CN111309010B - 一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法 - Google Patents

一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，该测绘系统包括母船‑无人艇‑仿生机器人三级控制系统，该系统能够通过母船在线绘制海图，并且通过无人艇与仿生机器人协作的方式实现对不同类型海域的测绘工作，此外针对深海复杂地形可以利用仿生机器人编队实现360°全方位的图像信息采集。本发明解决了传统海底地形测绘方法中测绘范围小、测量效率低、通信成本高的问题。

Description

一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的 控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，能够以较高的测量效率和较低的成本自主完成指定海域的地形测绘任务，增加地形测绘的范围和深度，属于无人艇应用技术领域。
背景技术
海洋测绘是指以海洋水体和海底为对象进行的测量和海图编制工作，是航海规则制定、安全航行的基础。常见的测绘方法可分为人工打点测绘和仪器测绘两类，仪器测绘主要采用单波束测深仪、多波束测深仪和测扫声纳等。人工打点法虽然精细但是测量效率低、测量范围小且危险性较高；而单波束的波束角很窄，同时为兼顾较大的扫宽，通常以牺牲测量效率为代价；多波束测深仪虽然可以较好的解决这类问题，但是目前现有的多波束测量方法均需依赖与GPS卫星或岸基的通信，这不仅增大了通信成本，更限制了测绘距离。因此有必要设计一套高效且精确的测绘系统来实现海底地形的测绘。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，用以改善传统测绘系统中通信复杂、测绘范围窄、测量深度浅、数据传输效率低的问题。该发明中采用母船-无人艇-仿生机器人三级控制系统，不仅能够利用母船在线绘制海图，而且能够通过无人艇与仿生机器人(例如但不限于机器鱼、仿生蛇)协作的方式实现对不同类型海域的测绘工作，此外针对深海复杂地形可以利用仿生机器人编队实现360°全方位的图像信息采集。本发明设计的应用于海底地形测绘的三级控制系统具有灵活性高、测绘范围广、通信成本低等特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，该仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统由母船、无人艇、仿生机器人三级控制系统组成，所述母船中的母船控制中心和仿生机器人中的仿生机器人测绘系统分别与无人艇中的无人艇测绘系统进行通信，具体包括下一步骤：
S01：母船搭载无人艇，无人艇搭载仿生机器人运动至测绘区域附近后，利用布防回收装置将搭载仿生机器人的无人艇投放到海平面；
S02：母船控制中心任务模块根据测绘区域和无人艇位置、姿态信息规划测绘航线，，其中测绘航线的生成指令包括测绘任务区域、最佳航行路线、无人艇姿态参数及多波束测深仪勘测参数；
S03：母船控制中心将生成的测绘航线和测绘点通过第一通信模块发送到无人艇控制系统，并在显示模块显示生成的测绘航线和无人艇的当前位置；
S04：无人艇测绘系统通过第二通信模块接收测绘航线和测绘点，并对信息进行解析，将测绘航线和测绘点分别发送至第一控制模块，成功解析后向母船控制中心发送请求任务开始指令；
S05：母船控制中心根据当前海况，决定是否开始任务，如果海况满足测绘要求则通过操作平台向无人艇测绘系统发送开始任务指令；
S06：无人艇测绘系统接收到开始任务的指令后，通过第一控制模块控制无人艇按照测绘航线循迹，并控制多波束测深仪在标定的测绘点测量水深和地形信息；
S07：无人艇测绘系统实时将定位模块测得的位置信息和多波束测深仪测得的地形信息通过第二通信模块发送到母船；
S08：母船控制中心利用第一通信模块接收无人艇传输的信息，并将解析后的数据发送海事计算机，海事计算机根据位置信息和测绘信息在线绘制海底地形；
S09：若测绘任务区域内包含复杂地形，则由母船控制中心命令无人艇投放仿生机器人，并将规划好的仿生机器人航线和期望航向以及下潜距离等信息发送至无人艇，再以无人艇作为通信媒介将信息转发至仿生机器人测绘系统；
