CN108107914B - 浮游移动体、跟随系统及控制方法 - Google Patents

浮游移动体、跟随系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种浮游移动体、跟随系统及控制方法，涉及水下机器人技术领域，包括：被跟随对象携带的声波发射器和浮游移动体，浮游移动体包括：主控模块、动力输出模块和多个设置于浮游移动体不同位置且分别与主控模块连接的声波接收器；多个声波接收器，分别用于接收被跟随对象携带的声波发射器发出的声波信号；主控模块，用于根据多个声波信号分别确定各个声波接收器与声波发射器之间的直线距离，并根据多个直线距离生成控制指令；动力输出模块，用于根据控制指令输出动力，以使浮游移动体按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。本发明提供了一种浮游移动体、跟随系统及控制方法，可以使浮游移动体对被跟随对象自动跟随，提高交互体验。

Description

浮游移动体、跟随系统及控制方法
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，尤其是涉及一种浮游移动体、跟随系统及控制方法。
背景技术
当前，用户一般使用遥控器控制水下机器人。当水下机器人与水面上的遥控器建立通信连接后，水下机器人可以接收遥控器的控制指令，根据遥控器的指令完成相应的作业任务。
然而，现有的遥控器并不防水，当用户潜下水中时无法使用遥控器控制水下机器人，导致交互体验较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种浮游移动体、跟随系统及控制方法，以缓解了用户潜下水中无法与水下机器人进行互动的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种浮游移动体，包括：主控模块、动力输出模块和多个设置于浮游移动体不同位置且分别与所述主控模块连接的声波接收器；
多个所述声波接收器，分别用于接收被跟随对象携带的声波发射器发出的声波信号；
所述主控模块，用于根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器与声波发射器之间的直线距离，并根据多个直线距离生成控制指令；
所述动力输出模块，用于根据所述控制指令输出动力，以使所述浮游移动体按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述声波接收器包括：接收端换能器、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和接收端处理器；
所述接收端换能器、放大电路、滤波电路和A/D转换电路串联连接，将接收端换能器接收到的声波信号进行放大处理、滤波处理和A/D转换处理；
所述接收端处理器，用于对A/D转换电路输出的时域中的数字信号进行解析处理，选取解析得到的频域中的数字信号中与所述声波发射器发射的声波信号频率相同的信号增益，并发送给所述主控模块；
所述主控模块，还用于根据多个声波接收器发送的信号增益确定任意两个声波接收器接收的声波信号的相位差，进而根据所述相位差确定的时间差计算声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述浮游移动体上设置有三个呈等腰三角形分布的声波接收器，其中位于所述等腰三角形底角处的两个声波接收器位于所述浮游移动体的首端，位于所述等腰三角形顶角处的声波接收器位于所述浮游移动体的尾端。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，还包括：设置于所述主控模块与所述动力输出模块之间的PID调节器；
所述PID调节器，用于根据所述控制指令调整所述动力输出模块的输出动力。
第二方面，本发明实施例还提供一种浮游移动体跟随系统，包括：声波发射器及如第一方面所述的浮游移动体；
所述声波发射器包括发射端处理器、H桥模块和发射端换能器；
所述发射端处理器控制所述H桥模块驱动发射端换能器，以使所述发射端换能器输出预设频率的声波信号。
第三方面，本发明实施例还提供一种浮游移动体控制方法，包括：
获取声波接收器接收的由被跟随对象携带的声波发射器发出的声波信号；
根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器与声波发射器之间的直线距离；
根据多个直线距离生成控制指令，并将所述控制指令发送给动力输出模块，以使所述动力输出模块输出动力，进而使所述浮游移动体按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。
结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，根据多个直线距离生成控制指令，包括：
判断所述声波发射器与所述位于所述浮游移动体首端的两个声波接收器的第一距离和第二距离是否相等；
当所述第一距离和第二距离之间的距离相等时，判断所述声波发射器与位于所述浮游移动体尾端的声波接收器的第三距离是否小于所述第一距离；
