CN108818574A - 一种开放式、可重构水下机器人控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放式、可重构水下机器人控制系统及方法，控制系统包括：水面系统和设置在水下机器人上的水下系统；水面系统包括：接收用户操作信息的用户操作接收装置；与用户操作接收装置连接的水面接口；水下系统包括：根据用户操作信息生成控制水下机器人航向的控制指令的航行控制器；与航行控制器连接，并根据控制指令驱动水下机器人的动力控制装置；分别与水面接口、航行控制器连接的水下接口。本发明实施例通过将将水下机器人控制系统进行区块划分，使得水下机器人可以根据用户操作信息进行数据处理，生成控制水下机器人航向的控制指令，使得水下机器人按照用户的操作信息进行航行作业。

Description

一种开放式、可重构水下机器人控制系统及方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种开放式、可重构水下机器人控制系统及方法。

背景技术

水下机器人是自动执行任务的机器装备，可以代替人类探寻大海深处的宝藏和奥秘。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动，它的任务是协助或取代人类进行水下作业。水下机器人作为人类探索和开发海洋的工具，将在海洋这一领域发挥重要的作用。水下机器人的研究和广泛应用对于充分利用自然资源，发展国民经济具有十分重要的现实意义。水下机器人在世界范围内的应用领域已经不断扩大，如海洋研究、科学考察、海洋开发和水下工程等。

目前的水下机器人提供的结构和硬件接口固定，所以模块组件固定化，支持的适用场景和工作模式单一，缺乏灵活性。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的至少一个实施例提供了一种开放式、可重构水下机器人控制系统及方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种开放式、可重构水下机器人控制系统，包括：水面系统和设置在水下机器人上的水下系统；

所述水面系统包括：接收用户操作信息的用户操作接收装置；

与所述用户操作接收装置连接的水面接口；

所述水下系统包括：根据所述用户操作信息生成控制水下机器人航向的控制指令的航行控制器；

与所述航行控制器连接，并根据所述控制指令驱动所述水下机器人的动力控制装置；

分别与所述水面接口、航行控制器连接的水下接口。

基于上述技术方案，本发明实施例还可以做出如下改进。

结合第一方面，在第一方面的第一种实施例中，所述航行控制器具体包括：第一控制信息解析器和第一控制指令生成器；

所述第一控制信息解析器、第一控制指令生成器和所述动力控制装置依次连接；

所述第一控制信息解析器通过解析所述用户操作信息得到控制信息；所述第一控制指令生成器根据所述控制信息生成控制指令发送到所述动力控制装置。

结合第一方面，在第一方面的第二种实施例中，所述航行控制器具体包括：第二控制信息解析器、航行轨迹控制器和第二控制指令生成器；

所述第二控制信息解析器、航行轨迹控制器、第二控制指令生成器和所述动力控制装置依次连接；

所述第二控制信息解析器通过解析所述用户操作信息得到自主航行信息；所述航行轨迹控制器根据所述自主航行信息得到航行轨迹；所述第二控制指令生成器根据所述航行轨迹生成控制指令发送到所述动力控制装置。

结合第一方面，在第一方面的第三种实施例中，所述水面系统还包括：水下信息显示装置；所述水下信息显示装置与所述水面接口连接；

所述水下系统还包括：水下机器人状态信息采集装置，所述水下机器人状态信息采集装置与所述水下接口连接。

结合第一方面的第三种实施例，在第一方面的第四种实施例中，所述水下机器人状态信息采集装置包括：GPS装置、压力计装置、位姿传感器、惯导传感器、声呐、水下摄像头和深度仪中的至少一个。

结合第一方面，在第一方面的第五种实施例中，所述水下系统还包括：水下信息采集装置、水下行为控制器和数据记录装置；

所述水下信息采集装置分别与所述水下行为控制器、所述数据记录装置连接；

所述水下行为控制器与所述水下接口连接；所述水下行为控制器用于根据所述用户操作信息生成控制指令发送到所述水下信息采集装置进行工作。

结合第一方面或第一方面的第一、第二、第三、第四或第五种实施例中任意一种实施例，在第一方面的第六种实施例中，所述水面接口通过线缆与所述水下接口进行通信，或者所述水面接口通过水声通信与所述水下接口进行通信。

