[发明专利]一种水下船体清洗机器人的控制系统及其工作方法

权利要求书

1.一种水下船体清洗机器人的控制系统，其特征在于：所述的水下船体清洗机器人包括履带模块(5)、空化射流清洗模块(6)、转刷清洗模块(13)、驱动模块、密封控制舱(2)和框架；

所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；

所述的履带模块(5)有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块(5)内部固定安装电磁铁(15)，所述的电磁铁(15)通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块(5)的橡胶履带(4)外表面凹齿处固定安装永磁铁(11)；

所述的空化射流清洗模块(6)安装在首部的底下；

所述的转刷清洗模块(13)包括两个转刷清洗轮，两个转刷清洗轮横向并排安装在主体的的底下；

所述的密封控制舱(2)有两个，两个密封控制舱(2)安装在主体的上部；

所述的控制系统包括数据采集模块、控制模块和上位机；

所述的控制模块通过数据线分别与数据采集模块、履带模块(5)、空化射流清洗模块(6)、转刷清洗模块(13)和驱动模块连接，控制模块通过电力载波线与上位机连接；

所述的数据采集模块包括摄像头(10)、惯性导航平台、陀螺仪和压力传感器，所述的摄像头(10)安装在机器人首部上方，用于对船体表面进行监控，并获取深度点云信息；

所述的陀螺仪水平安置于密封控制舱(2)内，用于获取机器人当前的三个加速度分量和三个旋转角速度；

所述的惯性导航平台安置于密封控制舱(2)内，用于定位机器人在船体上的位置；

所述的压力传感器安置于密封控制舱(2)尾部外侧，用于测量当前位置的水压；

所述的控制模块安装在密封控制舱(2)内部，包括主控制器、故障保护协处理器、信息处理器和电力载波通信模块A，所述的压力传感器和陀螺仪分别与主控制器连接，所述的主控制器和故障保护协处理器通过不同串口与信息处理器并联连接，当主控制器故障失效时，故障保护协处理器将自动启动，代替主控制器，同时信息处理器对主控制器发送来的数据进行分析，然后对数据进行打包，再通过电力载波通信模块A、电力载波线和岸上的电力载波通信模块B发送给上位机。

2.根据权利要求1所述的一种水下船体清洗机器人的控制系统，其特征在于：所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个纵向推进器(14)和一个侧向推进器(12)；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器(9)和四个主体垂直推进器(1)；所述的首部垂直推进器(9)竖直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器(1)分别竖直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器(14)分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器(12)横向安装在首部；所述的垂直推进器、纵向推进器(14)和侧向推进器(12)均为双向推进器。

3.根据权利要求1所述的一种水下船体清洗机器人的控制系统，其特征在于：所述的首部由首部顶板(8)与两块首部侧板(7)固定连接组成菱形体，首部顶板(8)与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板(7)与主体侧板(3)固定，首部侧板(7)与主体侧板(3)交界处成135度夹角。

4.根据权利要求1所述的一种水下船体清洗机器人的控制系统，其特征在于：所述的上位机上安装有ubuntu系统，信息处理器安装有机器人操作系统ROS，机器人操作系统ROS基于ubuntu系统进行开发，其支持slam导航功能、opencv图像处理功能和gazebo物理仿真功能。

5.根据权利要求1所述的一种水下船体清洗机器人的控制系统，其特征在于：所述的主控制器采用STM32F767芯片，故障保护协处理器采用STM32F103C8T6芯片，信息处理器采用Nvidia Jetson TX2芯片，电力载波通信模块采用Atheros芯片。

6.一种水下船体清洗机器人的控制系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、靠近船体表面

上位机向信息处理器发送靠近船体指令，主控制器将获取到的压力传感器信息与陀螺仪信息发送到信息处理器，信息处理器通过解析接收到的陀螺仪信息得到机器人的位姿信息，根据压力传感器所获得到的深度信息得到机器人在水下的深度，根据水下深度和已知的船体结构计算出最近船体表面的位姿信息，将该位姿信息与机器人当前位姿信息进行比对，通过PID算法控制机器人的位姿使其最终接近于船体壁面的位姿，最终靠近船体表面；

B、吸附到船体表面上

当机器人靠近船体表面后，岸上操作员根据船体表面的材质选择吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，则采用混合吸附形式；否则，采用推力吸附形式；所述的混合吸附形式包括推力吸附形式和磁力吸附形式；所述的推力吸附形式是通过垂直推进器产生反向于船体表面的推力将机器人压在船体表面上；所述的磁力吸附形式是通过履带模块(5)装配的电磁铁(15)通电产生吸引力或由永磁铁(11)产生的吸引力将机器人吸附在船体表面上，当机器人与船体表面的距离在150mm左右时，永磁铁(11)主动将机器人吸向船体表面，

C、清洗船体表面

C1、路径规划：信息处理器通过对惯性导航平台收集到的数据和陀螺仪收集到的加速度信息进行处理，使用卡尔曼滤波算法对机器人进行定位，确定机器人在船体表面的位置后自动对机器人的行程进行路径规划；

C2、清洗：控制模块控制空化射流清洗模块(6)将船体表面上的大型附着物清除，并同时控制转刷清洗模块(13)将小型附着物清除；上位机通过对摄像头(10)获取到船体表面图像进行处理，判断出附着物的清洗难易程度，以此来对清洗模块进行控制，如果清洗后的路径上有残留附着物，则增强清洗力度，反之则保持原有清洗力度；或者由岸上操作员进行手动控制；

C3、移动：如果机器人是在船体表面移动，则转步骤C31；如果机器人是在脱离船体表面在水中移动，则转步骤C32；

C31、主控制器通过控制减速电机的转速来控制履带转速，从而控制机器人在船体表面的移动速度，并控制机器人实现原地旋转、前行或后退，此时纵向推进器(14)和侧向推进器(12)停止工作，垂直推进器的工作形式由吸附形式来决定；在自动清洗过程中机器人本次清洗路径与前次清洗路径宽度的一半重合；

C32、机器人在水中移动时，依靠8台不同方向的推进器以不同的组合形式驱动机器人进行移动，包括前进、后退、绕Z轴旋转、绕Y轴旋转和绕X轴旋转；

D、结束

上位机控制机器人离开船体表面，清洗结束。