水下机器人智能辅助作业系统与方法与流程

本发明涉及水下机器人控制领域，具体地，涉及一种水下机器人智能辅助作业系统与方法。

背景技术

目前，随着科技的发展，水下作业已经大多数由水下机器人进行完成，但是水下机器人的控制往往需要由专业人员完成，即使是受过训练的专业人员有时也会由于误操作而出现故障。另外，由于水下环境的不稳定性(例如不同方向水流的扰动)以及传感器自身测量误差的影响，水下机器人通常会出现过调整或者调整不足的情况，对工作的稳定性存在较大的影响。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下机器人智能辅助作业系统与方法。

根据本发明提供的水下机器人智能辅助作业方法，包含以下步骤：

控制信号获取步骤：获取来自控制终端的控制指令；

监测信号获取步骤：获取来自传感器的监测数据；

数据处理步骤：对监测数据进行卡尔曼滤波，获得滤波数据；

执行指令生成步骤：根据滤波数据、控制指令以及设定的模糊规则，生成执行机构动作指令。

优选地，所述控制指令包含以下任一个或任多个内容：定深模式控制指令、定向模式控制指令、定姿态控制指令；

执行机构动作指令包含垂直推进器动作指令和/或水平推进器动作指令；

所述控制信号获取步骤包含以下任一个或任多个步骤：

--定深模式指令获取步骤：获取来自控制终端的定深模式控制指令；当获取定深模式控制指令时，监测信号获取步骤中获取来自深度传感器与惯性传感器的监测数据，执行指令生成步骤中，生成垂直推进器动作指令；

--定向模式指令获取步骤：获取来自控制终端的定向模式控制指令；当获取定向模式控制指令时，监测信号获取步骤中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成步骤中，生成水平推进器动作指令；

--定姿态模式指令获取步骤：获取来自控制终端的定姿态模式控制指令；当获取定姿态控制指令时，监测信号获取步骤中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成步骤中，生成水平推进器动作指令与垂直推进器动作指令。

优选地，所述模糊规则满足：

h＝f(δh),(a≤δh＜b)

式中：h为执行机构动作指令对应的状态参数调整值；

δh为控制指令对应的状态参数目标值与滤波数据对应的状态参数实际值的差值；

f(δh)为关于δh的模糊计算函数；

a、b为设定阈值；

所述状态参数包含以下任一个或任多个参数：深度值、俯仰角、翻滚角、偏航角。

优选地，还包含以下任一个或任多个步骤：

--阈值自调整步骤：根据评价指标，调整a和/或b；

--模糊函数自调整步骤：根据评价指标，调整f(δh)；

所述评价指标包含以下任一项或任多项内容：

--执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的平均值与执行机构动作指令对应的状态参数调整值的差值；

--执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的方差；

--执行机构动作指令生成后，滤波数据对应的状态参数实际值稳定在执行机构动作指令对应的状态参数调整值设定范围内所需的时间。

优选地，还包含以下步骤：

云端数据收集步骤：获取来自多个控制终端的自调整数据，所述自调整数据包含以下任一个或任多个内容：a、b、f(δh)；

预设值生成步骤：计算多个自调整数据的众数或平均值，将所述众数或平均值作为预设值；

报警步骤：当来自控制终端的自调整数据位于预设值的设定范围之外时，生成报警信号。

本发明还提供了一种水下机器人智能辅助作业系统，包含以下模块：

控制信号获取模块：获取来自控制终端的控制指令；

监测信号获取模块：获取来自传感器的监测数据；

数据处理模块：对监测数据进行卡尔曼滤波，获得滤波数据；

执行指令生成模块：根据滤波数据、控制指令以及设定的模糊规则，生成执行机构动作指令。

优选地，所述控制指令包含以下任一个或任多个内容：定深模式控制指令、定向模式控制指令、定姿态控制指令；

执行机构动作指令包含垂直推进器动作指令和/或水平推进器动作指令；

所述控制信号获取模块包含以下任一个或任多个模块：

--定深模式指令获取模块：获取来自控制终端的定深模式控制指令；当获取定深模式控制指令时，监测信号获取模块中获取来自深度传感器与惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成垂直推进器动作指令；

