[发明专利]水下机器人控制系统及基于声纳图像目标识别的航向控制方法

摘要

本发明公开了一种水下机器人控制系统及基于声纳图像目标识别的航向控制方法，水下检测与作业机器人控制系统包括：水面控制系统、脐带缆、水下控制系统；水面控制系统包括：工控机、单片机控制面板、液晶显示屏、电源箱。水下控制系统包括：K60嵌入式控制器、电源单元、声纳、水下摄像云台、电机单元、机械手、惯导磁力计、传感器单元。本发明将声纳图像的目标识别运用到水下机器人自动定航，目标图像质心坐标与图像上原点坐标(0,0)的偏差值e经过闭环负反馈PID控制输出给航向控制电机，控制水下机器人的航向，使之对准目标质心，最终水下机器人将开向目标。改进了以往通过操作手实时手动调节航向的麻烦,实现了航向的自动调节。

主权项

1.一种水下机器人控制系统的基于声纳图像目标识别的航向控制方法，水下机器人控制系统包括水面控制系统、水下控制系统，所述水面控制系统放置在岸上或者船上，水下控制系统安装在水下检测与作业机器人上；水面控制系统和水下控制系统通过脐带缆相连，实现电能、控制信号、数据的传输；水面控制系统包括单片机控制面板、工控机、液晶显示屏、电源箱，所述单片机控制面板、液晶显示屏和工控机相连，工控机与脐带缆相连，电源箱与脐带缆相连；所述水下控制系统包括脐带缆、K60嵌入式微控制器、电源单元、声纳、水下云摄像台、电机单元、机械手、惯导磁力计、传感器单元；所述脐带缆与K60嵌入式微控制器、电源单元、声纳、水下云摄像台相连；所述K60嵌入式微控制器通过脐带缆与水面控制系统相连，接收水面控制系统的控制指令并将水下采集的数据传送给水面控制系统；所述K60嵌入式微控制器与电机单元、机械手、惯导磁力计、传感器单元相连；所述电源单元给K60嵌入式微控制器、声纳、水下云摄像台、电机单元、机械手、惯导磁力计、传感器单元供电；所述声纳将水下声纳数据通过脐带缆传送到水面控制系统；所述水下云摄像台将水下视频数据传送到水面控制系统；所述电机单元接收K60嵌入式微控制器的速度和方向信息，驱动螺旋桨旋转，并将电流值返回给K60嵌入式微控制器；所述机械手接收K60嵌入式微控制器的方向信息，控制机械手张、合；所述惯导磁力计将导航数据传给K60嵌入式微控制器；所述传感器单元将深度信息、漏水信息、温湿度信息传给K60嵌入式微控制器，经由脐带缆传送到水面控制系统；其特征在于，包括以下步骤：第一步：声纳回波数据成像，声纳头发出声波，声纳头采集回波数据成像，得到水下视野前方声纳原始图像；第二步：声纳图像处理，包括图像增强、图像分割，图像增强包括灰度变换和中值滤波，图像分割采用基本的全局阈值处理；第三步：目标识别，包括目标特征的提取、匹配，目标特征提取采用归一化中心距作为目标匹配特征，匹配采用距离度量，计算未知模式的不变距特征与目标模式不变距特征的欧式距离，若距离小于一定范围，则认为属于同一目标图像；第四步：目标质心坐标计算，采用计算图像的两个一阶距，和零阶距，来计算图像的质心，即二值图像的几何中心第五步：目标质心偏差的计算，计算目标质心坐标与图像显示区域原点(0,0)的差值：第六步：对偏差e进行PID控制公式的计算将控制量u输出到水下控制系统的航向控制电机的PWM值，调节航向，使航向向着目标质心方向偏转；第七步：水下机器人在航向控制电机的推动下往目标航向调节；第八步：间隔一段时间，待航向调节响应完毕，返回到第1步，依次循环整个流程,形成闭环控制；第九步：最终水下机器人的航向调节到指向目标质心。