【技術領域】

本發明涉及水域機器人技術領域，具體涉及一種水域機器人輔助剎車裝置和使用方法。

背景技術：

隨著水域機器人在現代的科技發展中的大范圍應用，對水域機器人的操作性能要求越來越高，其中剎車控制一直存在技術缺陷。在日常的普通船只使用中，輪船在航行中自身的慣性較大，并且隨著自身的載重量增大而使得同樣剎車操作下的制動效果變差，剎車設計一直是困擾設計者的難題。

在現有的剎車方法中，按危急情況從小到大的順序，輪船會采用不同的剎車方法來進行制動，例如利用對船舵的操作轉向，使其與水流方向相逆，通過水體對船的阻力實現停船；例如將船體航行的動力源關閉，使得船只失去動力自行停止；例如將船體動力裝置開啟至倒車檔，與船體行駛方向相反，利用反向動力來抵消行駛慣性使其停止；例如快速進行拋錨操作，對船體實施緊急制動。但是，這些剎車方法都不能滿足水域機器人的制動需求，其中，利用水流逆行的停船方法制動效果慢，拋錨剎車可控性較低，而開倒車檔的停船方法適用面較窄，并且容易降低或失去舵效。所以，為了滿足水域機器人頻繁的剎車需求，找到一種能輔助水域機器人完成可控性強、效率高的剎車裝置和使用方法非常必要。

技術實現要素：

為了解決上述指出的技術問題，本發明公開了一種水域機器人輔助剎車裝置和該裝置的使用方法，以達到水域機器人在行駛的過程中，可以完成可控性強、效率高的剎車操作，滿足其頻繁的剎車需求的目的。

本發明實施例采用如下技術方案：

一種水域機器人輔助剎車裝置，包括船體，所述的船體內設置有控制系統、通信模塊、監測模塊、動力剎車模塊和水阻剎車模塊，所述的控制系統、通信模塊和監測模塊間兩兩相連；控制系統分別連接動力剎車模塊和水阻剎車模塊。所述的動力剎車模塊，包括智能舵和剎車推進器，智能舵與剎車推進器連接，智能舵控制剎車推進器的工作功率與工作方向；所述的水阻剎車模塊包括剎車盤、移位模組和旋轉模組，其中，所述剎車盤分別連接移位模組和旋轉模組，所述移位模組用于控制剎車盤的收合；所述旋轉模組用于控制剎車盤的旋轉角度。

所述的移位模組還包括移位步進電機和移位推桿；所述的旋轉模組還包括旋轉步進電機和旋轉推桿；則所述的水阻剎車模塊還包括驅動器；所述的驅動器分別連接移位步進電機和旋轉步進電機；移位步進電機連接移位推桿，旋轉步進電機連接旋轉推桿，移位推桿和旋轉推桿都作用在剎車盤上。

所述的動力剎車模塊和水阻剎車模塊不限于單個和單個的組合，單個和多個的組合，多個和多個的組合均可；動力剎車模塊和水阻剎車模塊在船體內的安裝位置不限于船體的尾部和兩側，可根據需要在船體底面進行多處安裝設置。

作為本發明的優選，所述的監測模塊可設置在船體內多處，進行船體的姿態參數的實時監控，并可將參數反饋給控制系統，控制系統可根據需要對參數進行分析處理，并實時向外部指揮系統發送。

作為本發明的優選，沿船體周圍的側面上還設置有一個或者多個發射口，發射口內安裝有阻力傘，阻力傘通過彈射裝置與船體內控制系統連接，阻力傘在控制系統的指令下，穿過發射口彈射出船體或收回到船體內。

一種水域機器人輔助剎車裝置的使用方法，包含如下步驟：控制系統根據剎車指令或水域機器人當前運行狀態，查詢剎車特性庫，形成控制指令，發出控制指令；

動力剎車模塊和水阻剎車模塊得到控制指令，則剎車推進器開啟至目標方向和目標功率，剎車盤移動到目標位置，旋轉至目標角度。

其中，剎車特性庫制作方法包括：根據包括船體重量和重心的物理特性，在設計船體時進行仿真模擬實驗，得到水域機器人在不同速度范圍內所需要的對應外力大小，從而確定各種剎車需求下對應參數；該對應參數包括動力剎車模塊中剎車推進器的初始功率和初始方向。水阻剎車模塊中剎車盤的初始角度。

