一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)，特別地涉及一種六自由度眼球型 水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)。 技術(shù)背景
[0002] 水下機(jī)器人作為一種特殊用途的機(jī)器人，可以對(duì)各類水域中（湖泊、海洋、下水道、 小溝等）的基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與檢修以及在對(duì)未知水域的探索中起著很大的作用，它的應(yīng) 用前景相當(dāng)廣泛。目前所研究的水下球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制方式主要分為兩種:一種 是以飛輪改變姿態(tài)為主，利用多個(gè)飛輪的扭矩平衡，以及飛輪扭矩的差動(dòng)使球殼旋轉(zhuǎn)，從而 改變球殼的姿態(tài)，通過單一噴水來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，這種機(jī)器人控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性 能方面存在一定的缺陷，因?yàn)閿?shù)據(jù)計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)計(jì)算方面存在很大的問題;另一種是利 用外置螺旋槳推進(jìn)器的組合來改變機(jī)器人的姿態(tài)，這種控制系統(tǒng)由于機(jī)器人表面不光滑從 而容易導(dǎo)致在復(fù)雜的水下環(huán)境的交互過程中受到干擾。在湍急水流的小管道、水下狹小區(qū) 域等情況下，上述控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性能方面存在很大的缺陷，所以迫切需要一種能在湍急 水流，存在暗涌等水下環(huán)境中進(jìn)行工作的水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人適應(yīng) 于復(fù)雜環(huán)境下的工作，從而更好地完成某些特定的任務(wù)。本發(fā)明在先申請(qǐng)發(fā)明專利中給出 的六自由度眼球型水下機(jī)器人包括機(jī)器人上半球殼、四個(gè)相同的分流閥、兩個(gè)相同的Y形塑 料導(dǎo)管、下半球殼、三個(gè)相同的雙向離心栗、四個(gè)相同的控制電機(jī)、兩個(gè)大口徑槽、一個(gè)中口 徑槽、七個(gè)小口徑槽、攝像頭、和噴水口。該機(jī)器人四個(gè)相同的分流閥采用康達(dá)效應(yīng)閥，四個(gè) 相同的控制電機(jī)采用小型直流電機(jī)；四個(gè)相同的分流閥與三個(gè)相同的雙向離心栗、兩個(gè)相 同的Y型塑料導(dǎo)管組合成具有12個(gè)噴水口的多軸噴水系統(tǒng)，兩兩噴水口之間的配合實(shí)現(xiàn)6個(gè) 自由度運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于解決在小管道、水下狹小空間以及水流暗涌等區(qū)域情況下，普 通水下機(jī)器人由于湍急水流的復(fù)雜作用力，暗涌的強(qiáng)沖擊等外界因素的影響，以及水下通 信的帶寬窄，受環(huán)境等因素影響大，可適用的載波頻率低，傳輸?shù)难舆t性高等特點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī) 器人無法控制自身的姿態(tài)以及與外界保持通信等問題，本發(fā)明提供一種六自由度眼球型水 下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種自適應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中機(jī)器人姿態(tài)測(cè)量系 統(tǒng)作為并發(fā)控制系統(tǒng)的前饋模塊，視覺測(cè)量系統(tǒng)作為并發(fā)控制系統(tǒng)的反饋模塊，雙向離心 栗和閥的組合作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而根據(jù)需要來實(shí)時(shí)改變六自由度眼球型水下機(jī)器人的姿 ??τ 〇
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：
[0005] 本發(fā)明的六自由度眼球型水下機(jī)器人，主要由上半球殼5-Α、分流閥5-G、分流閥5-F、分流閥5-0、分流閥5-Κ、Υ形塑料導(dǎo)管5-Η、Υ形塑料導(dǎo)管5-1、下半球殼5-D、雙向離心栗5-Ν、雙向離心栗5-L、雙向離心栗5-Μ、控制電機(jī)5-J、控制電機(jī)5-Ε、攝像頭C11、ARM主控制器安 裝槽Cl、陀螺儀安裝槽C2、加速度計(jì)安裝槽C3、滑移開關(guān)安裝槽C4、驅(qū)動(dòng)器安裝槽C5、卡爾曼 濾波器安裝槽C6、激光傳感器安裝槽C7、DSP安裝槽C8、編碼器安裝槽C9和MCP2510轉(zhuǎn)換器安 裝槽CIO組成。該六自由度眼球型水下機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要包括ARM主控制器、DSP圖像單 元、陀螺儀、編碼器、加速度計(jì)、控制電機(jī)、攝像頭;其特征在于:所述加速度計(jì)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行 實(shí)時(shí)測(cè)量，編碼器與陀螺儀并發(fā)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過卡爾曼濾波濾除噪聲數(shù)據(jù)，然后將 提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后得到機(jī)器人自身的兩組姿態(tài)信息;所述加速度計(jì)、編碼器和 陀螺儀組成傳感器模塊;此外ARM主控制器與加速計(jì)采用IIC總線連接，ARM主控制器與陀螺 儀、編碼器采用RS-232串口方式通信；四個(gè)相同的控制電機(jī)采用小型直流電機(jī)，電機(jī)采用 USB方式與驅(qū)動(dòng)器連接，驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間采用CAN總線方式通信，并采用PWM方式控制電機(jī) 的旋轉(zhuǎn);所述視覺子系統(tǒng)由CCD相機(jī)、DSP數(shù)據(jù)處理模塊組成;視覺子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)共同 組成并發(fā)控制系統(tǒng)，通過視覺圖像的處理和對(duì)小型直流電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)眼球型水下 機(jī)器人六自由度運(yùn)動(dòng)；
