一种基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法及装置与流程

本发明涉及水上设备充电领域，特别是一种基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法及装置。

背景技术：

水上机器人在水上作业领域有广泛的应用，但其自身所载的储能电池的电能有限，当电量过低时需要对其充电，现有的水上充电方式是在站区航道两侧的防护上设立两个充电作业区，在充电作业区上安装水上充电装置，当需要充电时，充电作业区的工作人员在操作控制台上操作吊索控制旋钮，使充电枪到达规定的充电作业位置上，或者是在充电作业区提供水上无线充电装置，在停泊期间进行水上充电作业。现有技术难以判断水上机器人何时需要充电，安排返航时又需要人为调度，充电时也耗费大量人工，水上机器人充电作业人为随意性大，自动化程度低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法及装置，使水上机器人在复杂的环境下实现了动力预估、最优路径自主航行和全自动有线充电，提高了水上机器人充电作业的自动化程度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法，包括以下步骤：

a、当水上机器人实时监测到的电源电量低于阈值时，请求返航充电；

b、水上机器人以最优路径自动巡航到充电地点；

c、水上机器人自动对接供电电源进行充电。

进一步，步骤b水上机器人以最优路径自动巡航到充电地点包括以下步骤：

b1、水上机器人实时采集坐标信息和图像信息；

b2、将水上机器人的坐标到充电桩坐标的直线路径方向设置为矢量线；

b3、将图像信息转换成矩阵图，以水上机器人为起点，确定采集到的图像的最外圈线与矢量线的交叉点，以该交叉点最近的可通行的矩阵坐标为终点，通过势场蚁群算法得出最优运动路径；

b4、水上机器人按照最优运动路径航行；

b5、水上机器人在航行过程中循环跳转到步骤a1并执行以上步骤，直至到达充电桩。

进一步，步骤b3所述势场蚁群算法包括以下步骤：

b31、将矩阵图采用0和1组成的矩阵转换为栅格化的环境地图，其中0为水上可通过的地方，1为水上的障碍物；

b32、设定蚁群算法和人工势场算法所需要的参数，包括蚂蚁数量m、信息启发因子α、期望启发因子β、信息素强度q、迭代次数nc、初始化禁忌表b、引力场位置增益系数katt、斥力增益系数krep、障碍物影响距离ρ0；

b33、根据人工势场算法得出水上机器人的受力大小λ和受力方向θ，构建关于起点和目标点的局部扩散信息素τij；

b34、计算蚂蚁个体在水上机器人当前位置转移下一个候选栅格的转移概率，转移概率公式为：

ak＝{c-bk}(3)

τij＝τ′ij+τ″ij(4)

其中ηij是水上机器人从栅格i到栅格j的启发程度，dij为栅格i、j的距离，ak为蚂蚁k下一步允许访问的栅格，τij是水上机器人从栅格i转移j的信息素；

b35、通过一直重复蚂蚁的转移过程直到所有蚂蚁到目标点，从中选择出最佳的路径。

进一步，步骤c水上机器人自动对接供电电源进行充电包括以下步骤：

c1、检测水上机器人是否进入充电通道，确保水上机器人完全进入充电通道；

c2、水上机器人获取供电插口的位置，采用pid调节的方式，准确对接供电插口，完成充电过程。

一种应用基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法的装置，包括水上机器人、充电桩和服务器；所述服务器通过与水上机器人和充电桩建立无线连接来进行数据交互，并处理接收到的数据信息；所述水上机器人包括用于与服务器实时交互数据信息的通信模块、用于获取水上机器人坐标的定位模块、用于给水上机器人供电的电源模块和通过测量电源模块电压的方式从而实时监测电源电量的电量测量模块；所述通信模块连接定位模块和电量测量模块；所述电量测量模块连接电源模块；所述水上机器人还包括用于采集水面环境图像的摄像头、用于控制水上机器人移动的移动模块、用于识别供电插口位置的位置识别模块、通过控制机械臂对接供电插口的机械臂控制模块以及通过获取和执行指令从而与外部模块交换信息的微型处理器；所述微型处理器连接通信模块、摄像头、移动模块、位置识别模块和机械臂控制模块；所述水上机器人还包括通过与供电插口连接给水上机器人充电的充电枪；所述充电枪安装在水上机器人上。

