一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台、方法及应用

1.本发明属于集群智能技术领域，具体涉及一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台、方法及应用。


背景技术：

2.智能移动机器人，是具有环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一，在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用。
3.对于复杂应用场景，多机器人协作逐渐取代单机器人，成为提高任务执行效率的有效途径。传统的中心控制方式是根据系统状态对所有机器人行为进行统一规划，一定程度上解决了多机器人协同问题。但当系统规模较大时，中心控制方法面临诸多挑战，如容错能力不足，少数个体故障可能导致系统功能失效，计算开销急剧增大，难以及时响应突发因素。因此，复杂场景下，多机器人协作必须以集群自组织运动控制算法为基础。
4.集群控制算法从设计到应用的流程是：1.集群控制算法设计-》2.计算机仿真验证(matlab、python、webots、gazebo)-》3.机器人实物验证-》4.真实应用场合。集群控制算法是控制多个个体完成某种任务或直接利用自组织运动涌现出的某种性质；在计算机仿真环节和机器人实物验证环节时，个体数量越多(一般为几十个到几百个)，算法的验证效果越好，越有说服力。应用于机器人实物验证环节的实验平台必须具备的特点是结构简单可靠、成本低(便于批量生产)、易于开发(可以用于验证多种算法的工作)。目前，面向集群机器人的自组织运动控制算法的实物验证多采用桌面轮式机器人完成，例如jasmine、e-puck、kilobot、alice、swarm-bot等等，但是，研究人员所设计的面向水面环境的集群自组织运动控制算法的有效性、可迁移性，无法通过桌面轮式机器人得到直接验证。如果将无人船用于集群算法的验证，成本太高了，无人船的成本是本发明的成本的数倍(有些无人船是数十倍)；且集中布放比较困难，无法直接用于集群算法的验证工作)；轮式机器人/无人船的动力类型是欠驱动的(无法横向运动)，存在转弯半径，而有一些算法在设计环节是基于质点模型(或者叫粒子模型，这种粒子可以全方向运动)，直接使用欠驱动的机器人时，需要对算法进行二次修改，算法的有效性、可迁移性在实物验证环节就会打折扣。
5.因此，设计并实现面向水面环境的集群机器人系统是研究和验证水面环境下集群自组织运动算法必备基础，需要性能可靠、易于开发使用的水面机器人。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题：
7.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台、方法及应用，包括漂浮式壳体、感知决策模块、驱动执行模块和电源模块，通过各模块协作并结合动力分配方法，得到能够用于验证面向开放水面环境集群自组织运动算法的全
向机动平台。本发明集感知、决策、执行为一体，通过组合使用360
°
角度可控舵机和摄像头模块，具备360
°
主动感知环境信息能力；感知决策电路板内置集群自组织运动控制算法，驱动执行电路板内置推力分配算法，结合三个呈120
°
相间分布的螺旋桨推进器，具备水面全向运动能力；同时采用漂浮式结构和大容量锂电池，可以支撑集群自组织运动控制算法的长时间验证工作。具有工作稳定、灵活性强、易于开发的优势，工程应用价值良好，有助于提高集群算法向机器集群的可迁移性。
8.本发明的技术方案是：一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：包括漂浮式壳体、感知决策模块、驱动执行模块和电源模块；
9.所述漂浮式壳体用于搭载其他模块并对漂浮式全向机动平台提供浮力；
10.所述感知决策模块将获取的环境信息和自身位置、姿态信息结合集群自组织运动控制算法得到运动控制指令，并将运动控制指令发送至驱动执行模块；
11.所述驱动执行模块将接收到的运动控制指令结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至驱动执行部件，实现漂浮式全向机动平台在水面的全方向运动；
12.所述电源模块用于漂浮式全向机动平台的供电控制。
13.本发明的进一步技术方案是：所述漂浮式壳体包括装载壳体和顶盖，所述装载壳体为上端开口的回转体空腔结构，所述顶盖密封安装于其开口端，构成一体式密封结构。
14.本发明的进一步技术方案是：所述感知决策模块包括360
°
角度可控舵机、摄像头模块固定支架、摄像头模块和感知决策电路板；
15.所述摄像头模块通过摄像头模块固定支架安装于360
°
角度可控舵机上，与感知决策电路板连接，用于感知环境信息并将环境信息传输至感知决策电路板，环境信息包括水面障碍、其他个体空间分布；
