本發(fā)明涉及一種水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

船體在海上長(zhǎng)期航行或者進(jìn)行作業(yè)時(shí)，吃水線以下的船體外殼部分含有大量需要清理的由污漬、貝殼、藻類等附著物構(gòu)成的垢層，大大增加了船舶阻力，不利于航行，意味著保持一定航速必然導(dǎo)致油耗的增加，為合理利用和節(jié)省燃油，保證船舶的正常航行和延長(zhǎng)其使用壽命需要定期的對(duì)船舶水下船體附著物進(jìn)行清洗。目前，船體的清洗主要通過人工潛水或船塢清洗來實(shí)現(xiàn)，因垢層致密且面積大，船體的水下清洗工作往往較為復(fù)雜，手工操作不能滿足高效率和質(zhì)量上的要求，同時(shí)由于潛水員水下作業(yè)時(shí)，能見度低，作業(yè)強(qiáng)度和難度較大，潛水員易疲勞，作業(yè)質(zhì)量和效率難以保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服以上的不足，本發(fā)明的目的是提供一種通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、具有圖形化的用戶界面、對(duì)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬并提供記錄和回放的多水下機(jī)器人集群控制系統(tǒng)。一種水下船體清洗的群體機(jī)器人，能夠完成船體的水下清洗工作，減輕人員的工作量，降低成本，提高工作效率，并且可進(jìn)行實(shí)時(shí)操控、克服盲區(qū)作業(yè)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)，包括偵察型機(jī)器人、清除型機(jī)器人、破堅(jiān)型機(jī)器人、切割型機(jī)器人、清理型機(jī)器人、無人船工作站；所述水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)以無人船為載體，集成北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、陀螺儀、ADCP、聲納系統(tǒng)等多種高精度傳感設(shè)備，利用導(dǎo)航、通訊和自動(dòng)控制等軟件和設(shè)備，在母船上實(shí)時(shí)接收、處理和分析無人船系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)并以自控和遙控方式對(duì)無人船和其他機(jī)器人進(jìn)行操作和控制，同時(shí)具有為群體機(jī)器人無線充電和巡檢功能；母船上的控制臺(tái)裝有圖像顯示器、全方位操縱桿、控制按鈕，數(shù)據(jù)接收器，具有顯示采集的實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制群體機(jī)器人。

一種水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)方法，該方法內(nèi)容包括如下步驟：

通過母船上控制臺(tái)操控?zé)o人船到達(dá)預(yù)清理位置的附近位置；釋放偵察型機(jī)器人進(jìn)行水下船體全方位立體偵察，偵察型機(jī)器人通過雙目立體攝像頭所獲得水下船體表面的深度立體圖像、被清除物面積大小和詳細(xì)位置數(shù)據(jù)傳給無人船工作站；無人船工作站通過對(duì)偵察機(jī)器人傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析判斷出水下清理分類，以及所需何種機(jī)器人進(jìn)行清理，然后將立體圖像、被清除物面積大小和詳細(xì)位置數(shù)據(jù)傳到母船控制臺(tái)上顯示器復(fù)現(xiàn)以及給出的判斷信息；母船操作人員可以通過數(shù)據(jù)回放功能，觀察水下畫面信息進(jìn)一步確認(rèn)由哪種機(jī)器人出動(dòng)清理，若操作人員確認(rèn)無人船給出的判斷信息，則無人船會(huì)對(duì)相應(yīng)的機(jī)器人規(guī)劃到達(dá)清理區(qū)域的最佳路徑并發(fā)出控制指令；否則操作人員給出所選擇的出動(dòng)清理機(jī)器人類型，才能進(jìn)行下一步的清理工作。對(duì)于需要整體清洗類型(表示清除整個(gè)水下船體所有油漆表面和附件)采用并聯(lián)的連接方式進(jìn)行清理。對(duì)于局部清洗(指對(duì)船體某一部分進(jìn)行清洗，如船體的前1/3或2/3、附件)可以采用串聯(lián)連接方式或者單獨(dú)方式進(jìn)行清理，不同類型機(jī)器人需要通過協(xié)議模式協(xié)作完成清理工作；對(duì)于大型復(fù)雜的雜質(zhì)污垢，例如像貝殼之類堅(jiān)硬的污垢先由破堅(jiān)機(jī)器人作業(yè)，對(duì)于船體的復(fù)雜部位，母船通過無人船向破堅(jiān)機(jī)器人發(fā)出到達(dá)指定清理區(qū)域指令進(jìn)行清理工作，前端鉆頭部分可以根據(jù)環(huán)境需要進(jìn)行-90°～+90°旋轉(zhuǎn)；而對(duì)于面積較大的雜質(zhì)污垢區(qū)域(例如藻類堆積之類)，母船通過無人船向切割機(jī)器人發(fā)出到達(dá)指定清理區(qū)域指令進(jìn)行清理工作，而清除機(jī)器人通過隊(duì)友模式獲取其他機(jī)器人的狀態(tài)及位置信息，采取跟隨策略完成剩下的局部的難以清除區(qū)域，最后由清理機(jī)器人通過隊(duì)友模式獲取其他機(jī)器人運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)后進(jìn)行最后的拋光處理。

