一種水陸兩棲探測機器人制造技術

本發(fā)明專利技術屬于探測設備技術領域，特別是涉及一種水陸兩棲探測機器人。本發(fā)明專利技術的機器人適用于水陸兩種環(huán)境，不僅能夠解決在陸地及水下的自由行走，還能夠實現(xiàn)水平面以及水底的探測，實現(xiàn)在陸地上、水平面以及在水底的SLAM。本發(fā)明專利技術的機器人整體由機殼、前后端蓋構成一個密封防水殼體；密封殼外安裝有四個驅動輪，每個驅動輪各自配有一個電機，放置于密封殼內；密封殼內裝有固定底盤，底盤上安裝有聲吶、樹莓派和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)某h距離傳輸模塊Xbee?pro，樹莓派內部移植ROS操作系統(tǒng)，內置SLAM算法，能夠實現(xiàn)目標的檢測和信息的采集，自主完成SLAM。本發(fā)明專利技術提供了一種水陸兩棲探測機器人，具有作業(yè)能力強，智能化程度高、密封性好等優(yōu)點。

Amphibian robot

The invention belongs to the technical field of detection equipment, in particular to an amphibious robot. The invention is applicable to two kinds of amphibious robot environment, not only can solve the free walk on land and water, but also to achieve the level of surface and underwater detection, in the land, and the level of SLAM in water. The robot is composed of a casing, front and rear cover form a sealing waterproof shell; install the sealing shell with four drive wheels, each driving wheel each with a motor, placed in a sealed shell; shell is provided with a fixed chassis seals are installed on the chassis of sonar, raspberry pie and pro module for Xbee ultra long distance transmission of data transmission, raspberry pie internal transplant ROS operating system, built-in SLAM algorithm can realize target detection and information collection, independently complete the SLAM. The invention provides an amphibious robot, which has the advantages of high operation ability, high intelligence degree and good sealing property.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于探測設備
，特別是涉及一種水陸兩棲探測機器人，可完成對陸地、海(水)平面以及水底目標的檢測和信息的采集，實現(xiàn)陸地環(huán)境以及水底的同步定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping，以下簡稱SLAM)。
技術介紹