--定向模式指令获取模块：获取来自控制终端的定向模式控制指令；当获取定向模式控制指令时，监测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令；

--定姿态模式指令获取模块：获取来自控制终端的定姿态模式控制指令；当获取定姿态控制指令时，监测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令与垂直推进器动作指令。

优选地，所述模糊规则满足：

h＝f(δh),(a≤δh＜b)

式中：h为执行机构动作指令对应的状态参数调整值；

δh为控制指令对应的状态参数目标值与滤波数据对应的状态参数实际值的差值；

f(δh)为关于δh的模糊计算函数；

a、b为设定阈值；

所述状态参数包含以下任一个或任多个参数：深度值、俯仰角、翻滚角、偏航角。

优选地，还包含以下任一个或任多个模块：

--阈值自调整模块：根据评价指标，调整a和/或b；

--模糊函数自调整模块：根据评价指标，调整f(δh)；

所述评价指标包含以下任一项或任多项内容：

--执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的平均值与执行机构动作指令对应的状态参数调整值的差值；

--执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的方差；

--执行机构动作指令生成后，滤波数据对应的状态参数实际值稳定在执行机构动作指令对应的状态参数调整值设定范围内所需的时间。

优选地，还包含以下模块：

云端数据收集模块：获取来自多个控制终端的自调整数据，所述自调整数据包含以下任一个或任多个内容：a、b、f(δh)；

预设值生成模块：计算多个自调整数据的众数或平均值，将所述众数或平均值作为预设值；

报警模块：当来自控制终端的自调整数据位于预设值的设定范围之外时，生成报警信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过模糊算法，可以在一定范围内减小整个系统的超调量，进而可以有效提高整个系统的反应速度以及控制精度。

2、本发明提高智能化水平，这样就会避免因非专业人员操控机器对机器造成伤害的问题，同时也会使机器人操作更加简单。

3、本发明中，水下机器人上的模糊控制器既能够根据自身实际调节效果对模糊算法进行自适应调整，还能够接收来自云端的预设值对模糊算法进行预设，极大提高了控制的精准度。

4、模糊算法中的某一参数偏离常规值较多时，能够产生报警信号，提醒使用者传感器或模糊控制器可能存在缺陷，需要及时进行修复。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为水下机器人上信号采集、模糊计算及调节流程图；

图2为结合云服务器的水下机器人智能辅助作业系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种水下机器人智能辅助作业方法，包含以下步骤：控制信号获取步骤：获取来自控制终端的控制指令；监测信号获取步骤：获取来自传感器的监测数据；数据处理步骤：对监测数据进行卡尔曼滤波，获得滤波数据；执行指令生成步骤：根据滤波数据、控制指令以及设定的模糊规则，生成执行机构动作指令。

所述控制指令包含以下任一个或任多个内容：定深模式控制指令、定向模式控制指令、定姿态控制指令。执行机构动作指令包含垂直推进器动作指令和/或水平推进器动作指令。所述控制信号获取步骤包含以下任一个或任多个步骤：定深模式指令获取步骤：获取来自控制终端的定深模式控制指令；当获取定深模式控制指令时，监测信号获取步骤中获取来自深度传感器与惯性传感器的监测数据，执行指令生成步骤中，生成垂直推进器动作指令；定向模式指令获取步骤：获取来自控制终端的定向模式控制指令；当获取定向模式控制指令时，监测信号获取步骤中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成步骤中，生成水平推进器动作指令；定姿态模式指令获取步骤：获取来自控制终端的定姿态模式控制指令；当获取定姿态控制指令时，监测信号获取步骤中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成步骤中，生成水平推进器动作指令与垂直推进器动作指令。

优选地，所述模糊规则满足：

h＝f(δh),(a≤δh＜b)

