CN1724225A - 高性能水下机器人智能控制计算机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人的智能控制系统。高性能水下机器人智能控制计算机系统，它包括主控与规划单元、光视觉信号处理单元、声视觉信号处理单元、数据综合单元、自身状态感知单元及基础控制单元，其特征在于：每个单元含有带多路高速Link口(8)的信号处理器(7)；每个单元分别与主控与规划单元(1)之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯，光视觉信号处理单元(2)与数据综合单元(4)之间以及声视觉信号处理单元(3)与数据综合单元(4)之间分别由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。它具有大数据量处理能力、各单元间通讯速度快、高稳定性与高可靠性的特点。

Description

高性能水下机器人智能控制计算机系统

技术领域

本发明涉及水下机器人的智能控制系统，具体涉及高性能水下机器人智能控制计算机系统。

背景技术

自主水下机器人的航行与作业环境是未知的、非结构化的、动态的、不确定的、复杂的水下环境，要完成其使命，必须配备具有多种类型的传感器系统，如感知其位置、速度、角速度、姿态和各种失调偏差量的导航传感器系统，还有根据任务需要获取作业信息的传感器系统，如声视觉、光视觉系统，随着传感器数目和信息处理量的不断增加，数据的复杂性和测量中的模糊性因素加大，要对这些传感器的数据进行综合处理采用一般的单机很难满足精度和准确性的要求。目前的解决方法主要是采用网络或者串口将多个单板PC机互连成一个分布式计算机系统。这种方法的缺点主要有：稳定性差，结构不紧凑，体积大，数据处理能力有限，无法满足大数据量处理的要求。

发明内容

针对水下机器人数据处理的特点和环境要求，本发明的目的是提供一种高性能水下机器人智能控制计算机系统，它具有大数据量处理能力、高稳定性与高可靠性的特点。

本发明的技术方案是：根据水下机器人智能控制中所需处理的数据种类、数据量及算法模式的需要，通过规模扩展与拓扑重构，可以组织成不同规模与结构的多结点计算机系统，高效率地运行应用程序。所述的结点可以采用带多路高速Link口的信号处理器(如AD公司的SHARC或Tiger-SHARC处理器芯片，SHARC处理器芯片外部具有6路高速Link通讯口，每路通讯速率为40Mbytes/sec，六路同时工作通讯速率可达240Mbytes/sec，在本发明中以SHARC处理器为例进行具体实现说明)来具体实现，结点间的通讯通过高速Link口来完成。

高性能水下机器人智能控制计算机系统，它包括主控与规划单元1、光视觉信号处理单元2、声视觉信号处理单元3、数据综合单元4、自身状态感知单元5及基础控制单元6，每个单元含有带多路高速Link口8的信号处理器7；光视觉信号处理单元2、声视觉信号处理单元3、数据综合单元4、自身状态感知单元5、基础控制单元6分别与主控与规划单元1之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯；光视觉信号处理单元2与数据综合单元4之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯；声视觉信号处理单元3与数据综合单元4之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。

本发明具有大数据量处理能力、高稳定性与高可靠性的特点，SHARC处理器芯片的运算速度高达120MFLOPS，外部6条通讯Link口的速度高达240MByte/s，由多片SHARC处理器芯片组成的多结点模块的计算能力最高可以达到720MFLOPS(单板最多可以集成6片SHARC)，通过高速Link线的点对点互连，多个模块可以很方便地构成系统，具有大数据量处理能力。而且模块间只有Link线连接，结构简单，可靠性高。如果通过串行总线或网络连接方式构成多机系统，每个模块都必需具备一套完整的计算机接口，模块结构复杂，而且模块间通过串行总线或网络来通讯时，受带宽限制，速度也受影响，而且多个模块分时使用一条通讯通路也影响了系统的稳定性和数据传输的实时性；采用Link线实现点对点通讯可以克服这些不足，具有高稳定性与高可靠性的特点。同时，本发明的计算机系统规模扩展是通过增加模块数量，采用Link线将各模块连接起来。这样按照任务的需要可以方便地实现系统规模的扩展或裁剪。

