基于Qt的AUV監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘要：自主式水下機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域最熱門的話題之一。它在海洋調(diào)查，資源勘探以及軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。AUV的智能化水平在不斷的提高。而且工作環(huán)境也越來越復(fù)雜，因此對(duì)AUV的軟件系統(tǒng)要求也更高，可靠高效的AUV軟件系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)AUV的智能化和保證其自身安全非常重要。監(jiān)控系統(tǒng)軟件作為AUV軟件系統(tǒng)的一部分是實(shí)現(xiàn)AUV航行控制的關(guān)鍵。由于Qt開發(fā)平臺(tái)的優(yōu)良跨平臺(tái)特性，本系統(tǒng)采用了基于Qt的軟件模塊化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：AUV；Qt；監(jiān)控系統(tǒng)；軟件模塊化

0 引言
自主式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)代表了未來水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向，是當(dāng)前世界各國研究工作的熱點(diǎn)。對(duì)AUV的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制是AUV能否安全高效執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵之一。本課題針對(duì)AUV的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用，為其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套高可靠性，通信靈活，簡單易用，具有模塊化特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的前提條件是具備自主導(dǎo)航能力，自主導(dǎo)航主要研究移動(dòng)機(jī)器人在已知的環(huán)境當(dāng)中，如何從指定起始位姿運(yùn)動(dòng)到指定目標(biāo)位姿，并執(zhí)行指定的任務(wù)。在這種情況下由于環(huán)境地圖是已知的，所以導(dǎo)航過程始終依賴于先驗(yàn)的環(huán)境地圖信息。但是隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大和移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航問題研究的不斷深入，在未知地圖環(huán)境下的自主導(dǎo)航成為一個(gè)需要解決問題。這就需要自主探索技術(shù)，以獲得環(huán)境地圖信息?？煽康亩ㄎ皇菣C(jī)器人自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)，自主導(dǎo)航中的路徑規(guī)劃、路徑跟蹤等任務(wù)的進(jìn)行都需要機(jī)器人能夠在運(yùn)動(dòng)過程中連續(xù)定位。也就是說，機(jī)器人在未知環(huán)境下的自主導(dǎo)航中：一方面機(jī)器人如何在位置環(huán)境下確定自身的位姿；另一方面，機(jī)器人如何準(zhǔn)確描述環(huán)境特征建立環(huán)境地圖。這2個(gè)問題成為導(dǎo)航領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。為了解決
這2個(gè)難點(diǎn)就需要移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)。在SLAM中，移動(dòng)機(jī)器人使用自身攜帶的傳感器獲得環(huán)境地圖信息，識(shí)別標(biāo)識(shí)未知環(huán)境中的特征標(biāo)志，然后根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人與環(huán)境特征標(biāo)志之間的相對(duì)位置和控制量等估計(jì)機(jī)器人和環(huán)境特征的全局坐標(biāo)。SLAM算法具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)真正的全自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵。本文“C-RANG-ER”AUV試驗(yàn)平臺(tái)便是為研究SLAM算法而搭建的，文中介紹了基于該算法的基于Qt的AUV監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 C-RANGER AUV簡介
C-RANGER AUV實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用開架式設(shè)計(jì)，是一種小型試驗(yàn)用AUV，有2個(gè)電子艙和5個(gè)水下推進(jìn)器，搭載有主動(dòng)聲納、垂直陀螺儀、多普勒測速儀、數(shù)字羅盤等傳感器2 C-RANGER體系結(jié)構(gòu) 圖1是C-RANGER系統(tǒng)的總體框架，主要包括決策控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、底層控制系統(tǒng)、AUV實(shí)體，具體介紹如下：

(1)同時(shí)定位和地圖構(gòu)建系統(tǒng)。是機(jī)器人的核心算法部分。該系統(tǒng)對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)SLAM算法計(jì)算出機(jī)器人自身位姿并且構(gòu)建環(huán)境地圖。
(2)決策控制系統(tǒng)。包括路徑規(guī)劃與智能控制，利用SLAM算法提供的地圖，規(guī)劃一條從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑，智能控制利用SLAM提供的位姿數(shù)據(jù)對(duì)比路徑信息產(chǎn)生控制信息。
(3)底層控制系統(tǒng)。負(fù)責(zé)接收決策控制系統(tǒng)的控制指令以驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，控制AUV的航行姿態(tài)，并返回AUV的狀態(tài)參數(shù)，如倉內(nèi)參數(shù)參數(shù)、推進(jìn)器狀態(tài)等。
(4)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。負(fù)責(zé)采集AUV上搭載的各種傳感器的數(shù)據(jù)和控制器的參數(shù)信息，經(jīng)初步處理后傳送到SLAM系統(tǒng)，并保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。
(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是AUV的數(shù)據(jù)中心。負(fù)責(zé)記錄AUV航行過程中的各種數(shù)據(jù)，并為SLAM系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)。

2 Qt簡介
Qt是諾基亞開發(fā)的一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮模苋菀讛U(kuò)展，并且允許真正地組件編程。QtCreator是一個(gè)用于Qt開發(fā)的輕量級(jí)跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境。Qt Creator可帶來兩大關(guān)鍵益處：提供首個(gè)專為支持跨平臺(tái)開發(fā)而設(shè)計(jì)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，并確保首次接觸Qt框架的開發(fā)人員能迅速上手和操作。Qt Creator包含了一套用于創(chuàng)建和測試基于Qt應(yīng)用程序的高效工具，包括：一個(gè)高級(jí)的C++代碼編輯器上下文感知幫助系統(tǒng)可視化調(diào)試器源代碼管理項(xiàng)目和構(gòu)建管理工具。本監(jiān)控軟件正是在Qt Creator開發(fā)環(huán)境中完成的。