本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種有纜遙控水下攝像機器人，該水下攝像機器人是一種小尺度、智能化、能夠在水下進行攝像的水下航行器。
背景技術：
機器人技術是一種新興的智能制造技術，在國內外受到廣泛應用。大疆無人機和云洲智能無人船的興起就說明了這一點。自主水下攝像機器人是一種能夠在水面以下幾米甚至上千米、上萬米深度進行自主航行的機器人，具有自動航行、自主導航、自主執行水下任務的能力。與無人機、無人車和無人船相比，它所處的任務環境更加復雜，所使用的傳感器和推進系統也有不同。具體表現在：1)高頻無線電波在水下十幾米以下深度無法使用，將會導致操作人員與水下攝像機器人難以保持良好的通信聯系；而采用水聲通信機，不僅成本高，且通信速率和容量都無法與無線電波相比；2)電子元部件等任何非水密電子部件、機械部件、推進部件均須做水密、耐壓保護，否則將發生滲水、漏水導致不能正常水下航行。
目前，水下攝像機器人用戶基本上全部是國家、地方或者企業、高校，價格十分昂貴，體積和重量都很大，裝載的傳感器大多為科學儀器。本專利是一種專門面向水下攝像的小微水下攝像機器人，具有專門的攝像功能、便捷的可操作性以及很強的實用性。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種有纜遙控水下攝像機器人。
為解決技術問題，本發明所采用的技術方案是：
提供一種有纜遙控水下攝像機器人，包括結構系統、水下控制系統、任務載荷系統、用戶控制系統、臍帶電纜和電源；
所述結構系統包括載體框架、浮力塊、推進器，以及具有透明前罩的耐壓艙；水下控制系統和任務載荷系統設于耐壓艙內部，耐壓艙、浮力塊和推進器固定安裝在載體框架上；推進器共有三個，其中1個安裝在載體框架的中心位置，另2個分別安裝在載體框架尾部的兩側；
所述水下控制系統包括安裝在耐壓艙內部的基本控制模塊、電機驅動模塊和姿態傳感器，以及安裝在耐壓艙外部的深度傳感器和高度計；基本控制模塊分別通過電纜連接至電機驅動模塊、姿態傳感器、深度傳感器和高度計，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；電機驅動模塊通過電纜接至推進器；
所述任務載荷系統包括攝像頭和照明燈，各自通過電纜分別與基本控制模塊和臍帶電纜連接；
所述用戶控制系統包括用戶控制終端，用戶控制終端包括計算終端、觸摸可視化屏幕、電纜接口和操控手柄，能通過有線通信方式與水下攝像機器人實現視頻信號接收和控制信號傳遞；
所述臍帶電纜是中性水密電纜，其內部包含多根分支電纜；其位于水下的一端分別連接結構系統、水下控制系統和任務載荷系統中的各設備，位于水上的一端分別連接用戶控制作系統和電源；在通過臍帶電纜向各設備提供電源的同時，利用電力線載波實現攝像頭與用戶控制系統之間的信號傳輸。
本發明中，所述載體框架是白色HDPE材料制作而成；耐壓艙由機玻璃或亞克力，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器人在空氣中的重量大0.5千克到5kg之間；所述推進器采用MCT90型號的直流電機，配有三葉螺旋槳；直流電機具有水下磁耦合密封結構，直流電機額定電壓范圍在12VDC到50VDC之間，額定功率范圍在30W到200W之間。
本發明中，所述基本控制模塊包括STM32系列或51系列的單片機及其輔助電路；基本控制模塊還包括220V交流電轉48V直流的電源板，額定功率范圍在120W到800W之間；基本控制模塊中設有電磁繼電器，用于控制推進器和高度計供電電源的通斷；所述姿態傳感器模塊采用MTI30或MTI300航姿參考系統，其通信接口為串口；所述深度傳感器是YF-CS300D型號的壓力傳感器。
本發明中，所述用戶控制系統還包括輔助配件，包括耳機、手寫筆或控制旋鈕；用戶控制系統的計算終端是STM32或51系列單片機、盛博PC104微型計算機或研華微型計算機，其電纜接口中設有SW500MA電力載波監控攝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。
本發明中，所述攝像頭采用炫光M800攝像頭，其電纜接口中設有SW500MA電力載波監控攝像頭視頻發送器；并對攝像頭進行水下密封，密封結構具有有機玻璃制成的透明窗；所述照明燈采用LED燈，數量為兩個，額定功率范圍在5W到30W之間，并對LED燈進行水下密封，密封結構具有有機玻璃制成的透明窗。
