海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统技术方案

一种捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，包括捕捞机器人，用于对捕捞现场和捕捞机器人的状态进行综合分析处理和判断的、并用于在人机协同捕捞作业中为捕捞管理人员提供远程干预和管理的计算机，用于乘载捕捞管理人员以及收集和运输捕捞对象的母船，用于定位母船空间位置的GPS；捕捞机器人中的Agent与水面母船进行信息交互，并自主完成海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、控制捕捞等动作。本发明专利技术提供一种具有机构简单、控制复杂度低、有限智能化、捕捞效率高、环境适应性好、制造和维护成本低、能针对性的实现捕捞的深海捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于全景视觉技术、海底捕捞机器人的导航技术、人工智能技术和人机协同技术在海底生物资源探索和捕捞方面的应用，尤其适用于人机协同的多捕捞机器人的自主导航和捕捞作业。
技术介绍
深海生物捕捞，即对深海生物进行捕捞，把生物从深海捕获出水进行科学研究或者其他商业用途。目前通常采用一种拖网捕获技术，它是一种利用船舶航行的拖拽式捕捞方式。底拖网是一种用于对深海底栖生物等小型生物进行捕获技术。这种底拖网技术对生态系统造成了灾难性伤害，珊瑚、海绵、鱼类和其它动物都将因此受到捕杀。同时众多海洋生物的栖息地一海山等水下生态系统也遭到了严重的破坏。这种捕捞方式对海洋生态系统造成了无法弥补的损失。由于拖网技术很难对生物进行有针对性的捕获，往往造成不分青红皂白的“滥杀无辜”，成功率低且浪费资源。近年来水下机器人越来越多地运用于人类对深海资源的探索。其中，对深海生物资源的探索也是极为重要的一环。深潜器最直观的优点在于科学家可以远程进行操控并且针对性高，也不会对深海环境造成破坏。但是目前水下机器人十分昂贵，应用于商业用途的海底生物捕捞仍然存在着很多问题。水下机器人又称无人遥控潜水器，其工作方式是由水面母船上的工作人员通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，采用水下电视、声呐等专用设备进行观察，并由机械手进行水下作业。在深海生物捕获中，水下机器人使用机械手把捕获的生物放入收集舱中带上水面。其中水下电视系统是最具有发展潜力的一种观察设备。如美国的伍兹霍尔(Woods Hole)海洋研究所开发了一台名为“全球最棒的漂流者”的深潜水下机器人，它配备有高清晰度摄像头，能在深达3000米的水下工作，科学家可远距离操作，将水中抓获的生物存放在机器人的收集舱中。但是，目前使用在水下机器人中的水下电视系统所获取的图像仍然是平面视觉信息，无法获得被捕获对象的深度信息；而且视觉范围十分有限。这种水下机器人的制造成本极其昂贵。随着计算机技术和信息采集与处理技术的发展，人工智能、机器视觉等新技术在水下机器人的应用研究得到了重视。结合了海底针对性的捕捞技术、机械技术、电子技术、信息技术和人工智能技术的水下捕捞机器人的研制是当前国内外海洋机器人研究领域的研究热点之一。机器视觉用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释，能依据视觉敏感和反馈的某种程度的智能完成一定的任务。尤其是近年来，机器视觉技术的快速发展，为捕捞机器人的自主导航和海底生物的识别提供了一种新的解决方案；全景立体视觉技术的出现为捕捞机器人的自主导航和海底生物的识别定位提供了极大的便利。捕捞机器人中无论采用何种移动机构，都存在移动机器人的自主导航问题。目前移动机器人有多种导航方式，根据环境信息的完整程度、导航指示信号的类型、导航地域等因素的不同，可以分为基于地图导航、基于信标导航、基于GPS和视觉导航以及基于感知器导航等。基于地图的导航方式，事先要将机器人的作业环境输入控制系统内，形成电子地图。在结构化、环境条件已知的情况下，可以采用此种方法。基于信标导航，需要在作业环境的确定位置设立信标。机器人通过安装在身体上的测量装置检测其与信标的相互关系，推算自身的位姿。这种方式下，机器人的定位误差只取决于机器人与各信标的相对位置，在工业自动导引小车中用到这种方法。捕捞机器人的作业环境复杂，需要机器人根据环境的变化自行确定行走的方向。上述这些方法在海底环境中难以实施，因此，视觉导航成为捕捞机器人自主导航的首选方法。视觉导航技术的基本原理是，利用视觉传感器作为感知元件，获取海底周边环境的图像。经过图像二值化、滤波等图像处理后，利用Hough变换等技术提取边界信息。然后根据模式识别技术，确定障碍物的方位和机器人的行走路线。控制器经过路径规划、优化，控制捕捞机器人的行走机构，指挥捕捞机器人在无人干涉情况下自主移动到预定的位置。视觉导航需要处理大量的图像数据，需要采用专用的图像处理卡。目前，有些研究者利用DSP芯片实现图像数据的采集、数字化转换、分析和处理的全部功能，直接将处理结果传送给主机。另一方面，目前在基于视觉导航的行走机器人技术方面基本上采用一般的彩色摄像机作为视觉感知元件，要获取捕捞机器人周边环境的视频图像往往需要用多个摄像机分别朝着不同的方向进行拍摄，并用多视频图像数据融合的方式进行处理；另一种方案是采用云台技术不断地扫描行走机器人的周边环境；上述这两种方式都会增加硬件和软件成本，造成了在图像分析处理上很大的负担。对于非结构化的捕捞环境采用全方位的智能感知是必不可少的。