第二方面，本发明实施例提供了一种开放式、可重构水下机器人控制方法，所述控制方法包括：

获取用户操作信息；

根据所述用户操作信息生成控制水下机器人航行的控制指令，并将所述控制指令发送到水下机器人的动力控制装置；

所述动力控制装置根据所述控制指令驱动所述水下机器人。

结合第二方面，在第二方面的第一种实施例中，所述控制方法具体包括：

解析所述用户操作信息得到控制信息；

根据所述控制信息生成控制指令发送到所述动力控制装置。

结合第二方面，在第二方面的第二种实施例中，所述控制方法具体包括：

解析所述用户操作信息得到自主航行信息；

根据所述自主航行信息得到航行轨迹；

根据所述航行轨迹生成控制指令发送到所述动力控制装置。

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明实施例通过将将水下机器人控制系统进行区块划分，使得水下机器人可以根据用户操作信息进行数据处理，生成控制水下机器人航向的控制指令，使得水下机器人按照用户的操作信息进行航行作业。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制系统结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制系统结构示意图；

图3是本发明又一实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制系统结构示意图其一；

图4是本发明又一实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制系统结构示意图；

图5是本发明又一实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制方法流程示意图；

图6是本发明又一实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制方法流程示意图其一；

图7是本发明又一实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制方法流程示意图其二。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种开放式、可重构水下机器人控制系统，包括：水面系统和设置在水下机器人上的水下系统。

在本实施例中，水面系统包括：接收用户操作信息的用户操作接收装置；用户操作信息可以是用户控制水下机器人运动的各类操作信息，如运动航线，各个采集装置的采集控制等操作信息，上述用户操作信息可通过虚拟按钮、实体按钮、摇杆等装置进行输入，用户操作信息还可以是用于设定水下机器人自主航行的各类信息，如航行目的地、航行深度等信息，方便水下机器人结合海底三维模型图规划航行路径，实现自助航行。

水面系统包括：与用户操作接收装置连接的水面接口，该水面接口可以是水声通信节点，或者，有线连接的数据端口，也可以是其他连接方式的端口，可通过水声通信节点与水下系统的水声通信节点以水声通信进行连接，或者通过有线通信连接水面系统和水下系统，以此来实现水面和水下的数据交互。

在本实施例中，水下系统包括：根据用户操作信息生成控制水下机器人航向的控制指令的航行控制器；该航行控制器可以包括：操作信息接收装置和控制指令生成器，操作信息接收装置用于接收用户操作信息，控制指令生成器根据得到的操作信息生成控制指令，比如水下系统和水面系统通过水声通信网络进行通信时，水面系统会将各类信息打包后进行数据传输以减少数据传输过程中的数据损耗，所以在水下系统中需要解析器来对接收到的数据进行解析、合并、过滤等操作来获取原始信息，或者，航行控制器可以包括：操作信息接收装置、航行路径规划器和控制指令生成器，操作信息接收装置用于解析用户操作信息得到自主航行信息，如航行目的地、航行深度等信息，航行路径规划器根据航行目的地和航行深度结合自身存储的海底三维模型规划航行路径，控制指令生成器根据航行路径生成控制指令，若水面系统和水下系统通过有线通信，则不需要操作信息接收装置解析接收到的数据包，水下系统可以直接接收到水面系统设定的各项参数。

在本实施例中，水下系统还包括：与航行控制器连接，并根据控制指令驱动水下机器人的动力控制装置；在本实施例中动力控制装置包括：推进器控制器和多个推进器，每个推进器分别连接到推进器控制器，推进器控制器根据控制指令对每个推进型分别进行控制，使得水下机器人按用户操作信息或航行路径进行行驶，具体的控制算法可沿用现有的相关控制算法，本实施例不再赘述。

在本实施例中，水下系统还包括：分别与水面接口、航行控制器连接的水下接口，水下接口与水面接口相配合连接，将水面系统发送的数据转发到航行控制器，航行控制器根据水面系统的数据进行航行控制处理。

如图2所示，具体的，水面接口可通过线缆与水下接口进行通信，和/或者，水面接口还可通过水声通信与水下接口进行通信。

在本实施例中，水面系统还包括：水下信息显示装置；水下信息显示装置与水面接口连接。

在本实施例中，水下系统还包括：水下机器人状态信息采集装置，水下机器人状态信息采集装置与水下接口连接，其中，水下机器人状态信息采集装置包括但不限于：GPS装置、压力计装置、位姿传感器、惯导传感器、声呐、水下摄像头和深度仪。

在本实施例中，水下系统还包括：水下信息采集装置、水下行为控制器和数据记录装置；

水下信息采集装置分别与水下行为控制器、数据记录装置连接。

在本实施例中，水下行为控制器与水下接口连接；水下行为控制器用于根据用户操作信息生成控制指令发送到水下信息采集装置进行工作。

如图3所示，本发明实施例给出了一种开放式、可重构水下机器人控制系统，与图1所示控制系统相比，区别在于：

航行控制器包括：第一控制信息解析器和第一控制指令生成器；

第一控制信息解析器、第一控制指令生成器和动力控制装置依次连接。

在本实施例中第一控制信息解析器用于根据用户操作信息得到相应的控制信息，比如用户在水面系统上设置某项航行参数，水下系统能接收到的用户操作信息是该项参数的设定数值，通过控制信息解析器对该用户操作信息进行处理，得到具体的航行控制信息，并通过第一控制指令生成器生成与该航行控制信息相对应控制指令发送到动力控制装置；动力控制装置进行具体的航行，实现用户远程控制。

