CN113310517B - 基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法 - Google Patents

基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法，机器人包括一球形/半球形外壳、一压力传感器阵列，压力传感器阵列沿外壳周向布置，该方法包括：步骤1，确定压力传感器阵列中的迎水面压力传感器，读取迎水面压力传感器的数据，计算各个迎水面压力传感器感测的压力；步骤2，将各个所述迎水面压力传感器感测的压力、水流对机器人迎水面的压力、以及读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与水流方向的夹角为参数，求解水流方向和水流强度。本发明解决了小型化水下机器人无法实现水流强度和水流方向感知的问题，可以根据机器人群的感知信息，完成广域环境水流信息的实时记录和绘制，且实现成本低。

Description

基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法
技术领域
本发明属于水下机器人感知领域，具体涉及一种基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法。
背景技术
水下环境复杂多样，对海洋进行探索困难重重，特别是在深海区域，光线缺乏，高压，缺氧，人类难以在这样的极端环境下作业。因此，人们开始越来越多的把探索海洋的重任交给水下机器人去完成。受水生生物侧线感知器官的启发，人工测线系统因分布灵活、功耗低等优点受到越来越多研究人员的重视。
当前基于人工侧线系统的仿生鱼可以实现其自身姿态感知，如速度及运动方向。在多机器鱼协同感知方面，特定机器鱼可以实现对相邻仿生机器鱼摆动姿态(如摆动频率、幅度)的感知，并且可以感知相邻机器鱼相对位置和姿态的感知。
在夜晚、深水等光线缺乏的环境，传统的红外相机、摄像等装置组成的机器人视觉系统难以发挥作用。侧线系统作为水生生物独有的感知器官，为水生生物提供重要的环境信息。但是，现有的小型水下机器人水下感知系统尚未解决广域环境下的水流信息的感知问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法，可以满足小型水下机器人在广域环境下的水流信息的感知需求。
有鉴于此，本发明提供了一种基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法，所述机器人包括一球形/半球形外壳、一压力传感器阵列，所述压力传感器阵列沿所述外壳周向布置，所述方法包括：
步骤1，确定压力传感器阵列中的迎水面压力传感器，读取迎水面压力传感器的数据，计算各个迎水面压力传感器感测的压力；
步骤2，将各个所述迎水面压力传感器感测的压力、水流对机器人迎水面的压力、以及读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与水流方向的夹角为参数，求解水流方向和水流强度。
优选地，所述压力传感器阵列沿所述外壳周向等角度间隔分布。
优选地，所述压力传感器阵列至少由4个压力传感器组成，且至少在所述机器人的正前方、正后方、正左方和正右方分别设置所述压力传感器。
优选地，所述压力传感器阵列由12个压力传感器组成。
优选地，所述压力传感器的感受面垂直方向平行于所述机器人的赤道面。
优选地，在所述步骤1中，所述“确定所述压力传感器阵列中的迎水面压力传感器”包括：
读取所述压力传感器阵列中各个压力传感器的数据，选择数值较大的前N/2个压力传感器作为迎水面压力传感器，其中N为压力传感器个数。
优选地，在所述步骤2中，求解所述水流方向和水流强度具体包括：
以各个所述迎水面压力传感器感测的压力、水流对机器人迎水面的压力FW、以及读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与水流方向的夹角α为参数，求得多组FW和α的解；
根据多组FW解的平均值
Figure BDA0003083644080000021
求解所述水流强度
Figure BDA0003083644080000022
其中，ρ为水下环境密度，S为压力传感器感受面横截面积；
根据多组α解的平均值
Figure BDA0003083644080000023
求解所述机器人的水流方向
Figure BDA0003083644080000024
其中，β为读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与机器人正前方的夹角，ψ为机器人的偏航角。
优选地，在所述步骤1之前，将所述机器人的姿态调整为水平状态。
优选地，所述方法还包括：步骤4，所述机器人通过通信模块将水流信息发送到远端分析平台，所述分析平台通过读取多个所述机器人的所述水流信息，实时记录和绘制广域环境的水流信息。
优选地，所述通信模块为水声通信模块，所述水声通信模块采用广播方式将水流信息发送到远端分析平台。
通过以上技术方案，本发明能够取得以下技术效果：
1.压力传感器沿机器人球形/半球形外壳周向等间距布置，具有高度对称性，可以感知来自各个方向的压力，提升了小型水下机器人的感知能力。
2.压力传感器的体积小、价格低，通过本发明提出的方法能够利用较低的成本和较小的体积对机器人的水下运动实现水流强度和水流方向的感知。
3.通过水声通信模块采用广播方式将水流信息发送到远端分析平台，分析平台通过读取多个机器人的水流信息，可以根据机器人群的感知信息，完成广域环境水流信息的实时记录和绘制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的压力传感器阵列周向分布示意图；
图3是本发明实施例提供的压力传感器及其封装示意图；
图4是本发明实施例提供的基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法示意图；
