CN109557917A - 水下机器人自主巡线及水面监控的方法 - Google Patents
水下机器人自主巡线及水面监控的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109557917A CN109557917A CN201811472498.6A CN201811472498A CN109557917A CN 109557917 A CN109557917 A CN 109557917A CN 201811472498 A CN201811472498 A CN 201811472498A CN 109557917 A CN109557917 A CN 109557917A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- underwater robot
- robot
- underwater
- line walking
- coordinate system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims description 5
- 238000010422 painting Methods 0.000 claims description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 5
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- 230000009514 concussion Effects 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 description 2
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 2
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000009699 differential effect Effects 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
- G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明公开水下机器人自主巡线及水面监控的方法，包括以下步骤：S1.预设水下机器人的运动路径并建模；S2.建立水下机器人自主巡线控制***；S3.水下机器人航行至指定位置后，绘制水下机器人动态显示自身信息的SVG格式图片；S4.启动传感器，对水下机器的周围环境信息及水下机器人的自身数据进行采集；S5.利用SOCKET网络通信技术，将步骤S4中采集到的传感器数据发送到上位机监控软件；S6.在上位机软件中对接收到的数据进行校验和拆包处理，并将校验正确的数据动态显示在SVG控件中。本发明能够实现水下机器人的自主巡线且能够动态显示监控数据，克服了现有数据显示的不足，且自主巡线大大提高水下机器人的巡线效率和精度。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人的数据动态显示和控制领域，具体涉及水下机器人自主巡线及水面监控的方法。
背景技术
在当今社会，陆地资源的开发与利用己经日趋成熟与完善，人类开始开发和利用海洋资源。海洋作为一个自然体，拥有着广袤的面积和非常丰富的自然资源，它包括丰富的生物资源、海底矿产资源、海水资源、海洋能与海洋空间资源，因此在海洋国土的开发中，越早的开发利用海详资源就能获得更长久的发展。发展至今，有80％的动物仍然生活在海洋环境中。
海洋开发是指人类为了一定的目的,对海洋及其自然资源和环境条件所进行的科学研究及开发利用。无论是海底资源还是海洋能与海洋空间资源的开发利用，都涉及海洋设施状态的检测与维修。水下机器人已经成为海洋设施检测的重要工具，因为水下机器人方便灵活、动力充足且便于搭载不同类型的传感器，适用于多种水下作业环境。因此，对于水下机器人的研制和开发具有重大的战略意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供水下机器人自主巡线及水面监控的方法，能够实现水下机器人的自主巡线且能够动态显示监控数据，克服了现有数据显示的不足，且自主巡线大大提高水下机器人的巡线效率和精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
水下机器人自主巡线及水面监控的方法，包括以下步骤：
S1.预设水下机器人的运动路径并对水下机器人进行运动建模；
S2.建立水下机器人自主巡线控制***以实现机器人水下自主巡线功能；
S3.水下机器人航行至指定位置后，绘制水下机器人动态显示自身信息的SVG格式图片；
