本發(fā)明涉及水下機(jī)器人水下障礙物避讓，具體為一種基于深度學(xué)習(xí)的水下機(jī)器人智能控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、水下機(jī)器人在海洋水底檢修中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，海底環(huán)境的高壓、低溫、暗黑等特點(diǎn)，使得人類無(wú)法直接進(jìn)行觀察和操作，而水下機(jī)器人作為一種有效的工具，為我們提供了探索、研究和維護(hù)海洋水底的可能性。

2、然而，水下機(jī)器人在海底工作時(shí)不可避免地面臨著巨大的壓力挑戰(zhàn)，此外，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，水下機(jī)器人還需要避讓海底生物和巖石等物體，以保護(hù)自身和海洋環(huán)境的安全。然而，避讓過(guò)程中可能會(huì)面臨多種復(fù)雜因素的影響，例如洋流、溫度和壓力的變化，在傳統(tǒng)技術(shù)中，通常都是選擇固定的避讓路徑、預(yù)先設(shè)定的速度和運(yùn)動(dòng)方向，存在一些局限性，未能根據(jù)實(shí)時(shí)洋流變化進(jìn)行及時(shí)反應(yīng)。這可能導(dǎo)致水下機(jī)器人在避讓過(guò)程中產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至影響到其任務(wù)執(zhí)行效率和安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）解決的技術(shù)問(wèn)題

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于深度學(xué)習(xí)的水下機(jī)器人智能控制方法及系統(tǒng)，以解決背景技術(shù)中提到的問(wèn)題。

3、（二）技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于深度學(xué)習(xí)的水下機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，包括，

5、水下機(jī)器人導(dǎo)航采集模塊，用于使用激光雷達(dá)，識(shí)別和分類不同類型的障礙物，并構(gòu)建三維環(huán)境模型后，實(shí)時(shí)采集環(huán)境障礙物直徑zj，并設(shè)置為障礙物直徑zj的三倍直徑外進(jìn)行緊急避讓，生成第一避讓路徑；

6、避讓過(guò)程采集模塊，并采集推進(jìn)器在遇到障礙物避讓過(guò)程中的推進(jìn)器降速度、垂直上下移動(dòng)深度和橫向移動(dòng)距離數(shù)據(jù)，建立避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集；

7、第一分析模塊，根據(jù)避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集，建立水下避讓三維模型，計(jì)算水下機(jī)器人避讓過(guò)程中的避讓速率指數(shù)brsl；

8、海流評(píng)估模塊，在水下機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)，對(duì)水下機(jī)器人所在區(qū)域海流速度和方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得第一數(shù)據(jù)集，使用深度學(xué)習(xí)算法，建立深度學(xué)習(xí)校準(zhǔn)模型，利用流體動(dòng)力學(xué)和基于避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集，構(gòu)建洋流影響指數(shù)yl，若洋流影響指數(shù)yl超過(guò)第一負(fù)荷閾值x，發(fā)出第一校準(zhǔn)指令；

9、第二影響模塊，在深度學(xué)習(xí)校準(zhǔn)模型中引入第二校準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)制，在水下機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)，實(shí)時(shí)采集獲取推進(jìn)器在遇到障礙物避讓過(guò)程中，實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz、水下溫度值wd和下潛海水壓力值yl，將實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz、水下溫度值wd和下潛海水壓力值yl作為第二輸入值，通過(guò)深度學(xué)習(xí)校準(zhǔn)模型，根據(jù)實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz、水下溫度值wd和下潛海水壓力值yl計(jì)算對(duì)水下機(jī)器人相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)的影響程度，獲得相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd，如果相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd導(dǎo)致水下機(jī)器人推進(jìn)器轉(zhuǎn)速傳感器讀數(shù)偏差超出允許范圍，對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行第二校準(zhǔn)。

10、優(yōu)選的，所述避讓過(guò)程采集模塊包括環(huán)境感知單元、水生定位單元和生成第一避讓路徑單元；

11、所述環(huán)境感知單元用于使用激光雷達(dá)，識(shí)別和分類不同類型的障礙物，包括生物、巖石和人工結(jié)構(gòu)；

12、水生定位單元，用于在深海環(huán)境中，集成海底地形圖和已知障礙物的位置，并結(jié)合聲納、lidar和攝像頭數(shù)據(jù)，利用地圖信息系統(tǒng)gis，構(gòu)建三維環(huán)境模型；

