CN108037766A - 一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：包括水面规划平台和能够与所述水面规划平台进行无线通信的水下控制平台；所述水面规划平台包括：主控模块，任务规划模块，全局路径规划模块，以及全局数据库模块；所述水下控制平台包括：局部路径规划模块，动作行为集合模块，局部数据库，路径规划模式切换事件检测模块，路径规划模式切换事件识别模块，重规划触发模块，以及实时局部环境感知模块.本发明具有的有益效果：能够满足在海底复杂地形环境下的作业任务要求。

Description

一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统
技术领域
本发明属于潜水器控制系统技术领域，具体涉及一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统。
背景技术
潜水器作为人类开发利用海洋的主要技术手段之一，已成为海洋高新技术的重要前沿。大量潜水器相继涌现，包括载人潜水器（HOV）、有缆遥控的无人潜水器（ROV）以及无缆自主的无人潜水器（AUV）等。这些潜水器如AUV，最多在近海底巡航或座底待命，无法在海床上自由机动。而可在海底作业的如履带式ROV需要脐带缆水面供电，故目前世界上尚未出现兼具海底运动和水中浮游功能的底栖自主型潜水器。
控制体系结构是深海潜水器的控制体系顶层设计，直接关系到潜水器的总体技术水平与作业任务能力发挥。完善的控制体系结构能够使潜水器通过外部传感器及信号处理，在线获取系统内在状态和环境信息，基于实际运动能力选择合理的航行控制算法，规划合理的运动路径点，驱动执行机构作业，自主躲避障碍物干扰，完成正确的任务使命，同时具备系统兼容与扩展性能。申请号为“201710037213.5”、名称为“一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器”的发明专利中披露了一种具有多栖作业能力的潜水器，与传统的自主型潜水器在水下航行相比，该潜水器以海底作业工况为主，在复杂海底地形环境下的作业能力对其智能决策水平提出了更高的技术要求，也迫切需要结合其独有的水中浮游和海底滚进的复合运动能力，同时融合光纤遥控的作业模式。然而目前还尚未有能够满足这类潜水器适应海底复杂地形环境下的多任务作业要求的控制系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，能够满足在海底复杂地形环境下的作业任务要求。
为解决现有技术问题，本发明公开了一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：包括水面规划平台和能够与水面规划平台进行无线通信的水下控制平台；
水面规划平台包括：
主控模块，根据外部指令以输出相应的控制信号分别控制水面规划平台和水下控制平台；
任务规划模块，根据控制信号输出任务规划；
全局路径规划模块，根据任务规划输出全局最优路径；以及
全局数据库模块，向水面规划平台的运行提供信息；
水下控制平台包括：
局部路径规划模块，根据全局最优路径或重规划信号输出优化后的局部路径；
动作行为集合模块，根据优化后的局部路径输出控制信号给潜水器的执行器；
局部数据库，向水下控制平台的运行提供信息；
路径规划模式切换事件检测模块，接收局部路径规划任务模块和局部数据库模块发出的潜水器状态信息以及环境监测信息进行事件检测并输出检测结果信号；
路径规划模式切换事件识别模块，根据检测结果信号输出触发事件；
重规划触发模块，根据触发事件输出重规划信号；以及
实时局部环境感知模块，用于实时接收传感器的检测数据并传输给局部数据库模块。
作为优选方案，全局数据库模块包括：规划知识数据库、任务表示数据库、全局海流信息数据库和电子海图数据库。
作为优选方案，局部数据库模块包括：路径规划模式切换事件模型数据库和局部环境信息数据库。
作为优选方案，主控模块包括：
水面控制模块，根据外部指令控制水面规划平台，和
水下控制模块，根据外部指令控制水下控制平台。
作为优选方案，任务规划模块包括：任务分解模块、任务调度模块、子任务规划模块和任务约束分析模块。
作为优选方案，全局路径规划模块包括：海底环境建模模块、全局优化目标确立模块和多约束目标全局路径优化模块。
作为优选方案，局部路径规划模块包括：局部环境精确建模模块、局部规划模式调整模块和多模式在线局部路径规划模块。
作为优选方案，路径规划模式切换事件检测模块包括任务检测模块、环境检测模块和状态监视模块。
作为优选方案，局部数据库模块和全局数据库模块建立交互连接。
作为优选方案，全局路径规划模块与任务规划模块建立交互连接。