S4.启动传感器，对水下机器人的周围环境信息及水下机器人的自身数据进行采集；
S5.利用SOCKET网络通信技术，将步骤S4中采集到的传感器数据发送到上位机监控软件；
S6.在上位机软件中对接收到的数据进行校验和拆包处理，并将校验正确的数据动态显示在SVG控件中。
步骤S1中建立水下机器人的运动模型，方便对水下机器人的运动状态(如前行速度、前行方向等)进行控制；步骤S5中，水下机器人和上位机进行数据通信，水下机器人将采集到的数据通过SOCKET网络通信发送给上位机软件；步骤S6中，上位机接收到水下机器人发过来的数据后，会先校验数据是否正确，如果数据错误就将数据丢失，如果数据正确则就将数据包进行拆包处理，将一包数据拆分成单独的数据单元，最后将拆分的数据单元动态的显示在SVG控制软件中。
优选地，所述步骤S1具体为：设置表征水下机器人自身位置的绝对坐标系XOY,绝对坐标系XOY是以水上母船相对于地面的位置建立的，其中XOY坐标系的O点是水上母船的中心点；则水下机器人的运动模型如下所示：
Vx＝Vcosθ
Vy＝Vsinθ
其中，V是水下机器人的线速度，θ为水下机器人的线速度V与坐标轴X的夹角，w为水下机器人的角速度，θ0为水下机器人的线速度V与坐标轴X的夹角的初始值，t为水下机器人的运动时间；Vx为水下机器人相对于坐标轴X轴的速度，Vy为水下机器人相对于坐标轴Y轴的速度。
本发明所述的水下机器人的动力由水下多自由度的水下推进器提供，它具有自动定深和自动定高的功能，当机器人的深度或高度一定的时候，它的运动我们可以看做是在同一平面上的运动分析，这时候多自由度便可看做只有前后两自由度。所以我们只需考虑机器人前后推进器产生的两个推力来建立机器人的前后运动模型，可知当前后两个推进器推力相等时，机器人便做直线运动，当前后两个推进器推力大小不相等时，机器人便会转弯运动。因此水下机器人的运动模型被简化为了：
Vx＝Vcosθ
Vy＝Vsinθ
由此运动模型我们可以知道，当前后两推进器产生的推力相等的时候，水下机器人将向前运动，此时V＞0，w＝0，机器人将做直线运动；当前后两推进器产生的推力不相等时，水下机器人将做转弯运动；当左侧的推进器的推力大于右侧推进器的推力的时候，机器人将做顺时针转弯运动，此时w＞0；当左侧的推进器的推力小于右侧推进器的推力的时候，机器人将做逆时针转弯运动，此时w＜0；当前后两个自由度推进器停止转动时，机器人在水平面上停止运动，此时V＝0。
更优选地，通过建立相对坐标系xoy将水下机器人在水下的相对运动信息转换为相对大地的绝对运动信息；设置表征水下机器人自身位置的、以水下机器人为中心点的相对坐标系xoy，且相对坐标系xoy与绝对坐标系XOY之间能够相互转换，具体的转换步骤为：
设定P为水下机器人的预设运动路径；
设定在XOY坐标系中，O(Xo，Yo)表示水下机器人在t时刻的中心点坐标，P(Xp，Yp)表示路径P上任一点的坐标；
设定在xoy坐标系中，0(xo，yo)表示水下机器人在t时刻的中心点坐标，p(xp，yp)表示路径P上任一点映射到xoy坐标系中的坐标；
公式1：ΔX＝Xp-Xo
ΔY＝Yp-Yo
公式2：xp＝ΔXcosθ-ΔYsinθ
yp＝ΔXsinθ-ΔYsinθ
其中，xo＝0，yo＝0
根据公式1和公式2实现水下机器人的绝对坐标系与相对坐标系之间的转换；
公式3：Xp＝xpcosθ+ypsinθ+Xo
Yp＝-xpsinθ+ypcosθ+Yo
根据公式3实现水下机器人的相对坐标系与绝对坐标系之间的转换。
水下机器人在水下运动的信息是用相对坐标来表示的，但是在对机器人进行其他计算和表征的时候，则需要将这些信息转换为相对于大地的数据，即将表征水下机器人的相对坐标和绝对坐标之间进行转换。
更优选地，所述水下机器人的预设运动路径设置为直线、曲线、折线或圆。
进一步优选地，所述水下机器人的预设运动路径设置为折线。路径设置为折线，主要是考虑了水下机器人的实际应用场景。
优选地，所述步骤S2中，所述自主巡线控制***包括前行速度和角速度两个变量，前行速度和角速度分别用于控制水下机器人前进的快慢和方向。通过对水下机器人前进的快慢和方向的不断调整，完成水下机器人的自主巡线过程。
更优选地，通过如下公式对水下机器人的前行速度进行连续调整：
V＝(180°-β)/180*Vmax
其中，β表示水下机器人当前的朝向和预设运动路径之间的夹角，即角度偏差；Vmax表示水下机器人满速时的速度，工业上一般是1m/s～2m/s。
水下机器人在自主巡线过程中，前行速度的控制是基于专家驾驶经验规则控制，在实际巡线过程中要根据路径的情况和已经完成巡线的质量来控制前行速度。其中，巡线路径的情况和已经完成巡线的质量可以用两个控制量进行描述，即预设运动路径的位置偏差和角度偏差。
选取当前时刻水下机器人的朝向和预设运动路径的夹角，即角度偏差来进行评估，当角度偏差小的时候，表明水下机器人巡线基本正确，可以以较大速度前进，相反，当角度偏差较大时，表明机器人方向不对，机器人需要调整其运动方向，此时可以以较小的速度前行，我们设置让水下机器人的速度连续变化，通过公式V＝(180°-β)/180*Vmax实现水下机器人前行速度的连续调整。