13、生成第一避讓路徑單元，用于不同環(huán)境中采集多樣化的數(shù)據(jù)集，涵蓋各種水下環(huán)境和障礙物類型，并使用水下仿真平臺(tái)生成模擬數(shù)據(jù)集，進(jìn)行算法驗(yàn)證和訓(xùn)練后，實(shí)時(shí)采集環(huán)境障礙物直徑zj，并設(shè)置為障礙物直徑zj的三倍直徑外進(jìn)行緊急避讓，生成第一避讓路徑。

14、優(yōu)選的，所述避讓過(guò)程采集模塊包括數(shù)據(jù)采集單元和降速度計(jì)算單元；

15、所述數(shù)據(jù)采集單元，用于對(duì)采集的避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、去除異常值和數(shù)據(jù)對(duì)齊；

16、降速度計(jì)算單元，用于計(jì)算水下機(jī)器人的推進(jìn)器在遇到障礙物時(shí)的平均降速度jsd，通過(guò)速度傳感器采集推進(jìn)器在遇到障礙物時(shí)的速度變化的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，假設(shè)采集到的速度數(shù)據(jù)序列為，其中，t是時(shí)間，是對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的速度，并提取速度數(shù)據(jù)序列中遇到障礙物時(shí)的初始速度和避讓過(guò)程結(jié)束時(shí)的最終速度，以及避讓過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，無(wú)量綱處理后，通過(guò)以下公式計(jì)算推進(jìn)器在避讓過(guò)程中的平均降速度：

17、。

18、優(yōu)選的，所述避讓過(guò)程采集模塊還包括垂直上下移動(dòng)深度計(jì)算單元和橫向移動(dòng)距離計(jì)算單元；

19、所述垂直上下移動(dòng)深度計(jì)算單元，用于記錄推進(jìn)器在遇到障礙物時(shí)的垂直方向的移動(dòng)深度變化數(shù)據(jù)，通過(guò)以下公式計(jì)算避讓過(guò)程中的平均垂直移動(dòng)深度：

20、；

21、其中，是第k個(gè)采樣點(diǎn)的垂直深度，n是總的采樣點(diǎn)數(shù)，k是從1到n的整數(shù)，用來(lái)表示每個(gè)垂直方向移動(dòng)深度數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置；

22、所述橫向移動(dòng)距離計(jì)算單元，用于記錄推進(jìn)器在遇到障礙物時(shí)的橫向移動(dòng)距離變化數(shù)據(jù)，通過(guò)以下公式計(jì)算獲取平均橫向移動(dòng)距離：

23、；

24、式中，是避讓過(guò)程開(kāi)始時(shí)的時(shí)間，是避讓過(guò)程結(jié)束時(shí)的時(shí)間，是避讓過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，是推進(jìn)器在時(shí)間t的橫向移動(dòng)距離，表示橫向移動(dòng)距離對(duì)時(shí)間t的變化率，當(dāng)時(shí)間t是連續(xù)的時(shí)，積分符號(hào)∫表示在給定時(shí)間段內(nèi)對(duì)函數(shù)進(jìn)行累積求和；這里的dt是微小的時(shí)間變化，表示在時(shí)間軸上進(jìn)行無(wú)限小的步長(zhǎng)前進(jìn)時(shí)的時(shí)間增量。

25、優(yōu)選的，所述第一分析模塊包括建模單元和避讓速率計(jì)算單元，

26、所述建模單元用于對(duì)避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理后，融入三維環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，建立水下避讓三維模型，將所述第一避讓路徑輸入至水下避讓三維模型中，通過(guò)在模型中繪制路徑線條或?qū)⒙窂綌?shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中的路徑控制器中來(lái)實(shí)現(xiàn)；

27、所述避讓速率計(jì)算單元用于根據(jù)避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集，作為輸入至水下避讓三維模型，計(jì)算水下機(jī)器人避讓過(guò)程中的避讓速率指數(shù)brsl；所述避讓速率指數(shù)brsl的獲取方式為，提取平均降速度、平均垂直移動(dòng)深度和平均橫向移動(dòng)距離，無(wú)量綱處理后，通過(guò)以下公式生成避讓速率指數(shù)brsl：

28、

29、公式的含義為：brsl越大，表示水下機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)避讓的速率越高。

30、優(yōu)選的，所述海流評(píng)估模塊包括海流采集單元和影響計(jì)算單元；

31、所述海流采集單元，用于在水下機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)，對(duì)水下機(jī)器人所在區(qū)域海流速度和方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得第一數(shù)據(jù)集并無(wú)量綱處理，所述第一數(shù)據(jù)集包括洋流速度、水下機(jī)器人重量、洋流和水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向角度差值和水下機(jī)器人的表面積；