当所述第三距离小于所述第一距离时，生成用于控制所述浮游移动体转向180度的控制信号。
结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第二种可能的实施方式，其中，根据多个直线距离生成控制指令，还包括：
当所述第一距离和第二距离之间的距离不相等且所述第一距离大于所述第二距离时，生成用于控制所述浮游移动体向第一方向转向的控制指令，以使所述第一距离与所述第二距离相等；
当所述第一距离和第二距离之间的距离不相等且所述第一距离小于所述第二距离时，生成用于控制所述浮游移动体向第二方向转向的控制指令，以使所述第一距离与所述第二距离相等。
结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第三种可能的实施方式，其中，根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器与声波发射器之间的直线距离，包括：
当接收到声波接收器发送的信号增益时，根据多个信号增益确定任意两个声波接收器接收的声波信号的相位差；
利用预设函数关系根据所述相位差确定时间差；
根据时间差计算声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离。
第四方面，本发明实施例提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行第三方面所述的方法。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供的一种浮游移动体、跟随系统及控制方法，浮游移动体的主控模块获取声波接收器接收的由被跟随对象携带的声波发射器发出的声波信号，根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器与声波发射器之间的直线距离，根据多个直线距离生成控制指令，并将所述控制指令发送给动力输出模块，以使所述动力输出模块输出动力，进而使所述浮游移动体按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。本发明提供的一种浮游移动体、跟随系统及控制方法，可以使浮游移动体对被跟随对象自动跟随，提高交互体验。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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为本发明实施例提供的浮游移动体的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的三个声波接收器的位置示意图；
图3为本发明实施例提供的声波接收器的结构示意图；
图4为本发明另一个实施例提供的声波发射器的结构示意图；
图5为本发明另一个实施例提供的浮游移动体控制方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的浮游移动体稳定状态下的示意图。
图标：
100-浮游移动体；110-主控模块；120-动力输出模块；130-声波接收器；200-声波发射器。
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，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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做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。
目前，现有的遥控器并不防水，当用户潜下水中时无法使用遥控器控制水下机器人，导致交互体验较差，基于此，本发明实施例提供的一种浮游移动体、跟随系统及控制方法，可以控制浮游移动体对被跟随对象自动跟随，提高交互体验。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种浮游移动体进行详细介绍。
如图1所示，本发明的一个实施例中，提供了一种浮游移动体100，包括：主控模块110、动力输出模块120和多个设置于浮游移动体100不同位置且分别与所述主控模块110连接的声波接收器130。
具体的，如图2所示，所述浮游移动体100上设置有三个呈等腰三角形分布的声波接收器130，其中位于所述等腰三角形底角处的两个声波接收器130位于所述浮游移动体100的首端，位于所述等腰三角形顶角处的声波接收器130位于所述浮游移动体100的尾端。
多个所述声波接收器130，分别用于接收被跟随对象携带的声波发射器200发出的声波信号。
具体的，可以通过手环的方式，将声波发射器200固定在用户身上，将声波接收器130固定在浮游移动体100上。
如图3所示，每个声波接收器130包括：接收端换能器、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和接收端处理器。
所述接收端换能器、放大电路、滤波电路和A/D转换电路串联连接，将接收端换能器接收到的声波信号进行放大处理、滤波处理和A/D转换处理。
