本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种有缆遥控水下摄像机器人，该水下摄像机器人是一种小尺度、智能化、能够在水下进行摄像的水下航行器。
背景技术：
机器人技术是一种新兴的智能制造技术，在国内外受到广泛应用。大疆无人机和云洲智能无人船的兴起就说明了这一点。自主水下摄像机器人是一种能够在水面以下几米甚至上千米、上万米深度进行自主航行的机器人，具有自动航行、自主导航、自主执行水下任务的能力。与无人机、无人车和无人船相比，它所处的任务环境更加复杂，所使用的传感器和推进系统也有不同。具体表现在：1)高频无线电波在水下十几米以下深度无法使用，将会导致操作人员与水下摄像机器人难以保持良好的通信联系；而采用水声通信机，不仅成本高，且通信速率和容量都无法与无线电波相比；2)电子元部件等任何非水密电子部件、机械部件、推进部件均须做水密、耐压保护，否则将发生渗水、漏水导致不能正常水下航行。
目前，水下摄像机器人用户基本上全部是国家、地方或者企业、高校，价格十分昂贵，体积和重量都很大，装载的传感器大多为科学仪器。本专利是一种专门面向水下摄像的小微水下摄像机器人，具有专门的摄像功能、便捷的可操作性以及很强的实用性。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种有缆遥控水下摄像机器人。
为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种有缆遥控水下摄像机器人，包括结构系统、水下控制系统、任务载荷系统、用户控制系统、脐带电缆和电源；
所述结构系统包括载体框架、浮力块、推进器，以及具有透明前罩的耐压舱；水下控制系统和任务载荷系统设于耐压舱内部，耐压舱、浮力块和推进器固定安装在载体框架上；推进器共有三个，其中1个安装在载体框架的中心位置，另2个分别安装在载体框架尾部的两侧；
所述水下控制系统包括安装在耐压舱内部的基本控制模块、电机驱动模块和姿态传感器，以及安装在耐压舱外部的深度传感器和高度计；基本控制模块分别通过电缆连接至电机驱动模块、姿态传感器、深度传感器和高度计，其中与耐压舱外的部件连接由水密接插件和水密电缆完成；电机驱动模块通过电缆接至推进器；
所述任务载荷系统包括摄像头和照明灯，各自通过电缆分别与基本控制模块和脐带电缆连接；
所述用户控制系统包括用户控制终端，用户控制终端包括计算终端、触摸可视化屏幕、电缆接口和操控手柄，能通过有线通信方式与水下摄像机器人实现视频信号接收和控制信号传递；
所述脐带电缆是中性水密电缆，其内部包含多根分支电缆；其位于水下的一端分别连接结构系统、水下控制系统和任务载荷系统中的各设备，位于水上的一端分别连接用户控制作系统和电源；在通过脐带电缆向各设备提供电源的同时，利用电力线载波实现摄像头与用户控制系统之间的信号传输。
本发明中，所述载体框架是白色HDPE材料制作而成；耐压舱由机玻璃或亚克力，与铝合金管、不锈钢管或钛合金管拼接而成；所述浮力块采用与水相对密度小于0.7的浮力材料制作而成，其提供的浮力比水下摄像机器人在空气中的重量大0.5千克到5kg之间；所述推进器采用MCT90型号的直流电机，配有三叶螺旋桨；直流电机具有水下磁耦合密封结构，直流电机额定电压范围在12VDC到50VDC之间，额定功率范围在30W到200W之间。
本发明中，所述基本控制模块包括STM32系列或51系列的单片机及其辅助电路；基本控制模块还包括220V交流电转48V直流的电源板，额定功率范围在120W到800W之间；基本控制模块中设有电磁继电器，用于控制推进器和高度计供电电源的通断；所述姿态传感器模块采用MTI30或MTI300航姿参考系统，其通信接口为串口；所述深度传感器是YF-CS300D型号的压力传感器。
本发明中，所述用户控制系统还包括辅助配件，包括耳机、手写笔或控制旋钮；用户控制系统的计算终端是STM32或51系列单片机、盛博PC104微型计算机或研华微型计算机，其电缆接口中设有SW500MA电力载波监控摄像头视频接收器和有线电力猫；所述触摸可视化屏幕是诺基亚Lumia 630 635 638RM-1010 978触摸屏。
本发明中，所述摄像头采用炫光M800摄像头，其电缆接口中设有SW500MA电力载波监控摄像头视频发送器；并对摄像头进行水下密封，密封结构具有有机玻璃制成的透明窗；所述照明灯采用LED灯，数量为两个，额定功率范围在5W到30W之间，并对LED灯进行水下密封，密封结构具有有机玻璃制成的透明窗。