在現(xiàn)代探測技術中，陸地探測機器人和水下探測機器人的技術發(fā)展非常迅速，分別能夠實現(xiàn)對陸地或者水底環(huán)境的探測以及定位和地圖構建功能。國內外的探測機器人種類很多，用途各異，但大都受環(huán)境的制約，陸地機器人和水下機器人只能單獨實現(xiàn)陸地和海底環(huán)境的SLAM。例如，陸地機器人在水岸線附近作業(yè)難免遇上漲潮的情況，很難進入水底繼續(xù)進行探測和作業(yè)。再如水下探測機器人除了像蛟龍?zhí)柹顫撎綔y設備外，大都是在水下的行走驅動機器人，不承擔水下探測與SLAM功能。總體智能化水平較低，難以完成水陸兩棲的信息采集與SLAM的建立。中國專利申請?zhí)?01510244121.5(申請日為2015.05.12)的《水陸兩棲桶形機器人》，由推進輪殼體、內部驅動裝置、作業(yè)平臺、密封件和連接件組成。推進輪內部的驅動機構由減速電機、支撐板和配重塊組成。兩推進輪主軸由兩固聯(lián)的菱形帶座軸承連接，使兩輪具有獨立的轉速。采用透明殼體，殼體外側裝有T型葉片，內側裝有太陽能片。兩推進輪中間的作業(yè)平臺可用來安裝作業(yè)工具。采用模塊化設計，推進輪兩側可串聯(lián)連接另一推進輪。水陸兩棲桶形機器人機動性好、作業(yè)能力強，可用于兩棲探測和運輸領域。明顯的，這種水陸兩棲機器人只是構建了一種在陸地與水下行走推進的機器人模型，不承擔對目標的檢測和信息的采集。中國專利CN201010572035.4，《一種自主移動機器人平臺》涉及了一種能夠自主運動的智能移動機器人平臺，包括運動驅動系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、平臺控制系統(tǒng)。與現(xiàn)有的移動機器人常規(guī)運動方式不同，該移動機器人通過擺動腿臂機構，利用腿臂機構上的反偏向輪與地面或者空間中媒質的作用力實現(xiàn)機器人的平穩(wěn)運動，使其運動行為表現(xiàn)力更為突出。該移動機器人還能夠自主地對環(huán)境進行感知，對機器人移動通道的寬度變化具有很強的行為適應能力。可作為多機器人協(xié)同編隊、水陸兩棲機器人、微納米機器人運動原型等多個研究領域的實驗與驗證平臺。雖然該平臺提供了多個研究領域的實驗與驗證的功能，但是仍以移動行進為專利技術的主要技術方案，不能實現(xiàn)在陸地上、海平面以及在海底的定位與地圖構建。相比陸地機器人和水下機器人，水陸兩棲機器人應由殼體、內部驅動裝置、作業(yè)平臺和密封及連接件組成，可用于兩棲探測和運輸領域，機動性好、作業(yè)能力強，并自帶ROS操作系統(tǒng)，內置SLAM算法，能夠實現(xiàn)目標的檢測和信息的采集，自主完成定位和地圖構建，可以實現(xiàn)在陸地上、水平面以及海底的SLAM。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種水陸兩棲探測機器人，能夠適用于水陸兩種環(huán)境，不僅能夠解決在陸地及水下的自由行走，還能夠實現(xiàn)水平面以及水底的探測，實現(xiàn)在陸地上、水平面以及在水底的定位與地圖構建(SLAM)。為解決上述問題，本專利技術提供了一個密封的整體，采用機殼、前后端蓋構成一個密封殼，阻止海水的侵入，保護機器人的檢測、計算及傳輸設備；在密封殼外安裝有四個驅動輪，采用適時四驅，實現(xiàn)機器人的自主運動；每個驅動輪各自配有一個電機，放置于密封殼內；所述密封殼內放置了里程計和激光測距雷達，可以完成陸地上的機器人定位和誤差校正；并使用超遠距離傳輸模塊Xbee-pro進行數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。樹莓派(一套ARM開發(fā)板)安裝在密封殼內主板上，內部移植ROS(robot operator system)操作系統(tǒng)(一種用于機器人的次級操作系統(tǒng))實現(xiàn)完整SLAM。水陸兩棲探測機器人從一個未知點開始移動，激光測距雷達或者聲吶發(fā)射的電磁波或聲波遇到阻礙時則會反射回來，根據(jù)電磁波或聲波往返的時間和在介質中的傳播速度，計算出機器人到障礙物的距離，同時將障礙物標記為路標點，然后根據(jù)機器人與路標點之間的相對位置和里程計的讀數(shù)估計出機器人自身和路標點的位置，構成全局坐標系，機器人繼續(xù)運動，進行路標識別和自身定位，最終構建出完整的路標地圖。作為本專利技術的殼體部分與驅動行走部分，水陸兩棲探測機器人整體由機殼、前后端蓋構成一個密封殼。