所述群體機(jī)器人系統(tǒng)由無人船系統(tǒng)和母船控制系統(tǒng)兩部分混合控制系統(tǒng)組成，其技術(shù)特點(diǎn)：(1)無舵自動(dòng)走航及其精準(zhǔn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2)基于無線局域網(wǎng)的遠(yuǎn)距離通訊與實(shí)時(shí)多?？刂疲?3)雙浮筒式的浮力供給和姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)；所述船體上還設(shè)有全方位避障設(shè)備，包括數(shù)字雷達(dá)、激光雷達(dá)和前視聲納，全方位避障設(shè)備用于多重掃描保障無人船全方位安全避障。

所述混合系統(tǒng)控制無人船與水下機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，形成水面上下立體化操作系統(tǒng)；無人船能搭載水下機(jī)器人快速自動(dòng)導(dǎo)航到指定水域，并通過數(shù)字雷達(dá)、激光雷達(dá)和前視聲納完成全方位自動(dòng)避障；水下機(jī)器人通過通訊線纜與無人船通訊互動(dòng)，在接受無人船的控制指令后完成操作任務(wù)，同時(shí)返回水下機(jī)器人狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。船載可編程控制器具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、錄波回放功能，能記錄系統(tǒng)作業(yè)過程各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過船載通訊設(shè)備與母船測(cè)控中心形成聯(lián)動(dòng)。通過船載圖傳電臺(tái)完成系統(tǒng)實(shí)地作業(yè)的大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。水下機(jī)器人能在暫停作業(yè)時(shí)自動(dòng)掛靠到無人船上，由無人船快速運(yùn)載到下一個(gè)作業(yè)區(qū)域或返航。

所述無人船可為水下機(jī)器人提供?？科脚_(tái)，并通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)置發(fā)電機(jī)給船載電池組供電，并通過無線充電給水下機(jī)器人充電；混合系統(tǒng)可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)電量狀況，并分析使用趨勢(shì)，判斷電量不足或整個(gè)任務(wù)完成后，無人船攜帶水下機(jī)器人自動(dòng)返航。

所述無人船控制模塊采用分層分布協(xié)作控制結(jié)構(gòu),包括作為主線程的全場(chǎng)信息處理智能體，在所述主線程下設(shè)置有協(xié)作層、規(guī)劃層、動(dòng)作層和執(zhí)行層；所述主線程通過多個(gè)線程控制各所述水下機(jī)器人，各所述機(jī)器人的控制模塊和與其對(duì)應(yīng)的所述協(xié)作控制子模塊構(gòu)成一個(gè)線程；所述協(xié)作層包括各線程中的通信子模塊和協(xié)作子模塊，所述規(guī)劃層包括各所述線程中的規(guī)劃推理子模塊，所述動(dòng)作層包括各所述線程中的動(dòng)作子模塊，所述執(zhí)行層包括各所述水下機(jī)器人的控制模塊。

所述無人船路徑規(guī)劃是基于生物激勵(lì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于清刷機(jī)器人的工作環(huán)境建模，動(dòng)態(tài)神經(jīng)元激勵(lì)場(chǎng)景代表動(dòng)態(tài)變化環(huán)境，動(dòng)態(tài)神經(jīng)元激勵(lì)場(chǎng)景中的波峰代表目標(biāo)，波谷代表障礙物。對(duì)應(yīng)到遍歷路徑規(guī)劃中，波峰代表未遍歷區(qū)域，波谷代表障礙物，介于兩者之間的部分代表遍歷過的區(qū)域。設(shè)清刷機(jī)器人工作空間為二維結(jié)構(gòu)化空間，障礙物的大小和位置在機(jī)器人清刷過程中都不發(fā)生變化，并把機(jī)器人工作空間劃分為大小相同的柵。并用柵格數(shù)組表示環(huán)境。柵格對(duì)角線與機(jī)器人的清刷直徑相等，這樣當(dāng)機(jī)器人通過柵格中心點(diǎn)時(shí)，就可以完成該柵格的清刷工作，即當(dāng)機(jī)器人通過離散的中心點(diǎn)就可視為完成該區(qū)域的清刷工作。如果機(jī)器人走過環(huán)境中的所有點(diǎn)，即視為機(jī)器人完成了工作空間的全區(qū)域覆蓋。

所述偵察型機(jī)器人采用水下全封閉250瓦高效鹵素?zé)粽彰髟O(shè)備，同時(shí)采用水下全封閉的高分辨率的雙目攝像頭，從而建立雙目立體視覺自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有照明，視覺識(shí)別和標(biāo)定，可定位和里程計(jì)算等功能，從而對(duì)水下清理位置進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別定位。