32、所述影響計(jì)算單元，用于使用深度學(xué)習(xí)算法，建立深度學(xué)習(xí)校準(zhǔn)模型，利用流體動(dòng)力學(xué)和基于第一數(shù)據(jù)集和避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集，構(gòu)建洋流影響指數(shù)yl：

33、

34、式中，為在洋流過(guò)程中的水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)降速度，表示在洋流沖擊時(shí)，計(jì)算水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)降速度和平均降速度的絕對(duì)差值；表示水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)垂直移動(dòng)深度，表示在洋流沖擊時(shí)，計(jì)算水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)垂直移動(dòng)深度和平均垂直移動(dòng)深度的絕對(duì)差值；表示在洋流過(guò)程中的水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)橫向移動(dòng)距離，表示在洋流沖擊時(shí)，計(jì)算水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)橫向移動(dòng)距離與平均橫向移動(dòng)距離的絕對(duì)差值；表示為平均洋流速度，其中，，，且，w1、w2、w3和w4為權(quán)重值，其具體值由用戶調(diào)整設(shè)置；

35、洋流和水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向角度差值是由水下機(jī)器人實(shí)時(shí)角度和洋流角度差值，計(jì)算獲得，如果為0，說(shuō)明水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向和洋流的運(yùn)動(dòng)方向相同；如果越大，則說(shuō)明水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向和洋流的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于彼此垂直或相反，越大，沖擊力越大。

36、優(yōu)選的，所述海流評(píng)估模塊還包括第一評(píng)估單元，

37、所述第一評(píng)估單元用于設(shè)定第一負(fù)荷閾值x，并將洋流影響指數(shù)yl與所述第一負(fù)荷閾值x進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，獲得第一評(píng)估結(jié)果，包括：

38、若洋流影響指數(shù)yl＞第一負(fù)荷閾值x，表示水下機(jī)器人受當(dāng)前洋流環(huán)境影響超過(guò)第一負(fù)荷閾值x，則發(fā)出第一校準(zhǔn)指令，減緩?fù)七M(jìn)器的20%的功率或推進(jìn)力，并調(diào)整水下機(jī)器人的姿態(tài)，調(diào)整舵面或螺旋槳的角度與洋流運(yùn)動(dòng)方向相同；

39、若洋流影響指數(shù)yl≤第一負(fù)荷閾值x，表示水下機(jī)器人未受當(dāng)前洋流環(huán)境影響超過(guò)第一負(fù)荷閾值x，則不做校準(zhǔn)。

40、優(yōu)選的，所述第二影響模塊包括第二采集單元和第二計(jì)算單元；

41、所述第二采集單元，用于在水下機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)，實(shí)時(shí)采集獲取推進(jìn)器在遇到障礙物避讓過(guò)程中，實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz、水下溫度值wd和下潛海水壓力值yl；

42、所述第二計(jì)算單元，用于將實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz、水下溫度值wd和下潛海水壓力值yl，無(wú)量綱處理后，作為第二輸入值，輸入至深度學(xué)習(xí)校準(zhǔn)模型中，以回歸方程中與測(cè)量條件數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)作為影響因子，通過(guò)以下公式計(jì)算獲取相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd：

43、

44、其中，為實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz的影響因子，為水下溫度值wd的影響因子；為下潛海水壓力值yl的影響因子；、和為權(quán)重系數(shù)，，，c為預(yù)設(shè)修正因子系數(shù)，取值為1.125。

45、優(yōu)選的，所述第二影響模塊還包括第三評(píng)估單元，所述第三評(píng)估單元用于預(yù)設(shè)偏差閾值p，并將相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd與偏差閾值p進(jìn)行對(duì)比，獲得第二評(píng)估結(jié)果，包括：

46、若相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd＞偏差閾值p，則表示偏差超出允許的范圍，則觸發(fā)第二校準(zhǔn)指令，調(diào)節(jié)減緩?fù)七M(jìn)器的3%—5%的功率或推進(jìn)力，并在實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz每下降10米，減緩?fù)七M(jìn)器的2%的功率或推進(jìn)力；

47、若相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd≤偏差閾值p，則表示偏差未超出允許的范圍，則不做校準(zhǔn)。

48、一種基于深度學(xué)習(xí)的水下機(jī)器人智能控制方法，步驟一、使用激光雷達(dá)識(shí)別和分類不同類型的障礙物，并構(gòu)建三維環(huán)境模型；實(shí)時(shí)采集環(huán)境障礙物直徑j(luò)zj，并設(shè)置為障礙物直徑j(luò)z的三倍外進(jìn)行緊急避讓，生成第一避讓路徑；

