CN106094829B - 一种自主式海参捕捞机器人系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自主式海参捕捞机器人系统及方法。该系统包括：水上部分和水下部分；水下部分是一个小型框架式水下机器人，包括：图像采集装置、嵌入式计算机、组合导航定位系统、推进器和水下光端机；水上部分包括：主控计算机、水泵、海参收集箱和水上光端机；图像采集装置用于采集水下图像；主控计算机用于处理水下图像并向水泵发送捕捞指令；组合导航定位系统用于采集水下机器人的导航参数，并将导航参数发送至嵌入式计算机；嵌入式计算机用于将导航参数传至主控计算机；主控计算机用于生成运动控制指令，并将运动控制指令发送至推进器；推进器用于在运动控制指令的控制下调整海参捕捞机器人的运动路径。本发明海参捕捞费用低、效率高。

Description

一种自主式海参捕捞机器人系统及方法

技术领域

本发明涉及水下智能机器人技术领域，具体涉及一种自主式海参捕捞机器人系统及方法。

背景技术

我国是世界海参生产大国，同时也是海参消费大国。海参具有高蛋白、低脂肪等特点。近年来随着海参市场的迅猛扩张，海参捕捞作业的需求量也越来越大。目前，海参收获主要靠潜水员(俗称“蛙人”)潜入水底进行人工捕捞。

由于海参生活习性上的特点，海参捕捞只能在春秋两季，水温偏低，海参捕捞时的水温和水压都会对蛙人身体造成较大伤害，现在从事海参捕捞工作的人员基本都是中老年人，年轻一代很少愿意从事父辈的工作，海参捕捞的人工费用比较昂贵。为解决海参人工捕捞问题，设计了新的捕捞装置，但这些装置都需要人工操作或只是作为海参捕捞的一种辅助工具，费时费力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：海参的自动连续捕捞问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种自主式海参捕捞机器人系统，该自主式海参捕捞机器人系统包括：

水上部分和水下部分；

所述水下部分是一个小型框架式水下机器人，包括：图像采集装置、嵌入式计算机、组合导航定位系统、推进器和水下光端机；

所述水上部分包括：主控计算机、水泵、海参收集箱和水上光端机；

所述水下部分和所述水上部分通过光缆及吸参管建立连接；

所述图像采集装置用于采集水下图像，所述水下图像经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

所述主控计算机用于处理所述水下图像并向所述水泵发送捕捞指令；

所述水泵用于在所述捕捞指令的控制下减小所述海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内；

所述组合导航定位系统用于采集所述水下机器人的导航参数，并将所述导航参数发送至所述嵌入式计算机；

所述嵌入式计算机用于将所述导航参数经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

所述主控计算机还用于根据海参捕捞作业时规划好的运动路径生成运动控制指令，并将所述运动控制指令经所述水上光端机、水下光端机和嵌入式计算机发送至所述推进器；

所述推进器用于在所述运动控制指令的控制下调整自主式海参捕捞机器人的运动路径。

可选地，所述水下部分还包括：多个配重铅块；所述多个配重铅块用于使自主式海参捕捞机器人悬浮于水中。

可选地，所述组合导航定位系统包括：

捷联式惯性导航系统，用于测量所述水下部分的角速度和加速度；

多普勒测速仪，用于测量所述水下部分的速度；

全球定位系统，用于测量所述水下部分的经纬度。

可选地，所述推进器包括：4个成V字形矩阵排列的水平推进器和1个垂直推进器。

可选地，所述水下部分还包括：

深度计，所述深度计用于测量所述水下部分所在水深数据，并将所述水深数据发送至所述嵌入式计算机；

相应地，所述嵌入式计算机用于将所述水深数据经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机。

可选地，所述水下部分还包括：

锂电池；

所述锂电池用于为所述水下捕捞机器人供电。

可选地，所述吸参管的第一端通过阀门与所述海参收集箱相连；所述吸参管的第二端的端口为喇叭口。

可选地，所述水下部分还包括照明装置；

所述嵌入式计算机用于向所述照明装置发送驱动信号；

所述照明装置在所述驱动信号的驱动下为所述图像采集装置提供光源。

本发明还提出了一种自主式海参捕捞方法，该自主式海参捕捞方法包括：

自主式海参捕捞机器人悬浮于水中；

主控计算机上设定所述自主式海参捕捞机器人作业的运动路径；

所述自主式海参捕捞机器人按照所述运动路径在水中运动，图像采集装置采集水下图像，并将所述水下图像经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