更优选地，利用自适应PID控制算法控制水下机器人在前行过程中的角速度，通过如下公式对水下机器人的前行角速度进行调整：
w(n)＝k1xp+k2θp+k3w(n-1)+k4w(n-2)
其中，xp表示第n时刻水下机器人相对于规划路径的位置偏差；θp表示第n时刻水下机器人相对于规划路径的角度偏差；w(n)表示第n时刻水下机器人的角速度；w(n-1)表示第n-1时刻水下机器人的角速度；w(n-2)表示第n-2时刻水下机器人的角速度；k1表示第n时刻水下机器人的位置偏差系数；k2表示第n时刻水下机器人的角度偏差系数；k3表示历史参考数据，一般选取0.33；k4表示历史参考数据，一般选取0.33；根据水下机器人当前的行驶状态确定k1和k2，实现水下机器人的角速度调整。
PID控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。其中，比例(P)部分的数学表达式为：
u(t)＝Kpe(t)
比例控制器的主要作用是为了对***出现的偏差信号能够及时的成比例的做出反应，只要***偏差信号一出现，调节器就会以最快的速度产生相应的控制作用，从而使得控制***的输出量朝着误差减小的方向变化，它的控制作用的强弱主要是由比例系数Kp来决定的，当Kp的值增大时，***的响应速度增加，相应的***误差就会减小，但是不合理的比例系数Kp可能会导致***出现超调、震荡、甚至不稳定，但是如果Kp过小则又会使得***的响应速度变慢，进而导致***控制时间过长，精度变差，从而使得***的动态特性变差。只有选择合适的比例系数Kp，才能使被控***的控制效果快速的达到最佳。
积分(I)部分的数学表达式为：
在控制器中引入积分的目的是为了消除被控***的静态误差，从而保证被控对象在***处于稳态的时候能够实现无静态差跟踪。只要e(t)不为0输出结果u(t)就不会为0，通过积分控制的累积作用对被控量进行调节，进而减小***偏差，直到偏差减到0为止。积分系数Ti过大，则积分效果就会较弱，被控***消除静态误差所需时间较长，但是不会产生震荡反应；积分系数Ti过小，被控***消除静态误差所需时间较短，易产生震荡。
微分(D)部分的数学表达式为：
在控制器中引入微分的目的是为了加快控制过程，当***偏差出现的时候，被控***就会按偏差变化的方向进行提前快速调节，将***偏差提前消灭掉。微分作用的强弱是由微分系数Td来决定，当Td越大时，微分控制效果就会越明显，当Td越小时，微分控制效果就会越弱；微分的作用是能够减少被控***出现超调现象，使***能够很快趋于稳定状态。
我们比较常用的获取PID的参数方法有两种：一种是根据被控对象预先建立精确的数学模型，进而我们可以很方便的计算出被控对象的控制参数。另一种方法是用试验的方法进行测试，通过对试验数据的分析我们获取被控对象的参数。在传统经典PID控制***中，PID的参数在控制过程之前就已经设定，被控过程中途不能更改，若被控对象模型在控制过程发生改变，则此参数已经无效，进而不能很好的控制被控对象，实际上本控制对象由于所处的水下环境是变化的，所以被控对象在不同阶段需要不同的控制参数，为了使被控对象有更好的控制效果，我们在经典的PID控制算法上提出了自适应的PID控制算法，能够根据不同的外部环境为我们选择不同的控制参数。
经典PID控制表达式表示为：
u(n)＝Kp{e(n)+T/Ti[e(n)-e(n-1)]}+u0＝up(n)+ui(n)+ud(n)+u0
在上述公式中，我们称up(n)＝Kpe(n)为比例项，为微分项，ud(n)＝KpTd/T[e(n)-e(n-1)]为积分项。
对步骤S1水下机器人运动模型分析之后，可以得知，机器人的方向控制是由控制它的角速度w来控制的,在实际运行中，机器人的运动环境是一直变化的，它的运动方向是在不断变化的，因此角速度w是由位置偏差xp和方向偏差θp共同决定的，在上述经典PID算法的基础上设计出本发明所述的适合水下机器人角速度控制的自适应PID控制算法：
w(n)＝k1xp+k2θp+k3w(n-1)+k4w(n-2)。
此外，根据公式dθ＝wdt→Δθ＝∫wdt，我们很容易的得到机器人角速度的变化量，进而得到水下机器人的运动方向变化，而机器人不断变化的运动方向在某种程度上决定了水下机器人的运动轨迹，让它运动轨迹与规划路径尽可能的重合，从而可以达到控制要求。
优选地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S301.在绘图软件中按照拟采用的图形化展示形式绘制SVG格式图片；
S302.利用已经绘制好的SVG图形计算各个控件的坐标与属性；
S303.利用DOM接口访问生成的SVG图片文档，在SVG文档中根据图片大小新建画布；