本发明具有的有益效果：能够满足在海底复杂地形环境下的作业任务要求。
附图说明
图1为应用该系统的一种潜水器的结构示意图；
图2为本发明一个优选实施例的连接框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，包括水面规划平台和水下控制平台两部分，水面规划平台具有远程监控和全局任务规划下载功能，可人机交互，通过微细光纤缆或水声无线信道与水下控制平台进行数字通讯和控制反馈。水下控制平台是底栖型潜水器的控制核心，可独立自主运行，直接接受水面规划平台的操作监管与任务指令，同时具备环境感知、在线规划、基础控制与应急处理等自治功能。
与常规AUV基于单智能体的自主控制体系结构和ROV基于指令-响应的反应式控制体系结构都不同，底栖型潜水器具有水面遥控/监控和水下独立自主的复合工作模式。其中，任务规划处于系统的最顶层，即系统的慎思层；全局路径规划模块根据任务要求，规划出满足潜水器运动能力的全局最优路径；完成任务规划所需要的行为由局部路径规划模块生成；处于最底层是基本动作（行为）集合。
系统部署的第一步是由主控模块通过人机交互下达规划任务，并利用任务规划生成初始任务，然后由全局路径规划模块生成多约束条件多目标的全局最优路径，或者由用户通过人机交互直接指定全局路径，全局数据库模块提供信息支持，包括规划知识、任务表示、全局海流信息和电子海图。水下规划模块主要根据实时环境信息在线规划局部路径，并根据实时环境信息和潜水器状态信息，切换局部路径规划模式或重规划局部路径，水上和水下规划平台通过光纤和水声通信，必要时可由水下控制平台向水上控制平台下达重规划全局任务或全局路径的指令，全局数据库模块和局部数据库模块间可交互更新知识信息。
水面规划平台包括：
任务规划模块：潜水器首先对任务进行分析，再按照一定的分解策略（根据经验知识或是环境信息）将下达的任务分解为若干个子任务集合，并基于简单的任务模型，快速生成高层的总体规划。这里要考虑子任务代价等因素，以及子任务的调度顺序。然后，基于规划知识，生成更详细具体的任务规划，估计特定子任务的代价和完成时间。
顶层的任务规划模块考虑了规划知识的复用，在重复调用任务规划模块的过程中，有可能生成和以前规划结果部分相同的内容，调用数据库中的规划知识，可以快速生成任务规划结果，以减少规划时间，提高系统对动态变化的反应速度。
全局路径规划模块：根据具体的规划任务需求，基于海图等深信息和水文资料，对全局非结构化的海床环境进行建模。以底栖型潜水器的动力学模型为基础，分析复杂的运动约束条件，明确底栖型潜水器的运动能力，包括爬坡能力和越障能力，将海流因素作为路径规划的约束条件，分析环境约束条件和优化性约束条件，确立优化目标。针对多约束多目标问题，基于最优化方法规划全局最优路径。
在规划过程中，全局路径规划过程与任务规划层可能存在交互，这是因为，潜水器以滚进运动模式为主，当滚障行为超出潜水器运动能力范围时，任务规划模块根据全局优化目标，规划绕障或越障任务，以搜索最优的滚进/浮游混合运动模式下的安全路径，并输出关键路径点序列。
全局数据库模块：全局数据库是由全局存储一组集成管理程序组成，用来建立、存贮、维护和处理整个系统共享的知识模型，包括有关给定规划任务的任务知识、规划知识、路径规划模式切换事件模型，并服务于其他各部分子系统。体系结构中各模块可对其进行读取和修改。全局数据库中的电子海图和全局海流信息是潜水器全局路径规划的基础。
水下规划平台包括：
局部路径规划模块：根据实时感知的环境信息，规划局部避障路径，生成潜水器可执行的行为/动作集。底栖型潜水器在海底滚进时可能遇到各种随机事件，如大尺寸难以绕行的障碍物、陡坡或沟坑等，此时需要根据潜水器实时感知的地形信息和海流信息，对局部环境进行二次精确建模。为了实现潜水器与环境的深层交互，采用分层式局部环境建模方法。基于海图构建的环境地图作为潜水器对环境的总体认知层，采用多分辨率表示总体环境地图，并描述环境栅格中的海流特性，采用数字高程模型描述环境区域空间的地形，构建面向局部路径规划的局部三维环境模型。增加海床表面介质特性描述层，以计算局部路径的代价。随着传感器对环境的不断感知，实时更新局部环境地图。
结合潜水器运行状态，实时识别触发运动模式切换事件，通过实时局部任务规划，调整运动模式，对突发情况进行处理。分析潜水器复杂运动约束条件，基于潜水器动力学模型估计未来状态分布，高效的规划潜水器局部避障路径。基于局部规划时间调配的方法，在局部规划时间内在线优化局部路径。
潜水器根据定义的等级结构，从上自下重复执行。由于潜水器实际工作的水下条件通信质量非常差，通信信息不可靠，为了实现自适应任务规划，增加了路径规划模式切换事件检测模块和重规划模块。