作為本方法的優選，該使用方法還包括優化控制步驟，控制系統在初始控制指令下發后，監測模塊實時監測水域機器人狀態信息并反饋給控制系統；控制系統根據狀態信息給出對該裝置的進階控制指令。

水阻剎車模塊在接收到進階控制指令后，及時控制剎車盤的位置和旋轉角度。旋轉步進電機對應的傳感器檢測旋轉推桿是否到達目標角度，并將檢測結果反饋給驅動器，驅動器再反饋給控制系統，控制系統比對獲取的檢測結果與初始控制指令，下達進階控制指令進行調節，直到旋轉推桿到達目標角度為止，從而實現旋轉反饋控制。

綜上所述，本發明具有如下有益效果：

該剎車裝置安裝方便、維護簡單，其中，水阻剎車模塊和動力剎車模塊可以單獨調節，為水域機器人自適應航速和水體流速提供便利，該剎車裝置可在縱向和橫向實現多角度阻力控制，可為水域機器人提供前后和左右多角度可調阻力。動力剎車模塊和水阻剎車模塊可實現反饋調節控制，更準確的完成剎車指令，可以滿足水域機器人可控性強、效率高的剎車技術需求。

【附圖說明】

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為實施例1的硬件結構示意圖；

圖2為實施例1的模塊之間信號流程圖；

圖3為實施例1中動力剎車模塊的詳細結構示意圖；

圖4為實施例1中水阻剎車模塊的詳細結構示意圖；

圖5為實施例1的剖面結構示意圖；

圖6為實施例4的模塊之間信號流程圖；

圖7為實施例4中的阻力傘模塊結構示意圖；

圖8為實施例4中的阻力傘模塊在船體安裝位置示意圖；

其中，1、船體；2、控制系統；3、通信模塊；4、監測模塊；5、動力剎車模塊；6、水阻剎車模塊；7、外部指揮系統；8、智能舵；9、剎車推進器；10、驅動器；11、移位步進電機；12、移位推桿；13、旋轉步進電機；14、旋轉推桿；15、剎車盤；16、阻力傘模塊；17、信息接收器；18、連接軸；19、彈射裝置；20、阻力傘。

【具體實施方式】

為了使本發明的技術方案更加清楚，以下將結合附圖及實施例，進行進一步的詳細說明。

在本發明的描述中，所指示的位置關系為基于附圖所示的位置關系，僅是為了便于描述本發明而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不應當理解為對本發明的限制。

此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

實施例1：

如圖1～5所示，本發明實施例1提供了一種水域機器人輔助剎車裝置，可適用于無人船或水下機器人等各種水域機器人。

一種水域機器人輔助剎車裝置，包括船體1，所述的船體1內設置有控制系統2、通信模塊3、監測模塊4、動力剎車模塊5和水阻剎車模塊6；所述的控制系統2、通信模塊3和監測模塊4間兩兩相連；控制系統2與外部指揮系統7通過通信模塊3互相發送信號，監測模塊4可實時監測該水域機器人的狀態信息，所得狀態信息可分別傳遞給控制系統2和外部指揮系統7進行實時控制。

控制系統2分別連接動力剎車模塊5和水阻剎車模塊6；所述的動力剎車模塊5，包括智能舵8和剎車推進器9，智能舵8與剎車推進器9連接，智能舵8控制剎車推進器9的工作功率與工作方向；所述的水阻剎車模塊6包括剎車盤15、移位模組和旋轉模組，其中，所述剎車盤15分別連接移位模組和旋轉模組，剎車盤15工作時置于水體中，所述移位模組用于控制剎車盤15的收合；所述旋轉模組用于控制剎車盤15的旋轉角度。

所述的動力剎車模塊5、水阻剎車模塊6通常為成對設置在船體1底面的左右兩側，實施例1中以一個左動力剎車模塊5-1、一個右動力剎車模塊5-2、一個左水阻剎車模塊6和一個右水阻剎車模塊6為例，模塊間的位置關系如附圖5所示，下面結合附圖1～5對實施例1的工作過程進行詳細說明。