S10：无人艇测绘系统根据母船指令投放仿生机器人，同时将期望航线、期望航向、下潜距离信息发送至仿生机器人测绘系统；
S11：仿生机器人测绘系统通过第三通信模块接收数据，并将解析的数据传输至第二控制模块，第二控制模块控制发生机器人按照期望航线航行；
S12：仿生机器人航行到目标点并形成队形后，启动拍摄装置301，获取特殊地形周围全方位图像信息，并将拍摄到的图像信息通过无人艇测绘系统发送至母船控制中心；
S13：母船控制中心将接收到的图像信息进行显示存储，同时利用海事计算机进行地形绘制；
S14：重复上述步骤直至完成目标区域测绘任务，任务完成后由母船搭载无人艇和无人艇搭载仿生机器人返航。
进一步地，所述步骤S02中，所述航线生成过程包括以下四个步骤：
步骤1.根据无人艇的运动参数和多波束测深仪的勘测参数计算出测量装置每次勘测所对应的海底地形参数；无人艇的运动参数包括无人艇的位置坐标与航向角，勘测参数指多波束测量仪的波束角范围、接收波束和发射波束的角度范围；
步骤2.根据多波束测量仪的波束角重叠度，计算出测绘航线的最佳间距，允许的波束角重叠度也是上述多波束勘测参数之一，该参数为后续测量信息拼接；
步骤3.根据测绘航线之间的最佳间距与目标测绘区域，计算出所有测绘航点；
步骤4.根据无人艇航向排列测绘航点，以生成完整的测绘航线。
进一步地，所述母船控制中心由操作平台、任务模块、海事计算机、存储模块、显示模块、第一通信模块组成；所述无人艇测绘系统由多波束测深仪、第一控制模块、定位模块、第二通信模块组成；所述仿生机器人测绘系统由拍摄装置、第二控制模块、第三通信模块组成。
进一步地，所述操作平台提供人机交互界面，利用按键或摇杆向所述无人艇测绘系统和仿生机器人测绘系统发送指令，包括开始任务指令和结束任务指令；所述任务模块根据无人艇的当前运动参数和多波束测深仪的勘测参数计算划定测绘任务区域、规划最佳测绘航线并标注测绘点，并在复杂海底地形测绘时为仿生机器人规划期望航线；所述海事计算机用于在线处理所述母船控制中心所接收的无人艇测绘信息并根据该信息进行在线地形绘制；所述存储模块用于存储海事计算机处理后的数据并对实时绘制的海底地形信息进行更新存储；所述显示模块用于显示任务模块生成的测绘航线、无人艇的实时位置以及特殊地形测绘中仿生机器人的拍摄装置获得的图像信息；所述第一通信模块用于与无人艇及地面基站上的其他设备通信。
进一步地，所述多波束测深仪根据母船控制中心的任务模块生成的测绘点，利用回声信号测量、绘制海底地形和水深；所述第一控制模块用于控制无人艇按照母船控制中心的任务模块所产生的最佳航线航行并控制多波束测深仪在标定的测绘点进行测量；所述定位模块包括GPS定位装置和航姿传感器，用于测量无人艇实时位置信息和姿态角；所述第二通信模块(204)用于与母船控制中心和仿生机器人测绘系统进行通信。
进一步地，所述拍摄装置用于拍摄特殊地形的图像信息，拍摄角度大于等于120°；所述第二控制模块用于控制仿生机器人形成编队并按照母船控制中心的任务模块所产生的航迹向目标位置运动；所述第三通信模块用于与无人艇测绘系统通信并将采集的图像信息发送到所述无人艇测绘系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明应用于海底地形测绘的基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘系统实现的控制方法，较传统的人工打点测绘和单一仪器测绘技术相比能在保证测量精度、测量效率的情况下提高测量范围、测量精度，且母船在线绘制地形的方法突破了无人艇与地面基站间通信距离的限制。此外，母船-无人艇-仿生机器人的串级结构使系统不仅具备对复杂地形测绘的能力，而且通过无人艇作为通信媒介的方式降低了通信成本、提高了数据传输效率。
附图说明
图1为本发明的无人艇海底地形测绘三级控制系统组成框图。
图2为本发明的无人艇海底地形测绘控制系统模块图。
图3为本发明的无人艇海底地形测绘系统测绘航线生成过程图。
图4为本发明的无人艇海底地形测绘系统中多波束测深仪勘测原理图。
图5为本发明的无人艇海底地形测绘系统中计算最佳航线间距示例图。
图6为本发明的无人艇海底地形测绘系统示例(水平航向)中生成的测绘航线。
图7为本发明的无人艇海底地形测绘系统实例(水平航向)中生成的测绘点。
图8为本发明的无人艇海底地形测绘系统示例(竖直航向)中生成的测绘航线。
