本發(fā)明屬于水下機器人控制，具體涉及到一種基于多傳感器融合的水下機器人控制平臺及操作方法。

背景技術：

1、水下機器人在深海測繪，漁業(yè)捕撈，以及管道巡檢等領域有著重要的應用價值。然而水下機器人自身存在模型的不確定性，同時在作業(yè)時會受到水下暗流或其它不確定因素的影響。在這些負面因素的影響下，水下機器人需要通過設計適應能力強的控制器來應用于水下作業(yè)場景。為了驗證所設計控制器的有效性和實用性，需要借助水下機器人實驗平臺來測試設計的控制器并進行參數調優(yōu)。然而現有的水下機器人只是單獨使用視覺或聲學定位，該方法定位精度低；同時現有的控制器無法根據需求選擇合適的編程環(huán)境進行實驗。

技術實現思路

1、為了解決現有的水下機器人定位精度低問題；同時為了解決現有的控制器無法根據需求選擇合適的編程環(huán)境進行實驗的問題。本發(fā)明提供了一種基于多傳感器融合的水下機器人控制平臺及操作方法，能夠提升水下機器人的定位精度，同時允許開發(fā)者根據自身需求選擇最合適的編程環(huán)境進行實驗。

2、本發(fā)明一種基于多傳感器融合的水下機器人控制平臺及操作方法所采用的技術方案為：

3、一種基于多傳感器融合的水下機器人控制平臺，其特征在于：包括部署在水池內的水下機器人本體，水下機器人本體通過跨介質通訊子系統(tǒng)與可移動控制臺通信，同時還包括布置在水池上方向可移動控制臺傳輸水下機器人本體的平面坐標信息的視覺平面定位系統(tǒng)。

4、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述水下機器人本體的表面設置有顏色標記，且水下機器人本體的質心上方設置有水下耐壓倉，水下耐壓艙內設置有水下機器人核心板、電源管理板、推進器驅動模塊及姿態(tài)傳感器，水下機器人本體的質心上方位于水下耐壓倉的外部設置有深度傳感器，同時水下機器人本體的四周設置有推動自身移動的全向矢量推進器。

5、本發(fā)明上述技術方案的進一步改進在于：所述水下機器人本體具有6個可控自由度，通過推進器驅動模塊控制全向矢量推進器，并將深度傳感器測量到的深度信息以及姿態(tài)傳感器測量到的橫滾、俯仰以及偏航信息實時傳輸至可移動控制臺。

6、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述跨介質通訊子系統(tǒng)包括一端與水下機器人本體相連接的零浮力通訊線纜，零浮力通訊線纜的另一端連接有無線通訊中繼器。

7、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述可移動控制臺包括供實驗人員進行算法輸入與參數調優(yōu)的上位機軟件。

8、本發(fā)明上述技術方案的進一步改進在于：所述上位機軟件中擁有控制按鈕對應發(fā)送水下機器人本體各個自由度的控制指令，用于測試水下機器人本體各個自由度是否能夠正常工作；上位機軟件中同時擁有可主動輸入針對控制器的編程接口，用于自主改寫控制算法結構；上位機軟件中擁有“開始實驗”按鈕用于控制實驗的開始，實驗開始后會自動記錄保存水下機器人本體狀態(tài)數據到數據存儲文件中；同時，上位機軟件中擁有“緊急停止”按鈕用于在意外事件發(fā)生時緊急停止實驗，上位機軟件中還擁有“一鍵繪制”按鈕用于繪制數據存儲文件中的水下機器人本體狀態(tài)數據時間序列用于實驗結果的呈現與分析。

9、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述視覺平面定位系統(tǒng)包括平面定位相機、圖像識別嵌入式處理器、無線發(fā)射模塊及可調支撐架；其中，視覺平面定位系統(tǒng)通過無線發(fā)射模塊向可移動控制臺傳輸水下機器人本體的平面坐標信息，同時可移動控制臺通過跨介質通訊子系統(tǒng)向水下機器人本體傳輸針對每個推進器的控制信號。