16.所述360
°
角度可控舵机安装于顶盖外端面，能够控制摄像头模块在0-360度范围内的旋转，并通过自身携带的电位器检测当前角度；
17.所述感知决策电路板通过吊舱支架安装于漂浮式壳体内，包括第一微型中央处理器、位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、通用串行接口；所述位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、通用串行接口分别与第一微型中央处理器连接；所述第一微型中央处理器用于采集和处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据，并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行模块。
18.本发明的进一步技术方案是：所述位置感知模块集成了射频芯片、基带芯片和核心cpu，用于获取漂浮式全向机动平台自身所在经纬度的信息；
19.所述姿态感知模块用于获取漂浮式全向机动平台的偏航角、俯仰角、横滚角以及全向机动平台相对于正北的偏向角；
20.所述通信组网模块采用半双工通信模式，用于漂浮式机动平台与其他个体通信自组网、向控制漂浮式全向机动平台的上位机回传状态信息、接收上位机的控制指令；
21.所述通用串行接口用于与其他元件的连接及信息传输。
22.本发明的进一步技术方案是：所述驱动执行模块包括驱动执行电路板和螺旋桨推进器；三个所述螺旋桨推进器沿周向均布于漂浮式壳体的外周，其轴向高度与漂浮式全向机动平台的重心持平；
23.所述驱动执行电路板通过沿周向设置的多个固定铜柱安装于感知决策电路板下
方、并位于漂浮式壳体内，包括第二微型中央处理器和通用串行接口，所述第二微型中央处理器与三个所述螺旋桨推进器、360
°
角度可控舵机连接，通过通用串行接口接收感知决策电路板下发的运动指令，结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至三个螺旋桨推进器，控制其旋转并提供推力，保障漂浮式全向机动平台运动，以及输出pwm波控制360
°
角度可控舵机旋转。
24.本发明的进一步技术方案是：所述电源模块包括电源、电源管理模块、供电开关，所述电源安装于漂浮式壳体内，与电源管理模块、供电开关连接；
25.所述电源管理模块位于驱动执行电路板上，供电开关位于顶盖上；
26.通过电源管理模块将电源电压12伏降至微型中央处理器的工作电压5伏，以及向三个螺旋桨推进器提供12伏电压；通过供电开关控制控制电源为整个漂浮式全向机动平台的供电闭合。
27.本发明的进一步技术方案是：所述顶盖用于安装位置感知模块天线、通信组网模块天线、360
°
角度可控舵机、供电开关、四芯充电接头、两个通用串行接口、吊舱支架；其中，位置感知模块天线、通信组网模块天线分别与感知决策电路板上的位置感知模块、通信组网模块相连接；供电开关用于控制电源为整个漂浮式全向机动平台的供电闭合；四芯充电接头用于为电源提供充电接口；两个通用串行接口分别与感知决策电路板、驱动执行电路板连接，用于烧录程序、读取数据、为其他额外加装的传感器提供拓展接口。
28.一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的控制方法，其特征在于具体步骤如下：
29.步骤1：将所述漂浮式全向机动平台投放于水域内指定位置；
30.步骤2：开启各模块至运行模式；由360
°
角度可控舵机控制摄像头模块转动，通过感知决策电路板的第一微型中央处理器采集和处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据，并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行模块；
31.步骤3：由所述驱动执行电路板的第二微型中央处理器接收感知决策电路板下发的运动指令，结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至三个螺旋桨推进器，控制其旋转提供推力，完成漂浮式全向机动平台运动。
32.本发明的进一步技术方案是：所述推力分配方法为，
33.当三个螺旋桨推进器的力矩和为零时，能够正常提供指定方向的推力，表达式为：
[0034][0035]
其中，m为三个螺旋桨推进器提供的力矩和，为螺旋桨推进器i产生的推力矢量，为力矩半径；
[0036]
忽略z轴轴向位移后，将上式简化为：
[0037]
∑mz＝f1+f2+f3＝0
[0038]
因此，当需要提供的推力矢量为时，需要三个螺旋桨推进器分别提供如下推力：
[0039][0040]
其中，f
need,x
为在x轴上的分力，f
need,y
为在y轴上的分力。
[0041]