[0006] 所述傳感器模塊設(shè)計(jì)分為左右兩路，左路設(shè)計(jì)由加速度計(jì)及編碼器共同組成，用 于測(cè)量水下機(jī)器人的矢量位移，右路設(shè)計(jì)由陀螺儀構(gòu)成，用于測(cè)量由于水流的影響，水下機(jī) 器人所產(chǎn)生的滑移位移;左右兩路姿態(tài)傳感器提取的數(shù)據(jù)，經(jīng)過卡爾曼濾波器濾波，得到矢 量速度;所述六自由度眼球型水下機(jī)器人利用分流閥和雙向離心式栗相組合，通過在特定 噴水口噴水，實(shí)現(xiàn)了六自由度運(yùn)動(dòng)又使機(jī)動(dòng)能力所需要的栗的數(shù)目的減少，從而縮小眼球 型水下機(jī)器人的體積，分流閥允許噴水流方向快速切換，對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生準(zhǔn)確的高帶寬推力；
[0007] 所述視覺子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)的通信模塊，是將ARM處理器的SPI總線和DSP的CAN 接口與MCP2510接口連接，通過CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝匦詮亩ＷC控制性能的實(shí)時(shí)特 性；
[0008] 所述六自由度眼球型水下機(jī)器人控制水平方向的噴水口與機(jī)器人前進(jìn)方向的夾 角為正30度或負(fù)30度。
[0009] 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0010] 一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)，包括控制子系統(tǒng)、圖像處理 子系統(tǒng)、激光通信子模塊和數(shù)據(jù)融合模塊，其特征在于:所述控制子系統(tǒng)連接激光通信模 塊和數(shù)據(jù)融合模塊而與圖像處理子系統(tǒng)通過CAN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)CAN總線高速通信，兩個(gè)子系統(tǒng) 對(duì)數(shù)據(jù)并發(fā)地進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制。所述控制子系統(tǒng)包括兩組機(jī)器 人機(jī)體姿態(tài)傳感器、主控單元和底層驅(qū)動(dòng)模塊;所述兩組機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)傳感器包括加速 度計(jì)、陀螺儀和編碼器;所述主控單元連接兩組機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)傳感器和底層驅(qū)動(dòng)模塊;所 述控制子系統(tǒng)為了防止外界環(huán)境所帶來的干擾，采用兩組機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)傳感器進(jìn)行自身 姿態(tài)的測(cè)量，將該兩組傳感器采集的兩組數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)融合模塊，將處理后定為有效的 數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)的前饋信號(hào)。所述圖像處理子系統(tǒng)包括DSP主控單元和CCD相機(jī)組成的視 覺系統(tǒng);所述圖像處理子系統(tǒng)利用DSP數(shù)據(jù)處理模塊通過IIC總線方式與CCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù) 高效率傳輸，且對(duì)CCD相機(jī)提取的視覺信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的視覺信息與控制子 系統(tǒng)的姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，作為整個(gè)實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的定位與校驗(yàn)誤差。所述激光 通信子模塊包括激光傳感器及其外圍接口，在水下與外界環(huán)境通信時(shí)，所述激光通信子模 塊利用激光傳輸圖像處理子系統(tǒng)采集的圖像數(shù)據(jù)信息，與外界終端;此外，所述激光通信子 模塊可以接受外界的遠(yuǎn)程操控指令，控制雙向離心栗的排水量以及控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。所述 數(shù)據(jù)融合模塊包括卡爾曼濾波器、選擇開關(guān)、視覺數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和滑移開關(guān);所述兩組機(jī)器人 姿態(tài)傳感器經(jīng)選擇開關(guān)和滑移開關(guān)連接視覺數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;所述眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā) 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合模塊閾值仲裁時(shí)以兩組姿態(tài)傳感器測(cè)量的在X-Y-Z三軸方向的矢量速 度差值的模為仲裁標(biāo)準(zhǔn)。