所述主控计算机处理所述水下图像，如果图像处理的结果中含有海参，提取海参的尺寸特征，当符合规定的尺寸时，水下机器人停止运动并向水泵发送捕捞指令；

所述水泵在所述捕捞指令的控制下减小海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内。

本发明提供的自主式海参捕捞机器人系统及方法，通过图像采集装置采集水下图像，主控计算机处理水下图像并向所述水泵发送捕捞指令；水泵在所述捕捞指令的控制下减小海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内，实现了自动捕捞海参，大大降低了捕捞海参的成本，提高了捕捞海参的效率。主控计算机还用于根据海参捕捞作业时规划好的运动路径生成运动控制指令，并根据组合导航定位系统采集的导航参数对水下机器人的运动路径进行调整，实现了海参捕捞机器人系统的自主运动和捕捞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的自主式海参捕捞机器人系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的水下部分的工作原理图；

图3是本发明一个实施例的推进器的布置示意图；

图4是本发明一个实施例的自主式海参捕捞方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着海洋智能装备技术的进展，自主式水下机器人(Autonomous UnderwaterVehicle，AUV)在军用和民用领域获得越来越广泛的应用。人类在机器视觉、水下导航定位、人工智能等方面的技术进步为水下海参的自动识别与自主式捕捞奠定了坚实基础。

图1是本发明一个实施例的自主式海参捕捞机器人系统的结构示意图。如图1所示，该自主式海参捕捞机器人系统包括：

水上部分和水下部分；

水下部分是一个小型框架式水下机器人，包括：图像采集装置3、嵌入式计算机1、组合导航定位系统、推进器9和水下光端机2；

水上部分包括：主控计算机13、水泵15、海参收集箱16和水上光端机14；

水下部分和水上部分通过光缆及吸参管建立连接；

所述图像采集装置用于采集水下图像，所述水下图像经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

主控计算机13用于处理水下图像并向水泵15发送捕捞指令；

水泵15用于在捕捞指令的控制下减小海参收集箱16内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入海参收集箱16内；

组合导航定位系统用于采集水下机器人的导航参数，并将导航参数发送至嵌入式计算机1；

嵌入式计算机1用于将所述导航参数经水下光端机2、水上光端机14传至主控计算机13；

主控计算机13还用于根据海参捕捞作业时规划好的运动路径生成运动控制指令，并将运动控制指令经水上光端机14、水下光端机2和嵌入式计算机1发送至推进器9；

推进器9用于在运动控制指令的控制下调整自主式海参捕捞机器人的运动路径。

本发明实施例的自主式海参捕捞机器人系统，通过图像采集装置采集水下图像，主控计算机处理水下图像并向所述水泵发送捕捞指令；水泵在所述捕捞指令的控制下减小海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内，实现了自动捕捞海参，大大降低了捕捞海参的成本，提高了捕捞海参的效率。主控计算机还用于根据海参捕捞作业时规划好的运动路径生成运动控制指令，并根据组合导航定位系统采集的导航参数对水下机器人的运动路径进行调整，实现了海参捕捞机器人系统的自主运动和捕捞。

在实际应用中，水下部分采用框架式结构，水上部分放置在水面船体上。水面船体上配备有小功率柴油发电机及开关电源，为主控计算机13、水泵15及水上光端机14提供交流或直流电源。

在实际应用中，图像采集装置3用于获取高清晰海底视频图像，该图像直接经过水下光端机2和水上光端机14的数据转换后通过光纤传输给主控计算机13。图像采集装置3可采用高清摄像机。

