[发明专利]一种大时延下的水下机器人遥操作装置及实现方法

权利要求书

1.一种大时延下的水下机器人遥操作装置，其特征在于，包括：采集模块、模型构建模块、遥操作模块、水下机器人、仿真显示器、第一通信装置、第二通信装置；

所述采集模块用于获取所述水下机器人周围的水下场景影像；

所述模型构建模块用于根据所述水下场景影像和所述水下机器人构建虚拟水下任务场景模型和虚拟水下机器人；

所述遥操作模块用于根据所述虚拟水下任务场景模型输出控制指令，并基于所述控制指令获取所述虚拟水下机器人的未来运动状态，以及基于真实运动状态和所述未来运动状态更新所述虚拟水下任务场景模型；

所述水下机器人用于根据所述控制指令进行动作，并获取真实运动状态；

所述仿真显示器用于显示所述虚拟水下任务场景模型和所述虚拟水下机器人，以及通过所述虚拟水下机器人预测的未来运动状态和通过所述水下机器人获得的真实运动状态；

所述第一通信装置用于将所述控制指令时延传输给所述虚拟水下机器人和所述水下机器人；

所述第二通信装置用于将所述真实运动状态时延回传给所述遥操作模块。

2.根据权利要求1所述的大时延下的水下机器人遥操作装置，其特征在于，所述遥操作模块包括专用控制手柄和遥操作计算机；所述专用手柄用于获取所述控制指令；所述遥操作计算机用于将所述控制指令进行解析并分别发送给所述虚拟水下机器人和所述水下机器人。

3.根据权利要求1所述的大时延下的水下机器人遥操作装置，其特征在于，所述采集模块包括摄像机和前视声呐；所述摄像机用于拍摄所述水下机器人周围的影像；所述前视声呐用于获取所述水下机器人周围的声呐影像。

4.根据权利要求1所述的大时延下的水下机器人遥操作装置，其特征在于，所述水下机器人上置有传感器；所述传感器用于获取所述真实运动状态。

5.一种大时延下的水下机器人遥操作实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集水下机器人周围的水下场景影像；

S2、根据所述水下场景影像和所述水下机器人构建虚拟水下任务场景模型和虚拟水下机器人；

S3、根据所述虚拟水下任务场景模型输出控制指令；

S4、根据所述控制指令控制所述水下机器人动作，获取所述水下机器人的真实运动状态；

S5、根据所述控制指令获得所述虚拟水下机器人的未来运动状态，并基于所述未来运动状态完成多步预测；

S6、根据所述真实运动状态和所述多步预测的结果更新所述虚拟水下任务场景模型，并重复步骤S3-S6至完成遥控。

6.根据权利要求5所述的大时延下的水下机器人遥操作实现方法，其特征在于，所述S5中获得所述水下机器人的未来运动状态包括以下步骤：

S5.1、构建所述水下机器人的运动学模型和动力学模型；

S5.2、对所述运动学模型和动力学模型进行实时线性拟合运算，获得建模误差和外界干扰的最优值；

S5.3、将所述控制指令、建模误差、外界干扰的最优值、真实运动状态输入所述虚拟机器人中，获得所述水下机器人的未来运动状态。

7.根据权利要求6所述的大时延下的水下机器人遥操作实现方法，其特征在于，所述S5.2中的实时线性拟合运算方法采用最小二乘法。

8.根据权利要求6所述的大时延下的水下机器人遥操作实现方法，其特征在于，所述水下机器人的运动学模型具体为：

式中，分别为水下机器人在固定坐标系下x轴、y轴、z轴上的线速度，分别为水下机器人在固定坐标系下的纵倾角速度和艏向角速度；u、v、w分别为水下机器人在随体坐标系下x轴、y轴、z轴上的线速度，q、r分别为水下机器人在随体坐标系下的纵倾角速度和艏向角速度；Ψ、θ分别为水下机器人在固定坐标系下的艏向角和纵倾角。

9.根据权利要求8所述的大时延下的水下机器人遥操作实现方法，其特征在于，所述水下机器人的动力学模型具体为：

式中，分别为随体坐标系下x轴、y轴、z轴上的线加速度；分别为随体坐标系下的纵倾角加速度和艏向角加速度；m₁、m₂、m₃分别为x、y、z方向考虑附加质量之后的质量；m₅、m₆分别为绕y、z轴转动方向考虑附加质量后的质量；τ_u、τ_q、τ_r分别为纵向推力、纵倾力矩和转艏力；ρ、g、GM_L分别为水的密度、重力加速度、水的容积和纵向稳心高；f_k(k)为水下机器人建模误差项和外界干扰项，k＝u，v，w，q，r。