一种免掉头水下清洗机器人及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种免掉头水下清洗机器人及其控制方法，本发明专利技术清洗机器人包括主框架、推进与吸附组件、行走与转向组件、密封电子舱、传感控制组件、光通设备、浮力模块、空化清洗装置。主框架为双层管材结构，推进与吸附组件由多个水平推进器和垂直推进器组成，行走与转向组件由万向轮和舵机驱动的承重轮组成，传感控制组件包括压力传感器、多普勒速度仪、姿态传感器、水声定位器，空化清洗装置为多个空化射流清洗盘。本清洗机器人主要用于船舶、港口、码头等大型结构表面附着物的水下清洗作业，采用了舵机驱动轮子转向

【技术实现步骤摘要】
一种免掉头水下清洗机器人及其控制方法


[0001]本专利技术属于大型结构表面水下清洗机器人
，具体而言，涉及一种免掉头水下清洗机器人及其控制方法。

技术介绍

[0002]长期浸泡在海水中的船体外壳、港口、码头立面等表面会附着大量的贝类、海藻、藤壶等海洋生物，影响船舶的航速、耗油量、操控性等，加剧附着壁面的腐蚀程度，影响使用寿命。因此，从经济、环保和安全可靠等角度来说，需要经常或定期进行清洗。
[0003]相对于传统的人工清洗方式，采用水下机器人清洗具有经济、安全、高效等优势，国内外均在积极投入研发相关的清洗机器人产品，并取得了一定的成果。然而，目前公开的相关大型清洗机器人专利或产品中，在进行大型壁面清洗时，基本都采用了机器人到头后掉头的方式，而大型水下机器人掉头半径大、调转时间长、控制难度大，因而此种掉头方式大大降低了工作效率，另外，由于掉头后的机器人姿态、位置偏差大，控制精度低，因此容易造成漏洗或重复清洗。