式中：h为执行机构动作指令对应的状态参数调整值；δh为控制指令对应的状态参数目标值与滤波数据对应的状态参数实际值的差值；f(δh)为关于δh的模糊计算函数；a、b为设定阈值；所述状态参数包含以下任一个或任多个参数：深度值、俯仰角、翻滚角、偏航角。对于f(δh)，可以是线性函数，也可以是非线性函数或者常数。所述设定阈值可以存在2个或更多个，δh在不同的阈值区间中时，f(δh)可以是不同的函数形式。

优选地，所述水下机器人智能辅助作业方法还包含以下任一个或任多个步骤：阈值自调整步骤：根据评价指标，调整a和/或b；模糊函数自调整步骤：根据评价指标，调整f(δh)。其中，评价指标包含以下任一项或任多项内容：执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的平均值与执行机构动作指令对应的状态参数调整值的差值；执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的方差；执行机构动作指令生成后，滤波数据对应的状态参数实际值稳定在执行机构动作指令对应的状态参数调整值设定范围内所需的时间。优选地，还包含以下步骤：云端数据收集步骤：获取来自多个控制终端的自调整数据，所述自调整数据包含以下任一个或任多个内容：a、b、f(δh)；预设值生成步骤：计算多个自调整数据的众数或平均值，将所述众数或平均值作为预设值；报警步骤：当来自控制终端的自调整数据位于预设值的设定范围之外时，生成报警信号。

相应地，本发明还提供了一种水下机器人智能辅助作业系统，包含以下模块：控制信号获取模块：获取来自控制终端的控制指令；监测信号获取模块：获取来自传感器的监测数据；数据处理模块：对监测数据进行卡尔曼滤波，获得滤波数据；执行指令生成模块：根据滤波数据、控制指令以及设定的模糊规则，生成执行机构动作指令。

所述控制指令包含以下任一个或任多个内容：定深模式控制指令、定向模式控制指令、定姿态控制指令。执行机构动作指令包含垂直推进器动作指令和/或水平推进器动作指令。所述控制信号获取模块包含以下任一个或任多个模块：定深模式指令获取模块：获取来自控制终端的定深模式控制指令；当获取定深模式控制指令时，监测信号获取模块中获取来自深度传感器与惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成垂直推进器动作指令；定向模式指令获取模块：获取来自控制终端的定向模式控制指令；当获取定向模式控制指令时，监测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令；定姿态模式指令获取模块：获取来自控制终端的定姿态模式控制指令；当获取定姿态控制指令时，监测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令与垂直推进器动作指令。

优选地，所述模糊规则满足：

h＝f(δh),(a≤δh＜b)

式中：h为执行机构动作指令对应的状态参数调整值；δh为控制指令对应的状态参数目标值与滤波数据对应的状态参数实际值的差值；f(δh)为关于δh的模糊计算函数；a、b为设定阈值；所述状态参数包含以下任一个或任多个参数：深度值、俯仰角、翻滚角、偏航角。对于f(δh)，可以是线性函数，也可以是非线性函数或者常数。所述设定阈值可以存在2个或更多个，δh在不同的阈值区间中时，f(δh)可以是不同的函数形式。

优选地，所述水下机器人智能辅助作业系统还包含以下任一个或任多个模块：阈值自调整模块：根据评价指标，调整a和/或b；模糊函数自调整模块：根据评价指标，调整f(δh)。其中，评价指标包含以下任一项或任多项内容：执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的平均值与执行机构动作指令对应的状态参数调整值的差值；执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的方差；执行机构动作指令生成后，滤波数据对应的状态参数实际值稳定在执行机构动作指令对应的状态参数调整值设定范围内所需的时间。优选地，还包含以下模块：云端数据收集模块：获取来自多个控制终端的自调整数据，所述自调整数据包含以下任一个或任多个内容：a、b、f(δh)；预设值生成模块：计算多个自调整数据的众数或平均值，将所述众数或平均值作为预设值；报警模块：当来自控制终端的自调整数据位于预设值的设定范围之外时，生成报警信号。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。