本发明中，该水下摄像机器人的重量在5kg到50千克之间，其长度在30cm到80cm之间。
本发明中，所述基本控制模块中内置机动控制器模块；机动控制器模块的垂直面的纵倾力矩控制输出量通过下述公式计算获得：
τM＝Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzWsinθ
其中，τM是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量；θ是当前纵倾角，θd是当前的目标纵倾角，两者均为状态量，能通过姿态传感器测量和计算得到；(θ-θd)是纵倾角误差，q是垂直角速率，两者为控制输入量；Kpθ2是纵倾角误差系数，Kdθ2是垂直角速率系数，BGzWsinθ是重力/浮力垂直静力矩，三者能通过试验测定获得，是已知参数。
本发明中，所述基本控制模块中内置升降控制器模块；升降控制器模块的控制输出量通过下述公式计算获得：
其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量；D是当前深度，Dd是当前的目标深度，两者是状态量，能通过深度传感器测量和计算得到；(D-Dd)是深度误差，是升降速率，两者是控制输入量；Kp是深度误差系数，Kd是垂直角速率系数，KI是深度误差积分系数，∫(D-θd)dt是深度误差积分，均能通过试验测定获得，是已知参数。
本发明中，所述电源是220V交流电源，并接有电压转换装置。
发明原理描述：
本发明中采用了特殊的视频数据传输方式，即脐带电缆信号传输方式。脐带电缆采用电力线载波进行信号传输，脐带电缆在水下摄像机器人的一端连接SW500MA电力载波监控摄像头视频发送器，在另一端即用户控制系统连接SW500MA电力载波监控摄像头视频接收器。摄像头拍摄到的视频直接通过电力线载波完成视频信息传输。
用户控制系统输出的信号通过脐带电缆控制水下摄像机器人的运动，实现前进、后退、转弯、上浮、下沉等动作，并可控制水下摄像机器人搭载的水下摄像头和水下灯动作；还可显示并存储载体摄像头拍摄到的视频数据。还可以包括与通讯模块相连的接口，用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。
脐带电缆采用中性水密电缆，长度范围在10米到200米之间；使得水下摄像机器人的工作深度范围是10米到200米之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业背景的个人即可操作。
2.本发明价格低廉，面相大众消费群体和普通商业用户，能够让每个用户有能力购买。
3.本发明能够完成水下摄像、水下照明等功能，具有很强的娱乐性、实用性和趣味性。
4.本发明的图像传输质量高，距离远，视频图像清晰。
附图说明
图1是本发明的组成示意图。
图中附图标记：用户控制终端1；推进器2、3、4；耐压舱5；照明灯6、7；摄像头8；脐带电缆9；浮力块10；载体框架11。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明涉及智能控制技术，是计算机技术在机器人领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：升降控制器模块、机动控制器模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
在总体设计方面，本发明可以根据水下摄像机器人组成和功能结构划分，将其水下主体部分、用户控制系统和脐带电缆9，组成和原理如图1所示。脐带电缆9可传输电力、控制信号和视频信号。主体部分的载体框架11采用开放式框架结构和流线型外形。用户控制系统接收通过脐带电缆9发送来的信息和视频信号，并向主体部分发送遥控命令。脐带电缆9的两端采用SW500MA电力载波监控摄像头视频发送器和接收器，通过普通电力传输视频信号，无需专门布线，传输距离可达300米，抗干扰性强。
具体而言，本发明中的有缆遥控水下摄像机器人，包括结构系统、水下控制系统、任务载荷系统、用户控制系统、脐带电缆9和电源。该水下摄像机器人的重量在5kg到50千克之间，其长度在30cm到80cm之间。
所述结构系统包括载体框架11、浮力块10、推进器2、3、4，以及具有透明前罩的耐压舱5；水下控制系统和任务载荷系统设于耐压舱5内部，耐压舱5、浮力块10和推进器2、3、4固定安装在载体框架11上；推进器共有三个，其中推进器4安装在载体框架11的中心位置，推进器2、3分别安装在载体框架11尾部的两侧；