所述接收端处理器，用于对A/D转换电路输出的时域中的数字信号进行解析处理，选取解析得到的频域中的数字信号中与所述声波发射器200发射的声波信号频率相同的信号增益，并发送给所述主控模块110。
所述主控模块110，用于根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器130与声波发射器200之间的直线距离，并根据多个直线距离生成控制指令。
具体的，所述主控模块110，还用于根据多个声波接收器130发送的信号增益确定任意两个声波接收器130接收的声波信号的相位差，进而根据所述相位差确定的时间差计算声波发射器200与各个声波接收器130之间的直线距离。
所述动力输出模块120与所述主控模块110连接，用于根据所述控制指令输出动力，以使所述浮游移动体100按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。
在实际应用中，所述主控模块110与所述动力输出模块120之间设置有PID调节器。
所述PID调节器，用于根据所述控制指令调整所述动力输出模块120的输出动力。
在本发明的又一实施例中，还提供了一种浮游移动体100跟随系统，包括：声波发射器200及前述实施例所述的浮游移动体100。
如图4所示，所述声波发射器200包括发射端处理器、H桥模块和发射端换能器。
所述发射端处理器控制所述H桥模块驱动发射端换能器，以使所述发射端换能器输出预设频率的声波信号。
本发明实施例提供的一种浮游移动体100及跟随系统，可以控制浮游移动体100对被跟随对象自动跟随，提高交互体验。
如图5所示，在本发明的又一实施例中，还提供了一种浮游移动体100控制方法，包括以下步骤。
S101，获取声波接收器130接收的由被跟随对象携带的声波发射器200发出的声波信号。
S102，根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器130与声波发射器200之间的直线距离。
具体的，所述步骤S102中包括以下步骤。
当接收到声波接收器130发送的信号增益时，根据多个信号增益确定任意两个声波接收器130接收的声波信号的相位差。
利用预设函数关系根据所述相位差确定时间差。其中，所述预设函数关系可以为一个三角函数关系式。
根据时间差计算声波发射器200与各个声波接收器130之间的直线距离。
S103，根据多个直线距离生成控制指令，并将所述控制指令发送给动力输出模块120，以使所述动力输出模块120输出动力，进而使所述浮游移动体100按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。
具体的，为了实现浮游移动体100的自动跟随，需要保证获取的数据保持如下的关系式：
Rx3＞Rx1＝Rx2 (1)
其中，Rx1、Rx2和Rx3为所述三个声波接收器130与声波发射器200之间的第一距离、第二距离和第三距离。
在步骤S103中，所述根据多个直线距离生成控制指令，包括以下步骤。
判断所述声波发射器200与所述位于所述浮游移动体100首端的两个声波接收器130的第一距离和第二距离是否相等。
当所述第一距离和第二距离之间的距离不相等且所述第一距离大于所述第二距离时，生成用于控制所述浮游移动体100向第一方向转向(即逆时针)的控制指令，以使所述第一距离与所述第二距离相等。
当所述第一距离和第二距离之间的距离不相等且所述第一距离小于所述第二距离时，生成用于控制所述浮游移动体100向第二方向转向(即顺时针)的控制指令，以使所述第一距离与所述第二距离相等。
而当所述第一距离和第二距离之间的距离相等时，判断所述声波发射器200与位于所述浮游移动体100尾端的声波接收器130的第三距离是否小于所述第一距离；
当所述第三距离小于所述第一距离时，生成用于控制所述浮游移动体100转向180度的控制信号。
以下以举例方式具体说明本发明实施例所述的浮游移动体100跟随系统的具体原理：
首先需要确定航向，即满足：
Yaw error＝Rx1-Rx2＝0 (2)
将Yaw error作为控制偏差，然后通过PID调节器进行控制，最终使偏差为零。并且，Yaw error的符号映射转向方向(即Yaw error>0为逆时针，否则为顺时针)那么浮游移动体100会始终选择时间最短的路径。
如图6所示，当所述第一距离和第二距离距离相等时，会出现如图所示的两种稳定状态。此时，还需要判断第一距离、第二距离和第三距离是否满足满足上式(1)。若满足，则保持稳定；若不满足，需要主动破坏稳定状态，控制所述浮游移动体100转向180度，最终自动趋于正确的稳定状态，且以此姿态跟随被跟随对象移动。
当声波发射器200丢失，或浮游移动体100不在信号源的覆盖范围之内时，系统判定设备失联。此时浮游移动体100执行如下操作：在一定时间内，按照向外螺旋线的路径寻找信号。当寻找超时后，判定浮游移动体100失联，执行返航操作。
本发明的又一实施例中，还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行前述实施例所述的方法。
