度时，控制模块发送指令至升降模块、重心调整模块及轮足模块，升降模块停止运行，由轮足模块及重心调整模块配合控制机器人行进，且同时行进过程中检测模块定时检测环境是否异常，如有异常，则检测模块确定异常情况并发送警报至控制模块，控制模块发送自我水下伪装指令，且控制模块将异常情况发送至主控端。
74.上述步骤（3）中，机器人在巡航过程中可慢速行进或快速行进，如慢速行进，通常
使机器人保持平衡，如果向一侧侧歪，通过陀螺仪进行检测，使其中一个重心调整组件向侧歪的反方向运动使机器人整体保持平衡，此时重心调整模块的两个重心调整组件对称设置；如快速行进，则控制重心调整模块的两个重心调整组件向需要行进的方向移动，使机器人向行进方向侧歪，并控制机器人向侧歪的方向快速行进，且其快速行进时通过远离重心调整组件一侧的轮足组件驱动行进。
75.另外，参照图9，上述步骤（3）中水下伪装通过升降模块与轮足模块配合实现，具体为：升降模块的桨叶高速转动，带起海底的泥沙覆盖壳体；轮足模块中位于壳体同一侧的轮足组件反向高速转动，带起海底的泥沙覆盖壳体。上述水下伪装通常用于水底巡航过程，在进行蛙人检测时，如发现蛙人目标，可进行自我伪装以防止蛙人发现。
76.另外，本实施例所提供的一种用于水下探测的多传感机器人，其还能够在陆地行走，其在陆地行走过程中，首先通过检测模块判断环境是否异常，如无异常，控制模块发送指令至轮足模块及重心调整模块控制水陆两栖机器人在陆地行走；如有异常，则检测模块确定异常情况并发送警报至控制模块，控制模块发送停止行走指令，且控制模块将异常情况及警报发送至主控端。具体地，如果检测模块判断环境无异常时，则轮足模块驱动机器人在陆地行走，且在陆地行走过程中，陀螺仪进行检测机器人是否处于平衡状态，如果向一侧侧歪，但侧歪角度略小（如小于20
°
）不影响机器人正常行进，则无需调整重心；如果陆地倾斜坡度大，影响机器人正常行进，则重心调整模块根据陀螺仪的检测结果适当进行重心调整以保证机器人机体稳定，具体可使其中一个重心调整组件向侧歪的反方向运动使机器人机体保持平衡。
77.另外，上述水陆两栖机器人在陆地行走过程中，还能通过控制4个轮足的速度差异实现差速转向。
78.需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
79.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于水下探测的多传感机器人，其特征在于，包括壳体、轮足模块、升降模块、检测模块、控制模块和重心调整模块；所述壳体为中心设置有圆形空腔的方形封闭壳体；所述轮足模块包括至少两对轮足组件，每对轮足组件均对称设置在壳体的两侧；所述升降模块设置在壳体的圆形空腔内；所述控制模块包括mcu单元，所述mcu单元与轮足模块、升降模块、检测模块及主控端通信连接，用于根据主控端的控制指令及检测模块所提供的信息对轮足模块及升降模块进行控制；每个所述轮足组件均包括轮足轴及至少三个围绕轮足轴设置的足辐，且轮足轴靠近壳体的一侧固定有轮足驱动电机；所述足辐呈阿基米德螺旋回收状弯曲，每个足幅还向其弯曲方向向外扭转，且所述足辐从靠近轮足轴的一端至自由端厚度逐渐减薄；所述足辐采用橡胶材质制成；所述升降模块包括环套、位于环套中心的固定环及固定设置于固定环上的桨叶组件，所述环套固定设置于壳体的圆形空腔内，所述固定环通过固定辐条与环套固定连接；所述桨叶组件包括桨叶及桨叶驱动电机，所述桨叶驱动电机与固定环固定连接，所述桨叶与桨叶驱动电机的