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专利号: 2012105533785
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 船舶或其他水上船只;与船有关的设备
更新日期:2023-08-24
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:包括捕捞机器人,用于对捕捞现场和捕捞机器人的状态进行综合分析处理和判断的、并用于在人机协同捕捞作业中为捕捞管理人员提供远程干预和管理的计算机,用于乘载捕捞管理人员以及收集和运输捕捞对象的母船,用于定位母船空间位置的GPS;

所述的捕捞机器人,包括捕捞机器人的本体,基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的机器手,用于感知水深的压力传感器,用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘,用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制机器手协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体,以下简称Agent,与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带;

所述的Agent根据所述的双目立体全景视觉传感器感知的信息进行分析、计算和推理,根据所述的捕捞管理人员下达的捕捞区域和捕捞时间的捕捞作业调度决策,自动做出路径规划,驱动所述的捕捞机器手完成边行走边捕捞的任务操作;通过通信网向捕捞管理人员提供非规则事件信息,请求捕捞管理人员的干预;

所述的Agent驻留在所述的捕捞机器人中,所述的Agent包括任务规划行为模块、协调行为模块、与捕捞管理人的交互行为模块、紧急行为模块、升降行为模块、避障行为模块、定位行为模块、路径跟踪行为模块、行走行为模块、转向行为模块、捕捞对象的识别行为模块、捕捞对象的空间定位行为模块和捕捞行为模块;

所述的通信网,用于捕捞管理人员与捕捞机器人之间的信息交互,GPS为母船提供空间位置信息,安装在捕捞机器人内的数字罗盘为捕捞机器人的行走方向提供方位信息;通过所述的通信网将分布在捕捞区域中的捕捞机器人与捕捞管理人员构成一个人-捕捞机器人一体化的捕捞管理和控制系统,协同地感知和采集网络分布区域的多捕捞机器人和各种捕捞对象的信息。

2.如权利要求1所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:捕捞管理人员驾驶乘坐在所述的母船的控制室中,通过通信网对分布在捕捞区域内的各所述的捕捞机器人进行巡视;对所述的捕捞机器人发生的各种非常规情况,即紧急行为进行及时的处置,对所述的捕捞机器人发出的捕捞海底生物装卸请求做出响应,控制请求的捕捞机器人上升到海面,然后将所述的捕捞机器人的本体底部从本体上卸下,用空的收集舱更换盛满了捕捞对象的收集舱,重新将所述的捕捞机器人本体的底部连接到本体上,接着将所述的捕捞机器人放入海中继续进行捕捞;所述的母船的控制室内配置了所述的计算机,所述的计算机中安装了捕捞管理和控制系统软件,所述的捕捞管理人员通过所述的计算机对分布在各区域内的所述的捕捞机器人进行捕捞管理和控制;所述的计算机通过所述的通信网与分布在各区域内的所述的捕捞机器人中的所述的Agent进行信息交互。

3.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的紧急行为模块,所述的紧急行为是所述的捕捞机器人优先级最高的行为,在所述的捕捞机器人避障行为失败后或者是发生颠倒不能行走事故就切换到所述的紧急行为;当所述的紧急行为发生时,所述的Agent立刻向所述的捕捞管理人员发出请求干预信息,等待所述的捕捞管理人员干预处理;当规定时间内没有接到所述的管理人员干预情况下,自动启动所述的升降行为模块工作,使得捕捞机器人浮出海面。

4.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的升降行为模块,用于控制捕捞机器人的上升或下降,当捕捞机器人上升到海面时上升动作自动停止,当捕捞机器人下降至海底时下降动作自动停止;所述的升降行为模块一方面由母船上的捕捞人员通过计算机控制,另一方面由捕捞机器人的Agent控制;母船上的捕捞人员的控制具有优先权。

5.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的协调行为模块包括外部协调单元和内部协调单元,内部协调单元对直行捕捞行为模块、升降行为模块、转向行为模块、行走行为模块和避障行为模块进行选择,决定哪个行为模块被激活,并对同时激活的行为模块进行协调;1)体现紧急事件最优先的原则,一旦所述的紧急行为模块发出紧急请求时所述的协调行为模块首先让所述的直行捕捞行为模块、所述的转向行为模块和所述的避障行为模块设置为休眠锁定状态,接着通过与所述的捕捞管理人的交互行为模块向捕捞管理人员请求干预,当捕捞管理人员处理完紧急事件后才能解除所述的直行捕捞行为模块、所述的转向行为模块和所述的避障行为模块设置为休眠锁定状态;2)体现按捕捞作业顺序工作的原则,协调好所述的捕捞机器人边行走、边捕捞的动作,当检测到所述的机器手的捕捞范围内有捕捞对象时停止行走,当周边的捕捞对象都捕捞结束时再启动行走;在行走、捕捞和转向行为的同时其他行为模块均处于激活状态,并以多线程的方式分别运行在所述的Agent中。