技术实现思路
为了克服已有的海底生物捕捞机器人的机构复杂、控制复杂度高、智能化要求高、制造和维护成本昂贵、难以实现针对性的捕捞、环境适应性差和捕捞效率不高等不足，本专利技术提供一种具有机构简单、控制复杂度低、有限智能化、捕捞效率高、环境适应性好、制造和维护成本低、能针对性的实现捕捞的深海捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，包括捕捞机器人，用于实现人-捕捞机器人之间进行信息交互的通信网和用于对捕捞现场和捕捞机器人的状态进行综合分析处理和判断的、并用于在人机协同捕捞作业中为捕捞管理人员提供远程干预和管理的、安置在水面母船控制室中的计算机；所述捕捞机器人，包括外部形状类似于海龟的捕捞机器人的本体，基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的机器手，用于感知水深的压力传感器，用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘，用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制机器手协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体，以下简称Agent，与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带；所述的捕捞机器人本体，外形非常类似于海龟，底部平坦，背部隆起，俯视呈现椭圆形，如附图1所示；所述的捕捞机器人本体内部分隔成为三个空间，一个空间为收集舱，位于本体的底部，用于存放捕捞对象；一个空间为控制设备仪器仪表舱，位于本体的背部，控制设备仪器仪表舱中安装着所述的智能体、其他控制仪器仪表以及备用电源，所述的脐带接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体通信接口和备用电源进行连接；所述的双目立体全景视觉传感器，自带有为捕捞机器人提供照明的环形LED光源，固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，用于获取仿生海底生物捕捞机器人周边的全景立体视觉视频图像，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的USB接口进行连接；所述的压力传感器，固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的A/D接口进行连接，用于检测所述的捕捞机器人本体所受到的海水压力，从而从压力值推算出所述的捕捞机器人本体所处的深度；所述的数字罗盘，安置在控制设备仪器仪表舱内，与所述的智能体的I/O接口进行连接，用于检测所述的捕捞机器人的行走方向，根据所述的捕捞机器人行走控制与行走方向得到所述的捕捞机器人在海底行走的轨迹；一个空间为浮力舱，位于收集舱和控制设备仪器仪表舱之间，主要用于控制所述的捕捞机器人行走时的稳定性以及升降；所述的浮力舱上开有两个口，一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，其特征在于：包括捕捞机器人，用于对捕捞现场和捕捞机器人的状态进行综合分析处理和判断的、并用于在人机协同捕捞作业中为捕捞管理人员提供远程干预和管理的计算机，用于乘载捕捞管理人员以及收集和运输捕捞对象的母船，用于定位母船空间位置的GPS；所述的捕捞机器人，包括捕捞机器人的本体，基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的机器手，用于感知水深的压力传感器，用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘，用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制机器手协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体，以下简称Agent，与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带；所述的Agent根据所述的全景立体视觉传感器感知的信息进行分析、计算和推理，根据所述的捕捞管理人员下达的捕捞区域和捕捞时间的捕捞作业调度决策，自动做出路径规划，驱动所述的捕捞机器手完成边行走边捕捞的任务操作；通过通信网向捕捞管理人员提供非规则事件信息，请求捕捞管理人员的干预；所述的Agent驻留在所述的捕捞机器人中，所述的Agent包括任务规划行为模块、协调行为模块、与捕捞管理人的交互行为模块、紧急行为模块、升降行为模块、避障行为模块、定位行为模块、路径跟踪行为模块、行走行为模块、转向行为模块、捕捞对象的识别行为模块、捕捞对象的空间定位行为模块和捕捞行为模块；所述的通信网，用于捕捞管理人员与捕捞机器人之间的信息交互，GPS为母船提供空间位置信息，安装在捕捞机器人内的数字罗盘为捕捞机器人的行走方向提供方位信息；通过所述的通信网将分布在捕捞区域中的捕捞机器人与捕捞管理人员构成一个人?捕捞机器人一体化的捕捞管理和控制系统，协同地感知和采集网络分布区域的多捕捞机器人和各种捕捞对象的信息。...