所述數(shù)據(jù)融合模塊利用旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行從相對(duì)坐標(biāo)到世界坐標(biāo)系的 轉(zhuǎn)換，進(jìn)行目標(biāo)定位，為了保證整個(gè)追蹤控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，采用激光通信的方式 進(jìn)行水下通信，采用CAN總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所述系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)與圖像處理子系統(tǒng) 執(zhí)行并行運(yùn)算，同時(shí)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與通信，整個(gè)通信過程提供對(duì)IIC總線與CAN總線 方式的支持，因此，可以切換主從機(jī)的模式。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)及突出性進(jìn)步：
[0012] 本發(fā)明的六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)具有獨(dú)特的自適應(yīng)特性， 使它在惡劣的水下環(huán)境中不會(huì)因?yàn)橥募彼鞯挠绊懀鴮?dǎo)致機(jī)器人控制性能下降，針對(duì)在 小管道、狹小的水下區(qū)域中，水流速較大而導(dǎo)致水下機(jī)器人姿態(tài)測(cè)量誤差較大等情況，其采 用的兩路檢測(cè)裝置有效地解決了此類的影響。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的視覺子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)通 過CAN總線方式通信，此類設(shè)計(jì)有效地保證了多主機(jī)通信時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕟栴}，從而保 證整個(gè)并發(fā)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性，使眼球型水下機(jī)器人達(dá)到靈活，實(shí)時(shí)變化等要求。此外， 并發(fā)控制系統(tǒng)與外界采用激光通信的方式，克服水下聲學(xué)通信的帶寬窄、受環(huán)境影響大、可 使用的載波頻率低以及傳輸延時(shí)大等不足。
【附圖說明】
[0013] 圖1是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的整體框架示意圖
[0014] 圖2是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)示意圖
[0015] 圖3是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合模塊示意圖
[0016] 圖4是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)裝配示意圖
[0017] 圖5是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的圖像處理子系統(tǒng)硬件 連接圖
[0018] 圖6是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)硬件示意 圖
[0019] 圖7是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的激光通信模塊示意圖
[0020] 圖8是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的視覺子系統(tǒng)下視角示 意圖
[0021] 圖9是一種六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例附圖，詳述本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和工作原理。
[0023] 實(shí)施例一：
[0024]參見圖1，本六自由度眼球型水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制系統(tǒng)，包括控制子系統(tǒng)1、圖 像處理子系統(tǒng)2、激光通信子模塊3和數(shù)據(jù)融合模塊4,其特征在于:所述控制子系統(tǒng)1連接激 光通信模塊3和數(shù)據(jù)融合模塊4而與圖像處理子系統(tǒng)2通過CAN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)CAN總線高速通 信，兩個(gè)子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)并發(fā)地進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下機(jī)器人實(shí)時(shí)并發(fā)控制。
[0025] 實(shí)施例二：
[0026] 本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下：
[0027] 參見圖1至圖9,所述控制子系統(tǒng)1包括兩組機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)傳感器1-A、1_B、主控 單元1-C和底層驅(qū)動(dòng)模塊1-D;所述兩組機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)傳感器1-A、1-B包括加速度計(jì)6-A、 陀螺儀6-B