本發(fā)明屬于水下機(jī)器人控制，具體涉及到一種基于多傳感器融合的水下機(jī)器人控制平臺及操作方法。

背景技術(shù)：

1、水下機(jī)器人在深海測繪，漁業(yè)捕撈，以及管道巡檢等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。然而水下機(jī)器人自身存在模型的不確定性，同時(shí)在作業(yè)時(shí)會(huì)受到水下暗流或其它不確定因素的影響。在這些負(fù)面因素的影響下，水下機(jī)器人需要通過設(shè)計(jì)適應(yīng)能力強(qiáng)的控制器來應(yīng)用于水下作業(yè)場景。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的有效性和實(shí)用性，需要借助水下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺來測試設(shè)計(jì)的控制器并進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)。然而現(xiàn)有的水下機(jī)器人只是單獨(dú)使用視覺或聲學(xué)定位，該方法定位精度低；同時(shí)現(xiàn)有的控制器無法根據(jù)需求選擇合適的編程環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有的水下機(jī)器人定位精度低問題；同時(shí)為了解決現(xiàn)有的控制器無法根據(jù)需求選擇合適的編程環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問題。本發(fā)明提供了一種基于多傳感器融合的水下機(jī)器人控制平臺及操作方法，能夠提升水下機(jī)器人的定位精度，同時(shí)允許開發(fā)者根據(jù)自身需求選擇最合適的編程環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2、本發(fā)明一種基于多傳感器融合的水下機(jī)器人控制平臺及操作方法所采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于多傳感器融合的水下機(jī)器人控制平臺，其特征在于：包括部署在水池內(nèi)的水下機(jī)器人本體，水下機(jī)器人本體通過跨介質(zhì)通訊子系統(tǒng)與可移動(dòng)控制臺通信，同時(shí)還包括布置在水池上方向可移動(dòng)控制臺傳輸水下機(jī)器人本體的平面坐標(biāo)信息的視覺平面定位系統(tǒng)。

4、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述水下機(jī)器人本體的表面設(shè)置有顏色標(biāo)記，且水下機(jī)器人本體的質(zhì)心上方設(shè)置有水下耐壓倉，水下耐壓艙內(nèi)設(shè)置有水下機(jī)器人核心板、電源管理板、推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)模塊及姿態(tài)傳感器，水下機(jī)器人本體的質(zhì)心上方位于水下耐壓倉的外部設(shè)置有深度傳感器，同時(shí)水下機(jī)器人本體的四周設(shè)置有推動(dòng)自身移動(dòng)的全向矢量推進(jìn)器。

5、本發(fā)明上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述水下機(jī)器人本體具有6個(gè)可控自由度，通過推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)模塊控制全向矢量推進(jìn)器，并將深度傳感器測量到的深度信息以及姿態(tài)傳感器測量到的橫滾、俯仰以及偏航信息實(shí)時(shí)傳輸至可移動(dòng)控制臺。

6、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述跨介質(zhì)通訊子系統(tǒng)包括一端與水下機(jī)器人本體相連接的零浮力通訊線纜，零浮力通訊線纜的另一端連接有無線通訊中繼器。

7、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述可移動(dòng)控制臺包括供實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行算法輸入與參數(shù)調(diào)優(yōu)的上位機(jī)軟件。

8、本發(fā)明上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述上位機(jī)軟件中擁有控制按鈕對應(yīng)發(fā)送水下機(jī)器人本體各個(gè)自由度的控制指令，用于測試水下機(jī)器人本體各個(gè)自由度是否能夠正常工作；上位機(jī)軟件中同時(shí)擁有可主動(dòng)輸入針對控制器的編程接口，用于自主改寫控制算法結(jié)構(gòu)；上位機(jī)軟件中擁有“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕用于控制實(shí)驗(yàn)的開始，實(shí)驗(yàn)開始后會(huì)自動(dòng)記錄保存水下機(jī)器人本體狀態(tài)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中；同時(shí)，上位機(jī)軟件中擁有“緊急停止”按鈕用于在意外事件發(fā)生時(shí)緊急停止實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)軟件中還擁有“一鍵繪制”按鈕用于繪制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中的水下機(jī)器人本體狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)間序列用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)與分析。

9、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述視覺平面定位系統(tǒng)包括平面定位相機(jī)、圖像識別嵌入式處理器、無線發(fā)射模塊及可調(diào)支撐架；其中，視覺平面定位系統(tǒng)通過無線發(fā)射模塊向可移動(dòng)控制臺傳輸水下機(jī)器人本體的平面坐標(biāo)信息，同時(shí)可移動(dòng)控制臺通過跨介質(zhì)通訊子系統(tǒng)向水下機(jī)器人本體傳輸針對每個(gè)推進(jìn)器的控制信號。

10、本發(fā)明上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述圖像識別嵌入式處理器基于水下機(jī)器人本體的表面顏色閾值范圍尋找可見視場內(nèi)最大面積色塊，獲得水下機(jī)器人本體在圖像平面的坐標(biāo)信息pi＝[xpix,ypix]t，并通過一階低通濾波算法將得到的坐標(biāo)信息平滑處理進(jìn)而得到用于反饋的坐標(biāo)信息ps＝[xs,ys]t，所述一階低通濾波算法表達(dá)式如下：