所述雙目視覺識(shí)別系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法，對(duì)被清除物面積進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)被清除物的大小而采取相應(yīng)機(jī)器人進(jìn)行清理工作。

所述破堅(jiān)機(jī)器人可對(duì)堅(jiān)硬物質(zhì)進(jìn)行清除，且鉆頭可進(jìn)行-90°～+90°度旋轉(zhuǎn)控制。

所述切割機(jī)器人可對(duì)面積較大區(qū)域的雜物進(jìn)行清除方便其他機(jī)器人的進(jìn)一步清除工作，六自由度切割機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由自旋轉(zhuǎn)卡盤、割炬升降機(jī)構(gòu)、割炬軸向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、割炬徑向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割系統(tǒng)等組成。割炬可以實(shí)現(xiàn)升降、左右擺動(dòng)以及360度旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人各軸采用伺服電機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)，控制精度高。所述切割片厚度為2～3.5mm的薄鋼片，其外緣嵌有細(xì)微金剛石磨料。

所述清理機(jī)器人兩側(cè)設(shè)置圓形刷盤，可進(jìn)行最后部分簡(jiǎn)單的污漬清除，拋光處理工作。

所述群體機(jī)器人是自適應(yīng)電磁吸引方式吸附在船體上，通過增加電磁鐵的個(gè)數(shù)來增加磁性吸附力，雙履帶式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過接口相互組合一起。并且后驅(qū)動(dòng)方式更為重要的優(yōu)點(diǎn)在于提高了清刷機(jī)器人對(duì)船體表面的適應(yīng)性。當(dāng)履帶經(jīng)過船體表面的突起時(shí),位于前面的從動(dòng)輪在主動(dòng)輪的驅(qū)使下,會(huì)更好地將履帶移至與船體表面接觸,這樣清刷機(jī)器人與船體表面貼合的磁性履帶加長(zhǎng),使得履帶能更好地適應(yīng)船體表面所述群體機(jī)器人可進(jìn)行兩種合作方式：并聯(lián)和串聯(lián)。這兩種連接方法能夠應(yīng)對(duì)需要在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)清除船體的污垢的突發(fā)情況；為了有效偵察水下情況，兩種方式都由偵察型開始和結(jié)束保證清潔效率和潔凈度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：工作人員可在工作母船上的清除水下船體附著物機(jī)器人控制臺(tái)上，通過操縱專用操縱手柄的簡(jiǎn)單動(dòng)作達(dá)到遙控清除水下船體附著物機(jī)器人在水下沿船體進(jìn)行一系列的高效作業(yè)動(dòng)作。本系統(tǒng)采用由多個(gè)成員組成的集群空間機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同操作，完成此類清理任務(wù)。多機(jī)器人展現(xiàn)出協(xié)調(diào)的行為可以極大程度地提高整個(gè)系統(tǒng)的效用。相對(duì)于單機(jī)器人系統(tǒng)，多機(jī)器人系統(tǒng)在空間、資源、功能上的分布性，使之具有更高的工作效率和更廣闊的任務(wù)領(lǐng)域；其次，多機(jī)器人系統(tǒng)較高的冗余性使之具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力和更高的魯棒性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的集群機(jī)器人工作流程示意圖；

圖2是雙目視覺系統(tǒng)構(gòu)成圖；

圖3是雙目視覺系統(tǒng)工作原理圖；

圖4是無人船控制系統(tǒng)的組成；

圖5是無人船控制系統(tǒng)工作流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做更為詳細(xì)的說明：

本發(fā)明的一種水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1所示，其內(nèi)容包括如下步驟：一種水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng),主要由偵察型機(jī)器人、清除型機(jī)器人、破堅(jiān)型機(jī)器人、切割型機(jī)器人、清理型機(jī)器人、無人船工作站六部分組成。所述水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)以無人船為載體，集成北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、陀螺儀、ADCP、聲納系統(tǒng)等多種高精度傳感設(shè)備，利用導(dǎo)航、通訊和自動(dòng)控制等軟件和設(shè)備，在母船上實(shí)時(shí)接收、處理和分析無人船系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)并以自控和遙控方式對(duì)無人船和其他機(jī)器人進(jìn)行操作和控制，同時(shí)具有為群體機(jī)器人無線充電和巡檢功能。母船上的控制臺(tái)裝有圖像顯示器、全方位操縱桿、控制按鈕，數(shù)據(jù)接收器，具有顯示采集的實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制群體機(jī)器人。