所述的移位模組還包括移位步進電機11和移位推桿12；所述的旋轉模組還包括旋轉步進電機13和旋轉推桿14；則所述的水阻剎車模塊6還包括驅動器10；所述的驅動器10分別連接移位步進電機11和旋轉步進電機13；移位步進電機11連接移位推桿12，旋轉步進電機13連接旋轉推桿14，移位推桿12和旋轉推桿14都作用在剎車盤15上。

通常情況下，本發明實施例中各模塊由電力系統供電，方便安裝和更換，且船載重量較小，例如：蓄電池或者太陽能電池；也可以由混合電力系統供電，例如：柴油機-電力混合動力系統、核能-電力混合動力系統等等。本發明實施例中監測模塊4可為各種傳感器，此實施例中的監測模塊4包括傾角傳感器、加速度傳感器、振動傳感器、速度傳感器等各種傳感器，用于監測船體1在行駛中的狀態，該監測模塊4可設置在船體1的多處，以實現船體1信息的實時和精確監測。同樣地，實施例中的剎車推進器9也可以為多種，如螺旋槳推進器、噴氣推進器、噴水推進器、特種推進器等，此實施例中的剎車推進器9多由電動機和螺旋槳組成，智能舵8控制螺旋槳的旋轉方向和開啟功率，電動機為螺旋槳提供動力。

該水域機器人輔助剎車裝置的使用方法，包含如下步驟：控制系統2根據剎車指令或水域機器人當前運行狀態，查詢剎車特性庫，形成控制指令，發出控制指令；動力剎車模塊5和水阻剎車模塊6得到控制指令，則剎車推進器9開啟至目標方向和目標功率，剎車盤15移動到目標位置，旋轉至目標角度。

工作時，外部指揮系統7通過通信模塊3向水域機器人中發出初始控制指令，或水域機器人自身根據監測模塊4監測到的船體狀態信息生成初始控制指令；所述的初始控制指令包括：剎車推進器9開啟至目標方向和目標功率，剎車盤15移動到的目標位置，剎車盤15旋轉的目標角度等。

控制系統2及時響應初始控制指令，查詢儲存在自身體內的剎車特性庫，向動力剎車模塊5和水阻剎車模塊6發出初始控制指令，即左動力剎車模塊5-1和右動力剎車模塊5-2分別得到各自模塊中螺旋槳的目標方向和目標功率，左水阻剎車模塊6和右水阻剎車模塊6得到各自模塊中剎車盤15移動的目標位置和旋轉的目標角度。

左、右動力剎車模塊5-2內的電動機啟動，螺旋槳進入到水體中，智能舵8將螺旋槳旋轉到目標方向后開啟到目標功率，同時，左、右水阻剎車模塊6中的驅動器10啟動，在驅動器10的控制下移位步進電機11通過移位推桿12將剎車盤15推入至水體中，移位推桿12的伸縮長度為固定的，移位推桿12將剎車盤15推至固定位置，即整個剎車盤15沒入水體中則動作完成，后旋轉步進電機13開始工作，剎車盤15在旋轉推桿14的作用下旋轉至與水流方向垂直的目標角度。當監測模塊4監測到水域機器人停止時，向控制系統2發送船體狀態信息，后控制系統2向動力剎車模塊5和水阻剎車模塊6發送停止工作指令，動力剎車模塊5中的螺旋槳停止工作，收縮回船體1中；同時，水阻剎車模塊6中的剎車盤15旋轉回原始位置，位移推桿將剎車盤15收回船體1中。

至此，水域機器人在左、右動力剎車模塊5-2和左、右水阻剎車模塊6的共同作用下完成剎車操作，達到水域機器人停止運動的目的。

實施例2：

在該水域機器人輔助剎車裝置的使用方法中，所述的剎車特性庫制作方法有很多種，如通過進行實船海上實驗，建立數學模型和仿真系統來得到參考數據，由于仿真系統的應用面較廣，實驗效率高，本發明實施例中通常選用通過各種仿真系統實驗來制作剎車特性庫。下面基于實施例1中的模塊組合模式來具體說明剎車特性庫的制作過程。

根據船體1重量和重心的物理特性，在設計船體1時進行仿真模擬實驗，得到水域機器人在不同速度范圍內所需要的對應外力大小，從而確定船體1停止時各個模塊所需的對應參數；即該對應參數包括動力剎車模塊5中剎車推進器9的初始功率和初始方向，水阻剎車模塊6中剎車盤15的初始角度。

