CN112757291A - 一种水下设施表面攀爬机器人通信系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下攀爬机器人通信系统及其控制方法，涉及通信技术领域，以解决现有的机器人系统功能难以进一步扩充性能难以提升的问题。所述通信系统包括主控端系统和执行端系统，主控端系统包括，主控端操作模块、主控端控制器和主控端通讯模块，执行端系统包括，执行端通讯模块、执行端控制器、多个传感器模块和驱动器模块。本发明提供的机器人通信系统采用分布式的架构使得控制通信系统具有更好的扩展性，对该控制系统进行不同的功能裁剪及组合后可适用于其他类型的移动机器人控制系统，具有开放性与兼容性的设计优点。

Description

一种水下设施表面攀爬机器人通信系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种水下设施表面攀爬机器人通信系统及其控制方法。

背景技术

不同设施表面攀爬机器人在当代人类社会生产活动中，发挥着越来越重要的作用。这类机器人系统可用于大型设施表面检测、表面清理、表面涂覆等作业，还可用于帮助完成重大设施的故障诊断、故障预警、状态维护等，是代替人类在危险、复杂、狭窄等环境中完成一定作业任务的重要工具。

自然或人工环境中，不同设施表面的材料性质不同、表面形貌各异、环境湿度有别、表面附着物状态(紧致/松散、粘黏性、湿滑性等)纷繁复杂，给攀爬机器人的稳定可靠攀附和移动作业，带来了很大的技术挑战。为了提高攀爬机器人的攀附移动能力，针对不同的应用目的，国内外已经提出了较多不同攀爬机器人的设计方案。但是由于这些攀爬机器人通常是针对不同应用目的而开发研制的，随着机器人系统功能的不断添加，各种功能模块间的数据交互关系日趋复杂，基于集中式架构的机器人本体系统的复杂性和开发调试难度不断增加，不利于机器人系统功能进一步扩充与性能的提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下设施表面攀爬机器人通信系统及其控制方法，采用分布式架构使得控制通信系统具有更好的扩展性，在主控端通讯模块和执行端通讯模块分别设置多条通信通道，使得用户可以根据不同需求在多条通信通道上增加不同类型的传感器模块，对该通信系统进行不同的功能剪裁及组合后可适用于其他类型的移动机器人通信系统，具有开放性与兼容性的设计优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种水下设施表面攀爬机器人通信系统，包括主控端系统和执行端系统，所述主控端系统包括，主控端操作模块、主控端控制器和主控端通讯模块，所述执行端系统包括，执行端通讯模块、执行端控制器、多个传感器模块和驱动器模块；

所述多个传感器模块包括电源能耗管理模块、密封舱状态监测模块和驱动器状态监测模块，所述多个传感器模块的类型或个数根据用户需求进行调整或增减；

所述主控端通讯模块包含至少2条通信通道，所述主控端通讯模块的第1条通信通道与所述主控端控制器连接，所述主控端通讯模块的第2条通信通道与所述主控端操作模块连接；

所述执行端通讯模块包含至少5条通信通道，所述执行端通讯模块的5条通信通道按照通信通道条数的排列顺序分别与所述执行端控制器、所述电源能耗管理模块、所述密封舱状态监测模块、所述驱动器模块和所述驱动器状态监测模块一一对应连接；

所述主控端通讯模块与所述执行端通讯模块连接并相互组成局域网；

所述主控端通讯模块和/或所述执行端通讯模块的通信通道数量根据用户需求进行扩展；

所述主控端控制器，用于向所述执行端系统发送控制指令，通过所述执行端系统控制所述攀爬机器人进行相应的工作并接收所述执行端系统返回的状态信息，以及设定各模块之间的数据通信协议；

所述主控端操作模块通过所述主控端通讯模块和所述执行端通讯模块向所述执行端系统发送操作指令；

所述执行端控制器用于接收所述主控端控制器和所述主控端操作模块传输到所述执行端系统的指令信息，通过所述执行端通讯模块传输指令信息，控制所述驱动器模块进行水下攀爬过程中的运动，并定时将所述多个传感器模块采集的信息传输到所述主控端控制器；