图5是本发明实施例提供的机器人水下运动压力情况示意图；
图6是本发明实施例提供的正压力区压力传感器受力分析示意图；
图7是本发明实施例提供的基于机器人群的广域水流感知示意图；
图8是本发明实施例提供的机器人坐标系与世界坐标系示意图；
图9是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的组成单元示意图。
图中，100-水下仿生球形/半球形机器人、10-半球形外壳、11-顶部外壳、12-密封外壳、13-双目摄像头、14-压力传感器、15-防水外壳、16-压力传感器感受面、20-腿部机构、30-底盘、301-处理器、302-存储器。
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。
本发明的水下仿生球形/半球形机器人100包括球形外壳或半球形外壳10，具有轴向高度对称性。如图1所示，半球形外壳10位于机器人100的上半部，压力传感器阵列12沿半球形外壳10周向分布，从而构成基于压力传感器的圆形分布人工侧线系统。优选的，压力传感器阵列12至少由4个压力传感器14(P1，P2，P3，P4......PN，N≥4)组成，且压力传感器14等间隔地沿机器人外壳10周向分布。在一优选的实施例中，压力传感器阵列12至少在机器人100的正前方、正后方、正左方和正右方分别设置压力传感器14。优选地，各个压力传感器的感受面垂直方向平行于机器人100的赤道面。如图2所示，压力传感器阵列12由12个压力传感器14组成，包括压力传感器P1、P2......P12，相邻的压力传感器14周向间隔30°。机器人100还包括一双目摄像头13朝向机器人正前方，机器人100包括腿部机构20，腿部机构20共有四条腿，可用于机器人100的水下爬行运动。优选地，腿部机构20的一端连接于机器人的底盘30上，另一端设置喷水推进器，可用于机器人的水下三维运动。
如图1所示，机器人100的半球形外壳10与底盘30连接构成密封舱，压力传感器14安装在机器人100的密封舱外壁上。如图3所示，压力传感器14采用防水外壳15包裹，并灌胶防水。压力传感器采用STM32f103VET6微处理器通过SPI通信方式读取，为节省微处理器引脚资源，采用4-16译码器实现四个引脚控制12个压力传感器14轮询读取，微处理器通过串口将数据发送到嵌入式电脑，发送频率为20Hz。
机器人100的密封舱外壁具有容置压力传感器14及其防水外壳15的孔，压力传感器的防水外壳15呈台阶状，尺寸较小端嵌入密封舱壁，尺寸较大端抵接在密封舱外壁上，压力传感器抵接于防水外壳内，并使用防水胶填充防水外壳15与密封舱外壁、防水外壳15与压力传感器14的间隙，使之固定连接。压力传感器的感受面16露出，用于感测水下压力。在一优选的实施例中，半球形外壳10可包括顶部外壳11和密封外壳12两部分。顶部外壳11固定在密封外壳12之上，密封外壳12的尺寸及其与底盘30形成的密封舱容积取决于机器人100的质量，以满足机器人100可在无推进力的情况下沉在水底。
实施例1
参见图4，图4是本发明提供的一种基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法示意图。本发明的基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法，包括：
步骤1，确定压力传感器阵列12中的迎水面压力传感器，读取迎水面压力传感器的数据，计算各个迎水面压力传感器感测的压力；
步骤2，将各个迎水面压力传感器感测的压力、水流对机器人100迎水面的压力FW、以及读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与水流方向的夹角α为参数建立方程组，求解机水流方向和水流强度。
实施例2
如图5-6所示，本发明的水下仿生球形/半球形机器人100的压力传感器阵列12包括12个压力传感器，以机器人100向前运动为例，迎水面的压力传感器Pi,…,Pi+5受到水冲击的作用，压力增加形成正压力区；背水面的压力传感器压力值降低，形成负压力区。具体的，水流对机器人100的迎水面压力为FW，各个压力传感器14的沿球形/半球形外壳10的切向和径向分力分别为FL i,…,FL i+5和FP i,…,FP i+5。然而，压力传感器14仅能感知径向压力。机器人100迎水面的各个压力传感器测量到的压强为p0 i，…，p0 i+5，则各个压力传感器测量到的水流压强为pi,…,i+5＝p0 i,…,i+5-p0，其中，p0为机器人100静止在一定水深H下所受的压强。故而，各个压力传感器测得的压力为Fp i,…,i+5＝pi,…,i+5×S，其中，S为压力传感器感受面横截面积，为定值。
如图7所示，水下机器人群在进行水流感知的过程中，可将机器人群中各个机器人100的姿态调整为水平状态，即俯仰角(pitch)和翻滚角(roll)为零
Figure BDA0003083644080000051
基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法具体包括以下步骤。
步骤1，确定压力传感器阵列12中的迎水面压力传感器，读取迎水面压力传感器的数据，计算各个迎水面压力传感器感测的压力。具体的，由于机器人100的迎水面压强高于背水面压强，可以在读取压力传感器阵列12中各个压力传感器的压强值后，对数据进行卡尔曼滤波，将读取的N个压强值由大到小排序(N为压力传感器个数)，选取数值较大的前N/2个压力传感器作为迎水面压力传感器。在本实施例中，压力传感器阵列12包括12个传感器，故而，读取各个压力传感器数据后，选取数值较大的6个传感器数据，并计算对应的压力传感器测得的压力Fp i,…,i+5＝pi,…,i+5×S。
