CN105676869B - 一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统。本系统包括控制子系统、图像处理子系统、激光通信子模块和数据融合模块。所述控制子系统连接激光通信模块和数据融合模块而与图像处理子系统通过CAN转换器实现CAN总线高速通信，两个子系统对数据并发地进行处理，实现对水下机器人实时并发控制。本发明能够解决水下机器人在恶劣的水下环境工作时，由于湍急水流以及暗涌等外界因素的影响，使得自身姿态信息无法准确测量或无法与外界通信以致无法正常通行，工作受限等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下机器人实时并发控制系统，特别地涉及一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统。
技术背景
水下机器人作为一种特殊用途的机器人，可以对各类水域中(湖泊、海洋、下水道、小沟等)的基础设备进行维护与检修以及在对未知水域的探索中起着很大的作用，它的应用前景相当广泛。目前所研究的水下球形机器人控制系统的控制方式主要分为两种：一种是以飞轮改变姿态为主，利用多个飞轮的扭矩平衡，以及飞轮扭矩的差动使球壳旋转，从而改变球壳的姿态，通过单一喷水来实现机器人的运动转换，这种机器人控制系统在实时性能方面存在一定的缺陷，因为数据计算量较大，实时计算方面存在很大的问题；另一种是利用外置螺旋桨推进器的组合来改变机器人的姿态，这种控制系统由于机器人表面不光滑从而容易导致在复杂的水下环境的交互过程中受到干扰。在湍急水流的小管道、水下狭小区域等情况下，上述控制系统在稳定性能方面存在很大的缺陷，所以迫切需要一种能在湍急水流，存在暗涌等水下环境中进行工作的水下机器人实时并发控制系统，保证机器人适应于复杂环境下的工作，从而更好地完成某些特定的任务。本发明在先申请发明专利中给出的六自由度眼球型水下机器人包括机器人上半球壳、四个相同的分流阀、两个相同的Y形塑料导管、下半球壳、三个相同的双向离心泵、四个相同的控制电机、两个大口径槽、一个中口径槽、七个小口径槽、摄像头、和喷水口。该机器人四个相同的分流阀采用康达效应阀，四个相同的控制电机采用小型直流电机；四个相同的分流阀与三个相同的双向离心泵、两个相同的Y型塑料导管组合成具有12个喷水口的多轴喷水系统，两两喷水口之间的配合实现6个自由度运动。
发明内容
本发明的目的在于解决在小管道、水下狭小空间以及水流暗涌等区域情况下，普通水下机器人由于湍急水流的复杂作用力，暗涌的强冲击等外界因素的影响，以及水下通信的带宽窄，受环境等因素影响大，可适用的载波频率低，传输的延迟性高等特点，导致机器人无法控制自身的姿态以及与外界保持通信等问题，本发明提供一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，该系统是一种自适应闭环控制系统，其中机器人姿态测量系统作为并发控制系统的前馈模块，视觉测量系统作为并发控制系统的反馈模块，双向离心泵和阀的组合作 为执行机构，从而根据需要来实时改变六自由度眼球型水下机器人的姿态。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明的六自由度眼球型水下机器人，主要由上半球壳5-A、分流阀5-G、分流阀5-F、分流阀5-O、分流阀5-K、Y形塑料导管5-H、Y形塑料导管5-I、下半球壳5-D、双向离心泵5-N、双向离心泵5-L、双向离心泵5-M、控制电机5-J、控制电机5-E、摄像头C11、ARM主控制器安装槽C1、陀螺仪安装槽C2、加速度计安装槽C3、滑移开关安装槽C4、驱动器安装槽C5、卡尔曼滤波器安装槽C6、激光传感器安装槽C7、DSP安装槽C8、编码器安装槽C9和MCP2510转换器安装槽C10组成。该六自由度眼球型水下机器人控制系统，主要包括ARM主控制器、DSP图像单元、陀螺仪、编码器、加速度计、控制电机、摄像头；其特征在于：所述加速度计对机器人进行实时测量，编码器与陀螺仪并发地进行数据采集，并通过卡尔曼滤波滤除噪声数据，然后将提取的数据进行数据融合，最后得到机器人自身的两组姿态信息；所述加速度计、编码器和陀螺仪组成传感器模块；此外ARM主控制器与加速计采用IIC总线连接，ARM主控制器与陀螺仪、编码器采用RS-232串口方式通信；四个相同的控制电机采用小型直流电机，电机采用USB方式与驱动器连接，驱动器与电机之间采用CAN总线方式通信，并采用PWM方式控制电机的旋转；所述视觉子系统由CCD相机、DSP数据处理模块组成；视觉子系统与控制子系统共同组成并发控制系统，通过视觉图像的处理和对小型直流电机的控制，从而实现眼球型水下机器人六自由度运动；