所述驱动器模块用于接收所述执行端控制器的指令信息，并驱动执行元件进行相应的动作；

所述电源能耗管理模块，用于管理并监测所述执行端系统能源消耗，并定时将所述能耗信息通过所述执行端通讯模块传输到所述执行端控制器；

所述密封舱状态监测模块，用于监测所述攀爬机器人在水下攀爬过程中密封舱的状态信息，并定时将所述密封舱的状态信息传输到所述执行端控制器；

所述驱动器状态监测模块，用于监测所述攀爬机器人在水下攀爬过程中驱动元件的状态数据，并定时将所述驱动元件的状态数据传输到所述执行端控制器。

本发明还提供一种水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，所述方法包括：

主控端控制器设定各模块之间数据传输的通信协议；

执行端控制器对攀爬机器人通信系统进行状态自检，并确认所述攀爬机器人通信系统能够进行正常工作；

主控端控制器设置所述攀爬机器人的工作模式；

执行端控制器根据所述工作模式控制所述攀爬机器人动作。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明采用分布式架构使得控制通信系统具有更好的扩展性，在主控端通讯模块和执行端通讯模块分别设置多条通信通道，使得用户可以根据不同需求在多条通信通道上增加不同类型的传感器模块，对该通信系统进行不同的功能剪裁及组合后可适用于其他类型的移动机器人通信系统，具有开放性与兼容性的设计优点。

2、本发明在主控端以及执行端分别放置控制器，可以保证执行端具备一定的数据处理能力，使得机器人在水下执行任务时，发生通讯故障时具备一定的自治能力，增强控制系统的环境适应能力。

3、本发明通过局域网组成分布式通讯系统，可以分担控制系统的计算量，如使用摄像信息控制模块的数据进行强化学习、视觉SLAM建图，以及同时控制多台机器人进行数据共享等扩展功能，为水下攀爬机器人实现智能的算法提供物理基础。

4、本发明采用话题通信机制的异步通信模式，将信息的产生和使用双方解耦，使得在处理执行端的状态反馈数据时，如深度信息监测模块、姿态信息监测模块、摄像信息控制模块、电源能耗管理模块、密封舱状态监测模块，可以避免由于逻辑处理问题导致数据异常；增设数据缓冲队列，使其适应不同频率的数据发布以及通信阻塞等问题，增加数据传输的可靠性、稳定性。

5、本发明采用动作通信机制的问答通信机制，可以处理有强逻辑处理的数据交换，使得在处理执行端发送的任务类指令时，如驱动器执行模块，可以保证任务指令的实时性、逻辑性，并将驱动器状态监测模块的数据作为反馈值，实时反馈给执行端控制器掌握任务进度，保障系统数据传输的实时性。

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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一所提供的水下设施表面攀爬机器人通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二所提供的水下设施表面攀爬机器人通信系统控制方法的流程图；

符号说明：1：主控端系统；2：执行端系统；11主控端操作模块；12主控端控制器；13主控端通讯模块；21执行端通讯模块；22：执行端控制器；23：多个传感器模块；24：驱动器模块；231：电源能耗管理模块；232：密封舱状态监测模块；233驱动器状态监测模块；234：深度信息监测模块；235：姿态信息监测模块；236：摄像信息控制模块；237：表面检测模块；238声呐模块。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明针对水下设施表面攀爬机器人在浅水域环境中工作的特点，设计了一套基于ROS实时操作系统的水下攀爬机器人的整体通信系统，实现了水下核心控制器对水下分系统快速高效的信息采集和数据分配，水下系统和水面控制器稳定实时的数据交换，采用分布式的架构使得控制通信系统具有更好的扩展性，对该控制系统进行不同的功能裁剪及组合后可适用于其他类型的移动机器人控制系统，具有开放性与兼容性的设计优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

请参阅图1，本实施例提供的一种水下设施表面攀爬机器人通信系统包括：主控端系统1和执行端系统2，所述主控端系统1包括，主控端操作模块11、主控端控制器12和主控端通讯模块13，所述执行端系统2包括，执行端通讯模块21、执行端控制器22、多个传感器模块23和驱动器模块24；

其中，所述主控端系统1为上位机，执行端系统2为下位机。

所述多个传感器模块23包括电源能耗管理模块231、密封舱状态监测模块232和驱动器状态监测模块233。需要说明的是，本实施例中的多个传感器模块23并不仅限于上述提到的三个模块，多个传感器模块23的类型或个数可以根据用户需求进行调整或增减；

所述主控端通讯模块13通过远程通信WiFi接口与所述执行端通讯模块21的远程通信WiFi接口连接，相互组成局域网通过2.4GHz或5.8GHz进行数据传输；其中，执行端的WiFi通信接口采用浮漂的形式固定在水面上方，使用通信线缆连接射频天线与执行端控制器22，负责主控端系统1与控制端系统之间的数据传输，传输的数据量大，包含主控端系统1对执行端系统2的指令信息以及执行端系统2反馈给主控端系统1的状态信息，涉及到压缩视频信号的传输，并且需要具有数据缓冲的能力，因此采用话题(Topic)通讯机制进行数据传输。