在本发明实施例的一种优选的实施方式中，水下部分还包括：多个配重铅块11；多个配重铅块11用于使自主式海参捕捞机器人悬浮于水中。

需要说明的是，配重铅块11配备若干个，质量大小不一，用于调节水下机器人本体使其在不同密度的海水中都具有微小的正浮力。

图2是本发明一个实施例的水下部分的工作原理图。如图2所示，嵌入式计算机1包括CPU模块、串口模块、A/D模块、D/A模块、电源模块。

具体地，所述组合导航定位系统包括：

捷联式惯性导航系统5(SINS)，用于测量所述水下部分的角速度和加速度；

多普勒测速仪6(DVL)，用于测量所述水下部分的速度；

全球定位系统7(GPS)，用于测量所述水下部分的经纬度。

在实际应用中，SINS5、DVL6、GPS7通过RS232接口与嵌入式计算机1的串口模块进行实时信息传递；捷联式惯性导航具有自主性的特点，能够实现水下机器人的自主导航定位，本发明以捷联式惯性导航系统(SINS)5为主，辅以多普勒测速仪(DVL)6和全球定位系统(GPS)7，构成水下组合导航定位系统，应用现代滤波理论和信息融合技术，实现了所述海参捕捞机器人系统的高精度自主导航。

优选地，如图3所示，推进器9包括：4个成V字形矩阵排列的水平推进器91和1个垂直推进器92。

在实际应用中，推进器9通过嵌入式计算机1的D/A模块接受来自主控计算机13的运动控制指令；推进器9包括4个成V字形矩阵排列的水平推进器91和1个垂直推进器92，便于实现水下捕捞机器人主体的前进、后退、上升、下降、转向等运动。

水下部分还包括：

深度计8，深度计8用于测量所述水下部分所在水深数据，并将所述水深数据发送至嵌入式计算机1；

相应地，嵌入式计算机1用于将所述水深数据经水下光端机2、水上光端机14传至主控计算机13。

需要说明的是，深度计8的输出为与水深成正比的模拟信号，该信号送给嵌入式计算机1的A/D模块；深度计8安装于水下机器人框架的中间位置，用于测量所述水下捕捞机器人主体工作时的水深。

进一步地，水下捕捞机器人主体还包括：锂电池10，用于为所述水下捕捞机器人供电。

在实际应用中，水下捕捞机器人主体的续航时间不少于4小时。

优选地，吸参管12的第一端通过阀门与海参收集箱16相连；为便于吸取海参进入吸参管12，吸参管12的第二端的端口为喇叭口。

为了保证在光线较暗的水下采集较为清晰的水下图像，水下部分还包括照明装置4，嵌入式计算机1用于向照明装置4发送驱动信号；

照明装置4在所述驱动信号的驱动下为图像采集装置3提供光源。

在实际应用中，照明装置4为LED灯，受嵌入式计算机1的D/A模块驱动；照明装置4布置于图像采集装置3的一侧。

本发明实施例的主控计算机13是整个自主式海参捕捞机器人系统的数据处理与控制中心。用于水下捕捞机器人主体捕捞作业时运动路径的规划、组合导航系统的模型建立与信息融合算法实现、水下机器人载体的动力学模型建立与运动控制解算、海参图像的处理与识别、海参捕捞指令的下达。

本发明实施例的自主式海参捕捞机器人系统中，组合导航系统采用以捷联惯性导航为主的组合导航，能够实现高精度自主导航，为所述海参捕捞机器人系统的自主式捕捞奠定了基础。水平推进器布置成矢量推进器，使得水下捕捞机器人本体的运动控制更加灵活，能够方便实现水下机器人的转向与调头。该自主式海参捕捞机器人系统自动化程度高，系统工作后不需要人工干预，降低了劳动强度，提高了海参捕捞效率。

图4是本发明一个实施例的自主式海参捕捞方法的流程示意图。如图4所示，本发明实施例的自主式海参捕捞方法包括：

S41：自主式海参捕捞机器人悬浮于水中；

S42：主控计算机上设定所述自主式海参捕捞机器人作业的运动路径；

S43：所述自主式海参捕捞机器人按照所述运动路径在水中运动，图像采集装置采集水下图像，并将所述水下图像经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