6.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的与捕捞管理人的交互行为模块,包括以下交互行为:1)请求干预的交互行为,当捕捞机器人发生紧急事件、捕捞机器人中的捕捞舱已满的情况时,请求捕捞管理人员干预;2)接受捕捞调度指令的交互行为,当捕捞管理人员下达捕捞任务后,将捕捞任务转达给所述的任务规划行为模块,在所述的任务规划行为模块做出遍历路径规划后,将遍历路径规划反馈给捕捞管理人员;3)协商的交互行为,根据所述的Agent根据自身感知的情况,通过对自身知识的推理,能向捕捞管理人员提供适当的帮助和建议;4)提供捕捞现场信息的交互行为,负责响应来自捕捞管理人员的上传信息指令,将所述的Agent所感知到的全景视频信息和分析得到的状态信息上传给捕捞管理人员。

7.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的任务规划行为模块,所述的Agent根据所述的捕捞管理人员发出的捕捞调度指令,在规定的捕捞区域内做出遍历路径规划,控制捕捞机器人沿规划出的路径以直线方式行走,至捕捞边界后掉头,然后沿反方向直线运行如此反复迁回,直到整个捕捞区域被覆盖。

8.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的避障行为模块,通过全景立体视觉的方式检测出行进方向上的障碍物,障碍物全景立体视觉检测算法的主要思路是:1)去除全景立体图像中非立体视觉视场方位的部分,对全景图像进行展开和极线校正,这部分主要通过展开图像内径、外径、以及柱状展开图上极线校正来完成;2)对展开图像采用边缘检测技术初步检测出疑似障碍物的边缘信息,通过阈值调整,检测出障碍物的边缘信息;3)对捕捞机器人所获取的全景立体图像对中的所有疑似障碍物点利用极线约束进行立体匹配,根据匹配的像素对的图像坐标值进行立体视觉空间点的重建,根据全景立体视觉传感器成像时,图像坐标、全景立体视觉传感器的坐标以及现实世界坐标系之间的关系,计算得出其相应的高度值,当高度大于给定阈值时则判定为障碍物点;障碍物点的高度以及障碍物点与捕捞机器人的距离的计算方法由公式(1)~公式(2)表示;

d=(b cosγ1 cosγ2)/sin(γ1-γ2) (1)

h=H-b-d×arctanγ2=H-d×arctanγ1 (2)

式中,d表示障碍物点A与捕捞机器人的全景立体视觉轴线在海底面上投影点的距离,b表示构成全景立体视觉的两个全景视觉传感器的视点间的距离,γ1表示障碍物点A在上全景视觉传感器上成像的入射角,γ2表示障碍物点A在下全景视觉传感器上成像的入射角,h表示障碍物点A的高度,H表示上全景视觉传感器的视点到海底面的距离;

在检测出障碍物后就需要让捕捞机器人采取避障行为,避障行为的算法流程为:步骤

1)如果没有检测到障碍物,则沿着所设定的方向前进;步骤2)如果检测到前进方向存在障碍物,获得障碍物的距离信息,判断障碍物与捕捞机器人的距离是否小于2米,如果是则进入避障区;步骤3)进入障碍区后减速前进,启动避障策略,绕开障碍物;步骤4)关闭避障策略,继续从步骤1)开始执行,直至遍历整个捕捞区域;避障策略采用模糊控制算法来实现。

9.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的定位行为模块,与所述的母船的相对位置的定位是由安装在捕捞机器人的仪器舱中的数字罗盘所指定的行走方向和所述的路径跟踪行为模块的历史跟踪结果来确定的;所述的母船的定位是由GPS来确定的;

所述的数字罗盘,采用电子磁罗盘作辅助传感器,精度在1°,其误差不随时间累积,与惯性导航信息进行融合,可以提高捕捞机器人的航向精度;电子磁罗盘的型号是HMR3500,内部装有全球地磁修正模型,能根据时间和地理经纬度对地磁模型进行补偿修正,得到地理北方位,该传感器还具备使用环境的磁场补偿功能。

10.如权利要求1或2所述的海底生物捕捞机器人的自主导航和人机协同捕捞作业系统,其特征在于:所述的捕捞对象的识别行为模块,根据所述的双目立体全景视觉传感器获得的全景视频信息,采用数字图像处理技术对捕捞对象的特征进行识别;

所述的捕捞对象的空间定位行为模块,根据所述的捕捞对象的识别行为模块所识别的结果,并根据所述的双目立体全景视觉传感器获得的全景视频信息,依据立体成像原理计算出捕捞对象的空间位置,从而为捕捞机器手提供捕捞对象的空间位置信息;

所述的捕捞行为模块,用于直接控制捕捞机器手的动作,当所述的捕捞对象的空间定位行为模块计算出捕捞对象的空间位置后,所述的捕捞行为模块驱动捕捞机器手的动作对准捕捞对象并控制脉冲式真空发生模块动作产生脉冲式真空气流将捕捞对象吸入到捕捞管道中。

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