所述主控端通讯模块13，支持USB3.0及扩展接口，且包含至少2条通信通道；

其中，主控端通讯模块13的第1条通信通道与所述主控端控制器12相连，采用USB3.0接口连接外置网卡单元，采用2.4GHz与5.8GHz频段进行通讯；

所述主控端控制器12采用PC机设备作为主控端控制器12，安装有AMD版Ubuntu18.04的Linux操作系统和AMD版ROS Melodic版本操作系统，通过USB3.0接口连接外置网卡单元发射频率为2.4GHz与5.8GHz信号进行通讯并设置通讯速率为100Hz，采用话题(Topic)通信机制定时向所述执行端系统2发送控制指令，通过所述执行端系统2控制所述攀爬机器人进行相应的工作并接收所述执行端系统2返回的状态信息，以及设定各模块之间的数据通信协议。

具体的，所述主控端控制器12采用以下方法设定各模块之间的数据通信协议：

对于数据不断更新，且含有较少逻辑处理的模块(例如电源能耗管理模块231和密封舱状态检测模块)采用话题通信机制进行数据通信；

对于需要连续反馈任务进度，且需要对数据进行强逻辑处理的模块(例如驱动器模块24)采用动作通信机制进行数据通信。

主控端通讯模块13的第2条通信通道与所述主控端操作模块11相连，采用USB3.0接口连接外置2.4GHz射频发射器进行通讯，并设置通讯速率为100Hz，采用话题(Topic)通信机制定时向所述执行端系统2发送操作指令，共传送4个A/D量和17个数字量。

所述执行端通讯模块21支持USB3.0及扩展接口、I²C接口、SPI接口、CSI camera接口、TTL接口、RS232串行通信接口、CANOpen通信协议、EtherCAT通讯协议。执行端通讯模块21包含至少5条通信通道，所述执行端通讯模块21的5条通信通道按照通信通道条数的排列顺序分别与所述执行端控制器22、所述电源能耗管理模块231、所述密封舱状态监测模块232、所述驱动器模块24和所述驱动器状态监测模块233一一对应连接。

具体的，执行端控制器22与执行端通信模块的第1条通信通道相连，通过USB3.0接口连接外置网卡单元发射频率为2.4GHz与5.8GHz信号进行通讯；

所述执行端控制器22采用树莓派4B型号的ARM嵌入式开发板作为执行端控制器22，安装有ARM版Ubuntu18.04的Linux操作系统、ARM版ROS Melodic版本操作系统，用于接收所述主控端控制器12和所述主控端操作模块11传输到所述执行端系统2的指令信息，通过所述执行端通讯模块21传输指令信息，控制所述驱动器模块24进行水下攀爬过程中的运动，并采用话题(Topic)通信机制定时将所述多个传感器模块23采集的信息传输到所述主控端控制器12。

电源能耗管理模块231与执行端通讯模块21的第2条通信通道通过TTL接口连接，用于管理并监测所述执行端系统2能源消耗，并采用话题(Topic)通信机制定时将采集的电池基本信息传输到执行端控制器22和主控端控制器12，并接收执行端控制器22的电源指令，控制驱动器模块24的通电断电动作。所述电池基本信息包括：电池电量、电流大小、电压大小、电池温度信息。

密封舱状态监测模块232与执行端通信模块的第3条通信通道通过SPI接口连接，通讯速率设置为10Hz，最大为125.0MHz。所述密封舱状态监测模块232用于监测所述攀爬机器人在水下攀爬过程中密封舱的状态信息，并采用话题(Topic)通信机制定时将采集的密封舱状态信息传输到执行端控制器22，水下攀爬机器人密封舱状态信息包括：舱内湿度、温度、压力信息。

执行端控制器22与驱动器模块24通过执行端通讯模块21的第4条通信通道相连，执行端控制器22和驱动器模块24是水下攀爬机器人通信系统中最为关键的，通过RS232串行通信接口连接并设置通讯速率为115200bps，最大通讯速率为921600bps，采用动作(Action)通信机制实时将信息传输到驱动器模块24，保证通信信号的可靠安全传递，并控制驱动模块驱动执行元件进行相应的动作。

执行端控制器22与驱动器状态监测模块233通过执行端通讯模块21的第5条通信通道相连，采用RS232串行通信接口连接，通讯速率最大为921600bps，可进行配置。驱动器状态监测模块233，用于监测所述攀爬机器人在水下攀爬过程中驱动元件的状态数据，并采用话题(Topic)通信机制实时将所述驱动元件的位置、速度、力矩信息传输到所述执行端控制器22。

所述主控端通讯模块13和/或所述执行端通讯模块21的通信通道数量可以根据用户需求进行扩展。例如，根据用户需求，当需要增加相应的传感器模块时，可以对应增加执行端通讯模块21的信道数量，将新增的传感器模块通过执行端通讯模块21新增的通信信道连接到执行端通讯模块21。

