【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本申請涉及水下機器人，特別是涉及一種水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置及方法。
技術介紹
1、當前水下探測技術面臨環(huán)境復雜、數(shù)據(jù)不全等挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的水下機器人，如bluerov2、oceanone、seaglider和remus?600等，雖然各具優(yōu)勢，但仍存在自主性不足問題。因此，亟需一種能夠感知未知環(huán)境并自主導航的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置。
技術實現(xiàn)思路
1、本申請的目的是提供一種水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置及方法，實現(xiàn)對復雜水下環(huán)境的實時感知和自主導航。
2、為實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝巳缦路桨福?/p>
3、第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，包括水下機器人以及設置于所述水下機器人上的傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和動力系統(tǒng)；
4、所述傳感器系統(tǒng)，包括聲吶傳感器、攝像頭、激光雷達、多普勒速度測量儀、深度傳感器、溫度傳感器、水質(zhì)傳感器和慣性測量單元；
5、所述聲吶傳感器，用于對水下環(huán)境進行掃描和遠距離障礙物檢測，得到遠距離信息；遠距離為落在第一設定閾值范圍內(nèi)的距離；
6、所述攝像頭，用于采集水下環(huán)境的環(huán)境圖像；
7、所述激光雷達，用于對水下環(huán)境進行掃描和近距離障礙物檢測，得到近距離信息；近距離為落在第二設定閾值范圍內(nèi)的距離；所述遠距離信息、所述近距離信息和所述環(huán)境圖像構成水下障礙物信息；
8、所述多普勒速度測量儀用于測量水下機器人的速度和位置；所述深度傳感
9、所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于分別對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)和水下障礙物信息進行預處理，得到實時環(huán)境數(shù)據(jù)和待檢測障礙物信息；
10、所述控制系統(tǒng)，包括中央處理單元，用于控制導航系統(tǒng)和動力系統(tǒng)；
11、所述導航系統(tǒng)包括路徑規(guī)劃模塊和動態(tài)避障模塊；所述路徑規(guī)劃模塊，用于根據(jù)實時環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到最優(yōu)路徑；所述動態(tài)避障模塊，用于：根據(jù)環(huán)境圖像進行障礙物檢測，得到障礙物檢測結果；當檢測到障礙物時，所述控制系統(tǒng)發(fā)出避障決策指令，所述路徑規(guī)劃模塊接收到避障決策指令后，利用自適應算法根據(jù)待檢測障礙物信息對最優(yōu)路徑進行調(diào)整，得到調(diào)整后的路徑；
12、所述動力系統(tǒng)，用于為水下機器人提供移動和轉(zhuǎn)向的動力，以根據(jù)所述路徑規(guī)劃模塊輸出的路徑控制水下機器人移動。
13、可選地，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括前置流場信息收集系統(tǒng)；所述前置流場信息收集系統(tǒng)，用于：實時采集水下環(huán)境的流場信息，得到初始流場信息；所述流場信息包括水流速度、方向和湍流特征；
14、所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對初始流場信息進行預處理，得到待檢測流場信息；
15、將待檢測流場信息更新到流場模型中，如果檢測到待檢測流場信息與設定流場閾值的差值大于設定流場閾值，則調(diào)整導航系統(tǒng)的輸出參數(shù)。
16、可選地，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括減震系統(tǒng)；所述減震系統(tǒng)，安裝在水下機器人各關鍵部位，用于：通過傳感器測量外部施加在水下機器人上的力，得到外部力；判斷所述外部力是否大于設定外部力閾值，若是，則計算新的阻尼參數(shù)。
17、可選地，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括壓力檢測系統(tǒng)；所述壓力檢測系統(tǒng)包括壓力處理單元和若干壓力檢測點；所述壓力檢測點安裝于水下機器人外殼和內(nèi)部的關鍵部位；所述壓力檢測點用于測量水下機器人的關鍵部位的實時壓力；所述壓力處理單元用于：對于每一關鍵部位，判斷所述關鍵部位的實時壓力是否大于所述關鍵部位對應的壓力安全限值，若是，則生成安全警報。
18、可選地，在根據(jù)實時環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到最優(yōu)路徑方面，所述路徑規(guī)劃模塊，用于：利用a*算法和dijkstra算法，根據(jù)實時環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到最優(yōu)路徑。
19、可選地，所述動力系統(tǒng)包括推進器和轉(zhuǎn)向裝置；所述推進器用于通過無刷電機提供驅(qū)動力；所述轉(zhuǎn)向裝置用于通過伺服控制系統(tǒng)控制水下機器人的移動方向。
20、可選地，所述動力系統(tǒng)還包括智能電源管理系統(tǒng)；所述智能電源管理系統(tǒng)，用于測量電池的實時電池狀態(tài)；所述實時電池狀態(tài)包括電壓、電流和溫度；判斷實時電池狀態(tài)是否超出電池安全限值；若是，則生成安全警報。
21、可選地，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括通信系統(tǒng)；傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和動力系統(tǒng)之間通過所述通信系統(tǒng)連接。
22、第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航方法，包括：
23、對水下機器人所處的水下環(huán)境進行檢測，得到周圍環(huán)境數(shù)據(jù)；所述周圍環(huán)境數(shù)據(jù)包括水下機器人的速度和位置、水下機器人在水下環(huán)境中的深度、水下環(huán)境的溫度、水下環(huán)境的水質(zhì)信息以及水下機器人的運動狀態(tài)和方向；
24、對水下環(huán)境進行掃描和障礙物檢測，得到遠距離信息和近距離信息；遠距離為落在第一設定閾值范圍內(nèi)的距離；近距離為落在第二設定閾值范圍內(nèi)的距離；