附图说明

图1-1是本发明的方框结构示意图

图2-1是本发明实施例的主控与规划单元1的电路原理框图

图2-2是本发明实施例的光视觉信号处理单元2的电路原理框图

图2-3是本发明实施例的声视觉信号处理单元3的电路原理框图

图2-4是本发明实施例的数据综合单元4的电路原理框图

图2-5是本发明实施例的自身状态感知单元5的电路原理框图

图2-6是本发明实施例的基础控制单元6的电路原理框图

图3-1是本发明实施例的主控与规划单元1的电路原理图

图3-2.1与图3-2.2是本发明实施例的光视觉信号处理单元2的电路原理图

图3-3.1与图3-3.2是本发明实施例的声视觉信号处理单元3的电路原理图

图3-4.1与图3-4.2是本发明实施例的数据综合单元4的电路原理图

图3-5是本发明实施例的自身状态感知单元5的电路原理图

图3-6是本发明实施例的基础控制单元6的电路原理框图

具体实施方式

在图1-1中，每个方框表示一个功能单元，高性能水下机器人智能控制计算机系统，包括主控与规划单元1、光视觉信号处理单元2、声视觉信号处理单元3、数据综合单元4、自身状态感知单元5及基础控制单元6，每个单元含有带多路高速Link口8的信号处理器7；其中光视觉信号处理单元2、声视觉信号处理单元3、数据综合单元4根据数据处理量的要求采用2-12个结点信号处理器7来实现；光视觉信号处理单元2、声视觉信号处理单元3、数据综合单元4、自身状态感知单元5、基础控制单元6分别与主控与规划单元1之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯，光视觉信号处理单元2与数据综合单元4之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯，声视觉信号处理单元3与数据综合单元4之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。

主控与规划单元1是机器人智能控制计算机系统的中心控制单元，负责对整个系统的控制与指令派发，并将其他单元处理完成的数据结果收集起来进行决策与规划。主控与规划单元与光视觉信号处理单元2、声视觉信号处理单元3、数据综合单元4、自身状态感知单元5及基础控制单元6之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。其原理框图如图2～1所示，具体由一片SHARC芯片来实现，如图3-1所示的原理图中，SHARC芯片的Link0-Link4引出分别用于与其他单元的连接。

光视觉信号处理单元2主要对水下摄像机或激光成像单元采集的图象信号进行处理，光视觉信号处理单元2含有2-12个结点信号处理器7，具体实现时，根据需要处理的数据运算量大小，可以采用增加信号处理器7数来进行扩展，光视觉信号处理单元中的信号处理器7(处理结点)之间的连接采用高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯，互连拓扑结构根据算法需要进行配置，光视觉信号处理单元的数据处理结果要送到数据综合单元进行数据综合，同时要将部分结果送到主控与规划单元进行辅助决策，所以在光视觉信号处理单元与主控与规划单元和数据综合单元间都分别有高速链路口连接。其原理框图如图2-2所示，主要由5片SHARC芯片和一片图象采集芯片TW9903来实现，如图3-2.1与图3-2.2所示的原理图中，U1、U2、U3、U7与U8为5片SHARC芯片，U6为图象采集芯片TW9903，U3的Link0口和Link4口引出用于与主控与规划单元1及数据综合单元4连接。

声视觉信号处理单元3主要对各种声纳信号进行处理，声视觉信号处理单元3含有2-12个结点信号处理器7，具体实现时，根据需要处理的数据运算量大小，可以采用增加信号处理器7数来进行扩展，声视觉信号处理单元中的信号处理器7之间的连接采用高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯，互连拓扑结构根据算法需要进行配置，声视觉信号处理单元3的数据处理结果要送到数据综合单元4进行数据综合，同时要将部分结果送到主控与规划单元1进行辅助决策，所以在光视觉信号处理单元与主控与规划单元和数据综合单元间都分别有高速链路口连接。其原理框图如图2-3所示，主要由5片SHARC芯片和4片数据采集芯片AD7864来实现，如图3-3.1与图3-3.2所示的原理图中，U1、U2、U3、U7与U8为5片SHARC芯片，U9、U10、U11与U12为数据采集芯片，U3的Link0口和Link4口引出用于与主控与规划单元1及数据综合单元4连接。