【技术特征摘要】
1.一种海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，其特征在于包括捕捞机器人，用于对捕捞现场和捕捞机器人的状态进行综合分析处理和判断的、并用于在人机协同捕捞作业中为捕捞管理人员提供远程干预和管理的计算机，用于乘载捕捞管理人员以及收集和运输捕捞对象的母船，用于定位母船空间位置的GPS ；所述的捕捞机器人，包括捕捞机器人的本体，基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的机器手，用于感知水深的压力传感器，用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘，用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制机器手协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体，以下简称Agent，与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带；所述的Agent根据所述的全景立体视觉传感器感知的信息进行分析、计算和推理，根据所述的捕捞管理人员下达的捕捞区域和捕捞时间的捕捞作业调度决策，自动做出路径规划，驱动所述的捕捞机器手完成边行走边捕捞的任务操作；通过通信网向捕捞管理人员提供非规则事件信息，请求捕捞管理人员的干预；所述的Agent驻留在所述的捕捞机器人中，所述的Agent包括任务规划行为模块、协调行为模块、与捕捞管理人的交互行为模块、紧急行为模块、升降行为模块、避障行为模块、定位行为模块、路径跟踪行为模块、行走行为模块、转向行为模块、捕捞对象的识别行为模块、 捕捞对象的空间定位行为模块和捕捞行为模块；所述的通信网，用于捕捞管理人员与捕捞机器人之间的信息交互，GPS为母船提供空间位置信息，安装在捕捞机器人内的数字罗盘为捕捞机器人的行走方向提供方位信息；通过所述的通信网将分布在捕捞区域中的捕捞机器人与捕捞管理人员构成一个人-捕捞机器人一体化的捕捞管理和控制系统，协同地感知和采集网络分布区域的多捕捞机器人和各种捕捞对象的信息。2.如权利要求1所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，其特征在于捕捞管理人员驾驶乘坐在所述的母船的控制室中，通过通信网对分布在捕捞区域内的各所述的捕捞机器人进行巡视；对所述的捕捞机器人发生的各种非常规情况，即紧急行为进行及时的处置，对所述的捕捞机器人发出的捕捞海底生物装卸请求做出响应，控制请求的捕捞机器人上升到海面，然后将所述的捕捞机器人的本体底部从本体上卸下，用空的收集舱更换盛满了捕捞对象的收集舱，重新将所述的捕捞机器人本体的底部连接到本体上，接着将所述的捕捞机器人放入海中继续进行捕捞；所述的母船的控制室内配置了所述的计算机，所述的计算机中安装了捕捞管理和控制系统软件，所述的捕捞管理人员通过所述的计算机对分布在各区域内的所述的捕捞机器人进行捕捞管理和控制；所述的计算机通过所述的通信网与分布在各区域内的所述的捕捞机器人中的所述的Agent进行信息交互。3.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，其特征在于所述的紧急行为模块，所述的紧急行为是所述的捕捞机器人优先级最高的行为，在所述的捕捞机器人避障行为失败后或者是发生颠倒不能行走事故就切换到所述的紧急行为；当所述的紧急行为发生时，所述的Agent立刻向所述的捕捞管理人员发出请求干预信息，等待所述的捕捞管理人员干预处理；当规定时间内没有接到所述的管理人员干预情况下，自动启动所述的升降行为模块工作，使得捕捞机器人浮出海面。4.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，其特征在于所述的升降行为模块，用于控制捕捞机器人的上升或下降，当捕捞机器人上升到海面时上升动作自动停止,当捕捞机器人下降至海底时下降动作自动停止；所述的升降行为模块一方面由母船上的捕捞人员通过计算机控制，另一方面由捕捞机器人的 Agent控制；母船上的捕捞人员的控制具有优先权。5.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统，其特征在于所述的协调行为模块包括外部协调单元和内部协调单元，内部协调单元对直行捕捞行为模块、升降行为模块、转向行为模块、行走行为模块和避障行为模块进行选择，决定哪个行为模块被激活，并对同时激活的行为模块进行协调；1)体现紧急事件最优先的原则，一旦所述的紧急行为模块发出紧急请求时所述的协调行为模块首先让所述的直行捕捞行为模块、所述的转向行为模块和所述的避障行为模块设置为休眠锁定状态，接着通过与所述的捕捞管理人的交互行为模块向捕捞管理人员请求干预，当捕捞管理人员处理完紧急事件后才能解除所述的直行捕捞行为模块、所述的转向行为模块和所述的避障行为模块设置为休眠锁定状态；2)体现按捕捞作业顺序工作的原则，协调好所述的捕捞机器人边行走、边捕捞的动作，当检测到所述的机器手的捕捞范围内有捕捞对象时停止行走，当周边的捕捞对象都捕捞结束时再启动行走；在行走、捕捞和转向行为...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤一平，俞立，孙明轩，倪洪杰，余世明，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：