图9为本发明的无人艇海底地形测绘系统实例(竖直航向)中生成的测绘点。
图10为本发明的无人艇海底地形测绘系统复杂地形测绘实例中仿生机器人编队结构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的名称表示相同或类似功能的器件。
本发明的一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统，由母船、无人艇、仿生机器人三级控制系统组成，如图1所示；母船中的母船控制中心和仿生机器人中的仿生机器人测绘系统分别与无人艇中的无人艇测绘系统进行通信，如图2所示。
如图2所示，所述母船控制中心由操作平台101、任务模块102、海事计算机103、存储模块104、显示模块105、第一通信模块106组成。操作平台101提供人机交互界面，利用按键、摇杆等向无人艇和仿生机器人发送指令，包括但不限于开始任务指令和结束任务指令；任务模块102根据无人艇的当前运动参数和多波束测深仪201的勘测参数计算划定测绘任务区域、规划最佳测绘航线并标注测绘点，并在复杂海底地形测绘时为仿生机器人规划期望航线；海事计算机103用于在线处理母船控制中心所接收的无人艇测绘信息(包括无人艇位置信息、姿态信息、多波束所测得的深度信息以及仿生机器人上拍摄装置301所获得的图像信息)并根据所测信息进行在线地形绘制；存储模块104用于存储海事计算机103处理后的数据并对实时绘制的海底地形信息进行更新存储；显示模块105用于显示任务模块102生成的测绘航线、无人艇的实时位置以及特殊地形测绘中仿生机器人的拍摄装置301获得的图像信息；第一通信模块106用于与无人艇及地面基站上的其他设备通信；
如图2所示，无人艇测绘系统由多波束测深仪201、第一控制模块202、定位模块203、第二通信模块204组成。多波束测深仪201根据母船控制中心的任务模块102生成的测绘点，利用回声信号测量、绘制海底地形和水深；第一控制模块202用于控制无人艇按照母船控制中心的任务模块102所产生的最佳航线航行并控制多波束测深仪201在标定的测绘点进行测量；定位模块203包括GPS定位装置和航姿传感器，用于测量无人艇实时位置信息和姿态角(包括航向角、俯仰角、横滚角)；第二通信模块204用于与母船控制中心和仿生机器人测绘系统进行通信；
如图2所示，仿生机器人测绘系统由拍摄装置301、第二控制模块302、第三通信模块303组成。拍摄装置301用于拍摄特殊地形的图像信息，要求拍摄装置301的拍摄角度大于等于120°；第二控制模块302用于控制仿生机器人形成编队并按照母船控制中心的任务模块102所产生的航迹向目标位置运动；第三通信模块303用于与无人艇测绘系统通信并将采集的图像信息发送到无人艇测绘系统；
通过以上一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现地控制方法，具体包括以下步骤：
S01：母船搭载无人艇，无人艇搭载仿生机器人运动至测绘区域附近后，利用布放回收装置(用于放置和回收无人艇的装置，常见为安装在母船上的机械转置)将搭载仿生机器人的无人艇投放到海平面；
S02：母船控制中心任务模块102根据测绘区域和无人艇位置、姿态信息规划测绘航线，航线生成过程如图3所示。其中测绘航线的生成指令包括测绘任务区域、最佳航行路线、无人艇姿态参数及多波束测深仪201勘测参数。该航线生成过程包括以下四个步骤：
步骤1.根据无人艇的运动参数和多波束测深仪的勘测参数计算出测量装置每次勘测所对应的海底地形参数；无人艇的运动参数包括无人艇的位置坐标与航向角，勘测参数指多波束测量仪的波束角范围、接收波束和发射波束的角度范围，如图4所示(为一种多波束测深仪的原理图示例)；
步骤2.根据多波束测量仪的波束角重叠度，计算出测绘航线的最佳间距，允许的波束角重叠度也是上述多波束勘测参数之一，该参数为后续测量信息拼接。如图5所示，M1代表多波束测深仪每次的测量区域，M2代表测量信息拼接时允许的重叠区域，由此确定测量航线L1和L2之间的最佳间距；
步骤3.根据测绘航线之间的最佳间距与目标测绘区域，计算出所有测绘航点；
步骤4.根据无人艇航向排列测绘航点，以生成完整的测绘航线。