输出轴固定连接；所述重心调整模块设置于升降模块的外圈且位于壳体内部，且所述重心调整模块与mcu单元通信连接；所述重心调整模块包括圆形齿环及能够围绕圆形齿环运动的重心调整组件，所述重心调整组件设置2组；所述圆形齿环的顶部设置有若干个安装柱，所述圆形齿环通过安装柱固定设置在壳体内部，且所述圆形齿环的内圈设置有齿条；每组所述重心调整组件均包括位于圆形齿环外侧的第一l型挡板、位于圆形齿环内侧的第二l型挡板、设置在第一l型挡块与第二l型挡块之间的主动齿轮及设置在第一l型挡块下方的配重块，所述主动齿轮与圆形齿环内圈的环形齿条啮合，且所述主动齿轮固定设置于角度驱动电机的输出轴，所述角度驱动电机设置在第一l型挡块与第二l型挡块之间。2.根据权利要求1所述的一种用于水下探测的多传感机器人，其特征在于，所述第一l型挡块与第二l型挡块拼接形成矩形结构将圆形齿环包裹，且所述第一l型挡块与第二l型挡块拼接形成的矩形结构顶部设置有间隙，所述间隙的宽度大于安装柱的直径。3.根据权利要求1所述的一种用于水下探测的多传感机器人，其特征在于，所述检测模块包括声呐探头、金属探测器、红外探头及陀螺仪，所述声呐探头、金属探测器及陀螺仪设置于壳体上方，所述红外探头设置于壳体侧面。4.一种用于水下探测的多传感机器人的使用方法，利用权利要求1-3任一项所述的一种用于水下探测的多传感机器人，其特征在于，包括如下步骤：（1）校正检测模块的初始化参数；（2）控制模块从主控端获取环境判定巡航指令，如果需要进行水下巡航，则检测模块判断环境是否异常，如无异常，控制模块发送指令至升降模块及重心调整模块控制水陆两栖机器人下潜至设定深度在海底进行巡航，并获取巡航坐标；如有异常，则检测模块确定异常
情况并发送警报至控制模块，控制模块发送停止巡航指令，且控制模块将异常情况及警报发送至主控端；（3）当水陆两栖机器人下潜至海底设定深度时，控制模块发送指令至升降模块、重心调整模块及轮足模块，升降模块停止运行，由轮足模块及重心调整模块配合控制机器人行进，且同时行进过程中检测模块定时检测环境是否异常，如有异常，则检测模块确定异常情况并发送警报至控制模块，控制模块发送自我水下伪装指令，且控制模块将异常情况发送至主控端。5.根据权利要求4所述的一种用于水下探测的多传感机器人的使用方法，其特征在于，所述步骤（3）中水下伪装通过升降模块与轮足模块配合实现，具体为：升降模块的桨叶高速转动，带起海底的泥沙覆盖壳体；轮足模块中位于壳体同一侧的轮足组件反向高速转动，带起海底的泥沙覆盖壳体。

技术总结
本发明公开了一种用于水下探测的多传感机器人及使用方法，包括壳体、轮足模块、升降模块、检测模块及控制模块；所述壳体为中心设置有圆形空腔的方形封闭壳体；所述轮足模块包括至少两对轮足组件，每对轮足组件均对称设置在壳体的两侧；所述升降模块设置在壳体的圆形空腔内；所述控制模块包括MCU单元，所述MCU单元与轮足模块、升降模块、检测模块及主控端通信连接，用于根据主控端的控制指令及检测模块所提供的信息对轮足模块及升降模块进行控制。本发明的水陆两栖机器人通过轮足模块、升降模块、重心调整模块相配合，能实现机器人在水中调整姿态、灵活运动和高速巡航，且在水底巡航过程中能实现自我伪装，提高隐蔽性。提高隐蔽性。提高隐蔽性。


技术研发人员：蒋红琰 孙超 程峰 房殿军 张卫东 王平 钱锡峰 牛刘敏 魏久焱
受保护的技术使用者：无锡学院
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/4/28