49、步驟二、采集推進(jìn)器在遇到障礙物避讓過(guò)程中的降速度、垂直上下移動(dòng)深度和橫向移動(dòng)距離數(shù)據(jù)，建立避讓運(yùn)行數(shù)據(jù)集，并構(gòu)建水下避讓三維模型，計(jì)算水下機(jī)器人避讓過(guò)程中的避讓速率指數(shù)brsl；

50、步驟三、監(jiān)測(cè)水下機(jī)器人所在區(qū)域的海流速度和方向，獲得第一數(shù)據(jù)集，使用深度學(xué)習(xí)算法建立深度學(xué)習(xí)校準(zhǔn)模型，構(gòu)建洋流影響指數(shù)yl并評(píng)估，若洋流影響指數(shù)yl超過(guò)第一負(fù)荷閾值x，發(fā)出第一校準(zhǔn)指令，包括：減緩?fù)七M(jìn)器的20%的功率或推進(jìn)力，并調(diào)整水下機(jī)器人的姿態(tài)，調(diào)整舵面或螺旋槳的角度與洋流運(yùn)動(dòng)方向相同；

51、步驟四、實(shí)時(shí)采集推進(jìn)器在遇到障礙物避讓過(guò)程中的實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz、水下溫度值wd和下潛海水壓力值yl，將實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz、水下溫度值wd和下潛海水壓力值yl作為第二輸入值，計(jì)算相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd并評(píng)估，若相對(duì)強(qiáng)弱指數(shù)xd超過(guò)偏差閾值p發(fā)出第二校準(zhǔn)指令，包括：調(diào)節(jié)減緩?fù)七M(jìn)器的3%—5%的功率或推進(jìn)力，并在實(shí)時(shí)垂直下降深度sdz每下降10米，減緩?fù)七M(jìn)器的2%的功率或推進(jìn)力。

52、（三）有益效果

53、本發(fā)明提供了一種基于深度學(xué)習(xí)的水下機(jī)器人智能控制方法及系統(tǒng)。具備以下有益效果：

54、（1）該系統(tǒng)利用激光雷達(dá)實(shí)時(shí)感知海底環(huán)境，構(gòu)建三維環(huán)境模型，并基于深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)決策和調(diào)整。具體而言，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)，自主生成避讓路徑，并針對(duì)海底洋流、溫度和壓力等因素進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，以確保水下機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)能夠安全、高效地避讓，從而保障任務(wù)的順利執(zhí)行。

55、（2）第一校準(zhǔn)指令的發(fā)出基于洋流影響指數(shù)yl，使得水下機(jī)器人能夠及時(shí)調(diào)整推進(jìn)器功率或推進(jìn)力，并調(diào)整姿態(tài)以適應(yīng)洋流變化，從而減小了洋流對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的干擾，提升了水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和控制能力。第一避讓路徑的生成以及第二校準(zhǔn)指令的發(fā)出，是基于實(shí)時(shí)采集的障礙物直徑、推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行的深度學(xué)習(xí)分析和決策。這種智能化的決策機(jī)制使得水下機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)能夠快速、精準(zhǔn)地調(diào)整路徑和速度，有效避免了碰撞和意外情況，提高了運(yùn)動(dòng)過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。第一校準(zhǔn)指令的發(fā)出和第二校準(zhǔn)指令的實(shí)施，通過(guò)校準(zhǔn)推進(jìn)器功率或推進(jìn)力，調(diào)整姿態(tài)，以及根據(jù)環(huán)境參數(shù)調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和方向，能夠使得水下機(jī)器人在避讓過(guò)程中保持更加平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，減少能量損耗，提高了能源利用效率。

56、（3）第一校準(zhǔn)指令和第二校準(zhǔn)指令，多級(jí)控制步驟，減少了人工干預(yù)的需求。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)節(jié)，水下機(jī)器人能夠在復(fù)雜的海底環(huán)境中自主完成避讓和調(diào)整，減輕了操作人員的負(fù)擔(dān)，降低了人為操作引起的誤差和風(fēng)險(xiǎn)。促進(jìn)提升了水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和智能化水平，使其能夠更加高效地執(zhí)行海底檢修任務(wù)。穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)軌跡和智能化的避讓決策機(jī)制將有助于提高任務(wù)的執(zhí)行效率，減少任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，從而節(jié)約資源和成本。