为了体现本实施例的通信系统具有更好的扩展性，作为一种可选的实施方式，所述多个传感器模块23还包括深度信息监测模块234、姿态信息监测模块235、摄像信息控制模块236、表面检测模块237和声呐模块238中的一个或几个模块。

其中，深度信息监测模块234，用于获取所述攀爬机器人在水下攀爬过程中的深度数据，并定时将所述深度数据传输到所述执行端控制器22；

姿态信息监测模块235，用于获取所述攀爬机器人在水下攀爬过程中的四元数数据，并定时将所述四元数数据传输到所述执行端控制器22；

摄像信息控制模块236，用于控制摄像头实时拍摄所述攀爬机器人的运动过程，并定时将拍摄的信息传输到所述执行端控制器22；

表面检测模块237，用于检测所述攀爬机器人的表面状态，并定时将表面状态信息传输到所述执行端控制器22；

声呐模块238，用于采集水下环境的地图数据，并定时将所述地图数据传输到所述执行端控制器22。

用户可以根据需求相应的增减上述多个传感器模块23中的一个或几个模块，并将新增的多个所述传感器模块分别与所述执行端通讯模块21除前5条通信通道之外的其他通信通道一一对应连接；

为了便于本领域技术人员更加清楚的理解本实施例所提供的通信系统的可扩展性，在此举例进行说明。

当需要对攀爬机器人进行故障诊断时，可以在现有的传感器模块的基础上增加其他的传感器模块，即利用电源能耗管理模块231和密封舱状态监测模块232，并新增姿态信息监测模块235，将姿态信息监测模块235与执行端通讯模块21的第7条通信信道采用SPI接口连接。具体的，通过电源能耗来判断是否是没电了，通过密封舱监测是不是进水了，通过姿态信息监测是不是被卡住了，等等；

当用户需要对攀爬机器人的表面状态进行检测时，可以增加表面检测模块237，并在攀爬机器人通信系统的执行端通讯模块21上扩展第8条通信通道，进而将表面检测模块237采集的数据信息通过执行端通讯模块21的第8条通信通道并采用话题通信机制传输到下位机的执行端控制器22，或者进一步通过WIFI将数据传输到上位机的主控端控制器12。

当用户需要建立水下环境的地图时，可以增加声呐设备，即增加声呐模块238，声呐模块238添加在执行端通讯模块21，开辟单独的通信通道，比如第9条通信通道。添加的声呐模块238在硬件上需要满足采用USB接口(TTL接口)或者CAN接口或者其他上述支持的接口与执行端控制器22连接，将采集的数据通过执行端通讯模块21传输给执行端控制器22处理或者传输给主控端控制器12处理。

需要说明的是，增加一条通信通道需要两个条件，一个是硬件上需要执行端控制器22有相应的硬件接口，本实施例中在攀爬机器人上提供了EtherCAT、CAN、IIC、RS232、TTL通讯接口，基本涵盖了90％常用的接口，同时目前采用的执行端控制器22提供的接口很丰富，比如提供一条EtherCAT接口(一条就够了)，CAN接口(一条就够了)，IIC接口可以连接大概100个设备，RS232可以进行扩展，数量在几十个不限，TTL接口也可以扩展，数量在十几个，也就是说硬件上完全充足。另一个条件是软件上，由于本实施例采用的是分布式通讯框架，所以增加一条通讯通道，不会对其他的通讯通道产生较大的影响，工程实现上也就是增加一段代码即可，这段代码和主程序互通，就可以让这个通道纳入整体的系统，也就是说软件上更是不限数量，采用的执行端控制器22本身的计算能力很强可以应对上面的硬件接口数量，而且采用的是分布式通讯，即使计算量太大也可以把数据通过wifi传输到上位机处理，处理好再回传，这是不同于STM32的开发板计算能力有限的地方。

本实施例提供的通信系统可以保证通信系统的实时性和可靠性，并根据实际作业需要增加或删除模块，具有良好的可扩展性和经济性；既能保证控制系统发送的命令准确、稳定的接受和发送，又能保证状态检测数据的及时反馈和不丢帧，可广泛应用与浅水作业型UCR的控制系统。

实施例二

请参阅图2，本实施例提供的一种水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法包括：

S1、主控端控制器12设定各模块之间数据传输的通信协议；

其中，所述通信协议包括话题(Topic)通信机制、服务(Server)通信机制和动作(Action)通信机制。

所述话题(Topic)通信机制，是ROS(Robot Operating System机器人软件平台)中基于发布(publish)/订阅(subscribe)模型的异步通信模式，这种方式将信息的产生和使用双方解耦，常用于不断更新的、含有较少逻辑处理的数据通信。

