一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台、方法及应用

本发明属于集群智能，具体涉及一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台、方法及应用。

背景技术：

1、智能移动机器人，是具有环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一，在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用。

2、对于复杂应用场景，多机器人协作逐渐取代单机器人，成为提高任务执行效率的有效途径。传统的中心控制方式是根据系统状态对所有机器人行为进行统一规划，一定程度上解决了多机器人协同问题。但当系统规模较大时，中心控制方法面临诸多挑战，如容错能力不足，少数个体故障可能导致系统功能失效，计算开销急剧增大，难以及时响应突发因素。因此，复杂场景下，多机器人协作必须以集群自组织运动控制算法为基础。

3、集群控制算法从设计到应用的流程是：1.集群控制算法设计->2.计算机仿真验证(matlab、python、webots、gazebo)->3.机器人实物验证->4.真实应用场合。集群控制算法是控制多个个体完成某种任务或直接利用自组织运动涌现出的某种性质；在计算机仿真环节和机器人实物验证环节时，个体数量越多(一般为几十个到几百个)，算法的验证效果越好，越有说服力。应用于机器人实物验证环节的实验平台必须具备的特点是结构简单可靠、成本低(便于批量生产)、易于开发(可以用于验证多种算法的工作)。目前，面向集群机器人的自组织运动控制算法的实物验证多采用桌面轮式机器人完成，例如jasmine、e-puck、kilobot、alice、swarm-bot等等，但是，研究人员所设计的面向水面环境的集群自组织运动控制算法的有效性、可迁移性，无法通过桌面轮式机器人得到直接验证。如果将无人船用于集群算法的验证，成本太高了，无人船的成本是本发明的成本的数倍(有些无人船是数十倍)；且集中布放比较困难，无法直接用于集群算法的验证工作)；轮式机器人/无人船的动力类型是欠驱动的(无法横向运动)，存在转弯半径，而有一些算法在设计环节是基于质点模型(或者叫粒子模型，这种粒子可以全方向运动)，直接使用欠驱动的机器人时，需要对算法进行二次修改，算法的有效性、可迁移性在实物验证环节就会打折扣。

4、因此，设计并实现面向水面环境的集群机器人系统是研究和验证水面环境下集群自组织运动算法必备基础，需要性能可靠、易于开发使用的水面机器人。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台、方法及应用，包括漂浮式壳体、感知决策模块、驱动执行模块和电源模块，通过各模块协作并结合动力分配方法，得到能够用于验证面向开放水面环境集群自组织运动算法的全向机动平台。本发明集感知、决策、执行为一体，通过组合使用360°角度可控舵机和摄像头模块，具备360°主动感知环境信息能力；感知决策电路板内置集群自组织运动控制算法，驱动执行电路板内置推力分配算法，结合三个呈120°相间分布的螺旋桨推进器，具备水面全向运动能力；同时采用漂浮式结构和大容量锂电池，可以支撑集群自组织运动控制算法的长时间验证工作。具有工作稳定、灵活性强、易于开发的优势，工程应用价值良好，有助于提高集群算法向机器集群的可迁移性。

3、本发明的技术方案是：一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：包括漂浮式壳体、感知决策模块、驱动执行模块和电源模块；

4、所述漂浮式壳体用于搭载其他模块并对漂浮式全向机动平台提供浮力；

5、所述感知决策模块将获取的环境信息和自身位置、姿态信息结合集群自组织运动控制算法得到运动控制指令，并将运动控制指令发送至驱动执行模块；

6、所述驱动执行模块将接收到的运动控制指令结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至驱动执行部件，实现漂浮式全向机动平台在水面的全方向运动；

7、所述电源模块用于漂浮式全向机动平台的供电控制。

8、本发明的进一步技术方案是：所述漂浮式壳体包括装载壳体和顶盖，所述装载壳体为上端开口的回转体空腔结构，所述顶盖密封安装于其开口端，构成一体式密封结构。

9、本发明的进一步技术方案是：所述感知决策模块包括360°角度可控舵机、摄像头模块固定支架、摄像头模块和感知决策电路板；

10、所述摄像头模块通过摄像头模块固定支架安装于360°角度可控舵机上，与感知决策电路板连接，用于感知环境信息并将环境信息传输至感知决策电路板，环境信息包括水面障碍、其他个体空间分布；

11、所述360°角度可控舵机安装于顶盖外端面，能够控制摄像头模块在0-360度范围内的旋转，并通过自身携带的电位器检测当前角度；

12、所述感知决策电路板通过吊舱支架安装于漂浮式壳体内，包括第一微型中央处理器、位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、通用串行接口；所述位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、通用串行接口分别与第一微型中央处理器连接；所述第一微型中央处理器用于采集和处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据，并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行模块。