圖1示出了本發(fā)明水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)施過程，通過母船上控制臺(tái)操控?zé)o人船到達(dá)預(yù)清理位置的附近位置；釋放偵察型機(jī)器人進(jìn)行水下船體全方位立體偵察，偵察型機(jī)器人通過雙目立體攝像頭所獲得水下船體表面的深度立體圖像、被清除物面積大小和詳細(xì)位置數(shù)據(jù)傳給無人船工作站；無人船工作站通過對(duì)偵察機(jī)器人傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析判斷出水下清理分類，以及所需何種機(jī)器人進(jìn)行清理，然后將立體圖像、被清除物面積大小和詳細(xì)位置數(shù)據(jù)傳到母船控制臺(tái)上顯示器復(fù)現(xiàn)以及給出的判斷信息；母船操作人員可以通過數(shù)據(jù)回放功能，觀察水下畫面信息進(jìn)一步確認(rèn)由哪種機(jī)器人出動(dòng)清理，若操作人員確認(rèn)無人船給出的判斷信息，則無人船會(huì)根據(jù)相應(yīng)的清理模式對(duì)相應(yīng)的機(jī)器人發(fā)出控制指令并規(guī)劃到達(dá)清理區(qū)域的最佳路徑；否則操作人員自定義清理模式類型，才能進(jìn)行下一步的清理工作。不同類型的機(jī)器人可以進(jìn)行相互通信，獲取彼此之間的工作狀態(tài)，從而確保有效實(shí)施串并聯(lián)方式的組合，兩種方式都由偵察型開始和結(jié)束保證清潔效率和潔凈度。

所述的清理模式類型分為整體清潔模式和局部清潔模式。對(duì)于需要整體清洗類型(表示清除整個(gè)水下船體所有油漆表面和附著物)采用并聯(lián)的連接方式進(jìn)行清理，即根據(jù)預(yù)清理面積，偵察機(jī)器人、清除型機(jī)器人、破堅(jiān)型機(jī)器人、切割型機(jī)器人、清理型機(jī)器人通過接口相互并成一排，開始和結(jié)束都是以偵察機(jī)器人結(jié)束。對(duì)于局部清洗(指對(duì)船體某一部分進(jìn)行清洗，如船體的前1/3或2/3、附著物)可以采用串聯(lián)連接方式或者單獨(dú)方式進(jìn)行清理，從而在有限的時(shí)間和資源下獲得最大的效益。

所述局部清洗模式時(shí)，不同類型機(jī)器人需要通過協(xié)議模式協(xié)作完成清理工作。對(duì)于大型復(fù)雜的雜質(zhì)污垢，例如像貝殼之類堅(jiān)硬的污垢先由破堅(jiān)機(jī)器人作業(yè)，對(duì)于船體的復(fù)雜部位，母船通過無人船向破堅(jiān)機(jī)器人發(fā)出到達(dá)指定清理區(qū)域指令進(jìn)行清理工作，前端鉆頭部分可以根據(jù)環(huán)境需要進(jìn)行-90°～+90°旋轉(zhuǎn)；而對(duì)于面積較大的雜質(zhì)污垢區(qū)域(例如藻類堆積之類)，母船通過無人船向切割機(jī)器人發(fā)出到達(dá)指定清理區(qū)域指令進(jìn)行清理工作，而清除機(jī)器人通過隊(duì)友模式獲取其他機(jī)器人的狀態(tài)及位置信息，采取跟隨策略完成剩下的局部的難以清除區(qū)域，最后由清理機(jī)器人通過隊(duì)友模式獲取其他機(jī)器人運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)后進(jìn)行最后的拋光處理。

一種水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)，由無人船系統(tǒng)和母船控制系統(tǒng)兩部分組成混合控制系統(tǒng)，無人船系統(tǒng)包括偵察型機(jī)器人、清除型機(jī)器人、破堅(jiān)型機(jī)器人、切割型機(jī)器人、清理型機(jī)器人、無人船工作站；所述水下船體清潔的群體機(jī)器人系統(tǒng)以無人船為載體，集成北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、陀螺儀、ADCP、聲納系統(tǒng)，利用導(dǎo)航、通訊和母船控制系統(tǒng)，在母船上實(shí)時(shí)接收、處理和分析無人船系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)并以自控和遙控方式對(duì)無人船和其他機(jī)器人進(jìn)行操作和控制，無人船工作站具有為群體機(jī)器人無線充電和巡檢功能；母船上的控制臺(tái)裝有圖像顯示器、全方位操縱桿、控制按鈕，數(shù)據(jù)接收器，具有顯示采集的實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制群體機(jī)器人

所述群體機(jī)器人系統(tǒng)由無人船系統(tǒng)和母船控制系統(tǒng)兩部分組成混合控制系統(tǒng)，其技術(shù)特點(diǎn)：(1)無舵自動(dòng)走航及其精準(zhǔn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2)基于無線局域網(wǎng)的遠(yuǎn)距離通訊與實(shí)時(shí)多?？刂?；(3)雙浮筒式的浮力供給和姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)。所述船體上還設(shè)有全方位避障設(shè)備，包括數(shù)字雷達(dá)、激光雷達(dá)和前視聲納，全方位避障設(shè)備用于多重掃描保障無人船全方位安全避障。