在實驗中改變船體1的速度，同時監測模塊4監測船體狀態數據，通過控制剎車盤15在船體1橫切面方向的角度，同時啟動左、右兩個動力剎車模塊5和左、右兩個水阻剎車模塊6，并通過控制其工作功率和工作方向，使船體1及時停止，記錄此時船體1狀態的各個參數。

其中，上述參數包括[v，w1，b1，w2，b2，a1，a2]，分別表示：v-運行速度，w1-左剎車推進器9功率，b1-左剎車推進器9工作方向，w2-右剎車推進器9工作功率，b2-右剎車推進器9工作方，a1-左剎車盤15旋轉角度，a2-右剎車盤15旋轉角度。由于在可選的方案中，為了達到更簡便的操作，其中，水阻剎車模塊6中剎車盤15的位置為固定設置，移位推桿12將剎車盤15完全推入水體中即可，則水阻剎車模塊6中移位推桿12的長度參數，不在上述可變化的參數范圍內。

多次實驗后，所得的每一個參數對應一個范圍區間，可將范圍區間平均劃成多段數據，參數劃分成的段數越多，則對應的參數調控越精細，下面以將參數值范圍劃分為6段為例說明。

所述參數v為運行速度，根據設計的最大速度把船體1實際速度劃分為6段，每段對應取平均值，即分別對應：v1、v2、v3、v4、v5、v6共6個值；將以上參數值與實驗中監測出的對應船體1姿態參數[w1，b1，w2，b2，a1，a2]相匹配，形成剎車特性庫，簡單羅列幾種可能組合形式，如下表所示：

在實際工作過程中，控制系統2通過接收外部指揮系統7的剎車初始控制指令，或控制系統2通過船體狀態信息自行生成剎車初始控制指令，控制系統2根據初始控制指令查詢剎車特性庫，例如此時的運行速度為v3，則得到的對應參數信息[w1(3)，b1(3)，w2(3)，b2(3)，a1(3)，a2(3)]，即為控制系統2的剎車初始控制指令。

左動力剎車模塊5-1、右動力剎車模塊5-2分別得到控制系統2的初始控制指令，即左智能舵8根據[w1(3)，b1(3)]指令控制左剎車推進器9工作，右智能舵8根據[w2(3)，b2(3)]指令控制右剎車推進器9工作；

控制系統2向動力剎車模塊5發出指令的同時，也向水阻剎車模塊6發出指令，左水阻剎車模塊6和右水阻剎車模塊6分別得到控制系統2的初始控制指令，即左、右驅動器10得到剎車盤15的初始控制值，根據[a1(3)]指令，驅動左移位步進電機11工作，經由左移位推桿12把左剎車盤15推向水中固定工作位置后，驅動左旋轉步進電機13工作，經由左旋轉推桿14將左剎車盤15旋轉到目標工作角度；同時，根據[a2(3)]指令，驅動右移位步進電機11工作，經由右移位推桿12把右水阻剎車盤15推向水中固定工作位置后，同樣地，驅動左旋轉步進電機13工作，經由左旋轉推桿14將左剎車盤15旋轉到目標工作角度；則初始控制指令[w1(3)，b1(3)，w2(3)，b2(3)，a1(3)，a2(3)]完成。

當監測模塊4監測到水域機器人停止時，向控制系統2發送船體狀態信息，后控制系統2向動力剎車模塊5和水阻剎車模塊6發送停止工作指令，則動力剎車模塊5中的螺旋槳停止工作，收縮回船體1中原始位置；同時，水阻剎車模塊6中的剎車盤15旋轉回原始位置，位移推桿將剎車盤15收回船體1中。至此，水域機器人在左、右動力剎車模塊5-2和左、右水阻剎車模塊6的共同作用下達到剎車目的。

實施例3：

進一步的，在當前水域環境中水流速度較快，風浪影響較大，或該水域機器人受障礙物影響，行駛路線為非直線的情況下，基于實施例2中的模塊組合方式的情況，左、右水阻剎車模塊6在執行初始控制指令[w1，b1，w2，b2，a1，a2]的過程中，左、右剎車盤15完成初始控制指令[a1，a2]后，又因為受到外部的影響而偏離目標角度。