优选地，所述电源模块为蓄电池。

进一步，所述供电插口通过给充电枪提供连接口，进而给水上机器人供电，所述供电插口设置在所述充电桩上；所述充电桩还设置有用于检测水上机器人是否进入监测区域的红外对管。

本发明的有益效果是：

一种基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法及装置，通过将最优路径规划在水上机器人上实现，通过位置识别模块获取供电插口的位置，通过机械臂控制模块控制机器的转动，使充电枪准确对接供电插口，完成充电过程。与现有技术相比，本发明可以使水上机器人在复杂的环境下实现动力预估、以最优路径自主航行和全自动有线充电，提高了水上机器人充电作业的自动化程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例提供的水上机器人的控制结构图；

图2是本发明一种基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法及装置的步骤流程图；

图3是本发明基于势场蚁群算法路径规划的水上全自动充电方式的步骤流程图；

图4是本发明实施例提供的最佳运动路径规划的示意图。其中白色方块为可通过的地方，黑色方块为路障，线条为规划后的路径。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1示出了本发明实施例提供的水上机器人的控制结构图，详述如下：

水上机器人自动充电装置包括：用于与服务器进行通信，实时交互数据信息的通信模块1、用于获取水上机器人坐标的定位模块2、用于给水上机器人供电的电源模块3以及通过测量电源模块3电压的方式实时监测电源电量的电量测量模块4；所述通信模块1连接定位模块2和电量测量模块4；所述电量测量模块4连接电源模块3；所述水上机器人还包括用于采集水面环境图像的摄像头5、用于控制水上机器人移动的移动模块6、用于识别供电插口位置的位置识别模块7、通过控制机械臂对接供电插口的机械臂控制模块8以及通过获取和执行指令从而与外部模块交换信息的微型处理器9；所述微型处理器9连接通信模块1、摄像头5、移动模块6、位置识别模块7和机械臂控制模块8。

参考图2和图3，一种基于最优路径巡航的水上机器人自动充电方法及装置包括以下步骤：

a、当水上机器人实时监测到的电源电量低于阈值时，请求返航充电；

b、水上机器人以最优路径自动巡航到充电地点；

c、水上机器人自动对接供电电源进行充电。

进一步，步骤b水上机器人以最优路径自动巡航到充电地点包括以下步骤：

b1、水上机器人实时采集坐标信息和图像信息；

b2、将水上机器人的坐标到充电桩坐标的直线路径方向设置为矢量线；

b3、将图像信息转换成矩阵图，以水上机器人为起点，确定采集到的图像的最外圈线与矢量线的交叉点，以该交叉点最近的可通行的矩阵坐标为终点，通过势场蚁群算法得出最优运动路径；

b4、水上机器人按照最优运动路径航行；

b5、水上机器人在航行过程中循环跳转到步骤a1并执行以上步骤，直至到达充电桩。

进一步，步骤c水上机器人自动对接供电电源进行充电包括以下步骤：

c1、检测水上机器人是否进入充电通道，确保水上机器人完全进入充电通道；

c2、水上机器人获取供电插口的位置，采用pid调节的方式，准确对接供电插口，完成充电过程。

图4是本发明的最佳运动路径规划的示意图，其中白色方块为空地，黑色方块为路障，线条为规划后的路径。其计算方法如下：

根据水上的实际情况采用0和1组成的矩阵作为栅格化的环境地图，把水上机器人的定位位置转换为矩阵中相对应位置作为起点，目标点为终点的位置，其中0为水上可通过的地方，1为水上的障碍物。设定蚁群算法和人工势场算法所需要的参数，如蚂蚁数量m、信息启发因子α、期望启发因子β、信息素强度q、迭代次数nc、初始化禁忌表b、引力场位置增益系数katt、斥力增益系数krep、障碍物影响距离ρ0。根据人工势场算法得出水上机器人的受力大小λ和受力方向θ，构建关于起点和目标点的局部扩散信息素τij，计算蚂蚁个体在水上机器人当前位置转移下一个候选栅格的转移概率，转移概率公式为：

ak＝{c-bk}(3)

τij＝τ′ij+τ″ij(4)

其中ηij是水上机器人从栅格i到栅格j的启发程度，dij为栅格i、j的距离，ak为蚂蚁k下一步允许访问的栅格，τij是水上机器人从栅格i转移j的信息素。通过一直重复蚂蚁的转移过程直到所有蚂蚁到目标点，从中选择出最佳的路径。

以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。