S304.将SVG画布的更改应用到SVG文档，刷新界面显示，从而实现水下机器人自身信息的动态显示。
所述绘图软件包括Adobe illustrator(简称“AI”)、Method Draw、Graphviz；SVG图是由一系列的控件组成，这些控件包括：圆、三角形、正方形、弧形等等；通过已绘制好的SVG图，将各个控件相对于原点的坐标计算出来，其中原点被定义为整张SVG图中最左上的点；计算各个控件的属性则是通过判断每个控件的ID来判断控件的类型，如控件是圆，还是正方形，还是三角形等等。
更优选地，所述图形化展示形式包括文字、指示灯、进度条、数字、曲线图。
优选地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S301.在绘图软件中按照拟采用的图形化展示形式绘制SVG格式图片；
S302.利用已经绘制好的SVG图形计算各个控件的坐标与属性；
S303.利用DOM接口访问生成的SVG图片文档，在SVG文档中根据图片大小新建画布；
S304.将SVG画布的更改应用到SVG文档，刷新界面显示，从而实现水下机器人自身信息的动态显示。
更优选地，所述图形化展示形式包括文字、指示灯、进度条、数字、曲线图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用自主巡线技术，采用改进后的自适应PID算法应用于水下机器人运动控制中，实现了机器人前行速度的连续调节以及角速度的自适应PID调节，这样使得机器人的操作时间能够缩短，作业效率提高；与此同时，利用自适应PID算法，在线更改PID的三个参数，可以使得被控***更加的稳定，在海底这种时变的应用场景中能够达到很好的控制效果；
2、本发明采用动态显示，相较于传统的直接将数据显示在静态控件中，本发明采用自定义图形在SVG中动态显示数据的方法，充分利用了SVG格式图片可编程的特点，开发了可以动态显示数据的动态界面。
附图说明
图1为本发明实施例1～实施例5所述水下机器人工作流程图；
图2为本发明实施例1～实施例5所述经典PID控制***原理图；
图3为本发明实施例1～实施例5所述水下机器人的自主巡线控制***的过程图；
图4为本发明实施例1所述水下机器人在某一时刻纵倾与横倾的角度变化示意图；
图5为本发明实施例1所述水下机器人在某一时刻首向显示的示意图；
图6为本发明实施例1所述水下机器人在某一时刻垂向深度或高度显示的示意图；
图7为本发明实施例1所述水下机器人在某一时刻水平推力显示的示意图；
图8为本发明实施例1所述水下机器人在某一时刻垂向推力显示的示意图；
图9为本发明实施例1所述水下机器人在某一时刻垂向操纵推力显示的示意图；
图10为本发明实施例1所述水下机器人在某一时刻能量管理显示的示意图；
图11为本发明实施例1水下机器人的自主巡线的效果图；
图12为本发明实施例2水下机器人的自主巡线的效果图；
图13为本发明实施例3水下机器人的自主巡线的效果图；
图14为本发明实施例4水下机器人的自主巡线的效果图；
图15为本发明实施例5水下机器人的自主巡线的效果图；
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
水下机器人自主巡线及水面监控的方法，结合图1进行说明，包括以下步骤：
S1.预设水下机器人的运动路径并对水下机器人进行运动建模：设置表征水下机器人自身位置的绝对坐标系XOY,绝对坐标系XOY是以水上母船相对于地面的位置建立的，其中XOY坐标系的O点是水上母船的中心点；则水下机器人的运动模型如下所示：
Vx＝Vcosθ
Vy＝Vsinθ
其中，V是水下机器人的线速度，θ为水下机器人的线速度V与坐标轴X的夹角，w为水下机器人的角速度，θ0为水下机器人的线速度V与坐标轴X的夹角的初始值，t为水下机器人的运动时间；Vx为水下机器人相对于坐标轴X轴的速度，Vy为水下机器人相对于坐标轴Y轴的速度。
通过建立相对坐标系xoy将水下机器人在水下的相对运动信息转换为相对大地的绝对运动信息；设置表征水下机器人自身位置的、以水下机器人为中心点的相对坐标系xoy，且相对坐标系xoy与绝对坐标系XOY之间能够相互转换，具体的转换步骤为：
设定P为水下机器人的预设运动路径，设置为折线；
设定在XOY坐标系中，O(Xo，Yo)表示水下机器人在t时刻的中心点坐标，P(Xp，Yp)表示路径P上任一点的坐标；
设定在xoy坐标系中，0(xo，yo)表示水下机器人在t时刻的中心点坐标，p(xp，yp)表示路径P上任一点映射到xoy坐标系中的坐标
公式1：ΔX＝Xp-Xo
ΔY＝Yp-Yo
公式2：xp＝ΔXcosθ-ΔYsinθ
yp＝ΔXsinθ-ΔYsinθ
其中，xo＝0，yo＝0
根据公式1和公式2实现水下机器人的绝对坐标系与相对坐标系之间的转换；
公式3：Xp＝xpcosθ+ypsinθ+Xo
Yp＝-xpsinθ+ypcosθ+Yo
根据公式3实现水下机器人的相对坐标系与绝对坐标系之间的转换。
