本發(fā)明屬于水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前水下機(jī)器人ROV種類多樣，但是大多數(shù)都有共同的特點(diǎn)：使用螺旋槳推進(jìn)方式作為推進(jìn)系統(tǒng)?；蚴褂糜芯€電纜進(jìn)行機(jī)器人的遙控、數(shù)據(jù)傳輸及機(jī)器人的回收。前者工作時(shí)具有較大的噪聲，同時(shí)推進(jìn)效率較為低下，運(yùn)動(dòng)模式單一，難以完成水下靈活復(fù)雜的動(dòng)作。后者由于使用有線電纜，將會(huì)限制水下機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)范圍以及運(yùn)動(dòng)能力。同時(shí)，由于線纜的老化，可能會(huì)對(duì)水下機(jī)器人本體的水密性以及通信的可靠性照成極大威脅?，F(xiàn)有ROV機(jī)器人單獨(dú)使用微控制器控制板進(jìn)行機(jī)器人控制或者單獨(dú)使用嵌入式工控板進(jìn)行控制。前者的運(yùn)算能力低下，對(duì)于圖像視頻等大數(shù)據(jù)量信息處理無(wú)法應(yīng)對(duì)。后者計(jì)算能力較強(qiáng)但是對(duì)于底層傳感器數(shù)據(jù)采集以及電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性較差；微控制器運(yùn)行頻率較低，大量的計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間較多。嵌入式工控板中的處理器運(yùn)行頻率較高能在短時(shí)間內(nèi)完成大量復(fù)雜的計(jì)算指令。但是后者運(yùn)行操作系統(tǒng)后由于系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘通常為毫秒級(jí)，實(shí)時(shí)響應(yīng)能力較低；現(xiàn)有水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式多為單一的螺旋槳推進(jìn)方式，使用該推進(jìn)方式的水下機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)在水中零半徑轉(zhuǎn)彎且該種方式會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲，不利于設(shè)備的隱蔽。

綜上所述，現(xiàn)有ROV機(jī)器人存在運(yùn)算能力低下，對(duì)于圖像視頻等大數(shù)據(jù)量信息處理無(wú)法應(yīng)對(duì)；對(duì)于底層傳感器數(shù)據(jù)采集以及電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有ROV機(jī)器人存在運(yùn)算能力低下，對(duì)于圖像視頻等大數(shù)據(jù)量信息處理無(wú)法應(yīng)對(duì)；對(duì)于底層傳感器數(shù)據(jù)采集以及電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)分為上層、中間層和底層；

所述上層為PC上位機(jī)；所述中間層為嵌入式工控板，所述底層為微控制器板；

PC上位機(jī)，用于接收實(shí)時(shí)回傳圖像以及機(jī)器魚(yú)本體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃參數(shù)的解算和發(fā)送、讀取，以及水質(zhì)傳感器采集的水質(zhì)信息顯示記錄；

嵌入式工控板，安裝于機(jī)器魚(yú)本體中，完成視頻的實(shí)時(shí)采集并將采集的視頻信息通過(guò)WIFI回傳至地面站PC，同時(shí)嵌入式工控板中運(yùn)行的圖像處理算法(用于矯正攝像頭在水中獲取到的畸變的圖像，然后提取處理后的圖像中的特定目標(biāo)物體，目標(biāo)物體可人為設(shè)定)可完成離線的特征點(diǎn)識(shí)別并用于尋找和標(biāo)定目標(biāo)事物；通過(guò)IIC總線與底層控制板以及慣導(dǎo)單元進(jìn)行通信，記錄機(jī)器人本體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并完成自動(dòng)巡航、自動(dòng)返航的功能；將來(lái)自地面站PC的控制參數(shù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換(將適合人類閱讀理解的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如方向、速度等轉(zhuǎn)化為用于直接控制電機(jī)及其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)如控制電壓的波形占空比等)為底層控制所需的參數(shù)并打包發(fā)至微控制器板；

底層控制板，通過(guò)IIC總線與嵌入式工控板通訊，用于采集IR傳感器的距離信息，壓力傳感器的深度信息、水質(zhì)傳感器的水質(zhì)信息；并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理(獲取傳感器直接的電壓數(shù)據(jù)，并將獲取的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)、壓力的大小以及水質(zhì)的指標(biāo)，同時(shí)將上述傳感器信息用于障礙物的探測(cè)算法、水深的計(jì)算以及當(dāng)前環(huán)境水質(zhì)的預(yù)測(cè)等)，將可用參數(shù)返回至嵌入式工控板；同時(shí)底層控制板接收來(lái)自嵌入式工控板的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，通過(guò)在微控制器板內(nèi)運(yùn)行的仿生推進(jìn)算法(主要功能為將自然界中魚(yú)類軀干在水中游動(dòng)的姿態(tài)數(shù)字為離散的曲線波形，同時(shí)擬合除了其運(yùn)算方程組，本算法中只需控制12個(gè)參數(shù)便可模擬出自然界中大多數(shù)魚(yú)類軀干游動(dòng)的姿態(tài))解算控制電機(jī)所需的控制量以完成電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