13、本发明的进一步技术方案是：所述位置感知模块集成了射频芯片、基带芯片和核心cpu，用于获取漂浮式全向机动平台自身所在经纬度的信息；

14、所述姿态感知模块用于获取漂浮式全向机动平台的偏航角、俯仰角、横滚角以及全向机动平台相对于正北的偏向角；

15、所述通信组网模块采用半双工通信模式，用于漂浮式机动平台与其他个体通信自组网、向控制漂浮式全向机动平台的上位机回传状态信息、接收上位机的控制指令；

16、所述通用串行接口用于与其他元件的连接及信息传输。

17、本发明的进一步技术方案是：所述驱动执行模块包括驱动执行电路板和螺旋桨推进器；三个所述螺旋桨推进器沿周向均布于漂浮式壳体的外周，其轴向高度与漂浮式全向机动平台的重心持平；

18、所述驱动执行电路板通过沿周向设置的多个固定铜柱安装于感知决策电路板下方、并位于漂浮式壳体内，包括第二微型中央处理器和通用串行接口，所述第二微型中央处理器与三个所述螺旋桨推进器、360°角度可控舵机连接，通过通用串行接口接收感知决策电路板下发的运动指令，结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至三个螺旋桨推进器，控制其旋转并提供推力，保障漂浮式全向机动平台运动，以及输出pwm波控制360°角度可控舵机旋转。

19、本发明的进一步技术方案是：所述电源模块包括电源、电源管理模块、供电开关，所述电源安装于漂浮式壳体内，与电源管理模块、供电开关连接；

20、所述电源管理模块位于驱动执行电路板上，供电开关位于顶盖上；

21、通过电源管理模块将电源电压12伏降至微型中央处理器的工作电压5伏，以及向三个螺旋桨推进器提供12伏电压；通过供电开关控制控制电源为整个漂浮式全向机动平台的供电闭合。

22、本发明的进一步技术方案是：所述顶盖用于安装位置感知模块天线、通信组网模块天线、360°角度可控舵机、供电开关、四芯充电接头、两个通用串行接口、吊舱支架；其中，位置感知模块天线、通信组网模块天线分别与感知决策电路板上的位置感知模块、通信组网模块相连接；供电开关用于控制电源为整个漂浮式全向机动平台的供电闭合；四芯充电接头用于为电源提供充电接口；两个通用串行接口分别与感知决策电路板、驱动执行电路板连接，用于烧录程序、读取数据、为其他额外加装的传感器提供拓展接口。

23、一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的控制方法，其特征在于具体步骤如下：

24、步骤1：将所述漂浮式全向机动平台投放于水域内指定位置；

25、步骤2：开启各模块至运行模式；由360°角度可控舵机控制摄像头模块转动，通过感知决策电路板的第一微型中央处理器采集和处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据，并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行模块；

26、步骤3：由所述驱动执行电路板的第二微型中央处理器接收感知决策电路板下发的运动指令，结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至三个螺旋桨推进器，控制其旋转提供推力，完成漂浮式全向机动平台运动。

27、本发明的进一步技术方案是：所述推力分配方法为，

28、当三个螺旋桨推进器的力矩和为零时，能够正常提供指定方向的推力，表达式为：

29、

30、其中，m为三个螺旋桨推进器提供的力矩和，为螺旋桨推进器i产生的推力矢量，为力矩半径；

31、忽略z轴轴向位移后，将上式简化为：

32、∑mz＝f1+f2+f3＝0

33、因此，当需要提供的推力矢量为时，需要三个螺旋桨推进器分别提供如下推力：

34、

35、其中，fneed,x为在x轴上的分力，fneed,y为在y轴上的分力。

36、一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的应用，其特征在于：所述漂浮式全向机动平台作为验算面向水面环境的集群自组织运动控制算的机器人。

37、有益效果

38、本发明的有益效果在于：

39、1)本发明体积小(近球形，直径320毫米，高260毫米)、重量轻(5千克)，易于水面布放和回收，具有工作稳定、灵活性强、结构简单、易于开发的优势，同时在结构上采用漂浮式，配合所携带的大容量锂电池(8000mah)，可以支撑集群自组织运动控制算法的长时间验证工作(4小时)，有助于提高面向水面环境的集群算法向机器集群的可迁移性。

40、2)本发明集感知、决策、执行于一体，可以通过自身所携带的传感器模块(位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块)感知自身位置、姿态、环境信息，通过组网通信模块实现机动平台之间的自组网通信、与上位机的集中通信；通过三个螺旋桨推进器，采用推力分配方法，具备水面全向运动能力，契合集群自组织运动的分布式、灵活性、易扩展性的特性。

41、3)本发明将集群自组织运动控制算法和推力分配方法有效应用于水面机器人，能够实现水面机器人的集群自组织运动。

42、4)优选的，三个螺旋桨推进器呈120°相间分布，轴向固定高度与漂浮式全向机动平台重心持平，能够避免整体运动时失稳，保证运动方向的精确。

43、本发明要解决的主要技术问题是提供一种能够用于验证面向水面环境的集群控制算法的可全方向运动的实验机器人，实现在低成本条件下满足集群控制算法的有效验证。