25、采集水下環(huán)境的環(huán)境圖像；所述遠距離信息、所述近距離信息和所述環(huán)境圖像構成水下障礙物信息；
26、分別對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)和水下障礙物信息進行預處理，得到實時環(huán)境數(shù)據(jù)和待檢測障礙物信息；
27、通過路徑規(guī)劃模塊根據(jù)實時環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到最優(yōu)路徑；
28、根據(jù)環(huán)境圖像進行障礙物檢測，得到障礙物檢測結果；當檢測到障礙物時，控制系統(tǒng)發(fā)出避障決策指令，所述路徑規(guī)劃模塊接收到避障決策指令后，利用自適應算法根據(jù)待檢測障礙物信息對最優(yōu)路徑進行調(diào)整，得到調(diào)整后的路徑；
29、根據(jù)所述路徑規(guī)劃模塊輸出的路徑控制水下機器人移動。
30、根據(jù)本申請?zhí)峁┑木唧w實施例，本申請公開了以下技術效果：
31、本申請?zhí)峁┝艘环N水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置及方法，通過傳感器系統(tǒng)中的各傳感器，能夠全面實時感知周圍環(huán)境，通過路徑規(guī)劃模塊根據(jù)實時環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到最優(yōu)路徑；根據(jù)環(huán)境圖像進行障礙物檢測，得到障礙物檢測結果；當檢測到障礙物時，控制系統(tǒng)發(fā)出避障決策指令，路徑規(guī)劃模塊接收到避障決策指令后，利用自適應算法根據(jù)待檢測障礙物信息對最優(yōu)路徑進行調(diào)整，得到調(diào)整后的路徑，實現(xiàn)對復雜水下環(huán)境和自主導航，顯著提高了水下機器人的自主導航和操作能力。
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1.一種水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置包括水下機器人以及設置于所述水下機器人上的傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和動力系統(tǒng)；
2.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括前置流場信息收集系統(tǒng)；所述前置流場信息收集系統(tǒng)，用于：實時采集水下環(huán)境的流場信息，得到初始流場信息；所述流場信息包括水流速度、方向和湍流特征；
3.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括減震系統(tǒng)；所述減震系統(tǒng)，安裝在水下機器人各關鍵部位，用于：通過傳感器測量外部施加在水下機器人上的力，得到外部力；判斷所述外部力是否大于設定外部力閾值，若是，則計算新的阻尼參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括壓力檢測系統(tǒng)；所述壓力檢測系統(tǒng)包括壓力處理單元和若干壓力檢測點；所述壓力檢測點安裝于水下機器人外殼和內(nèi)部的關鍵
5.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，在根據(jù)實時環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到最優(yōu)路徑方面，所述路徑規(guī)劃模塊，用于：利用A*算法和Dijkstra算法，根據(jù)實時環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到最優(yōu)路徑。
6.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述動力系統(tǒng)包括推進器和轉(zhuǎn)向裝置；所述推進器用于通過無刷電機提供驅(qū)動力；所述轉(zhuǎn)向裝置用于通過伺服控制系統(tǒng)控制水下機器人的移動方向。
7.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述動力系統(tǒng)還包括智能電源管理系統(tǒng)；所述智能電源管理系統(tǒng)，用于測量電池的實時電池狀態(tài)；所述實時電池狀態(tài)包括電壓、電流和溫度；判斷實時電池狀態(tài)是否超出電池安全限值；若是，則生成安全警報。
8.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括通信系統(tǒng)；傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和動力系統(tǒng)之間通過所述通信系統(tǒng)連接。
9.一種基于權利要求1-8任一項所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航方法，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航方法包括：
...【技術特征摘要】
1.一種水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置包括水下機器人以及設置于所述水下機器人上的傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和動力系統(tǒng)；
2.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括前置流場信息收集系統(tǒng)；所述前置流場信息收集系統(tǒng)，用于：實時采集水下環(huán)境的流場信息，得到初始流場信息；所述流場信息包括水流速度、方向和湍流特征；
3.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括減震系統(tǒng)；所述減震系統(tǒng)，安裝在水下機器人各關鍵部位，用于：通過傳感器測量外部施加在水下機器人上的力，得到外部力；判斷所述外部力是否大于設定外部力閾值，若是，則計算新的阻尼參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置，其特征在于，所述水下機器人動態(tài)環(huán)境感知和導航裝置還包括壓力檢測系統(tǒng)；所述壓力檢測系統(tǒng)包括壓力處理單元和若干壓力檢測點；所述壓力檢測點安裝于水下機器人外殼和內(nèi)部的關鍵部位；所述壓力檢測點用于測量水下機器人的關鍵部位的實時壓力；所述壓力處理單元用于：對于每一關鍵部位，判斷所述關鍵部位的實時壓力是否大于所述關鍵...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：牟昭陽，蘇廣勝，張思雨，范迪夏，
申請(專利權)人：西湖大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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