所述服务(Server)通信机制，是ROS中基于客户端(client)/服务器(server)模型，多用于处理ROS中的同步通信，常用于数据量较小但有强逻辑处理的数据交换；

所述动作(Action)通信机制，是ROS中一种类似于Server的问答通信机制，不同之处在于action带有连续反馈，可以不断反馈任务进度，也可以在任务过程中中止运行；

具体的，设定主控端控制器12与执行端控制器22之间、主控端操作模块11与执行端控制器22之间以及多个传感器模块23与执行端控制器22之间均采用话题通信机制进行数据传输；设定执行端控制器22与驱动器模块24之间采用动作通信机制进行数据传输。

S2、执行端控制器22对攀爬机器人通信系统进行状态自检，并确认所述攀爬机器人通信系统能够进行正常工作；

执行端控制器22通过执行端通讯模块21采集传感器信号，判断机器人的状态信息是否可以正常工作，若自检通过，则可以进行下一步操作：

具体的，执行端控制器22接收电源能耗管理模块231采集的数据，判断执行端系统2的能源状况，若电源电量低于设定阈值的电量，则将所述执行端系统2的状态数据传送到主控端控制器12，在所述主控端控制器12提示警告弹窗，直到故障排除；

接收驱动器状态监测模块233采集的数据，判断执行电机的功能是否正常，其中，若采用RS232串行通信接口进行通信，则向驱动器模块24发送ASCII码指令，设定通信速率、工作模式为位置环、速度环或电流环，根据驱动器模块24返回的ACSII码判断功能是否正常；若采用CANOpen通信协议或EtherCAT进行通信，则向驱动器模块24发送ASCII码指令，设定通信速率、工作模式为位置环、速度环或电流环，根据驱动器模块24返回的ACSII码判断功能是否正常。当出现异常时，则在所述主控端控制器12提示警告弹窗，直到所述执行电机的功能正常。

接收密封舱状态监测模块232采集的数据判断密封舱内的压力、湿度、温度是否正常，若出现温度高于室温，则在上位机软件提示警告弹窗，直到温度正常；若出现湿度异常，则在上位机软件提示警告弹窗，直到湿度正常；若出现压力高于设定值，则在上位机软件提示警告弹窗，直到压力正常。

接收执行端通信模块的状态数据，判断通信状态是否良好，若在开机启动过程中，信号未连接或中断，则所述执行端控制器22终止向所述驱动器模块24发送控制指令，并在所述主控端控制器12提示警告弹窗，直到信号连接正常；若攀爬机器人在水下攀爬过程中出现信号中断，则所述执行端控制器22自动切换至返航模式，反向遍历日志文件中记录的控制指令，驱动所述执行端系统2返回原点，并在所述主控端控制器12提示警告弹窗，直到信号正常。

S3、主控端控制器12设置所述攀爬机器人的工作模式；

其中，所述攀爬机器人的工作模块包括操作模式、主动模式和返航模式。

S4、执行端控制器22根据所述工作模式控制所述攀爬机器人动作。

若所述工作模式为操作模式，则所述执行端系统2根据所述主控端操作模块11的操作指令，驱动攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作；

具体的，主控端操作模块11通过操作设备发送的模拟量和数字量指令经所述主控端通讯模块13传输到所述主控端控制器12，所述操作设备包括：操作手柄、键盘、语音或手势；

所述主控端控制器12将所述模拟量和数字量指令映射为单位数值，并通过主控端通讯模块13和执行端通讯模块21发送到所述执行端系统2；

所述执行端系统2中的执行端控制器22接收所述单位数值，通过所述执行端通讯模块21传输到驱动器模块24；

所述驱动器模块24驱动攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作。

若所述工作模式为主动模式，则所述执行端系统2根据所述执行端控制器22的SLAM控制算法发出控制指令，驱动攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作；

