一种多自治水下机器人搜索控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多自治水下机器人搜索控制系统及其方法，该系统包括：多个自治水下机器人，根据搜索指令，在各自搜索区域采集水下环境信息，搜索任务目标，并定期上浮，发送水下采集到的环境信息和任务目标搜索进度信息；上位机，与自治水下机器人无线通信，根据搜索任务利用自组织神经网络算法分别为各自治水下机器人分配搜索区域和对应的任务目标，并生成相应的搜索指令发给自治水下机器人；同时，接收自治水下机器人采集的环境信息和任务目标搜索进度信息，并对上述信息分析反馈，动态调整每台所述自治水下机器人的搜索区域和对应的任务目标，生成相应的搜索指令，直到搜索任务中所有目标被搜索到。本发明专利技术搜索范围大，动性、搜索的效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种多自治水下机器人搜索控制系统及其方法
本专利技术水下机器人协作控制
，具体涉及一种多自治水下机器人搜索控制系统及其方法。
技术介绍
随着现代科学技术的进步与发展，人类对世界的探索已经不再局限于陆地，海洋占地球总面积的71％，蕴含着丰富的资源，对海洋的探索与开发已成为当前社会发展的重要内容。水下机器人是一种能够搭载各种电子设备、机械装置，完成对深海探索和勘测的装备，由于其操作灵活、控制性好，鲁棒性高，已成为海洋资源探索和科学研究的重要工具。多自治水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicles,AUV)协作搜索是指多个自治水下机器人通过协作，利用自身携带的传感器对水下环境中的目标进行搜索。协作搜索是实现水下救援、水下侦查、水下考古、水下攻防等任务的重要环节，是水下机器人研究的核心内容之一。传统的水下目标搜索往往是使用单个的缆控水下机器人ROV(RemotelyOperatedVehicle)采用全覆盖的方式进行搜索，由于缆控水下机器人需要线缆和母船连接，受到缆线长度的限制，搜索范围较小，还容易发生电缆缠绕和断裂；同时，单个缆控水下机器人的作用有限，只能用于执行一些简单、局部的搜索任务，而复杂、大范围的目标搜索一般需要多个水下机器人协作完成。另外，全覆盖搜索方法在搜索过程中不会根据环境的变化实时的改变搜索路径，且容易对同一区域进行重复搜索，因此，全覆盖搜索方法搜索效率较低，很难成功搜索到动态环境中的动态目标。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有水下目标搜索使用缆控水下机器人采用全覆盖的方式进行搜索，由于缆控水下机器人需要线缆和母船连接，受到缆线长度的限制，搜索范围较小，容易发生电缆缠绕和断裂，且全覆盖搜索方式不会根据环境的变化实时的改变搜索路径，容易对同一区域进行重复搜索，搜索效率较低，很难成功搜索到动态环境中的动态目标的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是提供一种多自治水下机器人搜索控制系统，包括：一个以上自治水下机器人，根据搜索指令，在各自搜索区域采集水下环境信息，搜索任务目标，并定期上浮，发送水下采集到的环境信息和任务目标搜索进度信息；上位机，与所述自治水下机器人无线通信，根据搜索任务利用自组织神经网络算法分别为每台所述自治水下机器人分配搜索区域和对应的任务目标，并生成相应的搜索指令发送给对应的所述自治水下机器人；同时，接收所述自治水下机器人采集的环境信息和任务目标搜索进度信息，并对上述信息分析反馈，动态调整每台所述自治水下机器人的搜索区域和对应的任务目标，生成相应的搜索指令发送给对应的自治水下机器人，直到搜索任务中所有目标被搜索到。在上述系统中，所述自治水下机器人包括：信号接收和发射单元，用于接收所述上位机发送的搜索指令；行为控制单元，根据Glasius生物启发神经网络算法，将所述信号接收和发射单元接收的搜索指令转换为相应的控制信号，发送给对应其他单元；并定时发送上浮控制信号，控制所述自治水下机器人上浮到水面，与所述上位机进行信息交互；舵机控制单元，用于根据所述行为控制单元发送的控制信号控制所述自治水下机器人左转或右转以及抬艏或沉艏两个自由度上的方向改变；电机控制单元，用于根据所述行为控制单元发送的控制信号、并配合所述舵机控制单元的方向改变控制电机，实现自治水下机器人的前进、后退、左转、右转、抬艏、沉艏动作；传感单元，用于根据所述行为控制单元发送的控制信号采集其搜索区域水下环境信息，搜索探测任务目标；并在所述自治水下机器人上浮时，将环境信息和任务目标搜索进度信息通过所述信号接收和发射单元发送给上位机。