S2.建立水下机器人自主巡线控制***以实现机器人水下自主巡线功能：所述自主巡线控制***包括前行速度和角速度两个变量，前行速度和角速度分别用于控制水下机器人前进的快慢和方向。自主巡线控制过程如图3所示。
通过如下公式对水下机器人的前行速度进行连续调整：
V＝(180°-β)/180*Vmax
其中，β表示水下机器人当前的朝向和预设运动路径之间的夹角，即角度偏差；Vmax表示水下机器人满速时的速度。
对水下机器人运动模型分析之后，可以得知，机器人的方向控制是由控制它的角速度w来控制的,在实际运行中，机器人的运动环境是一直变化的，它的运动方向是在不断变化的，因此角速度w是由位置偏差xp和方向偏差θp共同决定的，因此在经典PID算法(如图2所示)的基础上提出利用自适应PID控制算法控制水下机器人在前行过程中的角速度，通过如下公式对水下机器人的前行角速度进行调整：
w(n)＝k1xp+k2θp+k3w(n-1)+k4w(n-2)
其中，xp表示第n时刻水下机器人相对于规划路径的位置偏差；θp表示第n时刻水下机器人相对于规划路径的角度偏差；w(n)表示第n时刻水下机器人的角速度；w(n-1)表示第n-1时刻水下机器人的角速度；w(n-2)表示第n-2时刻水下机器人的角速度；k1表示第n时刻水下机器人的位置偏差系数；k2表示第n时刻水下机器人的角度偏差系数；k3表示历史参考数据，一般选取0.33；k4表示历史参考数据，一般选取0.33；根据水下机器人当前的行驶状态确定k1和k2，实现水下机器人的角速度调整。
S3.水下机器人航行至指定位置后，绘制水下机器人动态显示自身信息的SVG格式图片；
S301.在Adobe illustrator中按照曲线图的展示形式绘制SVG格式图片；
S302.利用已经绘制好的SVG图形计算各个控件的坐标与属性；
S303.利用DOM接口访问生成的SVG图片文档，在SVG文档中根据图片大小新建画布；
S304.将SVG画布的更改应用到SVG文档，刷新界面显示，从而实现水下机器人自身信息的动态显示。
S4.启动传感器，对水下机器的周围环境信息及水下机器人的自身数据进行采集；
S5.利用SOCKET网络通信技术，将步骤S6中采集到的传感器数据发送到上位机监控软件；
S6.在上位机软件中对接收到的数据进行校验和拆包处理，并将校验正确的数据动态显示在SVG控件中。
图4为本发明所述水下机器人在某一时刻纵倾与横倾的角度变化示意图，以第一人称视角的图形方式显示纵倾和横倾的角度变化，以及数据的有效性。图4中两种颜色交界线旋转表达横倾变化，交界线上下移动表达纵倾变化。
图5为本发明所述水下机器人在某一时刻首向显示的示意图，以圆盘指针的图形方式显示首向与目标首向的角度，以及数据的有效性。图5中，中间大的箭头和中间的数字表示首向，小的箭头和上面的数字表示目标首向；当数据无效时，数字部分显示“？？？”，图形部分不显示箭头。
图6为本发明所述水下机器人在某一时刻垂向深度或高度显示的示意图，以垂向的图形方式显示深度或高度与目标值的偏差，以及数据的有效性。图6中，上方的数字表示水下机器人当前的深度或高度，当中的数字显示目标值，左边的箭头和数字显示传感器值；当数据无效时，清除为背景色。
图7为本发明所述水下机器人在某一时刻水平推力显示的示意图，以图形方式显示水平面合成推力指令和推进器推力指令，以及数据的有效性。外圈四个为推进器推力，显示百分比、箭头方向表示正负，正值指向中间，负值指向上下外面。中间三个为合成推力指令，推力指令上的指示线的移动表示前后、左右、旋转指令。当数据无效时，数字部分显示“？？？”，图形部分清除为背景色。
图8为本发明所述水下机器人在某一时刻垂向推力显示的示意图，以图形方式显示垂向合成推力指令和推进器推力指令，以及数据的有效性。外圈三个为推进器推力，表示推进器推力的指示线移动方向表示正负，正值向上，负值向下。中间三个为合成推力指令，合成推力指令上的指示线移动表示升沉、纵倾、横倾指令。当数据无效时，数字部分显示“？？？”，图形部分清除为背景色。
图9为本发明所述水下机器人在某一时刻垂向操纵推力显示的示意图，以图形方式显示垂向操纵推力指令，垂向操纵推力指令上的指示线移动表示升沉、纵倾、横倾指令。数据范围：-100至+100。
图10为本发明所述水下机器人在某一时刻能量管理显示的示意图，以图形方式显示能量管理限制比例，分别水平面、垂向、工具能量限制比例。数据范围：0至100。
在机器人自主巡线开始前，机器人的起始路径与预设路径设置为存在一定偏差，待开启自主巡线功能后，机器人的运动路径与预设路径之间的偏差会越来越小，最后水下机器人的实际运动路径会与预设路径趋于基本一致。本实施例自主巡线的效果图如图11所示，从图11可以看出，采用本发明所述的自主巡线方法，水下机器人的实际运动路径与预设路径基本一致。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，水下机器人的预设运动路径设置为直线。