所述传感器模块设计分为左右两路，左路设计由加速度计及编码器共同组成，用于测量水下机器人的矢量位移，右路设计由陀螺仪构成，用于测量由于水流的影响，水下机器人所产生的滑移位移；左右两路姿态传感器提取的数据，经过卡尔曼滤波器滤波，得到矢量速度；所述六自由度眼球型水下机器人利用分流阀和双向离心式泵相组合，通过在特定喷水口喷水，实现了六自由度运动又使机动能力所需要的泵的数目的减少，从而缩小眼球型水下机器人的体积，分流阀允许喷水流方向快速切换，对机器人产生准确的高带宽推力；
所述视觉子系统与控制子系统的通信模块，是将ARM处理器的SPI总线和DSP的CAN接口与MCP2510接口连接，通过CAN总线数据传输的高效特性从而保证控制性能的实时特性；
所述六自由度眼球型水下机器人控制水平方向的喷水口与机器人前进方向的夹角为正30度或负30度。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，包括控制子系统、图像处理子系统、 激光通信子模块和数据融合模块，其特征在于：所述控制子系统连接激光通信模块和数据融合模块而与图像处理子系统通过CAN转换器实现CAN总线高速通信，两个子系统对数据并发地进行处理，实现对水下机器人实时并发控制。所述控制子系统包括两组机器人机体姿态传感器、主控单元和底层驱动模块；所述两组机器人机体姿态传感器包括加速度计、陀螺仪和编码器；所述主控单元连接两组机器人机体姿态传感器和底层驱动模块；所述控制子系统为了防止外界环境所带来的干扰，采用两组机器人机体姿态传感器进行自身姿态的测量,将该两组传感器采集的两组数据传输至数据融合模块，将处理后定为有效的数据作为控制系统的前馈信号。所述图像处理子系统包括DSP主控单元和CCD相机组成的视觉系统；所述图像处理子系统利用DSP数据处理模块通过IIC总线方式与CCD相机进行数据高效率传输，且对CCD相机提取的视觉信息进行数据处理，并将处理后的视觉信息与控制子系统的姿态信息进行数据融合，作为整个实时并发控制系统的定位与校验误差。所述激光通信子模块包括激光传感器及其外围接口，在水下与外界环境通信时，所述激光通信子模块利用激光传输图像处理子系统采集的图像数据信息，与外界终端；此外，所述激光通信子模块可以接受外界的远程操控指令，控制双向离心泵的排水量以及控制电机的转速。所述数据融合模块包括卡尔曼滤波器、选择开关、视觉数据存储器和滑移开关；所述两组机器人姿态传感器经选择开关和滑移开关连接视觉数据存储器；所述眼球型水下机器人实时并发控制系统的数据融合模块阈值仲裁时以两组姿态传感器测量的在X-Y-Z三轴方向的矢量速度差值的模为仲裁标准。所述数据融合模块利用旋转矩阵进行从相对坐标到世界坐标系的转换,进行目标定位，为了保证整个追踪控制系统的实时性与稳定性，采用激光通信的方式进行水下通信，采用CAN总线方式进行数据传输。所述系统的控制子系统与图像处理子系统执行并行运算，同时不断地进行数据交互与通信，整个通信过程提供对IIC总线与CAN总线方式的支持，因此，可以切换主从机的模式。
本发明与现有技术相比较，具有以下明显优点及突出性进步：
本发明的六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统具有独特的自适应特性，使它在恶劣的水下环境中不会因为湍急水流的影响，而导致机器人控制性能下降，针对在小管道、狭小的水下区域中，水流速较大而导致水下机器人姿态测量误差较大等情况，其采用的两路检测装置有效地解决了此类的影响。本发明所设计的视觉子系统与控制子系统通过CAN总线方式通信，此类设计有效地保证了多主机通信时，数据传输的效率问题，从而保证整个并发控制系统的实时特性，使眼球型水下机器人达到灵活，实时变化等要求。此外，并发控制系统与外界采用激光通信的方式，克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可使用的载波 频率低以及传输延时大等不足。