進(jìn)一步，所述底層控制板通過(guò)串行通訊的方式與170Mhz無(wú)線通信單元連接，通信速率上限40kpbs，用于運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)交換。

進(jìn)一步，所述嵌入式工控板，微控制器板使用IIC總線通訊，掛載128個(gè)以內(nèi)傳感器或控制單元。

進(jìn)一步，所述嵌入式工控板與地面站PC通過(guò)WIFI通信，微控制器與地面站使用170Mhz通信。

進(jìn)一步，所述仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)包括：?jiǎn)文肯鄼C(jī)、慣導(dǎo)模塊、壓力傳感器、北斗定位傳感器、IR傳感器、伺服電機(jī)、地面站PC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、嵌入式工控板、ARM微控制器；

單目相機(jī)與嵌入式工控板有線連接，慣導(dǎo)模塊、壓力傳感器、北斗定位傳感器與嵌入式工控板連接，嵌入式工控板與地面站PC7無(wú)線通信，ARM微控制器與IR傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)連接。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)的水下機(jī)器人。

本發(fā)明提供的仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)，能控制仿生水下機(jī)器人以多種姿態(tài)運(yùn)動(dòng)：直行、倒退、左右轉(zhuǎn)向、原地自轉(zhuǎn)等。同時(shí)能適應(yīng)更為復(fù)雜的自然水體環(huán)境，如能進(jìn)入依靠螺旋槳驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人不能進(jìn)入的狹小空間工作。

本發(fā)明的仿生機(jī)器人系統(tǒng)使用分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，機(jī)器人本體中包含以嵌入式工控板為主體的中間層、以底層控制板為主體的底層，彌補(bǔ)了上述機(jī)器人使用單一控制模式造成的微控制器數(shù)據(jù)處理能力低下以及操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的解決提高了本機(jī)器人系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的可靠性及功能拓展性。搭載本機(jī)器人系統(tǒng)的水下機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人仿生推進(jìn)裝置的驅(qū)動(dòng)，環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)采集，視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，同時(shí)能通過(guò)地面站PC遠(yuǎn)程遙操作。本仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)使用的仿生推進(jìn)系統(tǒng)具有更為靈活、高效的運(yùn)動(dòng)能力。

本發(fā)明采用分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能減小各層級(jí)工作復(fù)雜程度及計(jì)算量，同時(shí)便于各層級(jí)功能擴(kuò)展；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)節(jié)數(shù)量可根據(jù)實(shí)際環(huán)境增減以便于提高機(jī)器魚(yú)運(yùn)動(dòng)性能或減小能耗；建立兩個(gè)獨(dú)立的通信連接即WIFI用于嵌入式工控板的視頻傳輸與底層控制板的170Mhz低帶寬連接，后者通信距離達(dá)8KM，并且具有良好的繞射能力，當(dāng)wifi連接中斷的時(shí)候，使用該頻段通信能保證機(jī)器人本體在可通訊范圍之內(nèi)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的中間層嵌入式工控板工作原理圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的底層控制板工作原理圖。

圖中：1、單目相機(jī)；2、慣導(dǎo)模塊；3、壓力傳感器；4、北斗定位傳感器；5、IR傳感器；6、伺服電機(jī)；7、地面站PC；8、電機(jī)驅(qū)動(dòng)；9、嵌入式工控板；10、ARM微控制器；11、PC上位機(jī)；12、嵌入式工控板；13、微控制器板。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1、圖3和圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的仿生魚(yú)型機(jī)器人控制系統(tǒng)分為上層、中間層和底層；上層為PC上位機(jī)11；中間層為嵌入式工控板12，底層為微控制器板13。

PC上位機(jī)11，主要用于接收實(shí)時(shí)回傳圖像以及機(jī)器魚(yú)本體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃參數(shù)的解算和發(fā)送、讀取，以及水質(zhì)傳感器采集的水質(zhì)信息顯示記錄。

