一种智能水下机器人及其运动控制方法与流程

1.本发明涉及海上风电水下检测技术领域，尤其涉及一种智能水下机器人及其运动控制方法。


背景技术：

2.近些年，海上风电在我国得到快速发展。当前海上风电项目用海缆主要包括风力发电机连接用海缆(集电海缆)及风机并网使用的送出海缆(主海缆)，以35kv阵列海缆+220kv送出海缆组合为主。海缆一旦发生故障，会造成部分或者整个海上风电场的电力无法输送至陆上，导致严重的发电损失。据国外保险机构统计，海上风电场海缆的索赔金额占整个海上风电场索赔金额的90％以上。
3.随着科技技术的不断进步，水下机器人在海上风电海缆检测中得到越来越多的应用，一般采用浮游模式，在保持稳定姿态的前提下沿海缆敷设方向前行并利用携带的检测系统进行检测，但在实际应用中，水下机器人易受海流影响，不易保持稳定性，影响检测准确性和效率。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种智能水下机器人及其运动控制方法。
5.为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
6.本发明公开了一种智能水下机器人，包括底板、控制系统、浮板、防护柱、驱动件、障碍物感应件、安装座、行走件和多功能组件，所述控制系统设置于浮板和底板之间，防护柱设置于控制系统的外周，驱动件和障碍物感应件设置于底板上，安装座设置于底板的前后端上，安装座设置有若干组，行走件设置于安装座上，多功能组件设置于安装座上，控制系统与多功能组件相连，通过控制系统控制多功能组件启动并进行清障、跨障或绕行。
7.进一步的，所述多功能组件包括导轨、电机一、丝杠、步进板和多功能件，所述导轨设置于两组安装座之间，所述电机一与丝杠相连，通过电机一传动的丝杠转动设置在导轨上且沿设备行走方向布置，所述步进板通过与丝杠螺纹配合实现在导轨上水平移动，所述多功能件设置有多组，分别位于步进板的前后端上。
8.进一步的，所述多功能件包括安装架、电机二、转轴、气缸、多功能板和连接座，所述安装架设置于步进板上，所述电机二设置于安装架上，所述转轴通过与电机二的主轴连接，且在安装架上转动，所述连接座设置于转轴上，所述气缸的缸体与连接座连接，所述气缸的伸缩杆端连接多功能板。
9.进一步的，所述连接座和气缸一一对应，且在转轴上等间距设置多组，与一组多功能板连接。
10.进一步的，所述多功能板包括板体和插杆，所述板体呈矩形结构，所述板体上设置有长条形的镂空，所述插杆设置于镂空外侧。
11.进一步的，所述驱动件为带转向功能的螺旋桨推进器，沿设备行走方向布置多组。
12.进一步的，所述行走件为履带结构，设置于底板的两侧。
13.进一步的，所述障碍物感应件包括声呐发射器和声呐接收器。
14.进一步的，所述控制系统包括控制模块、定位模块、通讯模块和决策模块，所述控制模块与决策模块相连，所述控制模块与行走件相连，所述决策模块的决策方案包括清障、跨障和绕行三种，所述定位模块通过水下声学定位技术对机器人进行定位，并记录其移动的轨迹。
15.本发明还公开了一种智能水下机器人的运动控制方法，包括以下步骤：
16.s1、通过控制系统的控制模块驱动智能水下机器人的行走件按设定路线在水下行走，同时障碍物感应件通过声呐发射、接收，进行障碍物感应；
17.s2、障碍物感应件感应障碍物后，向控制模块发生感应信号，控制模块将感应信号格式转换，得到障碍物数据；
18.s3、通过控制系统的决策模块对障碍物数据进行处理，判断障碍物的大小，并调出对应的决策方案至控制模块；
19.s4、决策方案为清障时，通过电机一带动丝杠转动，步进板移动至前端；前端的电机二驱动连接座转动；同时气缸带动多功能板朝向障碍物移动，将障碍物推开；
20.决策方案为跨障时，电机二驱动连接座转动；多组气缸带动多功能板朝向地面移动，并扎入土中，将行走件顶起，悬空至底板高于障碍物；接着电机一驱动丝杠转动，机器人以步进方式向前移动，跨过障碍物；
21.决策方案为绕行时，通过驱动件转动，配合行走件，绕过障碍物。