具体的，主控端控制器12设定一终点位置，并将所述终点位置通过所述主控端通讯模块13和所述执行端通讯模块21发送到所述执行端控制器22；

所述执行端控制器22根据终点位置和出发位置通过所述SLAM控制算法自动规划出从所述出发位置到所述终点位置的路径；

所述执行端控制器22通过所述SLAM控制算法将所述路径分解成n个指令并发送给所述驱动器模块24；

所述驱动器模块24根据所述指令驱动所述攀爬机器人从所述出发位置到达所述终点位置。

若所述工作模式为返航模式，则所述执行端系统2根据所述执行端控制器22的返航控制算法发出的控制执行，驱动攀爬机器人完成相应的攀爬动作。

具体的，执行端控制器22通过返航控制算法自动记录攀爬机器人从出发位置达到终点位置的路线；

所述执行端控制器22通过返航控制算法自动将所述出发位置到所述终点位置的路线反转；

所述执行端控制器22根据反转后的路线驱动攀爬机器人返回出发位置。

实施例三

为了使水下攀爬机器人在运动过程中能够准确到达目标位置，并进行相应的动作，本实施例提供一种水下攀爬机器人控制方法，所述方法包括：

S101、执行端控制器22接收主控端系统1的控制指令并根据该指令控制驱动器模块24执行相应动作；

其中，执行端控制器22所接收控制指令包括：主控端操作模块11发送的即时指令和通过内部传感器、外部传感器采集的数据信息经过路径规划算法计算得到的指令。

主控端操作模块11发送的即时指令包括操作手柄、键盘、语音、手势等操作设备发送的模拟量和数字量，主控端控制器12对接收到的指令映射为单位数值，通过主控端通讯模块13发送到执行端控制器22用于操作机器人运动。

需要说明的是，内部传感器是测量机器人自身的状态信息，比如姿态、位移等；外部传感器是测量机器人周围环境的信息，如水深、摄像头采集的图像都是外部环境。内部信息与外部信息相互参照可以更准确的对机器人进行定位。本实施例中所述的内部传感器包括姿态信息监测模块235和驱动器状态监测模块233，外部传感器包括深度信息监测模块234和摄像信息控制模块236。

其中，驱动器状态检测模块采集的数据包括执行元件的实际位置、实际速度、实际加速度、温度数据，并将上述数据发送到执行端控制器22，由执行端通信模块传输到主控端控制器12，在上位机中实时显示机器人在水下攀爬过程中的动作状态；

执行端控制器22控制驱动器模块24执行相应动作时，发送到驱动器模块24的数据包括位置指令、速度指令、加速度指令以及驱动器支持的其他控制指令；

若执行机构通过GPIO引脚与驱动器模块24相连，则采用RS232串行通信接口进行数据传输，默认通讯速率为9600bps；

若执行机构通过CAN总线与驱动器模块24相连，则采用CANOpen通信协议进行数据传输，默认通讯速率为1MBps；

若执行机构通过Full-throughpu Gigabit Ethernet端口与驱动器模块24相连，则采用EtherCAT通讯协议进行数据传输。

S201、执行端控制器22采集内部传感器、外部传感器数据进行处理，获得机器人在相对空间中的位置信息；

S2011：执行端控制器22接收内部传感器、外部传感器采集的机器人状态数据进行数据融合，计算机器人在水下攀爬过程的相对空间中的位置信息。

具体的，若状态数据包括姿态信息监测模块235、深度信息监测模块234以及驱动器状态监测模块233的数据，则采用卡尔曼滤波算法将[alpha，beta，gama，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]、[z]与[x，y]数据进行融合，获得机器人在水下攀爬过程的相对空间中[x，y，z，alpha，beta，gama，dot_x，dot_y，dot_z，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]数据；

若状态数据包括姿态信息监测模块235、驱动器状态监测模块233的数据，则采用卡尔曼滤波算法将[alpha，beta，gama，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]与[x，y]数据进行融合，获得机器人在水下攀爬过程的相对空间中[x，y，z，alpha，beta，gama，dot_x，dot_y，dot_z，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]数据；

若状态数据包括深度信息监测模块234、驱动器状态监测模块233的数据，则采用卡尔曼滤波算法将将[z]与[x，y]数据以及相应的一阶微分数值进行融合，获得机器人在水下攀爬过程的相对空间中[x，y，z，dot_x，dot_y，dot_z]数据；

若状态数据包括多个姿态信息监测模块235的数据，则采用平均滤波算法将多组[alpha，beta，gama，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]数据进行数据融合，获得机器人在水下攀爬过程的相对空间中[x，y，z，alpha，beta，gama，dot_x，dot_y，dot_z，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]数据；

其中[x，y，z]为该坐标系下沿三个直角坐标轴方向的移动位移；

其中[alpha，beta，gama]为该坐标系下绕三个直角坐标轴方向的转动位移；

其中[dot_x，dot_y，dot_z]为该坐标系下沿三个直角坐标轴方向的移动速度；

其中[dot_alpha，dot_beta，dot_gama]为该坐标系下沿三个直角坐标轴方向的转动速度；

S2012：使用ORB_SLAM算法对摄像信息控制模块236采集的图像数据进行处理，获得机器人在水下攀爬过程的相对空间中[x，y，z，alpha，beta，gama，dot_x，dot_y，dot_z，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]数据；

S2013：使用卡尔曼滤波算法对深度信息监测模块234、姿态信息监测模块235、驱动器状态监测模块233计算的位置数据与摄像信息控制模块236计算的位置数据进行数据融合，以获得更准确的位置数据，包括[x，y，z，alpha，beta，gama，dot_x，dot_y，dot_z，dot_alpha，dot_beta，dot_gama]数据；