所述混合系統(tǒng)控制無人船與水下機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，形成水面上下立體化操作系統(tǒng)；無人船能搭載水下機(jī)器人快速自動(dòng)導(dǎo)航到指定水域，并通過數(shù)字雷達(dá)、激光雷達(dá)和前視聲納完成全方位自動(dòng)避障；水下機(jī)器人通過通訊線纜與無人船通訊互動(dòng)，在接受無人船的控制指令后完成操作任務(wù)，同時(shí)返回水下機(jī)器人狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。船載可編程控制器具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、錄波回放功能，能記錄系統(tǒng)作業(yè)過程各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過船載通訊設(shè)備與母船測(cè)控中心形成聯(lián)動(dòng)。通過船載圖傳電臺(tái)完成系統(tǒng)實(shí)地作業(yè)的大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。水下機(jī)器人能在暫停作業(yè)時(shí)自動(dòng)掛靠到無人船上，由無人船快速運(yùn)載到下一個(gè)作業(yè)區(qū)域或返航。

所述無人船可為水下機(jī)器人提供?？科脚_(tái)，并通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)置發(fā)電機(jī)給船載電池組供電，并通過無線充電給水下機(jī)器人充電；混合系統(tǒng)可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)電量狀況，并分析使用趨勢(shì)，判斷電量不足或整個(gè)任務(wù)完成后，無人船攜帶水下機(jī)器人自動(dòng)返航。

所述混合控制系統(tǒng)包括無人船控制模塊，采用分層分布協(xié)作控制結(jié)構(gòu)，包括作為主線程的全場(chǎng)信息處理智能體，在所述主線程下設(shè)置有協(xié)作層、規(guī)劃層、動(dòng)作層和執(zhí)行層；所述主線程通過多個(gè)線程控制各所述水下機(jī)器人，各所述機(jī)器人的控制模塊和與其對(duì)應(yīng)的所述協(xié)作控制子模塊構(gòu)成一個(gè)線程；所述協(xié)作層包括各線程中的通信子模塊和協(xié)作子模塊，所述規(guī)劃層包括各所述線程中的規(guī)劃推理子模塊，所述動(dòng)作層包括各所述線程中的動(dòng)作子模塊，所述執(zhí)行層包括各所述水下機(jī)器人的控制模塊。

所述協(xié)作層中，各所述協(xié)作子模塊對(duì)應(yīng)協(xié)議模型、隊(duì)友模型，各所述協(xié)議模型與對(duì)應(yīng)的所述水下機(jī)器人通訊，并在所述協(xié)作層中各所述線程的協(xié)作子模塊之間接收和發(fā)送信息；所述隊(duì)友模型反映隊(duì)友的狀態(tài)及隊(duì)友所處的狀態(tài)。

所述動(dòng)作層中，所述動(dòng)作子模塊對(duì)應(yīng)動(dòng)作模型，用于控制對(duì)應(yīng)的所述水下機(jī)器人的基本動(dòng)作。

所述執(zhí)行層中，所述機(jī)器人控制模塊對(duì)應(yīng)對(duì)象模型和控制規(guī)則；所述對(duì)象模型反映電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速、偏差的參數(shù)；所述控制規(guī)則控制對(duì)應(yīng)的所述水下機(jī)器人的動(dòng)作。

所述規(guī)劃層中，所述規(guī)劃推理子模塊對(duì)應(yīng)自身模型、對(duì)手模型；所述自身模型記錄對(duì)應(yīng)的所述水下機(jī)器人的自身狀態(tài)并反映所述水下機(jī)器人所處的意識(shí)狀態(tài)；所述對(duì)手模型反映對(duì)手的狀態(tài)及對(duì)手所處的狀態(tài)。

所述無人船路徑規(guī)劃是基于生物激勵(lì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于清刷機(jī)器人的工作環(huán)境建模，動(dòng)態(tài)神經(jīng)元激勵(lì)場(chǎng)景代表動(dòng)態(tài)變化環(huán)境，動(dòng)態(tài)神經(jīng)元激勵(lì)場(chǎng)景中的波峰代表目標(biāo)，波谷代表障礙物。對(duì)應(yīng)到遍歷路徑規(guī)劃中，波峰代表未遍歷區(qū)域，波谷代表障礙物，介于兩者之間的部分代表遍歷過的區(qū)域。設(shè)清刷機(jī)器人工作空間為二維結(jié)構(gòu)化空間，障礙物的大小和位置在機(jī)器人清刷過程中都不發(fā)生變化，并把機(jī)器人工作空間劃分為大小相同的柵。并用柵格數(shù)組表示環(huán)境。柵格對(duì)角線與機(jī)器人的清刷直徑相等，這樣當(dāng)機(jī)器人通過柵格中心點(diǎn)時(shí)，就可以完成該柵格的清刷工作，即當(dāng)機(jī)器人通過離散的中心點(diǎn)就可視為完成該區(qū)域的清刷工作。如果機(jī)器人走過環(huán)境中的所有點(diǎn)，即視為機(jī)器人完成了工作空間的全區(qū)域覆蓋?；谏窠?jīng)細(xì)胞膜的電路模型和描述細(xì)胞膜跨模電壓V_m動(dòng)力學(xué)學(xué)方程(H-H模型)得到：

