一种潜水器六自由度运动实时测量系统的制作方法

本发明属于潜水作业技术领域，尤其涉及一种潜水器六自由度运动实时测量控制系统。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

潜水器由于其工作时间长、作业范围大的特性而日益成为人类进行海洋探索和海洋资源开发的重要工具，在科研、商业及军事领域得到了广泛的应用。

目前，用于海洋探测开发的潜水器主要分为载人潜水器和无人潜水器，无人潜水器又包括遥控潜水器和自治潜水器两种。在各类潜水器的研制过程中，水池试验是进行潜水器运动控制研究的重要手段，通过测量潜水器在水池中的运动参数对控制器的设计进行指导和修正，使得潜水器达到预期的控制指标。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)水池试验中，对潜水器运动参数的测量主要通过潜水器自身搭载的传感器完成，这使得潜水器必需在全系统集成结束之后才能进行水池试验，增长了研发周期，

(2)对于某些传感器来说水池条件不满足其使用所需的环境条件，例如对于多普勒测速仪，如果水池深度和宽度条件不满足使用要求，将无法获得正确的数据反馈。

(3)对于某些传感器随时间推移存在累积误差。例如惯性导航传感器每小时的累积误差高达几百米，这已远超水池的主尺度。

(4)各类潜水器所搭载传感器的型号和接口各不相同，为了得到正确的传感器数据，每台潜水器都要进行大量的调试工作。

解决上述技术问题的难度和意义：

难度：很难寻找到一种适合潜水器水池试验的通用技术手段和硬件设备，并能为潜水器控制计算机或控制器提供符合工业通信标准的六自由度数据接口。

意义：本发明缩短潜水器的研制周期，避免潜水器水池试验对所搭载传感器的依赖，省去因传感器型号不同而产生的调试工作，为潜水器控制系统提供实时运动状态信息。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种潜水器六自由度运动实时测量控制系统及控制方法。本发明提供一种基于商用传感器的非接触式六自由度实时测量系统，提供完备的六自由度数据，操作简便，数据更新快，潜水器只要配置了执行机构即可进行水池实验，缩短研发周期。

本发明是这样实现的，一种潜水器六自由度运动实时测量系统，包括：

测量软件，用于预览、捕捉、数据处理和回放；调整摄像头的位置和参数，对标记点识别；

显控软件，用于接收并解析测量软件发送的实时运动数据，并为各类潜水器控制算法的调试提供软件接口；

通信网络，用于实现全系统的数据互联，提供到公网以及第三方设备的扩展接口；

刚体坐标系，建立在测量软件中；用标记点代表被测对象，在观测空间中建立三维坐标，为刚体坐标系。

进一步，测量软件还用于测量刚体的运动，对测得的原始数据根据各标记点的运动轨迹计算得出刚体质心的六自由度运动参数，并按照规定的数据格式通过tcp/ip协议经网络传输给显控计算机。

进一步，测量软件包括：预览模块，用于对标记点识别，并在软件窗口显示标记点和摄像头的相对位置，指导摄像头的布放和参数调整，建立相应的刚体坐标系。

进一步，测量软件进一步包括：捕捉模块，用于记录一次测量中刚体的原始运动数据，对采样频率、捕捉时间参数均进行设置。

进一步，测量软件进一步包括：数据处理模块，用于对原始数据的处理，根据刚体的质心和各标记点的运动轨迹计算得出刚体的六自由度运动参数；还用于工作于文件模式或实时模式，文件模式下数据处理结果自动保存至指定目录，实时模式下，数据处理结果通过网络实时传输给显控计算机或第三方软件。