此時，可在水阻剎車模塊6上設置反饋優化步驟，控制系統2向水阻剎車模塊6發出進階控制指令；所述的進階控制指令是在信息為[w1，b1，w2，b2，a1，a2]的初始控制指令下發后，監測模塊4實時監測機器人船體狀態信息，并反饋給控制系統2；控制系統2根據水域機器人運行速度，給出對剎車裝置的進階控制指令，該進階控制指令通常由控制系統2中采用的模糊pid算法實時計算而來。

控制系統2向水阻剎車模塊6發出進階控制指令，即左旋轉步進電機13對應的傳感器反饋左旋轉推桿14是否到達目標角度[a1]，并反饋給左驅動器10，直到左旋轉推桿14到達目標角度[a1]為止；同樣地，右旋轉步進電機13對應的傳感器反饋右旋轉推桿14是否到達目標角度[a2]，并反饋給右驅動器10，直到右旋轉推桿14到達目標角度[a2]為止；從而實現水阻剎車模塊6的旋轉反饋控制。

所述的反饋優化步驟設置在該剎車裝置執行剎車初始控制指令之后，旋轉步進電機13上所設置的傳感器的反饋為實時反饋，控制系統2可根據需要進行一次或者多次反饋優化步驟。當監測模塊4監測到水域機器人停止時，向控制系統2發送船體狀態信息，后控制系統2下發停止工作指令。

實施例4：

上述實施例1中介紹了普通環境情況下該水域機器人剎車裝置的工作過程，但在一些特殊的天氣情況中，如水上風浪較大，船體速度和行駛方向受影響不斷變化，尤其是當風速超過了水域機器人剎車特性庫內的記載范圍時，僅僅依靠動力剎車模塊5和水阻剎車模塊6不能進行有效停船，此時水域機器人可設置阻力傘模塊16來進行緊急制動。

基于上述使用環境，結合附圖6～8，對本實施例進行詳細說明。實施例4在實施例1的基礎上提供了一種在天氣環境惡，風速過大的情況下，水域機器人輔助剎車系統的使用方法。

如圖6～8所示，該水域機器人輔助剎車系統還包括阻力傘模塊16，所述的控制系統2中設置有風速感應器，阻力傘模塊16設置在船體1側面周圍，所述的阻力傘模塊16包括信息接收器17、連接軸18、彈射裝置19和阻力傘20；所述的信息接收器17與船體1內控制系統2連接，阻力傘20安裝在彈射裝置19內，信息接收器17和彈射裝置19用連接軸18連接，阻力傘20在控制系統2的指令下，阻力傘20彈出船體1或收回到船體1內。

如實施例1中所述，控制系統2生成剎車初始控制指令時，可同時通過監測模塊4發出的船體狀態信息，如風速過大時即生成阻力傘20彈出指令，或通過接收外部指揮系統7信息生成阻力傘20彈出指令，如圖8所示的阻力傘模塊16安裝組合，例如船體1為順風航行時，則控制系統2向船體1頭部阻力傘模塊16發送工作指令，信息接收器17接收指令，即阻力傘模塊16中的連接軸18將彈射裝置19伸出發射口，后將阻力傘20彈出。同樣地，如船體1為轉彎行駛時，則控制系統2向船體1對應側的阻力傘模塊16發送工作指令，如船體1為逆風航行時，則控制系統2向船尾部的阻力傘模塊16發送工作指令。當監測模塊4監測到水域機器人停止時，向控制系統2發送船體狀態信息，后控制系統2下發停止工作指令，則信息接收器17接收停止工作指令，連接桿將彈射裝置19收回船體1內后旋轉，通過將傘繩纏繞在彈射裝置19上而將阻力傘20收回船體1內，最后，對應發射口的船體1蓋板關閉。

由于阻力傘模塊16是緊急制動情況下的實施方式，在通常的水域環境中使用概率較小，為了安裝方便，節約成本，阻力傘20的安裝方式多選用一次性使用安裝方式，上述實施例4為其一次性使用方式之一。

此操作可以和實施例1中的剎車操作可同時進行也可分開執行，分別由不同的模塊執行操作，有獨立的供電模塊，不會相互影響。該阻力傘模塊16中的彈射裝置19可選用液壓彈射、氣動彈射、電磁彈射等多種單一或組合的方式，以保證剎車操作快速、準確的完成。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。