本发明实施例所提供的浮游移动体100控制方法、装置以及系统的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种浮游移动体，其特征在于，包括：主控模块(110)、动力输出模块(120)和多个设置于浮游移动体(100)不同位置且分别与所述主控模块(110)连接的声波接收器(130)；
多个所述声波接收器(130)，分别用于接收被跟随对象携带的声波发射器(200)发出的声波信号；
所述主控模块(110)，用于根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器(130)与声波发射器(200)之间的直线距离，并根据多个直线距离生成控制指令；
所述动力输出模块(120)，用于根据所述控制指令输出动力，以使所述浮游移动体(100)按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。
2.根据权利要求1所述的浮游移动体，其特征在于，所述声波接收器(130)包括：接收端换能器、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和接收端处理器；
所述接收端换能器、放大电路、滤波电路和A/D转换电路串联连接，将接收端换能器接收到的声波信号进行放大处理、滤波处理和A/D转换处理；
所述接收端处理器，用于对A/D转换电路输出的时域中的数字信号进行解析处理，选取解析得到的频域中的数字信号中与所述声波发射器(200)发射的声波信号频率相同的信号增益，并发送给所述主控模块(110)；
所述主控模块(110)，还用于根据多个声波接收器(130)发送的信号增益确定任意两个声波接收器(130)接收的声波信号的相位差，进而根据所述相位差确定的时间差计算声波发射器(200)与各个声波接收器(130)之间的直线距离。
3.根据权利要求2所述的浮游移动体，其特征在于，所述浮游移动体(100)上设置有三个呈等腰三角形分布的声波接收器(130)，其中位于所述等腰三角形底角处的两个声波接收器(130)位于所述浮游移动体(100)的首端，位于所述等腰三角形顶角处的声波接收器(130)位于所述浮游移动体(100)的尾端。
4.根据权利要求2所述的浮游移动体，其特征在于，还包括：设置于所述主控模块(110)与所述动力输出模块(120)之间的PID调节器；
所述PID调节器，用于根据所述控制指令调整所述动力输出模块(120)的输出动力。
5.一种浮游移动体跟随系统，其特征在于，包括：声波发射器(200)及如权利要求1至4任一所述的浮游移动体(100)；
所述声波发射器(200)包括发射端处理器、H桥模块和发射端换能器；
所述发射端处理器控制所述H桥模块驱动发射端换能器，以使所述发射端换能器输出预设频率的声波信号。
6.一种浮游移动体控制方法，其特征在于，包括：
获取声波接收器(130)接收的由被跟随对象携带的声波发射器(200)发出的声波信号；
根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器(130)与声波发射器(200)之间的直线距离；
根据多个直线距离生成控制指令，并将所述控制指令发送给动力输出模块(120)，以使所述动力输出模块(120)输出动力，进而使所述浮游移动体(100)按照预设姿态跟随所述被跟随对象移动。
7.根据权利要求6所述的浮游移动体控制方法，其特征在于，根据多个直线距离生成控制指令，包括：
判断所述声波发射器(200)与位于所述浮游移动体(100)首端的两个声波接收器(130)的第一距离和第二距离是否相等；
当所述第一距离和第二距离之间的距离相等时，判断所述声波发射器(200)与位于所述浮游移动体(100)尾端的声波接收器(130)的第三距离是否小于所述第一距离；
当所述第三距离小于所述第一距离时，生成用于控制所述浮游移动体(100)转向180度的控制信号。
8.根据权利要求7所述的浮游移动体控制方法，其特征在于，根据多个直线距离生成控制指令，还包括：
当所述第一距离和第二距离之间的距离不相等且所述第一距离大于所述第二距离时，生成用于控制所述浮游移动体(100)向第一方向转向的控制指令，以使所述第一距离与所述第二距离相等；
当所述第一距离和第二距离之间的距离不相等且所述第一距离小于所述第二距离时，生成用于控制所述浮游移动体(100)向第二方向转向的控制指令，以使所述第一距离与所述第二距离相等。
9.根据权利要求6至8任一所述的浮游移动体控制方法，其特征在于，根据多个所述声波信号分别确定各个所述声波接收器(130)与声波发射器(200)之间的直线距离，包括：
当接收到声波接收器(130)发送的信号增益时，根据多个信号增益确定任意两个声波接收器(130)接收的声波信号的相位差；
利用预设函数关系根据所述相位差确定时间差；
根据时间差计算声波发射器(200)与各个声波接收器(130)之间的直线距离。
10.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求6至8任一所述方法。
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