本发明的无人艇海底地形测绘系统可测绘区域形状不限定，图6以矩形测绘区域为例展示了生成的测绘航线，图7为测绘系统示例中测绘航线上生成的测绘点。此外测绘航线与测绘点的生成与无人艇的航向有关，同一测绘区域，航向不同，测绘航线不同，测绘点不同，如图8，图9所示；
S03：母船控制中心将生成的测绘航线和测绘点通过第一通信模块106发送到无人艇控制系统，并在显示模块105显示生成的测绘航线和无人艇的当前位置；
S04：无人艇测绘系统通过第二通信模块204接收测绘航线和测绘点，并对信息进行解析，将测绘航线和测绘点分别发送至第一控制模块202，成功解析后向母船控制中心发送请求任务开始指令；
S05：母船控制中心根据当前海况，决定是否开始任务，如果海况满足测绘要求则通过操作平台101向无人艇发送开始任务指令；
S06：无人艇测绘系统接收到开始任务的指令后，通过第一控制模块202控制无人艇按照测绘航线循迹，并控制多波束测深仪201在标定的测绘点测量水深和地形信息；
S07：无人艇测绘系统实时将定位模块203测得的位置信息和多波束测深仪201测得的地形信息通过第二通信模块204发送到母船；
S08：母船控制中心利用第一通信模块106接收无人艇传输的信息，并将解析后的数据发送海事计算机103，海事计算机103根据位置信息和测绘信息在线绘制海底地形；
S09：若测绘任务区域内包含复杂地形，则由母船控制中心命令无人艇投放仿生机器人，并将规划好的仿生机器人航线和期望航向以及下潜距离等信息发送至无人艇，再以无人艇作为通信媒介将信息转发至仿生机器人测绘系统；
S10：无人艇测绘系统根据母船指令投放仿生机器人，同时将期望航线、期望航向、下潜距离信息发送至仿生机器人测绘系统；
S11：仿生机器人测绘系统通过第三通信模块303接收数据，并将解析的数据传输至第二控制模块302，第二控制模块302控制发生机器人按照期望航线航行；
S12：仿生机器人航行到目标点并形成图10所示正六边形的队形后(本实施例中正六边形这种是最简单的情况，3个仿生机器人测量360度范围内场景，并不限于这种情况)，启动拍摄装置301，获取特殊地形周围全方位图像信息，并将拍摄到的图像信息通过无人艇发送至母船；
S13：母船控制中心将接收到的图像信息进行显示存储，同时利用海事计算机103进行地形绘制；
S14：重复上述步骤直至完成目标区域测绘任务，任务完成后由母船搭载无人艇和无人艇搭载仿生机器人返航
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，该仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统由母船、无人艇、仿生机器人三级控制系统组成，所述母船中的母船控制中心和仿生机器人中的仿生机器人测绘系统分别与无人艇中的无人艇测绘系统进行通信，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
S01：所述母船搭载无人艇，无人艇搭载所述仿生机器人运动至测绘区域附近后，利用布放回收装置将搭载仿生机器人的无人艇投放到海平面；
S02：所述母船控制中心任务模块根据测绘区域和无人艇位置、姿态信息规划测绘航线和计算测绘点，其中测绘航线的生成指令包括测绘任务区域、最佳航行路线、无人艇姿态参数及多波束测深仪勘测参数；
S03：所述母船控制中心将生成的测绘航线和测绘点通过第一通信模块发送到无人艇控制系统，并在显示模块显示生成的测绘航线和无人艇的当前位置；
S04：所述无人艇测绘系统通过第二通信模块接收测绘航线和测绘点，并对信息进行解析，将测绘航线和测绘点分别发送至第一控制模块，成功解析后向母船控制中心发送请求任务开始指令；
S05：所述母船控制中心根据当前海况，决定是否开始任务，如果海况满足测绘要求则通过操作平台向无人艇测绘系统发送开始任务指令；
S06：所述无人艇测绘系统接收到开始任务的指令后，通过第一控制模块控制无人艇按照测绘航线循迹，并控制多波束测深仪在标定的测绘点测量水深和地形信息；
S07：所述无人艇测绘系统实时将定位模块测得的位置信息和多波束测深仪测得的地形信息通过第二通信模块发送到母船控制中心；
S08：所述母船控制中心利用第一通信模块接收无人艇传输的信息，并将解析后的数据发送海事计算机，海事计算机根据位置信息和测绘信息在线绘制海底地形；
S09：若测绘任务区域内包含复杂地形，则由所述母船控制中心命令无人艇投放仿生机器人，并将规划好的仿生机器人航线和期望航向以及下潜距离信息发送至无人艇，再以无人艇作为通信媒介将信息转发至仿生机器人测绘系统；