直流電機安裝在密封殼內，提供水下及登陸后的外力驅動。其中，電機軸伸處與機殼之間的間隙采用機械密封，使電機軸伸處與機殼之間的間隙轉換成靜環(huán)與動環(huán)之間的間隙。靜環(huán)通過O型密封圈與機殼密封，動環(huán)通過O型密封圈與襯套密封，襯套通過O型密封圈與電機軸之間密封，動環(huán)通過彈簧壓緊與電機軸緊緊箍在一起，實現(xiàn)與電機的同軸轉動。從而確保了機器人的密封性，無論在陸地還是海底環(huán)境中，都具有較強抵抗惡劣環(huán)境的能力。所述密封殼外安裝有四個驅動輪，采用適時四驅，使機器人能夠更好的越過沼澤或較軟的地質，更能體現(xiàn)機器人運動的自主性。所述密封殼外頂部安裝有一個螺旋槳，提供下潛時的驅動力，后部安裝有兩個螺旋槳，提供在水下的驅動力。所述密封殼內裝有固定底盤，底盤連接動力驅動系統(tǒng)。機器人采用鋰電池供電，保證從陸地到海底長距離的續(xù)航能力；鋰電池固定在底盤下方，電池引腳接到底盤VCC用于供電。作為本專利技術的探測部分，密封殼內安裝有聲吶、里程計、激光掃描測距雷達系統(tǒng)、攝像頭、水位傳感器等探測元件。其中，所述密封殼底部安裝的聲吶發(fā)射的聲波和回波進行水下目標探測、定位以及通信；360度二維激光掃描測距雷達系統(tǒng)(RoboPeak)，自身帶有轉速檢測與自適應系統(tǒng)，雷達的掃描頻率根據(jù)ROS操作系統(tǒng)中SLAM算法控制的電機的實際轉速做出調整，使用時不需單獨提供復雜的供電系統(tǒng)，節(jié)約了總成本；所述密封殼內前部安裝的攝像頭，用于采集環(huán)境信息；所述密封殼內側身安裝的水位傳感器，進行水位的實時檢測。所述水位傳感器能夠自身感知水位變化控制頂部螺旋槳正轉啟動和關閉，實現(xiàn)下潛的功能。所述密封殼內安裝樹莓派板和超遠距離數(shù)據(jù)傳輸模塊Xbee-pro。樹莓派安裝在密封殼內底盤上，底盤電壓引腳輸出的5V電壓給樹莓派供電，內部移植ROS操作系統(tǒng)實現(xiàn)SLAM算法，能夠自主完成定位和地圖構建。超遠距離數(shù)據(jù)傳輸模塊Xbee-pro提供關鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸，其外形小巧節(jié)省了卡板空間。作為本專利技術的電子電路部分，水陸兩棲探測機器人整體采用鋰電池供電，樹莓派、底盤、激光測距雷達以及聲吶的電源引腳接5V電壓，GND共地；樹莓派的PWM輸出引腳接電機；樹莓派的RXD(receive data，接收數(shù)據(jù))引腳接激光測距雷達的TX(transmit data，發(fā)送數(shù)據(jù))引腳，里程計的TX引腳接激光測距雷達的RXD引腳，水位傳感器、聲吶以及攝像頭通過USB接口與樹莓派相連；底盤安裝了開關傳感器的防護裝置，傳感器、提取裝置和發(fā)射裝置通過螺紋孔安裝在底盤上。作為本專利技術的軟件控制部分，樹莓派安裝在密封殼內主板上，內部移植ROS操作系統(tǒng)，水陸兩棲探測機器人在ROS系統(tǒng)中實現(xiàn)SLAM算法時，需要調用gmapping包，gmapping包是利用激光測距雷達和里程計的數(shù)據(jù)生成二維地圖的，先讓gmapping訂閱激光數(shù)據(jù)，并將里程計數(shù)據(jù)轉化成tf(transformation，坐標轉換)版本里的里程計數(shù)據(jù)，然后就可以運行gmapping。amcl包訂閱激光數(shù)據(jù)、tf和m本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水陸兩棲探測機器人，包括殼體部分、驅動行走部分和探測控制部分。其特征在于：殼體部分采用機殼、前后端蓋構成一個密封殼(1)；密封殼(1)外安裝有四個驅動輪(7)，每個驅動輪各自配有一個電機(8)，放置于密封殼(1)內；所述密封殼(1)內裝有固定底盤；所述固定底盤上安裝有聲吶(10)、樹莓派和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)某h距離傳輸模塊Xbee?pro(6)，所述樹莓派和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)某h距離傳輸模塊Xbee?pro(6)置于控制板(5)上；電池巢(9)固定在所述底盤下方；所述密封殼(1)內安裝有里程計和激光測距雷達(11)；所述密封殼(1)內前部安裝有攝像頭(2)，側身安裝有水位傳感器(4)；所述密封殼(1)外頂部安裝有一個螺旋槳(3)，后部安裝有兩個螺旋槳(3)。