本实施例自主巡线的效果图如图12所示，从图12可以看出，采用本发明所述的自主巡线方法，水下机器人的实际运动路径与预设路径基本一致。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，水下机器人的预设运动路径设置为圆。
本实施例自主巡线的效果图如图13所示，从图13可以看出，采用本发明所述的自主巡线方法，水下机器人的实际运动路径与预设路径基本一致。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，水下机器人的预设运动路径设置为椭圆。
本实施例自主巡线的效果图如图14所示，从图14以看出，采用本发明所述的自主巡线方法，水下机器人的实际运动路径与预设路径基本一致。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，水下机器人的预设运动路径设置为任意路径。
本实施例自主巡线的效果图如图15所示，从图15以看出，采用本发明所述的自主巡线方法，水下机器人的实际运动路径与预设路径基本一致。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.预设水下机器人的运动路径并对水下机器人进行运动建模；
S2.建立水下机器人自主巡线控制***以实现机器人水下自主巡线功能；
S3.水下机器人航行至指定位置后，绘制水下机器人动态显示自身信息的SVG格式图片；
S4.启动传感器，对水下机器人的周围环境信息及水下机器人的自身数据进行采集；
S5.利用SOCKET网络通信技术，将步骤S4中采集到的传感器数据发送到上位机监控软件；
S6.在上位机软件中对接收到的数据进行校验和拆包处理，并将校验正确的数据动态显示在SVG控件中。
2.根据权利要求1所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：设置表征水下机器人自身位置的绝对坐标系XOY,绝对坐标系XOY是以水上母船相对于地面的位置建立的，其中XOY坐标系的O点是水上母船的中心点；则水下机器人的运动模型如下所示：
Vx＝Vcosθ
Vy＝Vsinθ
其中，V是水下机器人的线速度，θ为水下机器人的线速度V与坐标轴X的夹角，w为水下机器人的角速度，θ0为水下机器人的线速度V与坐标轴X的夹角的初始值，t为水下机器人的运动时间；Vx为水下机器人相对于坐标轴X轴的速度，Vy为水下机器人相对于坐标轴Y轴的速度。
3.根据权利要求2所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，通过建立相对坐标系xoy将水下机器人在水下的相对运动信息转换为相对大地的绝对运动信息；设置表征水下机器人自身位置的、以水下机器人为中心点的相对坐标系xoy，且相对坐标系xoy与绝对坐标系XOY之间能够相互转换，具体的转换步骤为：
设定P为水下机器人的预设运动路径；
设定在XOY坐标系中，O(Xo，Yo)表示水下机器人在t时刻的中心点坐标，P(Xp，Yp)表示路径P上任一点的坐标；
设定在xoy坐标系中，0(xo，yo)表示水下机器人在t时刻的中心点坐标，p(xp，yp)表示路径P上任一点映射到xoy坐标系中的坐标；
公式1：ΔX＝Xp-Xo
ΔY＝Yp-Yo
公式2：xp＝ΔXcosθ-ΔYsinθ
yp＝ΔXsinθ-ΔYsinθ
其中，xo＝0，yo＝0
根据公式1和公式2实现水下机器人的绝对坐标系与相对坐标系之间的转换；
公式3：Xp＝xpcosθ+ypsinθ+Xo
Yp＝-xpsinθ+ypcosθ+Yo
根据公式3实现水下机器人的相对坐标系与绝对坐标系之间的转换。
4.根据权利要求3所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，所述水下机器人的预设运动路径设置为直线、曲线、折线或圆。
5.根据权利要求4所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，所述水下机器人的预设运动路径设置为折线。
6.根据权利要求1所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述自主巡线控制***包括前行速度和角速度两个变量，前行速度和角速度分别用于控制水下机器人前进的快慢和方向。
7.根据权利要求6所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，通过如下公式对水下机器人的前行速度进行连续调整：
V＝(180°-β)/180*Vmax
其中，β表示水下机器人当前的朝向和预设运动路径之间的夹角，即角度偏差；Vmax表示水下机器人满速时的速度。
8.根据权利要求6所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，利用自适应PID控制算法控制水下机器人在前行过程中的角速度，通过如下公式对水下机器人的前行角速度进行调整：