路径规划模式切换事件检测模块：路径规划模式切换事件检测模块包括任务检测模块、环境检测模块和状态监视模块。任务检测模块用于检测潜水器的任务执行情况及进度，即调用局部路径规划模块里的相关运行数据；环境检测模块主要是监测潜水器工作环境是否影响到潜水器滚障操作。状态检测模块观察潜水器自身及各种传感器是否正常等状态信息。事件检测模块获得的信息可能会使环境模型发生改变，当滚障操作不能在新环境模型下继续执行时，通过任务重规划，产生适合环境的绕障、越障规划策略。
路径规划模式切换事件识别模块：用于接收、处理、分析路径规划模式切换事件检测模块的所检测出来的路径规划模式切换事件信息。
重规划触发模块：重规划触发模块用于接收、处理、分析事件识别模块给出的识别信息，决定是否启动重规划功能、触发时间以及启动何种模式局部路径重规划。
局部数据库模块：局部数据库是由水下规划平台存储一组集成管理程序，用来建立、存贮、维护和处理整个水下系统共享的知识模型，包括路径规划模式切换事件模型和实时感知的局部地形、水流、海床介质特性以及其它局部环境信息，服务于其它各部分水下子系统。水下体系结构中各模块可对其进行读取和修改。
执行器为推进装置、转向电机、浮力调节装置等可操作装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：包括水面规划平台和能够与所述水面规划平台进行无线通信的水下控制平台；
所述水面规划平台包括：
主控模块，根据外部指令以输出相应的控制信号分别控制所述水面规划平台和所述水下控制平台；
任务规划模块，根据控制信号输出任务规划；
全局路径规划模块，根据任务规划输出全局最优路径；以及
全局数据库模块，向所述水面规划平台的运行提供信息；
所述水下控制平台包括：
局部路径规划模块，根据全局最优路径或重规划信号输出优化后的局部路径；
动作行为集合模块，根据优化后的局部路径输出控制信号给潜水器的执行器；
局部数据库，向所述水下控制平台的运行提供信息；
路径规划模式切换事件检测模块，接收所述局部路径规划任务模块和所述局部数据库模块发出的潜水器状态信息以及环境监测信息进行事件检测并输出检测结果信号；
路径规划模式切换事件识别模块，根据检测结果信号输出触发事件；
重规划触发模块，根据触发事件输出重规划信号；以及
实时局部环境感知模块，用于实时接收传感器的检测数据并传输给所述局部数据库模块。
2.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述全局数据库模块包括：规划知识数据库、任务表示数据库、全局海流信息数据库和电子海图数据库。
3.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述局部数据库模块包括：路径规划模式切换事件模型数据库和局部环境信息数据库。
4.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述主控模块包括：
水面控制模块，根据外部指令控制所述水面规划平台，和
水下控制模块，根据外部指令控制所述水下控制平台。
5.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述任务规划模块包括：任务分解模块、任务调度模块、子任务规划模块和任务约束分析模块；
所述任务分解模块将包含全局任务的控制信号分解为若干子任务，
所述任务调度模块接受子任务并输出调度结果，
所述子任务规划模块根据调度结果输出具体任务规划，
所述任务约束分析模块根据具体任务规划进行可执行性和约束条件分析并输出分析结果。
6.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述全局路径规划模块包括：海底环境建模模块、全局优化目标确立模块和多约束目标全局路径优化模块。
7.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述局部路径规划模块包括：局部环境精确建模模块、局部规划模式调整模块和多模式在线局部路径规划模块。
8.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述路径规划模式切换事件检测模块包括任务检测模块、环境检测模块和状态监视模块。
9.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述局部数据库模块和所述全局数据库模块建立交互连接。
10.根据权利要求1所述的一种浮游滚进底栖型潜水器控制系统，其特征在于：所述全局路径规划模块与所述任务规划模块建立交互连接。
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