一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水下机器人实时并发控制系统，特别地涉及一种六自由度眼球型 水下机器人实时并发控制系统。 技术背景
[0002] 水下机器人作为一种特殊用途的机器人，可以对各类水域中（湖泊、海洋、下水道、 小沟等）的基础设备进行维护与检修以及在对未知水域的探索中起着很大的作用，它的应 用前景相当广泛。目前所研究的水下球形机器人控制系统的控制方式主要分为两种:一种 是以飞轮改变姿态为主，利用多个飞轮的扭矩平衡，以及飞轮扭矩的差动使球壳旋转，从而 改变球壳的姿态，通过单一喷水来实现机器人的运动转换，这种机器人控制系统在实时性 能方面存在一定的缺陷，因为数据计算量较大，实时计算方面存在很大的问题;另一种是利 用外置螺旋桨推进器的组合来改变机器人的姿态，这种控制系统由于机器人表面不光滑从 而容易导致在复杂的水下环境的交互过程中受到干扰。在湍急水流的小管道、水下狭小区 域等情况下，上述控制系统在稳定性能方面存在很大的缺陷，所以迫切需要一种能在湍急 水流，存在暗涌等水下环境中进行工作的水下机器人实时并发控制系统，保证机器人适应 于复杂环境下的工作，从而更好地完成某些特定的任务。本发明在先申请发明专利中给出 的六自由度眼球型水下机器人包括机器人上半球壳、四个相同的分流阀、两个相同的Y形塑 料导管、下半球壳、三个相同的双向离心栗、四个相同的控制电机、两个大口径槽、一个中口 径槽、七个小口径槽、摄像头、和喷水口。该机器人四个相同的分流阀采用康达效应阀，四个 相同的控制电机采用小型直流电机；四个相同的分流阀与三个相同的双向离心栗、两个相 同的Y型塑料导管组合成具有12个喷水口的多轴喷水系统，两两喷水口之间的配合实现6个 自由度运动。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于解决在小管道、水下狭小空间以及水流暗涌等区域情况下，普 通水下机器人由于湍急水流的复杂作用力，暗涌的强冲击等外界因素的影响，以及水下通 信的带宽窄，受环境等因素影响大，可适用的载波频率低，传输的延迟性高等特点，导致机 器人无法控制自身的姿态以及与外界保持通信等问题，本发明提供一种六自由度眼球型水 下机器人实时并发控制系统，该系统是一种自适应闭环控制系统，其中机器人姿态测量系 统作为并发控制系统的前馈模块，视觉测量系统作为并发控制系统的反馈模块，双向离心 栗和阀的组合作为执行机构，从而根据需要来实时改变六自由度眼球型水下机器人的姿 ??τ 〇
[0004] 为达到上述目的，本发明的构思是：
[0005] 本发明的六自由度眼球型水下机器人，主要由上半球壳5-Α、分流阀5-G、分流阀5-F、分流阀5-0、分流阀5-Κ、Υ形塑料导管5-Η、Υ形塑料导管5-1、下半球壳5-D、双向离心栗5-Ν、双向离心栗5-L、双向离心栗5-Μ、控制电机5-J、控制电机5-Ε、摄像头C11、ARM主控制器安 装槽Cl、陀螺仪安装槽C2、加速度计安装槽C3、滑移开关安装槽C4、驱动器安装槽C5、卡尔曼 滤波器安装槽C6、激光传感器安装槽C7、DSP安装槽C8、编码器安装槽C9和MCP2510转换器安 装槽CIO组成。该六自由度眼球型水下机器人控制系统，主要包括ARM主控制器、DSP图像单 元、陀螺仪、编码器、加速度计、控制电机、摄像头;其特征在于:所述加速度计对机器人进行 实时测量，编码器与陀螺仪并发地进行数据采集，并通过卡尔曼滤波滤除噪声数据，然后将 提取的数据进行数据融合，最后得到机器人自身的两组姿态信息;所述加速度计、编码器和 陀螺仪组成传感器模块;此外ARM主控制器与加速计采用IIC总线连接，ARM主控制器与陀螺 仪、编码器采用RS-232串口方式通信；四个相同的控制电机采用小型直流电机，电机采用 USB方式与驱动器连接，驱动器与电机之间采用CAN总线方式通信，并采用PWM方式控制电机 的旋转;所述视觉子系统由CCD相机、DSP数据处理模块组成;视觉子系统与控制子系统共同 组成并发控制系统，通过视觉图像的处理和对小型直流电机的控制，从而实现眼球型水下 机器人六自由度运动；
[0006] 所述传感器模块设计分为左右两路，左路设计由加速度计及编码器共同组成，用 于测量水下机器人的矢量位移，右路设计由陀螺仪构成，用于测量由于水流的影响，水下机 器人所产生的滑移位移;左右两路姿态传感器提取的数据，经过卡尔曼滤波器滤波，得到矢 量速度;所述六自由度眼球型水下机器人利用分流阀和双向离心式栗相组合，通过在特定 喷水口喷水，实现了六自由度运动又使机动能力所需要的栗的数目的减少，从而缩小眼球 型水下机器人的体积，分流阀允许喷水流方向快速切换，对机器人产生准确的高带宽推力；
[0007] 所述视觉子系统与控制子系统的通信模块，是将ARM处理器的SPI总线和DSP的CAN 接口与MCP2510接口连接，通过CAN总线数据传输的高效特性从而保证控制性能的实时特 性；
[0008] 所述六自由度眼球型水下机器人控制水平方向的喷水口与机器人前进方向的夹 角为正30度或负30度。
[0009] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