步骤2，将各个迎水面压力传感器感测的压力、水流对机器人迎水面的压力FW、以及读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与水流方向的夹角α为参数建立方程组，求解水流方向和水流强度，其中，α∈[-π/Nπ/N]。在本实施例中，α∈[-π/12 π/12]。在本实施例中，迎水面压力传感器受力分析如图6所示，求解机器人100运动速度的过程具体包括，建立如下关系：
Figure BDA0003083644080000061
两两联立求解FW与α，共计15组解。然后通过对15组数据求取平均值，易得，
Figure BDA0003083644080000062
因此，时刻t时，水流强度pt为：
Figure BDA0003083644080000063
其中S为压力传感器感受面横截面积。
如图8所示，世界坐标系及机器人坐标系，分别记为OE-XEYEZE和OB-XBYBZB，符合右手定则。时刻t时，读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与机器人100正前方的夹角为β，则在机器人坐标系OB下的水流方向为
Figure BDA0003083644080000064
故而，时刻t时，世界坐标系OE下的水流方向为
Figure BDA0003083644080000065
其中，ψ为机器人的偏航角，水流强度和水流方向[ptαt]即可计算得到。
在一优选的实施例中，广域水流感知方法还包括：步骤4，机器人100通过水声通信模块采用广播方式将水流信息发送到远端分析平台，分析平台通过读取多个机器人的水流信息，实时记录和绘制广域环境的水流信息。
实施例3
参见图9，一种水下仿生球形/半球形机器人100，包括处理器301、存储器302以及存储在所述存储器302中且被配置为由所述处理器301执行的计算机程序，所述处理器301执行所述计算机程序时实现如上述的位姿感知方法。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器302中，并由所述处理器301执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述机器人100中的执行过程。
根据本发明实施例，为实现广域环境水流实时信息的获取，可通过具有水流感知功能的多台小型机器人实现。机器人通过水中游动和水底爬行运动到预定目标位置，调整自身姿态使机器人保持水平，即俯仰角和翻滚角为0。开启机器人水流感知程序，实时计算广域环境水流强度和方向[ptαt]，并通过水声通信模块采用广播方式发送到远端分析平台，分析平台通过读取多个机器人在关键位置的水流信息，将广域环境的水流信息进行实时记录和绘制。
需说明的是，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于水下仿生球形/半球形机器人群的广域水流感知方法，所述机器人包括一球形/半球形外壳、一压力传感器阵列，所述压力传感器阵列沿所述外壳周向布置，所述方法包括：
步骤1，确定压力传感器阵列中的迎水面压力传感器，读取迎水面压力传感器的数据，计算各个迎水面压力传感器感测的压力；
步骤2，将各个所述迎水面压力传感器感测的压力、水流对机器人迎水面的压力、以及读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与水流方向的夹角为参数，求解水流方向和水流强度；
在所述步骤1中，所述“确定所述压力传感器阵列中的迎水面压力传感器”包括：
读取所述压力传感器阵列中各个压力传感器的数据，选择数值较大的前N/2个压力传感器作为迎水面压力传感器，其中N为压力传感器个数；
在所述步骤2中，求解所述水流方向和水流强度具体包括：
以各个所述迎水面压力传感器感测的压力、水流对机器人迎水面的压力FW、以及读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与水流方向的夹角α为参数，求得多组FW和α的解；
根据多组FW解的平均值
Figure FDA0003608113230000011
求解所述水流强度
Figure FDA0003608113230000012
其中，ρ为水下环境密度，S为压力传感器感受面横截面积；
根据多组α解的平均值
Figure FDA0003608113230000013
求解所述机器人的水流方向
Figure FDA0003608113230000014
其中，β为读数最大的压力传感器的感受面垂直方向与机器人正前方的夹角，ψ为机器人的偏航角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力传感器阵列沿所述外壳周向等角度间隔分布。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压力传感器阵列至少由4个压力传感器组成，且至少在所述机器人的正前方、正后方、正左方和正右方分别设置所述压力传感器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述压力传感器阵列由12个压力传感器组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力传感器的感受面垂直方向平行于所述机器人的赤道面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1之前，将所述机器人的姿态调整为水平状态。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：步骤4，所述机器人通过通信模块将水流信息发送到远端分析平台，所述分析平台通过读取多个所述机器人的所述水流信息，实时记录和绘制广域环境的水流信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通信模块为水声通信模块，所述水声通信模块采用广播方式将水流信息发送到远端分析平台。
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