S301、执行端控制器22将由所述步骤S201得到的所述相对空间中的位置信息作为反馈数据，通过PID控制算法对执行端系统2的位置操作指令、速度操作指令以及加速度操作指令进行实时修正，使攀爬机器人达到更高的运动控制精度；

具体的，若机器人设定为操作模式，通过主控端操作模块11对机器人发送控制指令，则执行端控制器22仅发送机器人的修正位置指令、修正速度指令、修正加速度指令；

若机器人设定为主动模式、返航模式，指定机器人的期望轨迹数据，则由SLAM模块发送机器人的实际位置、实际速度、实际加速度、修正位置指令、修正速度指令、修正加速度指令。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种水下设施表面攀爬机器人通信系统，包括主控端系统和执行端系统，其特征在于，所述主控端系统包括主控端操作模块、主控端控制器和主控端通讯模块，所述执行端系统包括执行端通讯模块、执行端控制器、驱动器模块和多个传感器模块；

所述多个传感器模块包括电源能耗管理模块、密封舱状态监测模块和驱动器状态监测模块，所述多个传感器模块的类型或个数根据用户需求进行调整或增减；

所述主控端通讯模块包含至少2条通信通道，所述主控端通讯模块的第1条通信通道与所述主控端控制器连接，所述主控端通讯模块的第2条通信通道与所述主控端操作模块连接；

所述执行端通讯模块包含至少5条通信通道，所述执行端通讯模块的5条通信通道按照通信通道条数的排列顺序分别与所述执行端控制器、所述电源能耗管理模块、所述密封舱状态监测模块、所述驱动器模块和所述驱动器状态监测模块一一对应连接；

所述主控端通讯模块与所述执行端通讯模块连接并相互组成局域网；

所述主控端通讯模块和/或所述执行端通讯模块的通信通道数量根据用户需求进行扩展；

所述主控端控制器，用于向所述执行端系统发送控制指令，通过所述执行端系统控制所述攀爬机器人进行相应的工作并接收所述执行端系统返回的状态信息，以及设定各模块之间的数据通信协议；

所述主控端操作模块通过所述主控端通讯模块和所述执行端通讯模块向所述执行端系统发送操作指令；

所述执行端控制器，用于接收所述主控端控制器和所述主控端操作模块传输到所述执行端系统的指令信息，通过所述执行端通讯模块传输所述指令信息，控制所述驱动器模块进行水下攀爬过程中的运动，并定时将所述多个传感器模块采集的信息传输到所述主控端控制器；

所述驱动器模块，用于接收所述执行端控制器的指令信息，并驱动执行元件进行相应的动作；

所述电源能耗管理模块，用于管理并监测所述执行端系统能源消耗，并定时将所述能耗信息通过所述执行端通讯模块传输到所述执行端控制器；

所述密封舱状态监测模块，用于监测所述攀爬机器人在水下攀爬过程中密封舱的状态信息，并定时将所述密封舱的状态信息传输到所述执行端控制器；

所述驱动器状态监测模块，用于监测所述攀爬机器人在水下攀爬过程中驱动元件的状态数据，并定时将所述驱动元件的状态数据传输到所述执行端控制器。

2.根据权利要求1所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统，其特征在于，所述多个传感器模块还包括深度信息监测模块、姿态信息监测模块、摄像信息控制模块、表面检测模块和声呐模块中的一个或几个模块，除所述电源能耗管理模块、所述密封舱状态监测模块和所述驱动器状态监测模块外的其他所述多个传感器模块分别与所述执行端通讯模块除前5条通信通道之外的其他通信通道一一对应连接；

所述深度信息监测模块，用于获取所述攀爬机器人在水下攀爬过程中的深度数据，并定时将所述深度数据传输到所述执行端控制器；

所述姿态信息监测模块，用于获取所述攀爬机器人在水下攀爬过程中的四元数数据，并定时将所述四元数数据传输到所述执行端控制器；

所述摄像信息控制模块，用于控制实时拍摄所述攀爬机器人的运动过程，并定时将拍摄的信息传输到所述执行端控制器；

所述表面检测模块，用于检测所述攀爬机器人的表面状态，并定时将表面状态信息传输到所述执行端控制器；

所述声呐模块，用于采集水下环境的地图数据，并定时将所述地图数据传输到所述执行端控制器。

3.根据权利要求1所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统，其特征在于，所述主控端控制器采用以下方法设定各模块之间的数据通信协议：

对于数据不断更新，且含有较少逻辑处理的模块采用话题通信机制进行数据通信；

对于需要连续反馈任务进度，且需要对数据进行强逻辑处理的模块采用动作通信机制进行数据通信。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

