CN104669269A - 一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人自控技术领域，具体地说是一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统。按照所要实现的功能种类划分了各个独立的功能模块，同时按照控制任务的性质划分了系统管理层、功能执行层和执行机构层。其中系统管理层通过运行功能算法来分析各自功能模块的当前状态，并规划出行为序列；功能执行层是由各个功能执行单元组成，负责功能模块内各专项子功能的执行控制；执行机构层包括了所有执行机构和传感器，负责功能模块内各专项子功能最终的执行。本发明是一种分层式管理、分布式执行的综合性自主控制框架，具有很强的系统扩展性，能够高效率的实现多功能、高复杂度水下机器人的自主控制。

Description

一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统

技术领域

本发明针对海洋环境中多功能、高构成复杂度的水下机器人的自主控制领域，具体地说是一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统。

背景技术

在海洋领域里，水下机器人逐渐从以往的单一功能执行体发展成具有复杂功能、多元任务的智能体。伴随而来的，是水下机器人系统内部控制输出和输入信号量的大幅增加，所运行的功能算法复杂程度也越来越高。

以往水下机器人的系统组成单一、使命简单，涉及的控制量很少。由一台集成了少量控制功能的处理单元通过运算逻辑简单的算法，以单一的集中式控制模式即可实现所有的控制功能。随着水下机器人功能和智能化水平的日益强大和提高，水下机器人内部所要承担的控制任务量也在随之增长。集中了系统功能的运算层和执行层的处理单元已经无法提供大规模控制任务量所需的并行进程量，从而造成了所有功能无法并行、实时的执行。另外各种功能的一体化也不利于系统功能的扩展和裁剪。因此对于多功能、高构成复杂度的水下机器人需要构建一种可以高效并行实时的执行各项控制任务以及利于系统扩展的自主控制体系框架。

发明内容

为了满足多功能高复杂度的水下机器人实现自主控制功能的高效率需求，本发明提供了一种分层式管理、分布式执行的针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统，按照逻辑功能将水下机器人控制系统划分为若干个功能模块，每个功能模块用于实现一个功能，每个所述功能模块包括：

系统管理层：由一个分系统管理单元实现，连接到以太网，通过根据所要达到的逻辑功能执行相应的算法，进而分析功能模块的当前状态，并规划出行为序列下达给功能执行层；

功能执行层：包括若干个并行的子功能执行单元，通过数据总线连接所在功能模块的分系统管理单元，用于规划子功能的执行轨迹，控制相对应的子功能执行机构；

执行机构层：包括若干个子功能执行机构，与所述子功能执行单元一一对应连接，用于各个子功能的执行。

每个所述功能模块具有一个独有的网络ID。

每个所述子功能执行单元具有一个独有的总线ID。

所述子功能执行机构为执行传感器、执行机构或执行设备中的一种。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.应用该自主控制体系可使水下机器人的工作效率、处理能力和稳定性得到大大的提升。

2.各个组成单元具有模块化、标准化的特点，利于系统的扩展和裁剪。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；

图2为功能模块执行流程图；

图3为本发明的自主控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，针对多功能、构成复杂度高的水下机器人内一套高效率的自主控制框架，按照逻辑功能划分为若干个功能模块，各个功能模块负责某一种类的功能。按照工作类型划分为三个结构层次，分别为系统管理层、功能执行层和执行机构层，也就是在每个功能模块内部至上而下都是由这三个结构层次构成。

如图2所示，每个功能模块实现自主控制的流程为：系统管理层内的各分系统管理单元负责分析各自功能模块的当前状态，将目标功能任务分解成该模块内的行为序列，调度行为运动的时序，监控执行情况以及故障状态等顶层事务；在功能执行层，功能模块内的各个功能执行单元从行为序列中提取与自身相关的行为要素，独立完成自身的执行轨迹规划，完成对执行机构的控制，并将各个分支状态和执行信息反馈回系统管理层内相应的分系统管理单元。这样功能模块之间以及功能模块内部组成单元间均可并行、实时、高效的进行各自的控制任务。

如图3所示，该自主控制框架内各组成部分的接入方法为：各个功能模块间的通信数据量较大、通信实时性高，故是以以太网络为信息交互方式，每个功能模块在接入时均分配一个网络ID，在软件协议中以此作为接入标识，软件协议运行中，当识别到相对应的网络ID，即对整个系统进行重构，将该功能模块纳入到系统中来，使系统具备该项功能；同上方式，在功能模块内部各个子功能执行单元间信息交互方式为总线网络，以总线ID作为接入标识，通过识别相应的总线ID，进行功能模块的内部重构，来扩展所具备的子功能。这样就实现了系统控制框架的自由扩展，灵活配置系统资源。

按照上述自主控制框架，以水下机器人内实现导航功能的流程为例，具体说明：首先，导航功能作为独立的功能模块，由导航分系统管理单元（系统管理层设备）和航向采集单元、姿态采集单元、速度采集单元（功能执行层设备）以及航向传感器、姿态传感器、速度采集换能器（执行机构层设备）构成。导航分系统管理单元内部运行自主导航算法，来推算水下机器人在水下的具体方位，而自主导航算法需要航向、姿态、速度等参数变量，故导航分系统管理单元规划各个参数的采集序列，下达给各个参数的采集和解算设备，即航向采集单元、姿态采集单元、速度采集单元，各个设备通过各自的传感器或换能器进行传感信息的采集和参数的解算，然后将参数信息反馈回导航分系统管理单元。在这个过程中，各个设备均独立并行的开展工作，不受其他设备的影响，使整个功能的实现更高效、可靠。而导航功能模块具有一个独有的网络ID，通过网络连接到水下机器人系统中，系统中的主控分系统管理单元接收到导航功能模块提供的导航方位信息，作为水下机器人航行控制的依据，协调相应的分系统管理单元进行航行控制。

Claims (4)

1.一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统，其特征在于：按照逻辑功能将水下机器人控制系统划分为若干个功能模块，每个功能模块用于实现一个功能，每个所述功能模块包括：

系统管理层：由一个分系统管理单元实现，连接到以太网，通过根据所要达到的逻辑功能执行相应的算法，进而分析功能模块的当前状态，并规划出行为序列下达给功能执行层；

功能执行层：包括若干个并行的子功能执行单元，通过数据总线连接所在功能模块的分系统管理单元，用于规划子功能的执行轨迹，控制相对应的子功能执行机构；

执行机构层：包括若干个子功能执行机构，与所述子功能执行单元一一对应连接，用于各个子功能的执行。

2.根据权利要求1所述的一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统，其特征在于，每个所述功能模块具有一个独有的网络ID。

3.根据权利要求1所述的一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统，其特征在于，每个所述子功能执行单元具有一个独有的总线ID。

4.根据权利要求1所述的一种针对高复杂度水下机器人高效可扩展的自主控制系统，其特征在于，所述子功能执行机构为执行传感器、执行机构或执行设备中的一种。