11、

12、其中，ω為正定的對角參數(shù)矩陣。

13、本發(fā)明上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述可調(diào)支撐架采用伸縮裝置，可調(diào)支撐架內(nèi)裝有位移傳感器測量可調(diào)支撐架延展長度，并根據(jù)如下公式計(jì)算像素寬度與實(shí)際距離的比例關(guān)系：

14、

15、

16、其中，zp是水下機(jī)器人本體的實(shí)際深度，h0為可調(diào)支撐架固定桿末端距水面高度，h*為可調(diào)支撐架的伸縮長度，a為平面定位相機(jī)視場角，lx，ly為平面定位相機(jī)在水平兩個(gè)方向上的圖像尺寸，c為水的折射率，xs，ys為識別到的水下機(jī)器人本體圖像平面上的坐標(biāo)。

17、一種基于多傳感器融合的水下機(jī)器人控制平臺的操作方法，使用上述的一種基于多傳感器融合的水下機(jī)器人控制平臺，包括以下步驟，

18、s1、實(shí)驗(yàn)人員布置水下機(jī)器人本體及視覺平面定位系統(tǒng)并連接跨介質(zhì)通訊子系統(tǒng)及可移動(dòng)控制臺；開啟所有的設(shè)備之后，實(shí)驗(yàn)人員通過可移動(dòng)控制臺上的按鍵輸入各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)指令以測試水下機(jī)器人本體各個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的有效性；

19、s2、實(shí)驗(yàn)人員在陸上可移動(dòng)控制臺手動(dòng)輸入水下機(jī)器人本體初始點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可移動(dòng)控制臺中上位機(jī)軟件存儲(chǔ)上述信息并等待下一步操作；

20、s3、實(shí)驗(yàn)人員將設(shè)計(jì)的控制算法和期望軌跡通過“控制器輸入?yún)^(qū)域”按照下拉框“編程語言選擇”中選擇的編程語言進(jìn)行輸入，將控制器部署到可移動(dòng)控制臺；選擇回到初始點(diǎn)功能令水下機(jī)器人本體在水池中移動(dòng)到s2中設(shè)定的初始點(diǎn)等待實(shí)驗(yàn)任務(wù)開始；進(jìn)一步，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕，水下機(jī)器人本體會(huì)自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)的控制算法追蹤s2中設(shè)定的軌跡至設(shè)定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間結(jié)束，實(shí)驗(yàn)中水下機(jī)器人本體的位置速度以及姿態(tài)角度和角速度自動(dòng)存儲(chǔ)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中；

21、s4、點(diǎn)擊“一鍵繪制”按鈕，將實(shí)驗(yàn)中水下機(jī)器人本體的狀態(tài)信息通過圖形直觀顯示以用于分析；

22、s5、調(diào)整控制器的參數(shù)并重復(fù)s2和s3，重復(fù)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)。

23、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明所取得的技術(shù)進(jìn)步包括：

24、本發(fā)明中通過平面定位相機(jī)、深度傳感器及姿態(tài)傳感器對水下機(jī)器人本體進(jìn)行定位，定位方案利用搭載平面定位相機(jī)的視覺平面定位系統(tǒng)自動(dòng)識別并解算水下機(jī)器人本體的水平位置，并通過調(diào)節(jié)高度來改變平面定位范圍；利用深度傳感器獲取水下機(jī)器人本體下潛深度信息；利用姿態(tài)傳感器獲得水下機(jī)器人本體實(shí)時(shí)姿態(tài)。相較于在實(shí)驗(yàn)中單獨(dú)用視覺或聲學(xué)定位的方法提升了定位精度并降低了耗費(fèi)成本。

25、本發(fā)明采用了可主動(dòng)修改控制器結(jié)構(gòu)的上位機(jī)軟件，用戶可以通過視覺平面定位系統(tǒng)和跨介質(zhì)通訊子系統(tǒng)反饋回的狀態(tài)信息變量，并利用模塊化的輸入方式在上位機(jī)軟件主動(dòng)通過編程語言修改控制器的結(jié)構(gòu)，其支持多種編程語言的接口，允許開發(fā)者根據(jù)自身需求選擇最合適的編程環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使控制算法輸入的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作變得更加靈活高效，并提高了控制器參數(shù)調(diào)試和優(yōu)化的效率。

26、本發(fā)明采用了跨介質(zhì)通訊子系統(tǒng)，將傳感器數(shù)據(jù)通過電力載波和轉(zhuǎn)無線通訊的方式將數(shù)據(jù)從水下傳輸至陸上控制臺，并將控制信號從陸上控制臺傳送至水下機(jī)器人本體。極大地簡化了系統(tǒng)的部署過程，消除了傳統(tǒng)方法中單獨(dú)用有線連接方式時(shí)布線復(fù)雜、部署不靈活且受空間限制的局限性，減少了布線的難度，擴(kuò)大了陸上可移動(dòng)控制臺的活動(dòng)范圍。