[0010] 一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，包括控制子系统、图像处理 子系统、激光通信子模块和数据融合模块，其特征在于:所述控制子系统连接激光通信模 块和数据融合模块而与图像处理子系统通过CAN转换器实现CAN总线高速通信，两个子系统 对数据并发地进行处理，实现对水下机器人实时并发控制。所述控制子系统包括两组机器 人机体姿态传感器、主控单元和底层驱动模块;所述两组机器人机体姿态传感器包括加速 度计、陀螺仪和编码器;所述主控单元连接两组机器人机体姿态传感器和底层驱动模块;所 述控制子系统为了防止外界环境所带来的干扰，采用两组机器人机体姿态传感器进行自身 姿态的测量，将该两组传感器采集的两组数据传输至数据融合模块，将处理后定为有效的 数据作为控制系统的前馈信号。所述图像处理子系统包括DSP主控单元和CCD相机组成的视 觉系统;所述图像处理子系统利用DSP数据处理模块通过IIC总线方式与CCD相机进行数据 高效率传输，且对CCD相机提取的视觉信息进行数据处理，并将处理后的视觉信息与控制子 系统的姿态信息进行数据融合，作为整个实时并发控制系统的定位与校验误差。所述激光 通信子模块包括激光传感器及其外围接口，在水下与外界环境通信时，所述激光通信子模 块利用激光传输图像处理子系统采集的图像数据信息，与外界终端;此外，所述激光通信子 模块可以接受外界的远程操控指令，控制双向离心栗的排水量以及控制电机的转速。所述 数据融合模块包括卡尔曼滤波器、选择开关、视觉数据存储器和滑移开关;所述两组机器人 姿态传感器经选择开关和滑移开关连接视觉数据存储器;所述眼球型水下机器人实时并发 控制系统的数据融合模块阈值仲裁时以两组姿态传感器测量的在X-Y-Z三轴方向的矢量速 度差值的模为仲裁标准。所述数据融合模块利用旋转矩阵进行从相对坐标到世界坐标系的 转换，进行目标定位，为了保证整个追踪控制系统的实时性与稳定性，采用激光通信的方式 进行水下通信，采用CAN总线方式进行数据传输。所述系统的控制子系统与图像处理子系统 执行并行运算，同时不断地进行数据交互与通信，整个通信过程提供对IIC总线与CAN总线 方式的支持，因此，可以切换主从机的模式。
[0011] 本发明与现有技术相比较，具有以下明显优点及突出性进步：
[0012] 本发明的六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统具有独特的自适应特性， 使它在恶劣的水下环境中不会因为湍急水流的影响，而导致机器人控制性能下降，针对在 小管道、狭小的水下区域中，水流速较大而导致水下机器人姿态测量误差较大等情况，其采 用的两路检测装置有效地解决了此类的影响。本发明所设计的视觉子系统与控制子系统通 过CAN总线方式通信，此类设计有效地保证了多主机通信时，数据传输的效率问题，从而保 证整个并发控制系统的实时特性，使眼球型水下机器人达到灵活，实时变化等要求。此外， 并发控制系统与外界采用激光通信的方式，克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可 使用的载波频率低以及传输延时大等不足。
【附图说明】
[0013] 图1是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的整体框架示意图
[0014] 图2是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的控制子系统示意图
[0015] 图3是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的数据融合模块示意图
[0016] 图4是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的总体结构装配示意图
[0017] 图5是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的图像处理子系统硬件 连接图
[0018] 图6是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的控制子系统硬件示意 图
[0019] 图7是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的激光通信模块示意图
[0020] 图8是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的视觉子系统下视角示 意图
[0021] 图9是一种六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统的姿态运动示意图
【具体实施方式】
[0022] 下面结合优选实施例附图，详述本发明的具体结构和工作原理。
[0023] 实施例一：
[0024]参见图1，本六自由度眼球型水下机器人实时并发控制系统，包括控制子系统1、图 像处理子系统2、激光通信子模块3和数据融合模块4,其特征在于:所述控制子系统1连接激 光通信模块3和数据融合模块4而与图像处理子系统2通过CAN转换器实现CAN总线高速通 信，两个子系统对数据并发地进行处理，实现对水下机器人实时并发控制。
[0025] 实施例二：
[0026] 本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
[0027] 参见图1至图9,所述控制子系统1包括两组机器人机体姿态传感器1-A、1_B、主控 单元1-C和底层驱动模块1-D;所述两组机器人机体姿态传感器1-A、1-B包括加速度计6-A、 陀螺仪6-B