一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的应用，其特征在于：所述漂浮式全向机动平台作为验算面向水面环境的集群自组织运动控制算的机器人。
[0042]
有益效果
[0043]
本发明的有益效果在于：
[0044]
1)本发明体积小(近球形，直径320毫米，高260毫米)、重量轻(5千克)，易于水面布放和回收，具有工作稳定、灵活性强、结构简单、易于开发的优势，同时在结构上采用漂浮式，配合所携带的大容量锂电池(8000mah)，可以支撑集群自组织运动控制算法的长时间验证工作(4小时)，有助于提高面向水面环境的集群算法向机器集群的可迁移性。
[0045]
2)本发明集感知、决策、执行于一体，可以通过自身所携带的传感器模块(位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块)感知自身位置、姿态、环境信息，通过组网通信模块实现机动平台之间的自组网通信、与上位机的集中通信；通过三个螺旋桨推进器，采用推力分配方法，具备水面全向运动能力，契合集群自组织运动的分布式、灵活性、易扩展性的特性。
[0046]
3)本发明将集群自组织运动控制算法和推力分配方法有效应用于水面机器人，能够实现水面机器人的集群自组织运动。
[0047]
4)优选的，三个螺旋桨推进器呈120
°
相间分布，轴向固定高度与漂浮式全向机动平台重心持平，能够避免整体运动时失稳，保证运动方向的精确。
[0048]
本发明要解决的主要技术问题是提供一种能够用于验证面向水面环境的集群控制算法的可全方向运动的实验机器人，实现在低成本条件下满足集群控制算法的有效验证。
附图说明
[0049]
图1为漂浮式全向机动平台结构示意图；其中(a)漂浮式全向机动平台装配图，(b)漂浮式全向机动平台零件分解图，(c)螺旋桨推进器分布情况图，(d)装载壳体与螺旋桨推进器连接关系图，(e)顶盖布局图，(f)舱内连接关系图；
[0050]
图2为漂浮式全向机动平台舱内电路连接关系框图。
[0051]
附图标记说明：1-漂浮式全向机动平台，2-顶盖，3-摄像头模块固定支架，4-摄像头模块，5-360
°
角度可控舵机，6-舱内支架，7-感知决策控制电路板，8-固定铜柱，9-驱动执行电路板，10-电源，11-装载壳体，12-螺旋桨推进器，13-电源内嵌卡槽，14-螺旋桨推进器电源线进装载壳体入口，15-螺旋桨推进器电源线出口，16-螺旋桨推进器与装载壳体连接方向，17-位置感知模块天线，18-通用串行接口一(usb接口)，19-通用串行接口一(usb接口)，20-360
°
角度可控舵机与顶盖固定方向，21-摄像头模块固定支架与360
°
角度可控舵机连接方向，22-摄像头模块与摄像头模块固定支架固定方向，23-供电开关，24-四芯充电接
头，25-通信组网模块天线，26-舱内支架在顶盖上的固定涵洞，27-装载壳体与顶盖固定涵洞，28-舱内支架与顶盖固定涵洞，29-舱内支架与感知决策控制电路板连接方向，30-固定铜柱与感知决策电路连接方向，31-固定铜柱与驱动执行电路固定方向。
具体实施方式
[0052]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0054]
本实施例提供一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，漂浮式全向机动平台包括漂浮式壳体、感知决策模块、驱动执行模块和电源模块。本发明集感知、决策、执行为一体，通过组合使用360
°
角度可控舵机和摄像头模块，具备360
°
主动感知环境信息能力；感知决策电路板内置集群自组织运动控制算法，驱动执行电路板内置推力分配算法，结合三个呈120
°
相间分布的螺旋桨推进器，具备水面全向运动能力；同时采用漂浮式结构和大容量锂电池，可以支撑集群自组织运动控制算法的长时间验证工作。本发明具有工作稳定、灵活性强、易于开发的优势，工程应用价值良好，有助于提高集群算法向机器集群的可迁移性。
[0055]
具体如图1所示，本实施例一种面向水面集群行为的漂浮式全向机动平台1，包含装载壳体11、三个螺旋桨推进器12、顶盖2、360
°
角度可控舵机5、摄像头模块固定支架3、摄像头模块4、四个吊舱支架6、感知决策电路板7、驱动执行电路板9、四个固定铜柱8、电源10。
[0056]
所述装载壳体11为直径320毫米，高260毫米的半球形空腔结构，采用聚乳酸(pla)材料结合熔融沉积成型技术(3d打印fdm工艺)制造，可提供14千克浮力(漂浮式全向机动平台重5千克)，用于装载固定顶盖2、三个螺旋桨推进器12、电源10，并为整个漂浮式全向机动平台提供浮力。顶盖2使用8枚螺栓与装载壳体11连接以密封整个漂浮式全向机动平台；如图1中的(c)所示，三个螺旋桨推进器12呈120
°
相间分布，各使用4枚14毫米m3螺丝固定于装载壳体外侧方形突起处，连接方式如图(d)中16所示，为避免运动时失稳，固定高度与漂浮式全向机动平台重心(高度为95毫米处)持平；电源10内嵌于装载壳体底部方形卡槽13内。