如图4所示，本发明实施例给出了一种开放式、可重构水下机器人控制系统，与图1所示控制系统相比，区别在于：

航行控制器具体包括：第二控制信息解析器、航行轨迹控制器和第二控制指令生成器；

第二控制信息解析器、航行轨迹控制器、第二控制指令生成器和动力控制装置依次连接。

在本实施例中，第二控制信息解析器通过解析用户操作信息得到用户输入的自主航行信息，如航行目的地、航行深度、航行速度航向角设定值、航行时间等航行信息，航行轨迹控制器根据自主航行信息进行路径规划，且路径通过各个航行目的地，第二控制指令生成器根据航行路径生成控制指令发送到动力控制装置，使得水下机器人进行自主航行。

如图5所示，本发明实施例提供了一种开放式、可重构水下机器人控制方法，控制方法包括：

S11、获取用户操作信息。

在本实施例中，用户操作信息可以是用户控制水下机器人运动的各类操作信息，如运动航线，各个采集装置的采集控制等操作信息，上述用户操作信息可通过虚拟按钮、实体按钮、摇杆等装置进行输入，用户操作信息还可以是用于设定水下机器人自主航行的各类信息，如航行目的地、航行深度等信息，方便水下机器人结合海底三维模型图规划航行路径，实现自助航行。

S12、根据用户操作信息生成控制水下机器人航行的控制指令，并将控制指令发送到水下机器人的动力控制装置。

在本实施例中，结合上述实施例中提供的方案，水下机器人的运动控制分为两种模式，一种为遥控模式，此时水下机器人可通过控制计算机和遥控手柄操控水下载体上的推进器和其他设备。另一种是自治工作模式，水下机器人可完成定向航行和定深航行。自主航行参数包括航向角设定值，航行深度设定值、航行时间等。可以结合利用水声通信接收水面操作员的指令，反馈图像，实时传输采集数据，基于人在回路，进行实时操作与监测，根据用户输入的用户操作信息，生成不同控制模式对应的控制指令，并将其发送到动力控制装置。

S13、动力控制装置根据控制指令驱动水下机器人。

在本实施例中，动力控制装置包括：推进器控制器和多个推进器，每个推进器分别连接到推进器控制器，推进器控制器根据控制指令对每个推进型分别进行控制，使得水下机器人按用户操作信息或航行路径进行行驶，比如，控制不同推进器的开启或关闭实现水下机器人的转向，还可以通过控制不同推进器的工作功率实现航向和航速的调整，具体的控制算法可沿用现有的相关控制算法，本实施例不再赘述。

如图6所示，本发明实施例提供了，一种开放式、可重构水下机器人控制方法，控制方法包括：

S21、获取用户操作信息。

在本实施例中，用户操作信息可以是用户控制水下机器人运动的各类操作信息，如运动航线，各个采集装置的采集控制等操作信息，上述用户操作信息可通过虚拟按钮、实体按钮、摇杆等装置进行输入，用户操作信息还可以是用于设定水下机器人自主航行的各类信息，如航行目的地、航行深度等信息，方便水下机器人结合海底三维模型图规划航行路径，实现自助航行。

S22、解析用户操作信息得到控制信息。

在本实施例中，直接从用户操作信息中解析得到控制信息，比如用户在水面系统上设置某项航行参数，水下系统能接收到的用户操作信息是该项参数的设定数值，通过控制信息解析器对该用户操作信息进行处理，得到具体的航行控制信息。

S23、根据控制信息生成控制指令发送到动力控制装置。

在本实施例中，通过上述实施例中的第一控制指令生成器生成与该航行控制信息相对应控制指令发送到动力控制装置；动力控制装置进行具体的航行，实现用户远程控制。

S24、动力控制装置根据控制指令驱动水下机器人。

在本实施例中，动力控制装置包括：推进器控制器和多个推进器，每个推进器分别连接到推进器控制器，推进器控制器根据控制指令对每个推进型分别进行控制，使得水下机器人按用户操作信息或航行路径进行行驶，比如，控制不同推进器的开启或关闭实现水下机器人的转向，还可以通过控制不同推进器的工作功率实现航向和航速的调整，具体的控制算法可沿用现有的相关控制算法，本实施例不再赘述。