22.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.1)本发明提供了一种智能水下机器人，包括底板、控制系统、浮板、防护柱、驱动件、障碍物感应件、安装座、行走件和多功能组件，控制系统设置于浮板和底板之间，防护柱设置于控制系统的外周，驱动件和障碍物感应件设置于底板上，安装座设置于底板的前后端上，安装座设置有若干组，行走件设置于安装座上，多功能组件设置于安装座上，控制系统与多功能组件相连，通过控制系统控制多功能组件启动并进行清障、跨障或绕行。本发明实现了机器人在水下以多种避障方式有效避障，保证了行走的顺畅性、稳定性、智能性和精准性，提高了检测作业的效率和准确度，适合在复杂的水下环境使用。
24.2)本发明提供了一种智能水下机器人的运动控制方法，通过障碍物感应件对障碍物进行监测，通过决策模块判断障碍物的大小，并调出对应的决策方案，通过多功能组件和驱动件执行对应的决策方案，达到避障的目的，控制方法智能性强，实现了机器人在水下的自如行走，能够使水下机器人更稳定地沿海缆敷设方向在海床上移动并完成检测。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图；
26.图2为本发明的图1的局部放大图；
27.图3为本发明的图2的剖视图；
28.图4为本发明的实施例2的步进板和多功能件的侧视图；
29.图5为本发明的实施例3的多功能板的结构示意图；
30.附图标记：1、底板；2、控制系统；3、浮板；4、防护柱；5、驱动件；6、障碍物感应件；7、安装座；8、行走件；9、多功能组件；10、导轨；11、电机一；12、丝杠；13、步进板；14、安装架；15、电机二；16、气缸；17、多功能板；18、连接座；19、板体；20、镂空；21、插杆；22、转轴。
具体实施方式
31.下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
32.以下给出一个或若干个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或若干个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
34.实施例1
35.如图1所示，一种智能水下机器人，包括底板1、控制系统2、浮板3、防护柱4、驱动件5、障碍物感应件6、安装座7、行走件8和多功能组件9，其中，控制系统2设置在浮板3和底板1之间，防护柱4设置在控制系统2的外周，驱动件5和障碍物感应件6设置在底板1上，安装座7设置在底板1的前后端上，行走件8设置在安装座7上，多功能组件9设置在安装座7上。
36.如图2-3所示，多功能组件9包括导轨10、电机一11、丝杠12、步进板13和多功能件，导轨10设置在两组安装座7之间，通过电机一11传动的丝杠12设置在导轨10上，且沿设备行走方向布置；步进板13通过与丝杠12螺纹配合，实现在导轨10上水平移动，多功能件设置多组，分别位于步进板13的前后端上。
37.实施例2
38.如图4所示，在实施例1的基础上，本实施例中的多功能件包括安装架14、电机二15、转轴22、气缸16、多功能板17和连接座18，安装架14设置在步进板13上，电机二15设置在安装架14上，转轴22通过与电机二15的主轴连接，在安装架14上转动，连接座18设置在转轴22上，气缸16的缸体与连接座18连接，伸缩杆端连接多功能板17，通过电机二15驱动转轴22转动，带动气缸16旋转，调节多功能板17的角度，以满足不同避障需求。
39.本实施例中，连接座18和气缸16一一对应，且在转轴22上等间距设置多组，与一组多功能板17连接。通过设置多组气缸16控制多功能板17，使得推动障碍物或顶起智能水下机器人时支撑性充足，保证多功能板17的稳定性。
40.本实施例的工作原理如下：
41.智能水下机器人在水下行走，障碍物感应件6通过发射、接收声呐进行障碍物感应。障碍物感应件6感应障碍物后，控制系统2控制多功能组件9启动并进行清障或跨障。清障时，通过电机一11带动丝杠12转动，步进板13移动至前端，前端的电机二15驱动连接座18转动；同时气缸16带动多功能板17朝向障碍物移动，将障碍物推开；跨障时，电机二15驱动连接座18转动；多组气缸16带动多功能板17朝向地面移动，并扎入土中，将行走件8顶起，悬