附图说明
图1是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的整体框架示意图
图2是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的控制子系统示意图
图3是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的数据融合模块示意图
图4是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的总体结构装配示意图
图5是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的图像处理子系统硬件连接图
图6是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的控制子系统硬件示意图
图7是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的激光通信模块示意图
图8是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的视觉子系统下视角示意图
图9是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的姿态运动示意图
具体实施方式
下面结合优选实施例附图，详述本发明的具体结构和工作原理。
实施例一：
参见图1，本六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，包括控制子系统1、图像处理子系统2、激光通信子模块3和数据融合模块4，其特征在于：所述控制子系统1连接激光通信模块3和数据融合模块4而与图像处理子系统2通过CAN转换器实现CAN总线高速通信，两个子系统对数据并发地进行处理，实现对水下机器人实时并发控制。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
参见图1至图9，所述控制子系统1包括两组机器人机体姿态传感器1-A、1-B、主控单元1-C和底层驱动模块1-D；所述两组机器人机体姿态传感器1-A、1-B包括加速度计6-A、陀螺仪6-B和编码器6-C；所述主控单元1-C连接两组机器人机体姿态传感器1-A、1-B和底层驱动模块1-D；所述控制子系统1为了防止外界环境所带来的干扰，采用两组机器人机体姿态传感器1-A,1-B进行自身姿态的测量,将该两组传感器采集的两组数据传输至数据融合模块4，将处理后定为有效的数据作为控制系统的前馈信号。所述图像处理子系统2包括DSP主控单元2-A和CCD相机组成的视觉系统2-B；所述图像处理子系统2利用DSP数据处理模块2-A通过IIC总线方式与CCD相机2-B进行数据高效率传输，且对CCD相机2-B提取的视觉信息进行数据处理，并将处理后的视觉信息与控制子系统1的姿态信息进行数据融合，作为整个实时并发控制系统的定位与校验误差。所述激光通信子模块3包括激光传感器及其外围接口3-A，在水下与外界环境通信时，所述激光通信子模块3利用激光传输图像处理子系统2采集的图像数据信息，与外界终端；此外，所述激光通信子模块3可以接受外界的远程 操控指令，控制双向离心泵5-N、5-L、5-M的排水量以及控制电机5-J、5-E的转速。所述数据融合模块4包括卡尔曼滤波器4-A、选择开关4-B、视觉数据存储器4-C和滑移开关4-D；所述两组机器人姿态传感器1-A、1-B经选择开关4-B和滑移开关4-B连接视觉数据存储器4-C；所述眼球型水下机器人实时并发控制系统的数据融合模块4阈值仲裁时以两组姿态传感器1-A、1-B测量的在X-Y-Z三轴方向的矢量速度差值的模为仲裁标准。所述数据融合模块4利用旋转矩阵进行从相对坐标到世界坐标系9的转换,进行目标定位，为了保证整个追踪控制系统的实时性与稳定性，采用激光通信的方式进行水下通信，采用CAN总线方式进行数据传输。所述系统的控制子系统1与图像处理子系统2执行并行运算，同时不断地进行数据交互与通信，整个通信过程提供对IIC总线2-C与CAN总线2-D方式的支持，因此，可以切换主从机的模式。