S44：所述主控计算机处理所述水下图像，如果图像处理的结果中含有海参，提取海参的尺寸特征，当符合规定的尺寸时，水下机器人停止运动并向水泵发送捕捞指令；

S45：所述水泵在所述捕捞指令的控制下减小海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内。

在实际应用中，重复步骤S43、S44和S45，当预设的海参捕捞时间已到或锂电池电量不足报警，自主式海参捕捞机器人停止工作。

本发明除可用于海参的自主式捕捞以外，还可用于海参生长情况及海参在海底的分布情况调查，为海参养殖场科学养殖提供参考信息。

本发明提供的自主式海参捕捞机器人系统及方法，通过图像采集装置采集水下图像，主控计算机处理水下图像并向所述水泵发送捕捞指令；水泵在所述捕捞指令的控制下减小海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内，实现了自动捕捞海参，大大降低了捕捞海参的成本，提高了捕捞海参的效率。主控计算机还用于根据海参捕捞作业时规划好的运动路径生成运动控制指令，并根据组合导航定位系统采集的导航参数对水下机器人的运动路径进行调整，实现了海参捕捞机器人系统的自主运动和捕捞。

需要说明的是术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，包括：

水上部分和水下部分；

所述水下部分是一个小型框架式水下机器人，包括：图像采集装置、嵌入式计算机、组合导航定位系统、推进器和水下光端机；

所述水上部分包括：主控计算机、水泵、海参收集箱和水上光端机；

所述水下部分和所述水上部分通过光缆及吸参管建立连接；

所述图像采集装置用于采集水下图像，所述水下图像经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

所述主控计算机用于处理所述水下图像并向所述水泵发送捕捞指令；

所述水泵用于在所述捕捞指令的控制下减小所述海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内；

所述组合导航定位系统用于采集所述水下机器人的导航参数，并将所述导航参数发送至所述嵌入式计算机；

所述嵌入式计算机用于将所述导航参数经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

所述主控计算机还用于根据海参捕捞作业时规划好的运动路径生成运动控制指令，并将所述运动控制指令经所述水上光端机、水下光端机和嵌入式计算机发送至所述推进器；

所述推进器用于在所述运动控制指令的控制下调整水下机器人的运动路径。

2.根据权利要求1所述的自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，所述水下部分还包括：多个配重铅块；所述多个配重铅块用于使水下机器人悬浮于水中。

3.根据权利要求1所述的自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，所述组合导航定位系统包括：

捷联式惯性导航系统，用于测量所述水下部分的角速度和加速度；

多普勒测速仪，用于测量所述水下部分的速度；

全球定位系统，用于测量所述水下部分的经纬度。

4.根据权利要求1所述的自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，所述推进器包括：4个成V字形矩阵排列的水平推进器和1个垂直推进器。

5.根据权利要求1所述的自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，所述水下部分还包括：

深度计，所述深度计用于测量所述水下部分所在水深数据，并将所述水深数据发送至所述嵌入式计算机；

相应地，所述嵌入式计算机用于将所述水深数据经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机。

6.根据权利要求1所述的自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，所述水下部分还包括：

锂电池；

所述锂电池用于为所述水下机器人供电。

7.根据权利要求1所述的自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，所述吸参管的第一端通过阀门与所述海参收集箱相连；所述吸参管的第二端的端口为喇叭口。

8.根据权利要求1所述的自主式海参捕捞机器人系统，其特征在于，所述水下部分还包括照明装置；

所述嵌入式计算机用于向所述照明装置发送驱动信号；

所述照明装置在所述驱动信号的驱动下为所述图像采集装置提供光源。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述系统的自主式海参捕捞方法，其特征在于，包括：

水下机器人悬浮于水中；

主控计算机上设定所述水下机器人作业的运动路径；

所述水下机器人按照所述运动路径在水中运动，图像采集装置采集水下图像，并将所述水下图像经水下光端机、水上光端机传至所述主控计算机；

所述主控计算机处理所述水下图像，如果图像处理的结果中含有海参，提取海参的尺寸特征，当符合规定的尺寸时，水下机器人停止运动并向水泵发送捕捞指令；

所述水泵在所述捕捞指令的控制下减小海参收集箱内的气压，以使海参在压力差的作用下经吸参管进入所述海参收集箱内。