如图7所示，本发明实施例提供了，一种开放式、可重构水下机器人控制方法，控制方法包括：

S31、获取用户操作信息。

在本实施例中，用户操作信息可以是用户控制水下机器人运动的各类操作信息，如运动航线，各个采集装置的采集控制等操作信息，上述用户操作信息可通过虚拟按钮、实体按钮、摇杆等装置进行输入，用户操作信息还可以是用于设定水下机器人自主航行的各类信息，如航行目的地、航行深度等信息，方便水下机器人结合海底三维模型图规划航行路径，实现自助航行。

S32、解析用户操作信息得到自主航行信息。

在本实施例中，通过解析用户操作信息得到用户输入的自主航行信息，如航行目的地、航行深度、航行速度航向角设定值、航行时间等航行信息。

S33、根据自主航行信息得到航行轨迹。

在本实施例中，航行轨迹控制器根据自主航行信息进行路径规划，且路径通过各个航行目的地。

S34、根据航行轨迹生成控制指令发送到动力控制装置。

在本实施例中，通过上述实施例中的第二控制指令生成器根据航行路进行生成控制指令发送到动力控制装置，使得水下机器人进行自主航行。

S35、动力控制装置根据控制指令驱动水下机器人。

在本实施例中，动力控制装置包括：推进器控制器和多个推进器，每个推进器分别连接到推进器控制器，推进器控制器根据控制指令对每个推进型分别进行控制，使得水下机器人按用户操作信息或航行路径进行行驶，比如，控制不同推进器的开启或关闭实现水下机器人的转向，还可以通过控制不同推进器的工作功率实现航向和航速的调整，具体的控制算法可沿用现有的相关控制算法，本实施例不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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；而这些修改或者替换，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 (10)

1.一种开放式、可重构水下机器人控制系统，其特征在于，包括：水面系统和设置在水下机器人上的水下系统；

所述水面系统包括：接收用户操作信息的用户操作接收装置；

与所述用户操作接收装置连接的水面接口；

所述水下系统包括：根据所述用户操作信息生成控制水下机器人航向的控制指令的航行控制器；

与所述航行控制器连接，并根据所述控制指令驱动所述水下机器人的动力控制装置；

分别与所述水面接口、航行控制器连接的水下接口。

2.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于，所述航行控制器具体包括：第一控制信息解析器和第一控制指令生成器；

所述第一控制信息解析器、第一控制指令生成器和所述动力控制装置依次连接；

所述第一控制信息解析器通过解析所述用户操作信息得到控制信息；所述第一控制指令生成器根据所述控制信息生成控制指令发送到所述动力控制装置。

3.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于，所述航行控制器具体包括：第二控制信息解析器、航行轨迹控制器和第二控制指令生成器；

所述第二控制信息解析器、航行轨迹控制器、第二控制指令生成器和所述动力控制装置依次连接；

所述第二控制信息解析器通过解析所述用户操作信息得到自主航行信息；所述航行轨迹控制器根据所述自主航行信息得到航行轨迹；所述第二控制指令生成器根据所述航行轨迹生成控制指令发送到所述动力控制装置。

4.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于，所述水面系统还包括：水下信息显示装置；所述水下信息显示装置与所述水面接口连接；

所述水下系统还包括：水下机器人状态信息采集装置，所述水下机器人状态信息采集装置与所述水下接口连接。

5.根据权利要求4所述的水下机器人控制系统，其特征在于，所述水下机器人状态信息采集装置包括：GPS装置、压力计装置、位姿传感器、惯导传感器、声呐、水下摄像头和深度仪中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于，所述水下系统还包括：水下信息采集装置、水下行为控制器和数据记录装置；

所述水下信息采集装置分别与所述水下行为控制器、所述数据记录装置连接；

所述水下行为控制器与所述水下接口连接；所述水下行为控制器用于根据所述用户操作信息生成控制指令发送到所述水下信息采集装置进行工作。

7.根据权利要求1-6中任一所述的水下机器人控制系统，其特征在于，所述水面接口通过线缆与所述水下接口进行通信，或者所述水面接口通过水声通信与所述水下接口进行通信。

8.一种开放式、可重构水下机器人控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

获取用户操作信息；

根据所述用户操作信息生成控制水下机器人航行的控制指令，并将所述控制指令发送到水下机器人的动力控制装置；

所述动力控制装置根据所述控制指令驱动所述水下机器人。

9.根据权利要求8所述的水下机器人控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括：

解析所述用户操作信息得到控制信息；

根据所述控制信息生成控制指令发送到所述动力控制装置。

10.根据权利要求8所述的水下机器人控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括：

解析所述用户操作信息得到自主航行信息；

根据所述自主航行信息得到航行轨迹；

根据所述航行轨迹生成控制指令发送到所述动力控制装置。