式中：x_i—第i個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)；

A—衰減速度，為非負(fù)數(shù)；

B、D—分別為神經(jīng)元活動(dòng)的上下限，均為非負(fù)數(shù)；

—分別為神經(jīng)元的興奮和抑制輸入。

所述生物激勵(lì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型就是通過拓?fù)涞姆矫姘褭C(jī)器人工作空間A離散化.第i個(gè)神經(jīng)元在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間S中的位置通過矢量q_i∈R²，表示機(jī)器人在工作空間A中的唯一位置。未清刷區(qū)域和與該神經(jīng)元互連的神經(jīng)元作為興奮的閾值，用障礙物作為抵制的閾值。設(shè)有n個(gè)神經(jīng)元互連，以第i個(gè)神經(jīng)元作為對(duì)象，它從其它所有神經(jīng)元j(j＝1,2,3……，n)輸入信息，它們組成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間S中的子集R_i。子集R_i在神經(jīng)生理學(xué)中叫作第i個(gè)神經(jīng)元的鄰域。神經(jīng)元僅對(duì)鄰域的刺激做出反應(yīng)。從而，第i個(gè)神經(jīng)元在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)力學(xué)方程可通過以下分流方程((shunting equation)表示:

其中k是與第i個(gè)神經(jīng)元互連的神經(jīng)元個(gè)數(shù)，幾為第i個(gè)神經(jīng)元的外部輸入。如果該模型用來描述清刷機(jī)器人全區(qū)域覆蓋運(yùn)動(dòng)的工作環(huán)境信息，則1i可定義為

其中，E＞＞B，是一個(gè)很大的正常數(shù)，[I_i]-代表第i個(gè)神經(jīng)元的抑制輸入信號(hào)，代表第i個(gè)神經(jīng)元的激勵(lì)輸入信號(hào)和其互連的神經(jīng)元狀態(tài)的作用。非線性門限值函數(shù)定義為[a]⁺＝max{a,0}；[a]^-＝max{-a,0}。第i個(gè)神經(jīng)元和第j個(gè)神經(jīng)元之間的連接值可以定義為w_ij＝f(|q_i-q_j|),|q_i-q_j|代表狀態(tài)空間上的向量q_i和q_j之間的歐氏距離。f(a)可以是任意單調(diào)遞減的函數(shù)，例如可以定義為

μ和r₀都是正常數(shù)。如果以某個(gè)神經(jīng)元為圓心，作一個(gè)半徑為r₀的圓，則該神經(jīng)元僅與該圓內(nèi)的神經(jīng)元有直接聯(lián)系，權(quán)系數(shù)w_ij是對(duì)稱的，即w_ij＝w_ji。取r₀＝2，半徑為r₀的圓代表第i個(gè)神經(jīng)元的鄰域，鄰域內(nèi)有8個(gè)神經(jīng)元與其互連。當(dāng)C代表當(dāng)前神經(jīng)元，1，2……，8分別代表在神經(jīng)元C的鄰域內(nèi)與其互連的神經(jīng)元1，神經(jīng)元2，……神經(jīng)元8。與當(dāng)前神經(jīng)元接近的障礙，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)場(chǎng)景得到。當(dāng)前神經(jīng)元C接受其與其互連的8個(gè)神經(jīng)元的刺激，如果用x_i代表第i個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)，那么如果神經(jīng)元x_i代表障礙物時(shí)，其處部輸入I_i可定義為I_i＝-E。由上式可知，x₃,x₅,x₆,x₇,x₈對(duì)神經(jīng)元C的輸入為抑制信號(hào)，其他鄰域的神經(jīng)元為激勵(lì)信號(hào)。由于上式表示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的激勵(lì)神經(jīng)元具有全局影響作用，而抑制神經(jīng)元只有局部影響作用，所以經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)分析，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)位置C后，機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)從位置C移動(dòng)到位置D。具體方法按下式實(shí)現(xiàn)

其中，c是一個(gè)正常數(shù)，k是鄰域的神經(jīng)元的總數(shù),y_j是一個(gè)關(guān)于機(jī)器人上一步所在位置p_p和當(dāng)前位置p_c及下一步可能所在位置p_j的函數(shù)，函數(shù)定義為