嵌入式工控板12，安裝于機(jī)器魚(yú)本體中，其完成視頻的實(shí)時(shí)采集并將采集的視頻信息通過(guò)WIFI回傳至地面站PC，同時(shí)嵌入式工控板中運(yùn)行的圖像處理算法可完成離線的特征點(diǎn)識(shí)別并用于尋找和標(biāo)定目標(biāo)事物；同時(shí)可通過(guò)IIC總線與底層控制板以及慣導(dǎo)單元進(jìn)行通信，記錄機(jī)器人本體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并完成自動(dòng)巡航、自動(dòng)返航的功能?？蓪?lái)自地面站PC的控制參數(shù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為底層控制所需的參數(shù)并打包發(fā)至微控制器板13。

底層控制板13，通過(guò)IIC總線與嵌入式工控板12通訊，用于采集各個(gè)傳感器原始數(shù)據(jù)(IR傳感器的距離信息，壓力傳感器的深度信息、水質(zhì)傳感器的水質(zhì)信息)并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，將可用參數(shù)返回至嵌入式工控板。同時(shí)底層控制板13接收來(lái)自嵌入式工控板12的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，通過(guò)在微控制器板13內(nèi)運(yùn)行的仿生推進(jìn)算法解算控制電機(jī)所需的控制量以完成電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，底層控制板13通過(guò)串行通訊的方式與170Mhz無(wú)線通信單元連接，通信速率上限40kpbs，主要用于運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)交換，其有效通訊距離為8km，并且能繞射一般島礁及水表障礙物等。

嵌入式工控板12，微控制器板13使用IIC總線通訊，可以掛載128個(gè)以內(nèi)傳感器或控制單元。

仿生魚(yú)型機(jī)器人系統(tǒng)推進(jìn)裝置關(guān)節(jié)數(shù)量可變。

嵌入式工控板12，微控制器板13均獨(dú)立與地面站PC建立通信連接。前者使用WIFI通信，后者使用170Mhz通信。

如圖2所示，本發(fā)明提供的仿生魚(yú)型機(jī)器人系統(tǒng)主體框架結(jié)構(gòu)包括：?jiǎn)文肯鄼C(jī)1、慣導(dǎo)模塊2、壓力傳感器3、北斗定位傳感器4、IR傳感器5、伺服電機(jī)6、地面站PC7、電機(jī)驅(qū)動(dòng)8、嵌入式工控板9、ARM微控制器10。

單目相機(jī)1與嵌入式工控板9有線連接，慣導(dǎo)模塊2、壓力傳感器3、北斗定位傳感器4與嵌入式工控板9連接，嵌入式工控板9與地面站PC7無(wú)線通信，ARM微控制器10與IR傳感器5和電機(jī)驅(qū)動(dòng)8連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)8與伺服電機(jī)6連接。

本發(fā)明提供的仿生魚(yú)型機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境為淡水湖泊，河流以及海洋等自然水體環(huán)境，同時(shí)亦可應(yīng)用于人工湖泊、水壩，海洋館、游泳池及人工魚(yú)塘等人造水體環(huán)境。裝載本機(jī)器人系統(tǒng)的仿生魚(yú)型機(jī)器人在工作時(shí)可模仿真實(shí)魚(yú)類軀干的運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)在上述水體中游動(dòng)，上浮，下潛。運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)wifi無(wú)線信號(hào)以及170Mhz無(wú)線頻段信號(hào)與地面站PC進(jìn)行通訊。工作過(guò)程中，機(jī)器人本體會(huì)以固定頻率與地面站通信“握手”，“握手”期間在系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間差內(nèi)上浮至水體表面與地面站PC完成一次數(shù)據(jù)交互以結(jié)束“握手”。操作人員可使用地面站PC對(duì)本體機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制。同時(shí)也可以控制機(jī)器人通過(guò)系統(tǒng)集成水質(zhì)傳感器對(duì)所在水體進(jìn)行一次水質(zhì)檢測(cè)并將檢測(cè)信息在下一次“握手”時(shí)回傳地面站PC。

以上描述僅為本申請(qǐng)的較佳實(shí)施例以及對(duì)所運(yùn)用技術(shù)原理的說(shuō)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本申請(qǐng)中所涉及的發(fā)明范圍，并不限于上述技術(shù)特征的特定組合而成的技術(shù)方案，同時(shí)也應(yīng)涵蓋在不脫離所述發(fā)明構(gòu)思的情況下，由上述技術(shù)特征或其等同特征進(jìn)行任意組合而形成的其它技術(shù)方案。例如上述特征與本申請(qǐng)中公開(kāi)的(但不限于)具有類似功能的技術(shù)特征進(jìn)行互相替換而形成的技術(shù)方案。