空至底板1高于障碍物；接着电机一11驱动丝杠12转动，机器人以步进方式向前移动，跨过障碍物。
42.一种智能水下机器人的运动控制方法，包括如下步骤：
43.s1、控制模块驱动行走件8按设定路线在水下行走，同时障碍物感应件6通过发射、接收声呐进行障碍物感应；
44.s2、障碍物感应件6感应障碍物后，向控制系统2的控制模块发生感应信号，控制模块将感应信号格式转换，得到障碍物数据；
45.s3、控制系统2的决策模块对障碍物数据进行处理，判断障碍物的大小，并调出对应侧决策方案至控制模块；
46.s4、清障决策方案：
47.清障时，通过电机一11带动丝杠12转动，步进板13移动至前端；前端的电机二15驱动连接座18转动；同时气缸16带动多功能板17朝向障碍物移动，将障碍物推开；
48.跨障决策方案：
49.跨障时，电机二15驱动连接座18转动；多组气缸16带动多功能板17朝向地面移动，并扎入土中，将行走件8顶起，悬空至底板1高于障碍物；接着电机一11驱动丝杠12转动，机器人以步进方式向前移动，跨过障碍物；方案三绕行；通过螺旋桨推进器转动，配合履带，绕过障碍物。
50.余同实施例1。
51.实施例3
52.如图5所示，在实施例2的基础上，本实施例中的多功能板17包括板体19和插杆21；板体19为矩形，设置有长条形的镂空20，插杆21设置在镂空外侧，通过设置板体19可以拦截障碍物，通过设置插杆21使得板体19支撑时更加稳定。
53.余同实施例2。
54.实施例4
55.如图1所示，在实施例1的基础上，本实施例中的驱动件5为带转向功能的螺旋桨推进器，沿设备行走方向布置多组。通过驱动方向改变，实现对行走方向的调节；行走件8为履带结构，设置在底板1的两侧，履带结构移动时稳定性强，适合水下行走；障碍物感应件6包括声呐发射器和声呐接收器，利用发射和接收声呐实现对周围障碍物进行感应，精准性高；控制系统包括控制模块、定位模块、通讯模块和决策模块；决策模块的决策方案包括清障、跨障和绕行三种；定位模块通过水下声学定位技术对机器人进行定位，并记录其移动的轨迹。
56.余同实施例1。
57.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

技术特征：
1.一种智能水下机器人，其特征在于，包括底板(1)、控制系统(2)、浮板(3)、防护柱(4)、驱动件(5)、障碍物感应件(6)、安装座(7)、行走件(8)和多功能组件(9)，所述控制系统(2)设置于浮板(3)和底板(1)之间，防护柱(4)设置于控制系统(2)的外周，驱动件(5)和障碍物感应件(6)设置于底板(1)上，安装座(7)设置于底板(1)的前后端上，安装座(7)设置有若干组，行走件(8)设置于安装座(7)上，多功能组件(9)设置于安装座(7)上，控制系统(2)与多功能组件(9)相连，通过控制系统(2)控制多功能组件(9)启动并进行清障、跨障或绕行。2.根据权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述多功能组件(9)包括导轨(10)、电机一(11)、丝杠(12)、步进板(13)和多功能件，所述导轨(10)设置于两组安装座(7)之间，所述电机一(11)与丝杠(12)相连，通过电机一(11)传动的丝杠(12)转动设置在导轨(10)上且沿设备行走方向布置，所述步进板(13)通过与丝杠(12)螺纹配合实现在导轨(10)上水平移动，所述多功能件设置有多组，分别位于步进板(13)的前后端上。3.根据权利要求2所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述多功能件包括安装架(14)、电机二(15)、转轴(22)、气缸(16)、多功能板(17)和连接座(18)，所述安装架(14)设置于步进板(13)上，所述电机二(15)设置于安装架(14)上，所述转轴(22)通过与电机二(15)的主轴连接，且在安装架(14)上转动，所述连接座(18)设置于转轴(22)上，所述气缸(16)的缸体与连接座(18)连接，所述气缸(16)的伸缩杆端连接多功能板(17)。