进一步，回放模块，用于对历史数据或测量工程文件的后处理和分析，自动生成数据图表。

进一步，显控软件包括：

数据接收模块，用于接收测量软件出书的数据并通过调用网络控制完成；

数据解析模块，用于进行数据的错误校验、头尾识别和运动参数的提取；

调试接口，用于为各类控制算法的输入参数和输出参数提供端口。

进一步，建立刚体坐标系中，在测量软件中计算刚体在坐标系中的运动，得到被测对象的运动信息；选中一个标记点为基准点，设置为刚体坐标系的原点或以基准点为参照输入位置偏移值确定坐标原点的位置；从坐标原点连线到各标记点，选取其中一条线为基准，设置为x坐标轴或以基准为参照输入角度偏移值确定x坐标；依此类推，确定y和z坐标轴，完成刚体坐标系的定义。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述潜水器六自由度运动实时测量系统的潜水器六自由度运动实时测量装置，所述潜水器六自由度运动实时测量装置包括：

测量服务器，用于运行测量软件；调整摄像头的位置和参数，使粘贴于刚体全部标记点被识别；测量软件计算得出刚体的六自由度数据，并按照某种格式传输给显控计算机；

摄像头，用于测量刚体的运动，实时记录标记点在刚体坐标系统中的运动轨迹，各摄像头测得的原始数据由无线网络传输给测量服务器中的测量软件；

显控计算机，用于解析六自由度数据帧，并实时显示，同时将六自由度数据共享给潜水器的控制器，进行运动控制算法的调试；

刚体，为潜水器，用于搭载标记点。

进一步，摄像头至少两个，且具有相同的接口。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提供一种基于商用传感器的非接触式六自由度实时测量系统，提供完备的六自由度数据，操作简便，数据更新快，潜水器只要配置了执行机构即可进行水池实验，缩短研发周期.

本发明基于对标记点的光学捕捉完成测量，测量的精度和效果只取决于光噪声大小、摄像头感光元件精度以及软件的后处理能力，与水池主尺度并无关联。

本发明基于摄像头捕捉的标记点位置实时处理生成被测量对象的六自由度数据，各时刻的测量相互独立，因此无累积误差。

本发明体现在光学测量系统应用于潜水器运动的测量。

测量手段不依赖于潜水器本身所搭载的传感器，使得潜水器运动控制性能的研究工作不受潜水器本身研发周期的影响；

测量过程和结果与潜水器型号无关，省去因潜水器型号变化增加的额外工作；

系统基于商用传感器和软件开发，数据刷新快，测量精度高，操作简单，后期易于升级；

数据传输介质为网络，可将系统接入公网或专用网络，实现对系统的远程访问和控制，将数据共享给有需求的研究人员。

本系统与传统组合导航方式的对比

附图说明

图1是本发明实施例提供的潜水器六自由度运动实时测量装置示意图。

图2是本发明实施例提供的潜水器六自由度运动实时测量装置实物示意图。

图中：1、网络集线器；2、测量服务器；3、显控计算机；4、摄像头(不少于两只，根据需要可增加)；5、摄像头无线接入点；6、陆地单元无线接入点；7、光学标记点。

图3是本发明实施例提供的四个白色圆点即为摄像头识别到的标记点图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

六自由度－物体在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。

如图1，本发明实施例提供的潜水器六自由度运动实时测量装置包括：

测量服务器，用于运行测量软件；调整摄像头的位置和参数，使粘贴于刚体全部标记点被识别；测量软件计算得出刚体的六自由度数据，并按照某种格式传输给显控计算机；

摄像头，用于测量刚体的运动，各摄像头测得的原始数据由无线网络传输给测量服务器中的测量软件；

显控计算机，用于解析六自由度数据帧，并实时显示，同时将六自由度数据共享给潜水器的控制器，进行运动控制算法的调试；

刚体，为潜水器，用于搭载标记点。

图2是本发明实施例提供的潜水器六自由度运动实时测量装置实物图。包括：网络集线器1、测量服务器2、显控计算机3、摄像头4(不少于两只，根据需要可增加)、摄像头无线接入点5、陆地单元无线接入点6、光学标记点7。