在上述系统中，采用Glasius生物启发神经网络算法的二维模型控制自治水下机器人搜索环境，具体为：将采集的二维环境图像转换为栅格地图；将神经网络中每个神经元与二维的栅格地图对应起来，用每一个神经元代表自治水下机器人在栅格地图中的一个位置，并利用每个神经元的活性值表示对应位置的环境信息；如果某个神经元对应位置是目标，那么该神经元的活性值被定义为最大，它将作为激励输入吸引自治水下机器人的靠近；如果某个神经对应位置是障碍物，该神经元的活性值被定义为最小，则它将作为抑制输入排斥自治水下机器人的靠近；激励输入和抑制输入通过神经网络进行传递，影响整个神经网络中每个神经元的活性值不同，而每个神经元的活性值也会在一定程度上影响相邻神经元的活性值；自治水下机器人选择与所在神经元相邻、且活性值最大的相邻神经元作为下一步运动的位置，如此反复选择相，最终发现目标，且躲避障碍物。在上述系统中，所述传感单元将环境信息和任务目标搜索进度信息实时上报所述行为控制单元，所述行为控制单元将采集到的环境信息和任务目标搜索进度信息与搜索任务的期望信息进行比较，如果两者一致，则达到搜索要求；否则，没有到达搜索要求，继续搜索。在上述系统中，所述传感单元包括：深度传感器，采集所述自治水下机器人距离水面的深度；速度传感器，采集所述自治水下机器人当前的运动速度；通过姿态传感器，采集所述自治水下机器人在水下的航行姿态；声呐传感器，利用声音回波方式扫描所述自治水下机器人周围的环境，探测障碍物；光学成像传感器，采集所述自治水下机器人周围环境的图像信息；所述行为控制单元分析所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声呐传感器采集的信息，确定所述自治水下机器人自身的位置以及与障碍物的距离；并将采集的图像信息与需要搜索的目标图像进行比较，如果在采集的图像信息中找到与目标图像相匹配的信息，在水下地图上标记目标位置。在上述系统中，所述上位机包括：基于中央处理器的控制单元，收到搜索任务后或环境信息和任务目标搜索进度信息后，利用其上运行的自组织神经网络算法分别为每台所述自治水下机器人分配或更新搜索区域和对应的任务目标，并生成相应的搜索指令发送给对应的自治水下机器人；功率放大单元，用于放大发射、接收的信号；多路发射和接收单元，对经过所述功率放大单元放大的搜索指令进行调制，并将其发射给对应自治水下机器人；同时，接收所述自治水下机器人发送的环境信息和任务目标搜索进度信息，经过所述功率放大单元传输给所述控制单元。在上述系统中，所述自组织神经网络算法包括输入层Si和输出层Rj；输入层Si为一维输入神经元，表示自治水下机器人；输出层Rj为二维输出神经元，表示需要搜索的区域；所述输入层Si和输出层Rj通过权向量Wj连接；所述输出层Rj首先计算每一个输出神经元与所有输入神经元的权值，并在这些权值中选出最大的权值；再将最大权值对应的输入神经元分配给输出神经元，将所述输入层通过权向量Wj将外界信息汇集到所述输出层各输出神经元；所述输出层反复对输入模式进行“比较”、“分析”，寻找规律，并归类，最终使每一个需要搜索的区域都分配有自治水下机器人。本专利技术还提供了一种多自治水下机器人搜索方法，采用上述一种多自治水下机器人搜索控制系统，包含以下步骤：步骤1、上位机根据搜索任务，利用自组织神经网络算法分别为每台自治水下机器人分配搜索区域和对应的任务目标，并生成相应的搜索指令发送给对应的自治水下机器人；步骤2、自治水下机器人根据收到搜索指令，到达分配的搜索区域，采集水下环境图像信息，搜索任务目标；步骤3、自治水下机器人在搜索过程中定时上浮水面，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自治水下机器人搜索控制系统，其特征在于，包括：一个以上自治水下机器人，根据搜索指令，在各自搜索区域采集水下环境信息，搜索任务目标，并定期上浮，发送水下采集到的环境信息和任务目标搜索进度信息；上位机，与所述自治水下机器人无线通信，根据搜索任务利用自组织神经网络算法分别为每台所述自治水下机器人分配搜索区域和对应的任务目标，并生成相应的搜索指令发送给对应的所述自治水下机器人；同时，接收所述自治水下机器人采集的环境信息和任务目标搜索进度信息，并对上述信息分析反馈，动态调整每台所述自治水下机器人的搜索区域和对应的任务目标，生成相应的搜索指令发送给对应的自治水下机器人，直到搜索任务中所有目标被搜索到。