本發明中，該水下攝像機器人的重量在5kg到50千克之間，其長度在30cm到80cm之間。
本發明中，所述基本控制模塊中內置機動控制器模塊；機動控制器模塊的垂直面的縱傾力矩控制輸出量通過下述公式計算獲得：
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是當前縱傾角，θd是當前的目標縱傾角，兩者均為狀態量，能通過姿態傳感器測量和計算得到；(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，Kdθ2是垂直角速率系數，BGzWsinθ是重力/浮力垂直靜力矩，三者能通過試驗測定獲得，是已知參數。
本發明中，所述基本控制模塊中內置升降控制器模塊；升降控制器模塊的控制輸出量通過下述公式計算獲得：
其中，F是垂直面的升降力，是控制輸出量；D是當前深度，Dd是當前的目標深度，兩者是狀態量，能通過深度傳感器測量和計算得到；(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，Kd是垂直角速率系數，KI是深度誤差積分系數，∫(D-θd)dt是深度誤差積分，均能通過試驗測定獲得，是已知參數。
本發明中，所述電源是220V交流電源，并接有電壓轉換裝置。
發明原理描述：
本發明中采用了特殊的視頻數據傳輸方式，即臍帶電纜信號傳輸方式。臍帶電纜采用電力線載波進行信號傳輸，臍帶電纜在水下攝像機器人的一端連接SW500MA電力載波監控攝像頭視頻發送器，在另一端即用戶控制系統連接SW500MA電力載波監控攝像頭視頻接收器。攝像頭拍攝到的視頻直接通過電力線載波完成視頻信息傳輸。
用戶控制系統輸出的信號通過臍帶電纜控制水下攝像機器人的運動，實現前進、后退、轉彎、上浮、下沉等動作，并可控制水下攝像機器人搭載的水下攝像頭和水下燈動作；還可顯示并存儲載體攝像頭拍攝到的視頻數據。還可以包括與通訊模塊相連的接口，用于與水下互聯網、云計算系統、人工智能系統或水下物聯網的設備與系統實現對接。
臍帶電纜采用中性水密電纜，長度范圍在10米到200米之間；使得水下攝像機器人的工作深度范圍是10米到200米之間。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果及優點：
1.本發明尺寸小，重量輕，操作簡便，無需吊車、船等其它設備輔助，沒有任何專業背景的個人即可操作。
2.本發明價格低廉，面相大眾消費群體和普通商業用戶，能夠讓每個用戶有能力購買。
3.本發明能夠完成水下攝像、水下照明等功能，具有很強的娛樂性、實用性和趣味性。
4.本發明的圖像傳輸質量高，距離遠，視頻圖像清晰。
附圖說明
圖1是本發明的組成示意圖。
圖中附圖標記：用戶控制終端1；推進器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。
具體實施方式
首先需要說明的是，本發明涉及智能控制技術，是計算機技術在機器人領域的一種應用。在本發明的實現過程中，會涉及到多個軟件功能模塊的應用。申請人認為，如在仔細閱讀申請文件、準確理解本發明的實現原理和發明目的以后，在結合現有公知技術的情況下，本領域技術人員完全可以運用其掌握的軟件編程技能實現本發明。前述軟件功能模塊包括但不限于：升降控制器模塊、機動控制器模塊等，凡本發明申請文件提及的均屬此范疇，申請人不再一一列舉。
在總體設計方面，本發明可以根據水下攝像機器人組成和功能結構劃分，將其水下主體部分、用戶控制系統和臍帶電纜9，組成和原理如圖1所示。臍帶電纜9可傳輸電力、控制信號和視頻信號。主體部分的載體框架11采用開放式框架結構和流線型外形。用戶控制系統接收通過臍帶電纜9發送來的信息和視頻信號，并向主體部分發送遙控命令。臍帶電纜9的兩端采用SW500MA電力載波監控攝像頭視頻發送器和接收器，通過普通電力傳輸視頻信號，無需專門布線，傳輸距離可達300米，抗干擾性強。
具體而言，本發明中的有纜遙控水下攝像機器人，包括結構系統、水下控制系統、任務載荷系統、用戶控制系統、臍帶電纜9和電源。該水下攝像機器人的重量在5kg到50千克之間，其長度在30cm到80cm之間。
所述結構系統包括載體框架11、浮力塊10、推進器2、3、4，以及具有透明前罩的耐壓艙5；水下控制系統和任務載荷系統設于耐壓艙5內部，耐壓艙5、浮力塊10和推進器2、3、4固定安裝在載體框架11上；推進器共有三個，其中推進器4安裝在載體框架11的中心位置，推進器2、3分別安裝在載體框架11尾部的兩側；