水下控制系统包括安装在耐压舱5内部的基本控制模块、电机驱动模块和姿态传感器，以及安装在耐压舱5外部的深度传感器和高度计；基本控制模块分别通过电缆连接至电机驱动模块、姿态传感器、深度传感器和高度计，其中与耐压舱5外的部件连接由水密接插件和水密电缆完成；电机驱动模块通过电缆接至推进器2、3、4；
任务载荷系统包括摄像头8和照明灯6、7，各自通过电缆分别与基本控制模块和脐带电缆9连接；
用户控制系统包括用户控制终端1，用户控制终端1包括计算终端、触摸可视化屏幕、电缆接口和操控手柄，能通过有线通信方式与水下摄像机器人实现视频信号接收和控制信号传递；
所述脐带电缆9是中性水密电缆，其内部包含多根分支电缆；其位于水下的一端分别连接结构系统、水下控制系统和任务载荷系统中的各设备，位于水上的一端分别连接用户控制作系统和电源；在通过脐带电缆9向各设备提供电源的同时，利用电力线载波实现摄像头6、7与用户控制系统之间的信号传输。
电源是220V交流电源，并接有电压转换装置。
载体框架11是白色HDPE材料制作而成；耐压舱5由机玻璃或亚克力，与铝合金管、不锈钢管或钛合金管拼接而成；浮力块10采用与水相对密度小于0.7的浮力材料制作而成，其提供的浮力比主体部分在空气中的重量大0.5千克到5kg之间；所述推进器2、3、4采用MCT90型号的直流电机，配有三叶螺旋桨；直流电机具有水下磁耦合密封结构，直流电机额定电压范围在12VDC到50VDC之间，额定功率范围在30W到200W之间。
基本控制模块包括STM32系列或51系列的单片机及其辅助电路；基本控制模块还包括220V交流电转48V直流的电源板，额定功率范围在120W到800W之间；基本控制模块中设有电磁继电器，用于控制推进器和高度计供电电源的通断；所述姿态传感器模块采用MTI30或MTI300航姿参考系统，其通信接口为串口；所述深度传感器是YF-CS300D型号的压力传感器。
用户控制系统还包括辅助配件，包括耳机、手写笔或控制旋钮；用户控制系统的计算终端是STM32或51系列单片机、盛博PC104微型计算机或研华微型计算机，其电缆接口中设有SW500MA电力载波监控摄像头视频接收器和有线电力猫；所述触摸可视化屏幕是诺基亚Lumia 630 635 638RM-1010 978触摸屏。
摄像头8采用炫光M800摄像头，其电缆接口中设有SW500MA电力载波监控摄像头视频发送器；并对摄像头8进行水下密封，密封结构具有有机玻璃制成的透明窗；所述照明灯6、7采用LED灯，数量为两个，额定功率范围在5W到30W之间，并对LED灯进行水下密封，密封结构具有有机玻璃制成的透明窗。
基本控制模块中包括机动控制器模块；机动控制器模块的垂直面的纵倾力矩控制输出量通过下述公式计算获得：
τM＝Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzWsinθ
其中，τM是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量；θ是水下摄像机器人的当前纵倾角，θd是水下摄像机器人当前的目标纵倾角，它们是水下摄像机器人的状态量，通过水下摄像机器人的姿态传感器可以测量和计算；(θ-θd)是水下摄像机器人的纵倾角误差，q是水下摄像机器人的垂直角速率，它们是控制输入量；Kpθ2是水下摄像机器人的纵倾角误差系数，Kdθ2是水下摄像机器人的垂直角速率系数，BGzWsinθ是水下摄像机器人的重力/浮力垂直静力矩，它们可以通过试验测定，是已知参数。
基本控制模块中包括升降控制器模块；升降控制器模块力的控制输出量通过下述公式计算获得：
其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量；D是水下摄像机器人的当前深度，Dd是水下摄像机器人当前的目标深度，它们是水下摄像机器人的状态量，通过水下摄像机器人的深度传感器可以测量和计算；(D-Dd)是水下摄像机器人的深度误差，是水下摄像机器人的升降速率，它们是控制输入量；Kp是水下摄像机器人的深度误差系数，Kd是水下摄像机器人的垂直角速率系数，KI是水下摄像机器人的深度误差积分系数，∫(D-θd)dt是深度误差积分，它们可以通过试验测定，是已知参数。
水下摄像机器人工作的工作流程描述如下：
用户利用用户控制终端1，通过电缆9向水下摄像机器人发送指令，利用耐压舱5内的基本控制模块和电机驱动模块调节推进器2、3、4输出的推力和力矩，实现运动控制。浮力块10为水下摄像机器人提供主要的浮力。照明灯6、7为摄像头8提供充分的光源，摄像头8采集的视频信息通过脐带电缆9传输给用户控制终端1。