实施例三：
本六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，包括控制子系统1、图像处理子系统2、激光通信子模块3、数据融合模块4，其中控制子系统1包括机器人机体姿态传感器模块1-A、机体姿态传感器模块1-B、主控单元1-C、底层驱动模块1-D；图像处理子系统2包括DSP主控单元2-A,CCD相机组成的视觉系统2-B；激光通信子模块3包括激光传感器及其外围接口3-A；数据融合模块4包括卡尔曼滤波器4-A,选择开关4-B,视觉数据存储器4-C，滑移开关4-D；所述控制子系统1负责数据的采集，并通过PWM方式控制直流电机与泵的转速，其控制原理图如图4所示，加速度计6-A测量水下机器人的X,Y,Z三轴姿态信息，编码器6-C测量电机及泵的转速信息，同时陀螺仪6-B记录水下机器人的偏航角与倾斜角等信息，利用控制子系统1中提取的两路数据经过卡尔曼滤波器4-A滤波处理，同时滑移开关4-D设定阈值对数据进行有效性判断，将融合后的有效数据存储于内存4-C中；此外，水下机器人实时并发控制系统与外界通信采用了激光通信的方式与传统的声呐利用声学通信技术相比，激光技术可以克服水下通信的带宽窄，受环境等因素影响大，可适用的载波频率低，传输的延迟性高等弱点，此设计既实现了六自由度水下机器人对自身姿态的实时计算，又保证对周围环境信息的监测，确保水下机器人在水流湍急的涡流中仍然能与外界环境通信，并通过对自身姿态的不断调整，安全驶离危险区域，所述眼球型水下机器人控制系统具有实时性，强稳定性，以及高准确性，适应于恶劣环境下工作。如图2、图4、图5、图7、图8及图9所示，本六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统所作用的六自由度眼球型水下机器人，包括上半球壳5-A、分流阀5-G、分流阀5-F、分流阀5-O、分流阀5-K、Y形塑料导管5-H、Y形塑料导管5-I、下半球壳5-D、双向离心泵5-N、双向离心泵5-L、双向离心泵5-M、控制电机5-J、控制电机5-E、摄像头C11、ARM主控制器安装槽C1、陀螺仪安装槽C2、加速度计安装槽C3、 滑移开关安装槽C4、驱动器安装槽C5、卡尔曼滤波器安装槽C6、激光传感器安装槽C7、DSP安装槽C8、编码器安装槽C9和MCP2510转换器安装槽C10。所述六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的图像处理子系统2的DSP数据处理单元2-A并行计算CCD相机2-B提取的视觉信息，控制子系统1的ARM处理器1-C实时计算两路姿态传感器1-A、1-B提取的姿态信息，姿态信息用于对自身姿态9-A的定位测量，视觉信息用于计算监测物体相对于自身坐标的相对坐标位置9-A，经过旋转矩阵变换为相对于世界坐标系下的坐标位置；其中在视觉子系统中图像中心偏距7-A与焦距7-B的比值的为自适应倾斜角7-C转角的正切值。如图9所示建立坐标系，z轴正方向为机器人下沉方向；基于传统海洋工程符号术语，我们用±u，±v和±w分别代表加速度计6-A和编码器6-C测量的沿着主体x、y和z轴正负方向平移的速度,±εu，±εv，±εw与代表陀螺仪6-B测量的沿着主体x、y和z轴正负方向平移的速度；其姿态信息的有效性判定情况如下表一所示：
表一机器人姿态测量实现工作情况表
| Sx | Y | N | Y | Y | N | Y | N |
| Sy | Y | Y | N | Y | N | N | N |
| Sz | Y | Y | Y | N | Y | N | N |
| 有效性仲裁 | T | F | F | F | F | F | F |
附：“Y”：表示姿态传感器加速度计6-A，编码器6-C融合后的矢量位移值与姿态传感器加速度计值之差大于或等于滑移开关阈值；“N”：表示姿态传感器加速度计6-A，编码器6-C融合后的矢量位移值与姿态传感器加速度计值之差小于滑移开关阈值；Sx代表速度差值|u-εu|的矢量速度差值的模，Sy代表|v-εv|的矢量速度差值的模，Sz代表|w-εw|的矢量速度差值的模。T代表陀螺仪数据有效，F代表加速度计与编码器融合数据有效。