10、本發(fā)明上述技術方案的進一步改進在于：所述圖像識別嵌入式處理器基于水下機器人本體的表面顏色閾值范圍尋找可見視場內最大面積色塊，獲得水下機器人本體在圖像平面的坐標信息pi＝[xpix,ypix]t，并通過一階低通濾波算法將得到的坐標信息平滑處理進而得到用于反饋的坐標信息ps＝[xs,ys]t，所述一階低通濾波算法表達式如下：

11、

12、其中，ω為正定的對角參數矩陣。

13、本發(fā)明上述技術方案的進一步改進在于：所述可調支撐架采用伸縮裝置，可調支撐架內裝有位移傳感器測量可調支撐架延展長度，并根據如下公式計算像素寬度與實際距離的比例關系：

14、

15、

16、其中，zp是水下機器人本體的實際深度，h0為可調支撐架固定桿末端距水面高度，h*為可調支撐架的伸縮長度，a為平面定位相機視場角，lx，ly為平面定位相機在水平兩個方向上的圖像尺寸，c為水的折射率，xs，ys為識別到的水下機器人本體圖像平面上的坐標。

17、一種基于多傳感器融合的水下機器人控制平臺的操作方法，使用上述的一種基于多傳感器融合的水下機器人控制平臺，包括以下步驟，

18、s1、實驗人員布置水下機器人本體及視覺平面定位系統(tǒng)并連接跨介質通訊子系統(tǒng)及可移動控制臺；開啟所有的設備之后，實驗人員通過可移動控制臺上的按鍵輸入各個方向的運動指令以測試水下機器人本體各個運動自由度的有效性；

19、s2、實驗人員在陸上可移動控制臺手動輸入水下機器人本體初始點以及實驗時間，可移動控制臺中上位機軟件存儲上述信息并等待下一步操作；

20、s3、實驗人員將設計的控制算法和期望軌跡通過“控制器輸入區(qū)域”按照下拉框“編程語言選擇”中選擇的編程語言進行輸入，將控制器部署到可移動控制臺；選擇回到初始點功能令水下機器人本體在水池中移動到s2中設定的初始點等待實驗任務開始；進一步，點擊“開始實驗”按鈕，水下機器人本體會自動運行設計的控制算法追蹤s2中設定的軌跡至設定的實驗時間結束，實驗中水下機器人本體的位置速度以及姿態(tài)角度和角速度自動存儲到實驗數據存儲文件中；

21、s4、點擊“一鍵繪制”按鈕，將實驗中水下機器人本體的狀態(tài)信息通過圖形直觀顯示以用于分析；

22、s5、調整控制器的參數并重復s2和s3，重復實驗并進行參數調優(yōu)。

23、由于采用了上述技術方案，本發(fā)明所取得的技術進步包括：

24、本發(fā)明中通過平面定位相機、深度傳感器及姿態(tài)傳感器對水下機器人本體進行定位，定位方案利用搭載平面定位相機的視覺平面定位系統(tǒng)自動識別并解算水下機器人本體的水平位置，并通過調節(jié)高度來改變平面定位范圍；利用深度傳感器獲取水下機器人本體下潛深度信息；利用姿態(tài)傳感器獲得水下機器人本體實時姿態(tài)。相較于在實驗中單獨用視覺或聲學定位的方法提升了定位精度并降低了耗費成本。

25、本發(fā)明采用了可主動修改控制器結構的上位機軟件，用戶可以通過視覺平面定位系統(tǒng)和跨介質通訊子系統(tǒng)反饋回的狀態(tài)信息變量，并利用模塊化的輸入方式在上位機軟件主動通過編程語言修改控制器的結構，其支持多種編程語言的接口，允許開發(fā)者根據自身需求選擇最合適的編程環(huán)境進行實驗，使控制算法輸入的實驗準備工作變得更加靈活高效，并提高了控制器參數調試和優(yōu)化的效率。

26、本發(fā)明采用了跨介質通訊子系統(tǒng)，將傳感器數據通過電力載波和轉無線通訊的方式將數據從水下傳輸至陸上控制臺，并將控制信號從陸上控制臺傳送至水下機器人本體。極大地簡化了系統(tǒng)的部署過程，消除了傳統(tǒng)方法中單獨用有線連接方式時布線復雜、部署不靈活且受空間限制的局限性，減少了布線的難度，擴大了陸上可移動控制臺的活動范圍。