其中,Δθ_j∈[0,π]表示當(dāng)前移動(dòng)向與下一步稱動(dòng)方向之間的夾角，可表示為

機(jī)器人由當(dāng)前位置到達(dá)下一位置后，下一位置成為新的當(dāng)前位置，再由同樣方法到達(dá)下一位置。如果機(jī)器人走過環(huán)境中的所有點(diǎn)，即視為機(jī)器人完成了工作空間的全區(qū)域覆蓋。

所述偵察型機(jī)器人(1)采用水下全封閉250瓦高效鹵素?zé)粽彰髟O(shè)備，同時(shí)采用水下全封閉的高分辨率的雙目攝像頭，從而建立雙目立體視覺自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有照明，視覺識(shí)別和標(biāo)定，可定位和里程計(jì)算等功能，從而對(duì)水下清理位置進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別定位。

所述偵察型機(jī)器人采用水下全封閉的高分辨率的雙目攝像頭，并配有水下全封閉250瓦高效鹵素?zé)粽彰髟O(shè)備，從而建立雙目立體視覺自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有照明，視覺識(shí)別和標(biāo)定，可對(duì)水下清理位置進(jìn)行三維精準(zhǔn)識(shí)別定位并實(shí)現(xiàn)里程計(jì)算等功能。

所述雙目視覺識(shí)別系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法，對(duì)被清除物面積進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)被清除物的面積大小而采取相應(yīng)機(jī)器人進(jìn)行清理工作。目標(biāo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法是以邊緣特征匹配法為基礎(chǔ)的三維目標(biāo)識(shí)別的算法，是從二維圖象恢復(fù)物體的三維坐標(biāo)，獲的深度消息，提取三維目標(biāo)特征參數(shù)為前提的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、一層或多層隱含層、輸出層三部分組成。本文采用的反向傳播算法。即BP算法，是將非線性多層感知器系統(tǒng)的判別能力與最小均方學(xué)習(xí)算法相結(jié)合而使均方誤差函數(shù)梯度極小化的運(yùn)算過程，BP學(xué)習(xí)算法步驟如下：

(1)將全部權(quán)值與結(jié)點(diǎn)的閾值預(yù)置為一個(gè)小的隨機(jī)值

(2)加載輸入輸出

在n個(gè)輸入結(jié)點(diǎn)上加載一個(gè)n維輸入向量x,并指出每一個(gè)輸出結(jié)點(diǎn)的期望值t。除了表征與輸入相應(yīng)模式類的輸出結(jié)點(diǎn)期望值為1外，其余的輸出結(jié)點(diǎn)的期望值均為指定的0.每次訓(xùn)練可從樣本集中選取新的同類或異類樣本，直到權(quán)值對(duì)各類樣本均達(dá)到穩(wěn)定。為保證好的分類效果，準(zhǔn)備足夠數(shù)量的各類樣本。

(3)計(jì)算實(shí)際的輸出y₁,y₂,y₃……y_n，式中θ為閾值

(4)修正權(quán)值

權(quán)值修正采用LMS算法的思想，其過程是從輸入結(jié)點(diǎn)開始，反向地向第一隱含層(存在多層隱含時(shí)最接近輸入層的隱含層)傳播由總誤差誘發(fā)的權(quán)值修正，下一時(shí)刻的互聯(lián)權(quán)值w_ij(t+1)由下式給出

w_ij(t+1)＝w_ij(t)+ηδ_jx_i'

式中，j為本節(jié)點(diǎn)的序號(hào)，i則是隱含層或輸入層結(jié)點(diǎn)的序號(hào)，x′_i是結(jié)點(diǎn)的輸出，η為增益項(xiàng)，δ_j為誤差項(xiàng)，取值有兩種情況：

若j為輸出結(jié)點(diǎn)，則

δ_j＝y(tǒng)_j(1-y_j)(l_j-y_j)

式中，l_j為輸出結(jié)點(diǎn)的期望值，y_j為該結(jié)點(diǎn)的實(shí)際輸出值；

若j為內(nèi)部隱含結(jié)點(diǎn)，則

δ_j＝x_j(1-x_j)kΣδ_kw_jk

其中k為結(jié)點(diǎn)所在層之上各層的全部結(jié)點(diǎn)。

(5)在達(dá)到預(yù)定誤差精度或循環(huán)次數(shù)后退出，否則轉(zhuǎn)步驟(2)。

采用BP算法實(shí)現(xiàn)分類時(shí)，用了一層隱含層。由特征向量構(gòu)成了輸入層，輸出的四類模式分別為正方體、球、三梭柱和橢球。通過試臉，得到上千個(gè)教據(jù)作為樣本進(jìn)行脫機(jī)訓(xùn)練，構(gòu)造并生成了一組穩(wěn)定的權(quán)值向量，使聯(lián)機(jī)識(shí)別率達(dá)到百分之百。