主控端控制器设定各模块之间数据传输的通信协议；

执行端控制器对攀爬机器人通信系统进行状态自检，并确认所述攀爬机器人通信系统能够进行正常工作；

所述主控端控制器设置所述攀爬机器人的工作模式；

所述执行端控制器根据所述工作模式控制所述攀爬机器人动作。

5.根据权利要求4所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，其特征在于，所述主控端控制器设定各模块之间数据传输的通信协议，具体包括：

设定所述主控端控制器与所述执行端控制器之间、主控端操作模块与所述执行端控制器之间以及多个传感器模块与所述执行端控制器之间均采用话题通信机制进行数据传输；设定所述执行端控制器与驱动器模块之间采用动作通信机制进行数据传输。

6.根据权利要求4所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，其特征在于，所述执行端控制器对通信系统进行状态自检，并确认所述攀爬机器人通信系统能够进行正常工作，具体包括：

接收电源能耗管理模块采集的数据，判断执行端系统的能源状况，若电源电量低于设定阈值的电量，则将所述执行端系统的状态数据传送到所述主控端控制器，在所述主控端控制器提示警告弹窗，直到故障排除；

接收驱动器状态监测模块采集的数据，判断执行电机的功能是否正常，若出现异常，则在所述主控端控制器提示警告弹窗，直到所述执行电机的功能正常；

接收密封舱状态监测模块采集的数据，判断密封舱内的压力、湿度、温度是否正常，若出现异常，则在所述主控端控制器提示警告弹窗，直到密封舱内数据正常；

接收执行端通信模块的状态数据，判断执行端系统通信状态是否良好，若在开机启动过程中，信号未连接或中断，则所述执行端控制器终止向所述驱动器模块发送控制指令，并在所述主控端控制器提示警告弹窗，直到信号连接正常；若攀爬机器人在水下攀爬过程中出现信号中断，则所述执行端控制器自动切换至返航模式，反向遍历日志文件中记录的控制指令，驱动所述执行端系统返回原点，并在所述主控端控制器提示警告弹窗，直到信号正常。

7.根据权利要求4所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，其特征在于，所述执行端控制器根据所述工作模式控制攀爬机器人动作，具体包括：

若所述工作模式为操作模式，则所述执行端系统根据所述主控端操作模块的操作指令，驱动攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作；

若所述工作模式为主动模式，则所述执行端系统根据所述执行端控制器的SLAM控制算法发出控制指令，驱动攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作；

若所述工作模式为返航模式，则所述执行端系统根据所述执行端控制器的返航控制算法发出的控制执行，驱动所述攀爬机器人完成相应的攀爬动作。

8.根据权利要求7所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，其特征在于，所述若所述工作模式为操作模式，则所述执行端系统根据所述主控端操作模块的操作指令，驱动攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作具体包括：

主控端操作模块通过操作设备发送的模拟量和数字量指令经所述主控端通讯模块传输到所述主控端控制器，所述操作设备包括：操作手柄、键盘、语音或手势；

所述主控端控制器将所述模拟量和数字量指令映射为单位数值，并通过主控端通讯模块和执行端通讯模块发送到所述执行端系统；

所述执行端系统中的执行端控制器接收所述单位数值，通过所述执行端通讯模块传输到驱动器模块；

所述驱动器模块驱动攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作。

9.根据权利要求7所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，其特征在于，所述若所述工作模式为主动模式，则所述执行端系统根据所述执行端控制器的SLAM控制算法发出控制指令，驱动所述攀爬机器人在水下完成相应的攀爬动作具体包括：

主控端控制器设定一终点位置，并将所述终点位置通过所述主控端通讯模块和所述执行端通讯模块发送到所述执行端控制器；

所述执行端控制器根据终点位置和出发位置通过所述SLAM控制算法自动规划出从所述出发位置到所述终点位置的路径；

所述执行端控制器通过所述SLAM控制算法将所述路径分解成n个指令并发送给所述驱动器模块；

所述驱动器模块根据所述指令驱动所述攀爬机器人从所述出发位置到达所述终点位置。

10.根据权利要求7所述的水下设施表面攀爬机器人通信系统的控制方法，其特征在于，所述若所述工作模式为返航模式，则所述执行端系统根据所述执行端控制器的返航控制算法发出的控制执行，驱动攀爬机器人完成相应的攀爬动作具体包括：

所述执行端控制器通过返航控制算法自动记录所述攀爬机器人从出发位置达到终点位置的路线；

所述执行端控制器通过返航控制算法自动将所述出发位置到所述终点位置的路线反转；

所述执行端控制器根据反转后的路线所述驱动攀爬机器人返回所述出发位置。

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