Claims (6)
1.一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，包括控制子系统(1)、图像处理子系统(2)、激光通信子模块(3)和数据融合模块(4)，其特征在于：所述数据融合模块(4)包括卡尔曼滤波器(4-A)、选择开关(4-B)、视觉数据存储器(4-C)和滑移开关(4-D)；所述控制子系统(1)包括两组机器人机体姿态传感器(1-A、1-B)，所述控制子系统(1)为了防止外界环境所带来的干扰，采用两组机器人机体姿态传感器(1-A,1-B)进行自身姿态的测量，将该两组机器人机体姿态传感器(1-A、1-B)采集的两组数据传输至数据融合模块(4)，将处理后定为有效的数据作为控制系统的前馈信号；所述两组机器人机体姿态传感器(1-A、1-B)经选择开关(4-B)和滑移开关(4-D)连接视觉数据存储器(4-C)，滑移开关(4-D)用于设定阈值对数据进行有效性判断，以进行阈值仲裁，并将融合后的有效数据存储于视觉数据存储器(4-C)中；所述眼球型水下机器人实时并发控制系统的数据融合模块(4)阈值仲裁时以两组机器人机体姿态传感器(1-A、1-B)测量的在X-Y-Z三轴方向的矢量速度差值的模为仲裁标准；所述控制子系统(1)连接激光通信模块(3)和数据融合模块(4)而与图像处理子系统(2)通过CAN转换器实现CAN总线高速通信，控制子系统(1)与图像处理子系统(2)两个子系统对数据并发地进行处理，实现对水下机器人实时并发控制。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，其特征在于：所述控制子系统(1)包括两组机器人机体姿态传感器(1-A、1-B)、主控单元(1-C)和底层驱动模块(1-D)；所述两组机器人机体姿态传感器(1-A、1-B)包括加速度计(6-A)、陀螺仪(6-B)和编码器(6-C)；所述主控单元(1-C)连接两组机器人机体姿态传感器(1-A、1-B)和底层驱动模块(1-D)。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，其特征在于：所述图像处理子系统(2)包括DSP主控单元(2-A)和CCD相机组成的视觉系统(2-B)；所述图像处理子系统(2)利用DSP数据处理模块(2-A)通过IIC总线方式与CCD相机(2-B)进行数据高效率传输，且对CCD相机(2-B)提取的视觉信息进行数据处理，并将处理后的视觉信息与控制子系统(1)的姿态信息进行数据融合，作为整个实时并发控制系统的定位与校验误差。
4.根据权利要求1所述的一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，其特征在于：所述激光通信子模块(3)包括激光传感器及其外围接口(3-A)，在水下与外界环境通信时，所述激光通信子模块(3)利用激光传输图像处理子系统(2)采集的图像数据信息，与外界终端进行信息交互；此外，所述激光通信子模块(3)能够接受外界的远程操控指令，控制所述眼球型水下机器人中双向离心泵(5-N、5-L、5-M)的排水量以及控制所述眼球型水下机器人中电机(5-J、5-E)的转速。
5.根据权利要求1所述的一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，其特征在于：所述数据融合模块(4)利用旋转矩阵进行从相对坐标系到世界坐标系(9)的转换，进行目标定位，为了保证整个眼球型水下机器人实时并发控制系统的实时性与稳定性，水下部分采用激光通信的方式进行数据传输，水上部分采用CAN总线方式进行数据传输。
6.根据权利要求1所述的一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，其特征在于：所述实时并发控制系统的控制子系统(1)与图像处理子系统(2)执行并行运算，同时不断地进行数据交互与通信，整个通信过程提供对IIC总线(2-C)与CAN总线(2-D)方式的支持，因此，能够切换主从机的模式。
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