w(n)＝k1xp+k2θp+k3w(n-1)+k4w(n-2)
其中，xp表示第n时刻水下机器人相对于规划路径的位置偏差；θp表示第n时刻水下机器人相对于规划路径的角度偏差；w(n)表示第n时刻水下机器人的角速度；w(n-1)表示第n-1时刻水下机器人的角速度；w(n-2)表示第n-2时刻水下机器人的角速度；k1表示第n时刻水下机器人的位置偏差系数；k2表示第n时刻水下机器人的角度偏差系数；k3表示历史参考数据，一般选取0.33；k4表示历史参考数据，一般选取0.33；根据水下机器人当前的行驶状态确定k1和k2，实现水下机器人的角速度调整。
9.根据权利要求1所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S301.在绘图软件中按照拟采用的图形化展示形式绘制SVG格式图片；
S302.利用已经绘制好的SVG图形计算各个控件的坐标与属性；
S303.利用DOM接口访问生成的SVG图片文档，在SVG文档中根据图片大小新建画布；
S304.将SVG画布的更改应用到SVG文档，刷新界面显示，从而实现水下机器人自身信息的动态显示。
10.根据权利要求9所述的水下机器人自主巡线及水面监控的方法，其特征在于，所述图形化展示形式包括文字、指示灯、进度条、数字、曲线图。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811472498.6A CN109557917A (zh) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | 水下机器人自主巡线及水面监控的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811472498.6A CN109557917A (zh) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | 水下机器人自主巡线及水面监控的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109557917A true CN109557917A (zh) | 2019-04-02 |
Family
ID=65868724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811472498.6A Pending CN109557917A (zh) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | 水下机器人自主巡线及水面监控的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109557917A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110082774A (zh) * | 2019-05-18 | 2019-08-02 | 上海木木聚枞机器人科技有限公司 | 一种自动对位方法及*** |
| CN111552309A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-08-18 | 上海海洋大学 | 船舶巡边控制方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008052473A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 水中ロボットの動作制御方法、装置、プログラム及びその記録媒体 |
| CN106895841A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-06-27 | 杭州申昊科技股份有限公司 | 一种应用于变电站的矢量电子地图创建方法 |
| CN108045530A (zh) * | 2017-12-04 | 2018-05-18 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种海底电缆探测水下机器人及作业方法 |
-
2018
- 2018-12-04 CN CN201811472498.6A patent/CN109557917A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008052473A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 水中ロボットの動作制御方法、装置、プログラム及びその記録媒体 |
