基于Qt的自主式水下機器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

自主式水下機器人(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)代表了未來水下機器人技術(shù)的發(fā)展方向，是當前世界各國研究工作的熱點。對AUV的實時監(jiān)測和控制是AUV能否安全高效執(zhí)行任務的關(guān)鍵之一。本課題針對AUV的體系結(jié)構(gòu)和實際應用，為其設(shè)計實現(xiàn)一套高可靠性，通信靈活，簡單易用，具有模塊化特點的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。水下機器人實現(xiàn)實際應用的前提條件是具備自主導航能力，自主導航主要研究移動機器人在已知的環(huán)境當中，如何從指定起始位姿運動到指定目標位姿，并執(zhí)行指定的任務。在這種情況下由于環(huán)境地圖是已知的，所以導航過程始終依賴于先驗的環(huán)境地圖信息。但是隨著移動機器人應用范圍的不斷擴大和移動機器人自主導航問題研究的不斷深入，在未知地圖環(huán)境下的自主導航成為一個需要解決問題。這就需要自主探索技術(shù)，以獲得環(huán)境地圖信息。可靠的定位是機器人自主導航的基礎(chǔ)，自主導航中的路徑規(guī)劃、路徑跟蹤等任務的進行都需要機器人能夠在運動過程中連續(xù)定位。也就是說，機器人在未知環(huán)境下的自主導航中：一方面機器人如何在位置環(huán)境下確定自身的位姿；另一方面，機器人如何準確描述環(huán)境特征建立環(huán)境地圖。這2個問題成為導航領(lǐng)域的研究難點。為了解決這2個難點就需要移動機器人的同時定位與地圖構(gòu)建算法(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)。在SLAM中，移動機器人使用自身攜帶的傳感器獲得環(huán)境地圖信息，識別標識未知環(huán)境中的特征標志，然后根據(jù)移動機器人與環(huán)境特征標志之間的相對位置和控制量等估計機器人和環(huán)境特征的全局坐標。SLAM算法具有重要的理論與應用價值，認為是實現(xiàn)真正的全自主移動機器人的關(guān)鍵。本文“C-RANG-ER”AUV試驗平臺便是為研究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)計與實現(xiàn)。

1 C-RANGER AUV簡介

C-RANGER AUV實驗平臺采用開架式設(shè)計，是一種小型試驗用AUV，有2個電子艙和5個水下推進器，搭載有主動聲納、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)存儲系統(tǒng)、底層控制系統(tǒng)、AUV實體，具體介紹如下：

(1)同時定位和地圖構(gòu)建系統(tǒng)。是機器人的核心算法部分。該系統(tǒng)對各種傳感器數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)SLAM算法計算出機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)劃一條從起始點到終點的路徑，智能控制利用SLAM提供的位姿數(shù)據(jù)對比路徑信息產(chǎn)生控制信息。

(3)底層控制系統(tǒng)。負責接收決策控制系統(tǒng)的控制指令以驅(qū)動推進器，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)、推進器狀態(tài)等。

(4)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。負責采集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)存儲系統(tǒng)。

(5)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是AUV的數(shù)據(jù)中心。負責記錄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)的一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。它提供給應用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴展，并且允許真正地組件編程。QtCreator是一個用于Qt開發(fā)的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境。Qt Creator可帶來兩大關(guān)鍵益處：提供首個專為支持跨平臺開發(fā)而設(shè)計的集成開發(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應用程序的高效工具，包括：一個高級的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。

3 AUV監(jiān)控軟件設(shè)計

AUV的監(jiān)控以人機交互的形式實現(xiàn)(如圖2所示)，主要是對AUV各個模塊工作狀態(tài)的監(jiān)視以及工作模式的設(shè)置，由圖3可知，控制模塊功能的劃分可知AUV監(jiān)控模塊的主要功能包括底層數(shù)據(jù)處理、AUV狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集控制、手柄遙控、異常處理以及航行路線的設(shè)定。運用模塊化技術(shù)，可以將錯誤局限在各個模塊內(nèi)部，避免錯誤蔓延，提高AUV系統(tǒng)的可靠性。還可以利用以前已經(jīng)被證明是可靠的模塊來構(gòu)造新的系統(tǒng)，這就不但減少了新系統(tǒng)開發(fā)的工作量，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

該監(jiān)控模塊(如圖3所示)采用多線程技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)以及基于Qt的信號與槽機制。多線程技術(shù)主要是創(chuàng)建繼承Qthread的多個類，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收與處理，手柄控制等多個線程。網(wǎng)絡(luò)通信則是通過繼承QtcpServet的服務器端與底層來實現(xiàn)實時通信，通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)對AUV的實時監(jiān)測。而基于Qt的信號與槽機制則用于通過岸基平臺的人機交互界面對AUV實時狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。三者結(jié)合，實現(xiàn)對AUV各個方面的監(jiān)測和控制，以便AUV能高效準確的工作。

數(shù)據(jù)采集控制線程(如圖4所示)，其余的監(jiān)控線程都采用類似的形式。


4 結(jié)語

本文簡單介紹了Qt下的監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計，程序設(shè)計上還有很多不足，有待進一步改善提高。基于Qt平臺強大的可移植性及其庫函數(shù)，使程序開發(fā)設(shè)計起來更具效率。