【技術特征摘要】
1.一種水陸兩棲探測機器人，包括殼體部分、驅動行走部分和探測控制部分。其特征在于：殼體部分采用機殼、前后端蓋構成一個密封殼(1)；密封殼(1)外安裝有四個驅動輪(7)，每個驅動輪各自配有一個電機(8)，放置于密封殼(1)內；所述密封殼(1)內裝有固定底盤；所述固定底盤上安裝有聲吶(10)、樹莓派和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)某h距離傳輸模塊Xbee-pro(6)，所述樹莓派和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)某h距離傳輸模塊Xbee-pro(6)置于控制板(5)上；電池巢(9)固定在所述底盤下方；所述密封殼(1)內安裝有里程計和激光測距雷達(11)；所述密封殼(1)內前部安裝有攝像頭(2)，側身安裝有水位傳感器(4)；所述密封殼(1)外頂部安裝有一個螺旋槳(3)，后部安裝有兩個螺旋槳(3)。2.根據(jù)權利要求1所述的一種水陸兩棲探測機器人，其特征在于：所述機殼與電機軸伸處之間的間隙采用機械密封，使機殼與電機軸伸處之間的間隙轉換成靜環(huán)與動環(huán)之間的間隙；靜環(huán)通過O型密封圈與機殼密封，動環(huán)通過O型密封圈與襯套密封，襯套通過O型密封圈與電機軸之間密封，動環(huán)通過彈簧壓緊與電機軸緊緊箍在一起，實現(xiàn)與電機的同軸轉動。3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種水陸兩棲探測機器人，其特征在于：所述密封殼外安裝有四個驅動輪，采用適時四驅。4.根據(jù)權利要求1所述的一種水陸兩棲探測機器人，其特征在于：所述密封殼外頂部安裝有一個螺旋槳(3)，提供下潛時的驅動力，后部安裝有兩個螺旋槳(3)，提供所述機器人在水下的驅動力。5.根據(jù)權利要求1或4所述的一種水陸兩棲探測機器人，其特征在于：所述密封殼內側身安裝有水位傳感器(4)，進行水位的實時檢測；所述水位傳感器(4)能夠自身感知水位變化控制頂部螺旋槳正轉啟動和關閉，實現(xiàn)下潛的功能。6.根據(jù)權利要求1所述的一種水陸兩棲探測機器人，其特征在于：所述固定底盤上安裝有探測元件，包括聲吶(10)和攝像頭(2)；所述聲吶(10)安裝于密封殼(1)底部，利用聲吶(10)發(fā)射的聲波和回波進行水下目標探測、定位以及通信；所述攝像頭(2)安裝于密封殼(1)前部，用于采集環(huán)境信息。7.根據(jù)權利要求1所述的一種水陸兩棲探測機器人，其特征在于：所述固定底盤上安裝有探測元件，包括里程計和激光掃描測距雷達系統(tǒng)(11)；所述里程計提供機器人位置信息，利用二維激光測距雷達(11)對機器人所處的環(huán)境進行掃描，提取環(huán)境信息特征，對機器人自身的位姿進行修正；所述激光掃描測距雷達系統(tǒng)(11)為360度二維激光掃描測距雷達系統(tǒng)，自身帶有轉速檢測與自適應系統(tǒng)，對機器人所處的環(huán)境進行掃描和采集，雷達的掃描頻率根據(jù)ROS操作系統(tǒng)中SLAM算法控制的電機的實際轉速做出調整。8.根據(jù)權利要求1所述的一種水陸兩棲探測機器人，其特征在于：所述固定底盤的控制板(5)上安裝有樹莓派和超遠距離數(shù)據(jù)傳輸模塊Xbee-pro(6)；所述樹莓派內部移植ROS操作系統(tǒng)，在ROS系統(tǒng)中實現(xiàn)SL...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：姜向遠，任鵬，許敏，于云華，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發(fā)明
國別省市：山東;37