数据综合单元4主要对来自于各种传感器或光视觉信号处理单元2、声视觉信号处理单元3进行融合处理，其结果送给主控与规划单元1进行规划与决策；数据综合单元4含有2-12个结点信号处理器7，数据综合单元4的信号处理器7之间的连接采用高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯，互连拓扑结构根据算法需要进行配置。数据综合单元与主控与规划单元、光视觉信号处理单元和声视觉信号处理单元间都有高速链路口连接。其原理框图如图2-4所示，主要由5片SHARC芯片来实现，如图3-4.1与图3-4.2所示的原理图中，U1、U2、U3、U6与U7为5片SHARC芯片，U2的Link4口、U3的Link1口与U7的Link3口分别引出用于与主控与规划单元1、声视觉信号处理单元3和光视觉信号处理单元2连接。

自身状态感知单元5主要完成水下机器人位置、速度、角速度、姿态和各种失调偏差量等传感器系统的信号采集与预处理，并将结果送给主控与规划单元并转送给数据综合单元，自身状态感知单元与主控与规划单元有高速链路口连接。其原理框图如图2-5所示，主要由1片SHARC芯片和数字输入口逻辑来实现，如图3-5所示的原理图中，U1为SHARC芯片，U5、U6为2片245缓冲芯片，U1的Link4口引出用于系统调试时从外部加载程序、Link3口引出用于和主控与规划单元1连接。

基础控制单元6主要按照主控与规划单元的控制指令完成对水下机器人执行机构的控制，基础控制单元与主控与规划单元有高速链路口连接。其原理框图如图2-6所示，主要由1片SHARC芯片和数字输出口逻辑来实现，如图3-6所示的原理图中，U1为SHARC芯片，U5、U6为2片273锁存芯片，Link4口引出用于和主控与规划单元1连接。

系统在工作时，由光视觉信号处理单元2对水下摄像机或激光成像单元采集的图象信号进行预处理，处理的数据送到数据综合单元4中；声视觉信号处理单元3对各种声纳信号进行预先处理，处理的数据送到数据综合单元4中；在数据综合单元4中，完成多传感器数据的融合处理运算，其结果送到主控与规划单元1中；主控与规划单元1根据融合结果与自身状态感知单元5检测到的状态进行决策与规划，并将需要执行的结果输出到基础控制单元6，完成对机器人的控制；同时，主控与规划单元1还需要负责对其他单元的任务分发与工作控制。

Claims (4)

1.高性能水下机器人智能控制计算机系统，它包括主控与规划单元、光视觉信号处理单元、声视觉信号处理单元、数据综合单元、自身状态感知单元及基础控制单元，其特征在于：主控与规划单元(1)、光视觉信号处理单元(2)、声视觉信号处理单元(3)、数据综合单元(4)、自身状态感知单元(5)、基础控制单元(6)分别含有带多路高速Link口(8)的信号处理器(7)；光视觉信号处理单元(2)、声视觉信号处理单元(3)、数据综合单元(4)、自身状态感知单元(5)、基础控制单元(6)分别与主控与规划单元(1)之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯；光视觉信号处理单元(2)与数据综合单元(4)之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯；声视觉信号处理单元(3)与数据综合单元(4)之间由高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。

2.根据权利要求1所述的高性能水下机器人智能控制计算机系统，其特征在于：光视觉信号处理单元(2)含有2-12个结点信号处理器(7)，光视觉信号处理单元(2)中的信号处理器(7)之间采用高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。

3.根据权利要求1所述的高性能水下机器人智能控制计算机系统，其特征在于：声视觉信号处理单元(3)含有2-12个结点信号处理器(7)，声视觉信号处理单元(3)中的信号处理器(7)之间的连接采用高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。

4.根据权利要求1所述的高性能水下机器人智能控制计算机系统，其特征在于：数据综合单元(4)含有2-12个结点信号处理器(7)，数据综合单元(4)的信号处理器(7)之间的连接采用高速Link口实现互连，通过Link口实现数据通讯。

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