技术实现思路

[0004]为了克服现有水下清洗机器人掉头方法具有的上述缺陷，解决大型水下清洗机器人掉头作业效率低、控制难度大、控制精度低、易漏洗的问题，我们提供了一种解决方案。
[0005]首先，本专利技术提供了一种免掉头水下清洗机器人，包括主框架1、推进与吸附组件2、行走与转向组件3、密封电子舱4、传感控制组件5、光通设备6、浮力模块7、空化清洗装置8；其中：
[0006]所述推进与吸附组件2包括多个垂直推进器21和多个水平推进器22，所述垂直推进器21为机器人提供翻滚力矩和贴壁吸附力；所述水平推进器22为机器人提供巡游和贴壁行走的驱动力；
[0007]所述行走与转向组件3包括第一承重轮31、第二承重轮32、第三承重轮33、第一舵机34和第二舵机35；所述第一承重轮31由所述第一舵机34驱动转向及固定方向，所述第二承重轮32由所述第二舵机35驱动转向及固定方向；所述第三承重轮33为万向轮；
[0008]所述密封电子舱4中包括机器人供电设备、控制设备和信息传输设备；
[0009]所述传感控制组件5包括压力传感器51、多普勒速度仪52、水声定位器53、姿态传感器，所述压力传感器51提供机器人的深度信息，所述多普勒速度仪52提供机器人的移动速度，所述水声定位器53提供机器人的位置信息，所述姿态传感器提供机器人的当前姿态信息；
[0010]所述光通设备6包括摄像机61和照明灯62，二者同时安装在主框架1前端和后端的中部，用于照明、摄录和观察机器人前后方的环境；
[0011]所述浮力模块7由多个密封薄壁壳体组成，左右对称地设置在所述主框架1的前部、中部和后部；
[0012]所述空化清洗装置8由三个空化射流清洗盘组成，设置在所述主框架1的中间位置。
[0013]进一步地，本专利技术免掉头水下清洗机器人中所述主框架1为管材连接而成的双层密封框架结构，其能提供远大于自重的浮力。
[0014]进一步地，本专利技术免掉头水下清洗机器人中所述第一承重轮31、第二承重轮32、第三承重轮33均为被动轮，呈等腰三角形安装在所述主框架1下侧，由所述水平推进器22推动三个承重轮移动。
[0015]进一步地，本专利技术免掉头水下清洗机器人中所述第一舵机34和第二舵机35能够360
°
旋转，当达到目标角后可自锁；所述第一舵机34和第二舵机35内安装有位置传感器，用于反馈转动角度信息，以实现转向闭环可控。
[0016]其次，本专利技术还提供了上述免掉头水下清洗机器人的控制方法，包括以下步骤：
[0017](1)控制多个水平推进器22推动机器人在作业壁面直线行走；
[0018](2)当机器人到达作业壁面边缘时，控制第一舵机34和第二舵机35同步转动90
°
，驱动第一承重轮31和第二承重轮32转动90
°
；
[0019](3)然后控制多个水平推进器22推动机器人横移一个工位宽度，再控制第一舵机34和第二舵机35驱动第一承重轮31和第二承重轮32转动90
°
；
[0020](4)最后控制多个水平推进器22推动机器人向相反方向直线行走，实现免掉头“弓”字形作业。
[0021]进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人在作业壁面直线行走时，根据压力传感器51、多普勒速度仪52以及姿态传感器采集的数据进行闭环控制，分别控制多个水平推进器22的转速和转向，使得机器人按一定速度向前直线行走。
[0022]进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人在作业壁面直线行走时，被控变量为机器人的俯仰角、深度和行走速度，控制方法包括：
[0023](1)首先，将期望俯仰角设为零，期望深度和期望行走速度由上位机下发；
[0024](2)其次，在利用姿态传感器、压力传感器51和多普勒速度仪52获取机器人的俯仰角、深度和行走速度的基础上，构造俯仰角、深度和行走速度误差；
[0025](3)再次，根据水平推进器22的空间布局，构建水平推进器22推力与横向合力、俯仰力矩与前向合力之间的映射关系；
[0026](4)最后，利用PID控制策略构建水平推进器22推力与俯仰角、深度和行走速度误差之间的映射关系，即控制律。
[0027]进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，控制第一舵机34和第二舵机35驱动第一承重轮31和第二承重轮32转动90
°
，其控制方法包括：
[0028](1)首先，控制水平推进器22调整机器人姿态，使机器人俯仰角误差达到期望值；
[0029](2)其次，由上位机下发期望舵机转角；
[0030](3)再次，利用安装在第一舵机34和第二舵机35内的位置传感器获取两个舵机的转角，构造舵机转角误差；
[0031](4)最后，基于舵机位置控制模式进行转角闭环修正，使舵机转角误差达到期望值。
[0032]进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人横向移动时，根据
压力传感器51、多普勒速度仪52、水声定位器53以及姿态传感器采集的数据进行闭环控制，分别控制多个水平推进器22的转速和转向，控制机器人横移一个工位宽度。
[0033]进一步地，上述免掉头水下清洗机器人的控制方法中，当机器人横向移动时，被控变量为机器人的横移距离和俯仰角，控制方法包括：
[0034](1)首先，将期望横移距离和期望俯仰角分别设为机器人一个工位宽度和零；
[0035](2)其次，在利用多普勒速度仪52、压力传感器51、水声定位器53和姿态传感器获取机器人的横移量、深度差、俯仰角和横滚角的基础上，构造横移距离和俯仰角误差；
[0036](3)再次，根据水平推进器22的空间布局，构建水平推进器22推力与横向合力和俯仰力矩之间的映射关系；
[0037](4)最后，利用PID控制策略构建水平推进器22推力与横移距离和俯仰角误差之间的映本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种免掉头水下清洗机器人，其特征在于，所述水下清洗机器人包括主框架(1)、推进与吸附组件(2)、行走与转向组件(3)、密封电子舱(4)、传感控制组件(5)、光通设备(6)、浮力模块(7)、空化清洗装置(8)；其中：所述推进与吸附组件(2)包括多个垂直推进器(21)和多个水平推进器(22)，所述垂直推进器(21)为机器人提供翻滚力矩和贴壁吸附力；所述水平推进器(22)为机器人提供巡游和贴壁行走的驱动力；所述行走与转向组件(3)包括第一承重轮(31)、第二承重轮(32)、第三承重轮(33)、第一舵机(34)和第二舵机(35)；所述第一承重轮(31)由所述第一舵机(34)驱动转向及固定方向，所述第二承重轮(32)由所述第二舵机(35)驱动转向及固定方向；所述第三承重轮(33)为万向轮；所述密封电子舱(4)中包括机器人供电设备、控制设备和信息传输设备；所述传感控制组件(5)包括压力传感器(51)、多普勒速度仪(52)、水声定位器(53)、姿态传感器，所述压力传感器(51)提供机器人的深度信息，所述多普勒速度仪(52)提供机器人的移动速度，所述水声定位器(53)提供机器人的位置信息，所述姿态传感器提供机器人的当前姿态信息；所述光通设备(6)包括摄像机(61)和照明灯(62)，二者同时安装在主框架(1)前端和后端的中部，用于照明、摄录和观察机器人前后方的环境；所述浮力模块(7)由多个密封薄壁壳体组成，左右对称地设置在所述主框架(1)的前部、中部和后部；所述空化清洗装置(8)由三个空化射流清洗盘组成，设置在所述主框架(1)的中间位置。2.根据权利要求1所述的免掉头水下清洗机器人，其特征在于，所述主框架(1)为管材连接而成的双层密封框架结构，其能提供远大于自重的浮力。3.根据权利要求1所述的免掉头水下清洗机器人，其特征在于，所述第一承重轮(31)、第二承重轮(32)、第三承重轮(33)均为被动轮，呈等腰三角形安装在所述主框架(1)下侧，由所述水平推进器(22)推动三个承重轮移动。4.根据权利要求1所述的免掉头水下清洗机器人，其特征在于，所述第一舵机(34)和第二舵机(35)能够360
°
旋转，当达到目标角后可自锁；所述第一舵机(34)和第二舵机(35)内安装有位置传感器，用于反馈转动角度信息，以实现转向闭环可控。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的免掉头水下清洗机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)控制多个水平推进器(22)推动机器人在作业壁面直线行走；(2)当机器人到达作业壁面边缘时，控制第一舵机(34)和第二舵机(35)同步转动90
°
，驱动第一承重轮(31)和第二承重轮(32)转动90
°
；(3)然后控制多个水平推进器(22)推动机器人横移一个工位宽度，再控制第一舵机...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔凯兴，孟利平，严卫生，周鑫波，陈乐鹏，杨冰儒，马标，朱恩照，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：