【技术特征摘要】
1.一种多自治水下机器人搜索控制系统，其特征在于，包括：一个以上自治水下机器人，根据搜索指令，在各自搜索区域采集水下环境信息，搜索任务目标，并定期上浮，发送水下采集到的环境信息和任务目标搜索进度信息；上位机，与所述自治水下机器人无线通信，根据搜索任务利用自组织神经网络算法分别为每台所述自治水下机器人分配搜索区域和对应的任务目标，并生成相应的搜索指令发送给对应的所述自治水下机器人；同时，接收所述自治水下机器人采集的环境信息和任务目标搜索进度信息，并对上述信息分析反馈，动态调整每台所述自治水下机器人的搜索区域和对应的任务目标，生成相应的搜索指令发送给对应的自治水下机器人，直到搜索任务中所有目标被搜索到。2.根据权利要求1所述的一种多自治水下机器人搜索控制系统，其特征在于，所述自治水下机器人包括：信号接收和发射单元，用于接收所述上位机发送的搜索指令；行为控制单元，根据Glasius生物启发神经网络算法，将所述信号接收和发射单元接收的搜索指令转换为相应的控制信号，发送给对应其他单元；并定时发送上浮控制信号，控制所述自治水下机器人上浮到水面，与所述上位机进行信息交互；舵机控制单元，用于根据所述行为控制单元发送的控制信号控制所述自治水下机器人左转或右转以及抬艏或沉艏两个自由度上的方向改变；电机控制单元，用于根据所述行为控制单元发送的控制信号、并配合所述舵机控制单元的方向改变控制电机，实现自治水下机器人的前进、后退、左转、右转、抬艏、沉艏动作；传感单元，用于根据所述行为控制单元发送的控制信号采集其搜索区域水下环境信息，搜索探测任务目标；并在所述自治水下机器人上浮时，将环境信息和任务目标搜索进度信息通过所述信号接收和发射单元发送给上位机。3.根据权利要求2所述的一种多自治水下机器人搜索控制系统，其特征在于，采用Glasius生物启发神经网络算法的二维模型控制自治水下机器人搜索环境，具体为：将采集的二维环境图像转换为栅格地图；将神经网络中每个神经元与二维的栅格地图对应起来，用每一个神经元代表自治水下机器人在栅格地图中的一个位置，并利用每个神经元的活性值表示对应位置的环境信息；如果某个神经元对应位置是目标，那么该神经元的活性值被定义为最大，它将作为激励输入吸引自治水下机器人的靠近；如果某个神经对应位置是障碍物，该神经元的活性值被定义为最小，则它将作为抑制输入排斥自治水下机器人的靠近；激励输入和抑制输入通过神经网络进行传递，影响整个神经网络中每个神经元的活性值不同，而每个神经元的活性值也会在一定程度上影响相邻神经元的活性值；自治水下机器人选择与所在神经元相邻、且活性值最大的相邻神经元作为下一步运动的位置，如此反复选择相，最终发现目标，且躲避障碍物。4.根据权利要求2所述的一种多自治水下机器人搜索控制系统，其特征在于，所述传感单元将环境信息和任务目标搜索进度信息实时上报所述行为控制单元，所述行为控制单元将采集到的环境信息和任务目标搜索进度信息与搜索任务的期望信息进行比较，如果两者一致，则达到搜索要求；否则，没有到达搜索要求，继续搜索。5.根据权利要求2所述的一种多自治水下机器人搜索控制系统，其特征在于，所述传感单元包括：深度传感器，采集所述自治水下机器人距离水面的深度；速度传感器，采集所述自治水下机器人当前的运动速度；通过姿态传感器，采集所述自治水下机器人在水下的航行姿态；声呐传感器，利用声音回波方式扫描所述自治水下机器人周围的环境，探测障碍物；光学成像传感器，采集所述自治水下机器人周围环境的图像信息；所述行为控制单元分析所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声呐传感器采集的信息，确定所述自治水下机器人自身的位置以及与障碍物的距离；并将采集的图像信息与需要搜索的目标图像进行比较，如果在采集的图像信息中找到与目标图像相匹配的信息，在水下地图上标记目标位置。6.根据权利要求1所述的一种多自治水下机器人搜索控制系统，其特征在于，所述上位机包括：基于中央处理器的控制单元，收到搜索任务后或环境信息和任务目标搜索进度信...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹翔，孙红兵，彭静，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32