S10：所述无人艇测绘系统根据母船指令投放仿生机器人，同时将期望航线、期望航向、下潜距离信息发送至仿生机器人测绘系统；
S11：所述仿生机器人测绘系统通过第三通信模块接收数据，并将解析的数据传输至第二控制模块，第二控制模块控制仿生机器人按照期望航线航行；
S12：所述仿生机器人航行到目标点并形成队形后，启动拍摄装置，获取特殊地形周围全方位图像信息，并将拍摄到的图像信息通过无人艇测绘系统发送至母船控制中心；
S13：所述母船控制中心将接收到的图像信息进行显示存储，同时利用海事计算机进行地形绘制；
S14：重复上述步骤直至完成目标区域测绘任务，任务完成后由母船搭载无人艇和无人艇搭载仿生机器人返航。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，其特征在于，所述步骤S02中，所述航线生成过程包括以下四个步骤：
步骤1.根据无人艇的运动参数和多波束测深仪的勘测参数计算出测量装置每次勘测所对应的海底地形参数；无人艇的运动参数包括无人艇的位置坐标与航向角，勘测参数指多波束测量仪的波束角范围、接收波束和发射波束的角度范围；
步骤2.根据多波束测量仪的波束角重叠度，计算出测绘航线的最佳间距，允许的波束角重叠度也是上述多波束勘测参数之一，该参数为后续测量信息拼接；
步骤3.根据测绘航线之间的最佳间距与目标测绘区域，计算出所有测绘航点；
步骤4.根据无人艇航向排列测绘航点，以生成完整的测绘航线。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，其特征在于，所述母船控制中心由操作平台（101）、任务模块（102）、海事计算机（103）、存储模块（104）、显示模块（105）、第一通信模块（106）组成；所述无人艇测绘系统由多波束测深仪（201）、第一控制模块（202）、定位模块（203）、第二通信模块（204）组成；所述仿生机器人测绘系统由拍摄装置（301）、第二控制模块（302）、第三通信模块（303）组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，其特征在于，所述操作平台（101）提供人机交互界面，利用按键或摇杆向所述无人艇测绘系统和仿生机器人测绘系统发送指令，包括开始任务指令和结束任务指令；所述任务模块（102）根据无人艇的当前运动参数和多波束测深仪（201）的勘测参数计算划定测绘任务区域、规划最佳测绘航线并标注测绘点，并在复杂海底地形测绘时为仿生机器人规划期望航线；所述海事计算机（103）用于在线处理所述母船控制中心所接收的无人艇测绘信息并根据该信息进行在线地形绘制；所述存储模块（104）用于存储海事计算机（103）处理后的数据并对实时绘制的海底地形信息进行更新存储；所述显示模块（105）用于显示任务模块（102）生成的测绘航线、无人艇的实时位置以及特殊地形测绘中仿生机器人的拍摄装置（301）获得的图像信息；所述第一通信模块（106）用于与无人艇及地面基站上的其他设备通信。
5.根据权利要求3所述的一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，其特征在于，所述多波束测深仪（201）根据母船控制中心的任务模块（102）生成的测绘点，利用回声信号测量、绘制海底地形和水深；所述第一控制模块（202）用于控制无人艇按照母船控制中心的任务模块（102）所产生的最佳航线航行并控制多波束测深仪（201）在标定的测绘点进行测量；所述定位模块（203）包括GPS定位装置和航姿传感器，用于测量无人艇实时位置信息和姿态角；所述第二通信模块（204）用于与母船控制中心和仿生机器人测绘系统进行通信。
6.根据权利要求3所述的一种基于仿生机器人的无人艇海底地形测绘控制系统实现的控制方法，其特征在于，所述拍摄装置（301）用于拍摄特殊地形的图像信息，拍摄角度大于等于120°；所述第二控制模块（302）用于控制仿生机器人形成编队并按照母船控制中心的任务模块（102）所产生的航迹向目标位置运动；所述第三通信模块（303）用于与无人艇测绘系统通信并将采集的图像信息发送到所述无人艇测绘系统。
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