水下控制系統包括安裝在耐壓艙5內部的基本控制模塊、電機驅動模塊和姿態傳感器，以及安裝在耐壓艙5外部的深度傳感器和高度計；基本控制模塊分別通過電纜連接至電機驅動模塊、姿態傳感器、深度傳感器和高度計，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；電機驅動模塊通過電纜接至推進器2、3、4；
任務載荷系統包括攝像頭8和照明燈6、7，各自通過電纜分別與基本控制模塊和臍帶電纜9連接；
用戶控制系統包括用戶控制終端1，用戶控制終端1包括計算終端、觸摸可視化屏幕、電纜接口和操控手柄，能通過有線通信方式與水下攝像機器人實現視頻信號接收和控制信號傳遞；
所述臍帶電纜9是中性水密電纜，其內部包含多根分支電纜；其位于水下的一端分別連接結構系統、水下控制系統和任務載荷系統中的各設備，位于水上的一端分別連接用戶控制作系統和電源；在通過臍帶電纜9向各設備提供電源的同時，利用電力線載波實現攝像頭6、7與用戶控制系統之間的信號傳輸。
電源是220V交流電源，并接有電壓轉換裝置。
載體框架11是白色HDPE材料制作而成；耐壓艙5由機玻璃或亞克力，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；所述推進器2、3、4采用MCT90型號的直流電機，配有三葉螺旋槳；直流電機具有水下磁耦合密封結構，直流電機額定電壓范圍在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系列的單片機及其輔助電路；基本控制模塊還包括220V交流電轉48V直流的電源板，額定功率范圍在120W到800W之間；基本控制模塊中設有電磁繼電器，用于控制推進器和高度計供電電源的通斷；所述姿態傳感器模塊采用MTI30或MTI300航姿參考系統，其通信接口為串口；所述深度傳感器是YF-CS300D型號的壓力傳感器。
用戶控制系統還包括輔助配件，包括耳機、手寫筆或控制旋鈕；用戶控制系統的計算終端是STM32或51系列單片機、盛博PC104微型計算機或研華微型計算機，其電纜接口中設有SW500MA電力載波監控攝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，其電纜接口中設有SW500MA電力載波監控攝像頭視頻發送器；并對攝像頭8進行水下密封，密封結構具有有機玻璃制成的透明窗；所述照明燈6、7采用LED燈，數量為兩個，額定功率范圍在5W到30W之間，并對LED燈進行水下密封，密封結構具有有機玻璃制成的透明窗。
基本控制模塊中包括機動控制器模塊；機動控制器模塊的垂直面的縱傾力矩控制輸出量通過下述公式計算獲得：
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是水下攝像機器人的當前縱傾角，θd是水下攝像機器人當前的目標縱傾角，它們是水下攝像機器人的狀態量，通過水下攝像機器人的姿態傳感器可以測量和計算；(θ-θd)是水下攝像機器人的縱傾角誤差，q是水下攝像機器人的垂直角速率，它們是控制輸入量；Kpθ2是水下攝像機器人的縱傾角誤差系數，Kdθ2是水下攝像機器人的垂直角速率系數，BGzWsinθ是水下攝像機器人的重力/浮力垂直靜力矩，它們可以通過試驗測定，是已知參數。
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下述公式計算獲得：
其中，F是垂直面的升降力，是控制輸出量；D是水下攝像機器人的當前深度，Dd是水下攝像機器人當前的目標深度，它們是水下攝像機器人的狀態量，通過水下攝像機器人的深度傳感器可以測量和計算；(D-Dd)是水下攝像機器人的深度誤差，是水下攝像機器人的升降速率，它們是控制輸入量；Kp是水下攝像機器人的深度誤差系數，Kd是水下攝像機器人的垂直角速率系數，KI是水下攝像機器人的深度誤差積分系數，∫(D-θd)dt是深度誤差積分，它們可以通過試驗測定，是已知參數。
水下攝像機器人工作的工作流程描述如下：
用戶利用用戶控制終端1，通過電纜9向水下攝像機器人發送指令，利用耐壓艙5內的基本控制模塊和電機驅動模塊調節推進器2、3、4輸出的推力和力矩，實現運動控制。浮力塊10為水下攝像機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臍帶電纜9傳輸給用戶控制終端1。