雙目立體視覺系統(tǒng)和自主定位系統(tǒng)，包括數(shù)字圖像的獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理與特征提取、立體匹配、深度信息提取及三維重建等六個(gè)部分。本系統(tǒng)采用視覺模型為平行雙目立體視覺模型，將攝像機(jī)C的坐標(biāo)系作為坐標(biāo)系，當(dāng)兩個(gè)攝像機(jī)從不同角度觀察同一物體,得到該物體在不同視角下的圖像對(duì),通過圖像的預(yù)處理以及立體匹配算法找出該物體上同一點(diǎn)在兩幅圖像中的相應(yīng)像點(diǎn),計(jì)算出視差,最后采用三角測(cè)量的方法恢復(fù)出物體的深度信息。圖像預(yù)處理與分割圖像預(yù)處理與分割是立體匹配和三維重建的基礎(chǔ),采用了改進(jìn)的閾值分割法，通過圖像分割,將包含有大量各式各樣景物信息的圖像分解成一些具有某種特征的最小成分即圖像的基元,可以提高圖像數(shù)據(jù)中的信噪比,以減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理的壓力。而體匹配算法,通過考察模板與窗口間灰度分布的相關(guān)系數(shù)來搜索匹配點(diǎn),在匹配過程中通過記錄和跟蹤已匹配對(duì),不斷剔除誤匹配,并加入唯一性約束和互對(duì)應(yīng)約束來提高匹配的精度,同時(shí)加入外極線約束和視差范圍約束來減小模板的搜索范圍,提高算法的效率。在這種模型下可以通過投影變換矩陣，利用最小二乘法求解計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。相關(guān)測(cè)度函數(shù)是在圖像對(duì)中統(tǒng)計(jì)度量大量像素點(diǎn)對(duì)的相似性最大處被確定為匹配位置的函數(shù)。

假設(shè)己經(jīng)確定了空間點(diǎn)P在左右兩個(gè)攝像機(jī)成像平面上的圖像坐標(biāo)分別為p₁(u_l,v_l)p₂(u_r,v_r)，那么，可得:

其中，M_l M_r為左右兩個(gè)攝像機(jī)的投影矩陣，Z_l Z_r為非零比例因子。(x,y,z)為欲求的P點(diǎn)的三維坐標(biāo)。展開式(3-25)和式(3-26)并消去Z_l Z_r之后，可以得到

因?yàn)楸疚乃捎靡曈X模型為平行雙目立體視覺模型，我們將攝像機(jī)C_l的坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，由以上數(shù)學(xué)公式可得:

其中,u₀、v₀、α_x、α_y為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù),b為基線長(zhǎng)度,u₁-u₂為視覺差。從以上的分析可知,如果知道了兩個(gè)攝像機(jī)的投影矩陣和空間點(diǎn)在兩個(gè)圖像中的投影點(diǎn)坐標(biāo),就可以確定出空間點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)位置信息。

所述破堅(jiān)機(jī)器人可對(duì)堅(jiān)硬物質(zhì)進(jìn)行清除，且鉆頭可進(jìn)行-90°～+90°度旋轉(zhuǎn)控制。

所述切割機(jī)器人可對(duì)面積較大區(qū)域的雜物進(jìn)行清除方便其他機(jī)器人的進(jìn)一步清除工作，六自由度切割機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由自旋轉(zhuǎn)卡盤、割炬升降機(jī)構(gòu)、割炬軸向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、割炬徑向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割系統(tǒng)等組成。割炬可以實(shí)現(xiàn)升降、左右擺動(dòng)以及360度旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人各軸采用伺服電機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)，控制精度高。所述切割片厚度為2～3.5mm的薄鋼片，其外緣嵌有細(xì)微金剛石磨料。

所述清理機(jī)器人兩側(cè)設(shè)置圓形刷盤，可進(jìn)行最后部分簡(jiǎn)單的污漬清除，拋光處理工作。

所述群體機(jī)器人是自適應(yīng)電磁吸引方式吸附在船體上，通過增加電磁鐵的個(gè)數(shù)來增加磁性吸附力，雙履帶式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過接口相互組合一起。并且后驅(qū)動(dòng)方式更為重要的優(yōu)點(diǎn)在于提高了清刷機(jī)器人對(duì)船體表面的適應(yīng)性。當(dāng)履帶經(jīng)過船體表面的突起時(shí),位于前面的從動(dòng)輪在主動(dòng)輪的驅(qū)使下,會(huì)更好地將履帶移至與船體表面接觸,這樣清刷機(jī)器人與船體表面貼合的磁性履帶加長(zhǎng),使得履帶能更好地適應(yīng)船體表面

所述群體機(jī)器人可進(jìn)行兩種合作方式：并聯(lián)和串聯(lián)。這兩種連接方法能夠應(yīng)對(duì)需要在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)清除船體的污垢的突發(fā)情況；為了有效偵察水下情況，兩種方式都由偵察型開始和結(jié)束保證清潔效率和潔凈度。