4.根据权利要求3所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述连接座(18)和气缸(16)一一对应，且在转轴(22)上等间距设置多组，与一组多功能板(17)连接。5.根据权利要求3所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述多功能板(17)包括板体(19)和插杆(21)，所述板体(19)呈矩形结构，所述板体(19)上设置有长条形的镂空(20)，所述插杆(21)设置于镂空(20)外侧。6.根据权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述驱动件(5)为带转向功能的螺旋桨推进器，沿设备行走方向布置多组。7.根据权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述行走件(8)为履带结构，设置于底板(1)的两侧。8.根据权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述障碍物感应件(6)包括声呐发射器和声呐接收器。9.根据权利要求1所述的一种智能水下机器人，其特征在于，所述控制系统(2)包括控制模块、定位模块、通讯模块和决策模块，所述控制模块与决策模块相连，所述控制模块与行走件(8)相连，所述决策模块的决策方案包括清障、跨障和绕行三种，所述定位模块通过水下声学定位技术对机器人进行定位，并记录其移动的轨迹。10.根据权利要求1-9任一所述的一种智能水下机器人的运动控制方法，其特征在于。包括以下步骤：s1、通过控制系统(2)的控制模块驱动智能水下机器人的行走件(8)按设定路线在水下行走，同时障碍物感应件(6)通过声呐发射、接收，进行障碍物感应；s2、障碍物感应件(6)感应障碍物后，向控制模块发生感应信号，控制模块将感应信号格式转换，得到障碍物数据；s3、通过控制系统(2)的决策模块对障碍物数据进行处理，判断障碍物的大小，并调出
对应的决策方案至控制模块；s4、决策方案为清障时，通过电机一(11)带动丝杠(12)转动，步进板(13)移动至前端；前端的电机二(15)驱动连接座(18)转动；同时气缸(16)带动多功能板(17)朝向障碍物移动，将障碍物推开；决策方案为跨障时，电机二(15)驱动连接座(18)转动；多组气缸(16)带动多功能板(17)朝向地面移动，并扎入土中，将行走件(8)顶起，悬空至底板(1)高于障碍物；接着电机一(11)驱动丝杠(12)转动，机器人以步进方式向前移动，跨过障碍物；决策方案为绕行时，通过驱动件(5)转动，配合行走件(8)，绕过障碍物。

技术总结
本发明公开了一种智能水下机器人及其运动控制方法，该智能水下机器人包括底板、控制系统、浮板、防护柱、驱动件、障碍物感应件、安装座、行走件和多功能组件，控制系统设于浮板和底板之间，防护柱设于控制系统的外周，驱动件和障碍物感应件设于底板上，安装座设于底板的前后端上，安装座设有若干组，行走件设于安装座上，多功能组件设于安装座上，控制系统与多功能组件相连，通过控制系统控制多功能组件启动并进行清障、跨障或绕行。本发明中，通过设置多功能组件实现了机器人在水下以多种避障方式有效避障，保证了行走的顺畅性、稳定性、智能性和精准性，能更稳定地沿海缆敷设方向在海床上移动并完成检测，适合在复杂的水下环境中使用。用。用。


技术研发人员：姚中原 童博 牛晨晖 张宇 王新 彭泳江 张宝锋 白亮 孙捷 施俊佼 张诗雨 王方锐
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司 华能国际电力江苏能源开发有限公司 华能国际电力江苏能源开发有限公司清洁能源分公司
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/4/17