光学标记点7粘贴于被测量对象，摄像头4以串联方式接入摄像头无线接入点5，摄像头4本身提供两个相同的接口方便实现串联，摄像头采集的数据通过陆地无线接入点6进入网线集线器1，测量服务器2接收来自网络集线器1的数据，在配套的专用软件中处理摄像头4原始数据，得到被测对象的各自由度运动参数，显控计算机3通过网络集线器1接收来自测量服务器的测量结果，解析为监控软件所需要的数据格式，进行实时显示并为潜水器的控制器提供相应的传感器数据。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的潜水器六自由度运动实时测量系统，进一步包括：

测量软件，用于预览、捕捉、数据处理和回放；调整摄像头的位置和参数，对标记点识别；

显控软件，用于接收并解析测量软件发送的实时运动数据，并为各类潜水器控制算法的调试提供软件接口；

通信网络，用于实现全系统的数据互联，提供到公网以及第三方设备的扩展接口；

刚体坐标系，建立在测量软件中；用标记点代表被测对象，在观测空间中建立三维坐标，为刚体坐标系。

测量软件还用于测量刚体的运动，对测得的原始数据根据各标记点的运动轨迹计算得出刚体质心的六自由度运动参数，并按照规定的数据格式通过tcp/ip协议经网络传输给显控计算机。

测量软件包括：预览模块，用于对标记点识别，并在软件窗口显示标记点和摄像头的相对位置，指导摄像头的布放和参数调整，建立相应的刚体坐标系。

测量软件进一步包括：捕捉模块，用于记录一次测量中刚体的原始运动数据，对采样频率、捕捉时间参数均进行设置。

测量软件进一步包括：数据处理模块，用于对原始数据的处理，根据刚体的质心和各标记点的运动轨迹计算得出刚体的六自由度运动参数；还用于工作于文件模式或实时模式，文件模式下数据处理结果自动保存至指定目录，实时模式下，数据处理结果通过网络实时传输给显控计算机或第三方软件。

回放模块，用于对历史数据或测量工程文件的后处理和分析，自动生成数据图表。

显控软件包括：

数据接收模块，用于接收测量软件出书的数据并通过调用网络控制完成；

数据解析模块，用于进行数据的错误校验、头尾识别和运动参数的提取；

调试接口，用于为各类控制算法的输入参数和输出参数提供端口。

建立刚体坐标系中，在测量软件中计算刚体在坐标系中的运动，得到被测对象的运动信息；选中一个标记点为基准点，设置为刚体坐标系的原点或以基准点为参照输入位置偏移值确定坐标原点的位置；从坐标原点连线到各标记点，选取其中一条线为基准，设置为x坐标轴或以基准为参照输入角度偏移值确定x坐标；依此类推，确定y和z坐标轴，完成刚体坐标系的定义。

其中，运行测量软件，调整摄像头的位置，使标记点处于摄像头的观察范围内，同时确保在潜水器运动过程中，标记点不会超出摄像头的观察范围。调整摄像头的光圈大小和焦距，当在测量软件中所有标记点呈小亮圆点状态时，表明标记点在摄像头中被良好识。图3中四个白色圆点即为摄像头识别到的标记点。

下面结合工作原理对本发明作进一步描述。

将标记点粘贴于潜水器的适当位置后，在测量服务器中运行测量软件，调整摄像头的位置和参数，使全部标记点被有效识别，然后在软件中连接各标记点，定义一个刚体，用来代表潜水器，同时在测量软件中建立刚体坐标系。摄像头测量刚体的运动，各摄像头测得的原始数据由无线网络传输给测量服务器中的测量软件，测量软件计算得出刚体的六自由度数据，并按照某种格式传输给显控计算机。显控计算机解析六自由度数据帧，并实时显示，同时将六自由度数据共享给潜水器的控制器，进行运动控制算法的设计和调试。

下面结合具体实验对本发明作进一步描述。

实施例

两台电脑分别作为显控计算机和测量服务器工作，测量服务器运行演示案例，通过网线向显控计算机实时发送测量结果，显控计算机解析后的显示效果良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。