| CN106895841A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-06-27 | 杭州申昊科技股份有限公司 | 一种应用于变电站的矢量电子地图创建方法 |
| CN108045530A (zh) * | 2017-12-04 | 2018-05-18 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种海底电缆探测水下机器人及作业方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘振川: "海底管道检测机器人自主巡线控制***研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110082774A (zh) * | 2019-05-18 | 2019-08-02 | 上海木木聚枞机器人科技有限公司 | 一种自动对位方法及*** |
| CN111552309A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-08-18 | 上海海洋大学 | 船舶巡边控制方法 |
| CN111552309B (zh) * | 2020-05-21 | 2021-04-20 | 上海海洋大学 | 船舶巡边控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105215987B (zh) | 一种工业机器人工艺云***及其工作方法 | |
| CN108255060B (zh) | 基于极限学习机的船舶动力定位自抗扰控制方法 | |
| CN109240091B (zh) | 一种基于强化学习的水下机器人控制方法及其进行跟踪的控制方法 | |
| CN106773741A (zh) | 一种无人船动力定位***及方法 | |
| CN107065902A (zh) | 基于非线性模型的无人机姿态模糊自适应预测控制方法及*** | |
| CN113885534B (zh) | 一种基于智能预测控制的水面无人船路径跟踪方法 | |
| CN104635773B (zh) | 一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法 | |
| CN105404303A (zh) | 一种rov水下机器人的运动控制方法 | |
| CN113636048B (zh) | 一种多关节机器鱼及其运动控制方法 | |
| Corno et al. | Data-driven online speed optimization in autonomous sailboats | |
| CN106527133A (zh) | 一种船舶多桨协调控制分配方法 | |
| CN109557917A (zh) | 水下机器人自主巡线及水面监控的方法 | |
| CN109470248A (zh) | 一种水下航行器导航***及导航方法 | |
| CN107807522A (zh) | 水下机器人轨迹跟踪反步控制方法 | |
| Zhou et al. | Dynamic modeling and motion control of a novel conceptual multimodal underwater vehicle for autonomous sampling | |
| CN105786012A (zh) | 基于生物激励模型的uuv虚拟速度控制方法 | |
| CN104317197B (zh) | 一种针对auv布放任务负载后模型变化的多模型切换控制方法 | |
| WO2024046090A1 (zh) | 模块化的船舶运动控制调试***及船舶运动控制调试方法 | |
| CN116520834B (zh) | 一种低能耗的无人船巡航方法 | |
| CN110347176A (zh) | 海洋滑翔机组网架构、任务分配方法及队形控制方法 | |
| CN115903820A (zh) | 多无人艇追逃博弈控制方法 | |
| CN111830832B (zh) | 仿生滑翔机器海豚平面路径跟踪方法及*** | |
| CN117032268B (zh) | 一种水下并联机器人智能下潜控制方法及*** | |
| CN110703792B (zh) | 基于增强学习的水下机器人姿态控制方法 | |
| Liu et al. | Research on key methods of autonomous sailboat’s position keeping control |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190402 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |