一种矢量推进的小型四轴水下机器人控制系统技术方案

一种矢量推进的小型四轴水下机器人控制系统，系统可划分为人机协作层、决策层、规划层、执行层。人机协作层由陆基/艇载监控系统构成，实现对AUV航向控制信号发送和接收传感器数据并实时显示于上位机监测软件。决策层包括多传感器信息采集融合系统用于接收航向控制信号、采集并融合传感器数据；智能决策系统用于接收由多传感器信息采集融合系统融合的传感器数据与航向控制信号，通过决策算法处理生成决策指令。规划层包括步态生成系统，负责根据决策指令进行机器人运动步态规划并协调上下层间的数据通信。执行层包括驱动执行系统，用于实时控制舵机和直流喷水电机。本发明专利技术具有可靠性高、灵活性好、易于扩展、易于维护的特点，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种矢量推进的小型四轴水下机器人控制系统，系统可划分为人机协作层、决策层、规划层、执行层。人机协作层由陆基/艇载监控系统构成，实现对AUV航向控制信号发送和接收传感器数据并实时显示于上位机监测软件。决策层包括多传感器信息采集融合系统用于接收航向控制信号、采集并融合传感器数据；智能决策系统用于接收由多传感器信息采集融合系统融合的传感器数据与航向控制信号，通过决策算法处理生成决策指令。规划层包括步态生成系统，负责根据决策指令进行机器人运动步态规划并协调上下层间的数据通信。执行层包括驱动执行系统，用于实时控制舵机和直流喷水电机。本专利技术具有可靠性高、灵活性好、易于扩展、易于维护的特点，应用前景广阔。【专利说明】一种矢量推进的小型四轴水下机器人控制系统
本专利技术涉及机器人
，特别是关于一种矢量推进的小型四轴水下机器人的控制系统。
技术介绍
水下机器人是一种可以在水中游动、作业或从事专门工作的水下航行装置。目前，水下机器人在我国已经有了非常广泛的应用，特别是在海洋湖泊的资源勘探、环境监测、地质地貌勘探调查等领域发挥着不可替代的作用。矢量推进系统可以为小型水下机器人提供强劲的动力，还可为水下机器人自身姿态与航行状态的调整提供有力帮助。目前应用前景较好的自治水下机器人(AUV)的矢量推进方式大多采用喷水驱动原理，其优点一是水下机器人在低速下仍然具有高可控性与高机动性；二是水下机器人能迅速改变航行方向，实现快速转向。但水下机器人是在水中运动的具有六自由度的刚体，其本身就是一个强耦合的非线性系统，再加上矢量推进系统，使得控制问题变得复杂与困难。常规的水下机器人控制系统，特别是自治水下机器人控制系统，多采用集中式控制方式，即由主控计算机实现对所有传感器和设备的数据采集及控制。但这种控制方式使主控计算机的工作任务十分繁重，效率较低，而且一旦主控计算机出现故障，整个系统就会瘫痪，可靠性差；由于主控计算机的各种通道、地址、中断资源有限，很难随意增加其他设备，可扩展性差。随着水下机器人本身结构的复杂化以及用户需求的多样化，传统的集中式控制方法已无法满足水下机器人控制系统发展的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种矢量推进的小型四轴水下机器人的控制系统，该系统采用与动物神经控制系统相似的结构，通过各层CPU之间的协同工作，实现对机器人各个关节的有效控制，在保证AUV具有足够能动性和可靠性的同时，使其能够利用传感器信息融合系统实现对外部环境的实时感知，从而使AUV具有一定的自主运动能力。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是:包括由数字舵机及直流喷水电机驱动的小型四轴水下机器人本体，智能决策系统、步态生成系统、驱动执行系统、多传感器信息采集融合系统、电源系统和陆基/艇载监控系统。所述小型四轴水下机器人本体有四个结构相同的矢量推进机构，并在同一水平面均布于机器人圆盘状机身，与四轴飞行器结构布局相同。每个矢量推进机构有两个关节，其中，由靠近机器人中心的舵机实现一个矢量推进机构的轴向自由度，定义为内关节；远离机器人中心的舵机实现一个矢量推进机构的径向自由度，定义为外关节，直流喷水电机固定在机构最外端。所述陆基/艇载监控系统包括多通道发射机、长波收发系统、上位机监测软件，可建设于陆地、水面或搭载于舰艇上。航模发射机通过长波收发系统向AUV发送控制信号，AUV发送的传感器数据、图像信息由长波收发系统接收并实时显示在上位机监测软件上。所述多传感器信息采集融合系统包括数字信号处理器、多通道串口扩展板、视觉传感器、三轴加速度计、单波束前视声呐、压力传感器、温度传感器、舱内漏水传感器、高度计、深度计、长波收发系统，用于接收航向控制信号和采集并融合传感器数据。所述智能决策系统通过CAN总线接收由多传感器信息采集融合系统采集并融合的传感器信息与陆基/艇载监控系统发射的航向控制信号，通过决策算法模块分析生成所需决策指令。所述步态生成系统包括双口 RAM控制器模块、CPG步态规划算法模块、CAN总线控制器模块，并通过CAN总线实现与所述驱动执行系统的信息传递。所述智能决策系统与所述步态生成系统通过双口 RAM连接，实现二者之间的数据通信。 所述驱动执行系统包括现场可编程门阵列和电机驱动器，现场可编程门阵列可以产生控制多路舵机和多路电机的PWM波，由电机驱动器驱动直流喷水电机。本专利技术的一种矢量推进的小型四轴水下机器人控制系统将分级递阶控制系统与分布式控制系统(又称为集散控制系统)有机结合，形成一种半自治集散递阶控制系统，既能实现控制任务的协调分配，又可保证系统的完整性。其核心在于AUV搭载的整个控制系统可划分为三个层级:决策层、规划层、执行层，每个层级由单CPU或多CPU构成。本专利技术的决策层主要包括智能决策系统和多传感器信息采集融合系统。智能决策系统由内嵌实时操作系统RT-Linux的ARM9构成，其主要功能模块包括避障算法模块、决策算法模块、双口 RAM驱动模块。避障算法模块又分为环境建模算法子模块、局部避障算法子模块。所述的多传感器信息采集融合系统采用数字信号处理器DSP作为核心处理器，处理器内嵌传感器驱动模块，声呐信号处理模块、传感器数据融合模块，融合算法模块，并通过片上接口与多通道串口扩展板串口与机载长波收发器和各个传感器连接，用于接收陆基/艇载监控系统发出的航向控制信号和传感器对AUV工作水域环境信息的采集及融合，保证AUV具有一定自主运动能力。在该子系统中，视觉传感器用于实现AUV前方可见区域的三维重建；三轴加速度计用于测量AUV工作空间三个方向的线加速度；单波束前视声呐用于探测AUV相对障碍物的位置；压力传感器和温度传感器分别用于检测AUV工作水域的压强和温度；舱内漏水传感器用于检测AUV舱内是否进水；高度计和深度计分别测量AUV距水底和水面的距离。各类传感器信息和航向控制信号通过多通道串口扩展板的相应接口和DSP相应接口传输至多传感器信息米集融合系统的传感器数据融合模块,一方面将数据信息采样并封装，再经长波收发器发送给陆基/艇载监控系统，另一方面调用信息融合算法，产生决策算法模块所需的数据，数据通过CAN总线传送到智能决策系统，若检测到障碍物，智能决策系统调用环境建模算法，采用单元数算法建立内部障碍物表示地图模型，再调用局部避障算法，采用人工势场算法由内部障碍物表示地图模型中解算出自主避障局部路径规划，再调用决策算法处理，最后获得相应的控制指令；若未检测到障碍物，则经CAN总线传输到智能决策系统的数据直接由决策算法处理后获得相应控制指令，该指令通过双口RAM驱动模块被存储在双口 RAM指定的决策指令地址空间内，以便步态生成系统随时读取。本专利技术的规划层由FPGA芯片及相应的外设接口构成，主要负责根据决策指令进行机器人运动步态的实施规划并协调上下层之间的数据通信。步态生成系统内部集成了 Nios II软核嵌入式处理器，利用SPOC Builder开发工具设计控制器的硬件系统，利用Quarts II设计控制器的软件系统。步态生成系统在决策层触发信号的引导下，对双口 RAM决策指令地址空间进行读取操作，获得决策指令；CPG网络解算模块根据相应的决策指令利用数值求解算法进行解算，获得各关节运动指令；CAN总线控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矢量推进的小型四轴水下机器人控制系统，其特征在于：系统可划分为人机协作层、决策层、规划层、执行层，采用CAN总线实现所有子系统间通信；人机协作层包括陆基/艇载监控系统，决策层包括多传感器信息采集融合系统与智能决策系统，规划层包括步态生成系统，执行层包括驱动执行系统。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗庆生，金诚，梁伟栋，张浩，许珂，陈怡然，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11