[0057]
如图1(c)所示，所述三个螺旋桨推进器12相间120
°
分布，采用的是rovmaker生产的入门级水下推进器，内置20a双向无刷电机电调，工作电压在12伏(3s)至24伏(6s)之间，最大功率300瓦，，重量200克，正转最大可提供2千克推力，反转最大可提供1.8千克推力，驱动脉宽范围为1000毫秒(反转转速最大，逆向推力1.8千克)至2000毫秒(正转转速最大，正向向推力2千克)(1500毫秒，螺旋桨推进器停止转动)，螺旋桨推进器控制信号线分别和驱动执行电路板9的pb7(tim4 ch2)、pb8(tim4 ch3)、pb9(tim4 ch4)相连,供电线与驱动执行电路板上电源管理模块12伏(3s)接口相连，由驱动执行电路板io口输出的频率为50hz的pwm波控制，可通过正转、反转提供双向的推力，结合内置于驱动执行电路板上的推力分配方法，用于为漂浮式全向机动平台提供水面全方向的运动能力，三个螺旋桨推进器可以提供最大3节(大约1.5米/秒)的水面移动速度。
[0058]
所述推力分配方法如下：
[0059]
如图1(c)所示，为保障三个螺旋桨推进器在工作时可以正常提供某个方向的推力，必须保障三个螺旋桨推进器提供的力矩和为零(当不为零时，会发生旋转)，即必须满足如下式：
[0060][0061]
其中m为三个螺旋桨推进器提供的力矩和,为推进器i产生的推力矢量(规定顺时针为正)，为力矩半径。因为相对于推进器的每个力矩半径都是一样，且无轴向(z轴)移动，可以在z轴平面的(垂直于平台的，平行于顶盖的基面)，将上式简化为如下式：
[0062]
∑mz＝f1+f2+f3＝0
[0063]
当三个螺旋桨推进器需要为某方向提供推力时。可以表达为：
[0064][0065]
其中是推进器i产生的推力矢量,为需要提供的推力矢量；
[0066]
将分为在x轴和y轴上的分量(标量不含方向)，满足如下等式：
[0067][0068]
也可以表达为：
[0069][0070]
其中θi为推进器提供推力i的方向与x轴正方向的夹角，其中θ1、θ2、θ3分别为90
°
、210
°
、330
°
(可以是α、α+120
°
、α+240
°
，其中α是0
°‑
360
°
的任意角度)。
[0071]
可以解得,当需要提供的推力矢量为时，分别需要三个推进器分别提供如下推力，：
[0072][0073]
当推力为正时，正转提供正向推力，当推力为负时，反转提供逆向推力。
[0074]
参照他(e)所示，所述顶盖2外形为直径300毫米，厚度为5毫米圆盘，采用亚克力材料切割制成，用于固定位置感知模块天线17、通信组网模块天线25、360
°
角度可控舵机5、供电开关23、四芯充电接头24、两个通用串行接口(usb接口)18(19)、吊舱支架(6)。其中位置感知模块天线17、通信组网模块天线25分布与控制电路板7上的位置感知模块、通信组网模
块相连接；供电开关23采用的是2档摇臂开关，用于控制电源为整个漂浮式全向机动平台的供电闭合；四芯充电接头24采用的是4芯防水插头，用于为电源10提供充电接口；两个通用串行接口(usb接口)18(19)分别与感知决策电路板7、驱动执行电路板9所连接，用于烧录程序、读取数据、为其他额外加装的传感器提供拓展接口。为保障舱内密封性，四芯充电接头24、两个通用串行接口(usb接口)18(19)，在实验时需要将防水盖子盖上。
[0075]
所述360
°
角度可控舵机5采用的是飞特航模生产的扭矩为6千克360
°
角度可控舵机，其可以完成旋转至0-360度，并通过自身携带的电位器检测当前角度，信号线与驱动执行电路板口9的pb6(tim4 ch1)相连，由该io端口输出频率为50hz的pwm波控制，由驱动执行电路板口9上的电源管理模块输出6伏供电，通过两个m3螺栓固定于顶盖上，固定方式见图1(20)，用于和摄像头模块4组合使用。
[0076]
所述摄像头模块固定支架3，采用聚乳酸(pla)材料结合熔融沉积成型技术(3d打印fdm工艺)制造，与摄像头模块4、360
°
角度可控舵机5的舵机臂相连接，通过使用m3螺栓固定于360
°
角度可控舵机5的舵机臂上，固定方式见21。以及固定摄像头模块4，固定方式见图1(22)。
[0077]
所述摄像头模块4，采用的是ov7725摄像头模块模组，携带30万像素(高清)红外镜头，通过摄像头模块固定支架3固定于360
°
角度可控舵机5的舵机臂上，通过iic接口与感知决策电路板7上iic1连接，与用于感知环境信息并将环境信息传输至感知决策电路板7，环境信息包括但不限于水面障碍、其他个体空间分布。
[0078]
所述吊舱支架6，外形为阶梯形，数量为4个，采用聚乳酸(pla)材料结合熔融沉积成型技术(3d打印fdm工艺)制造，通过m5螺栓，一端28(舱内支架与顶盖固定涵洞)与顶盖上涵洞26(舱内支架在顶盖上的固定涵洞)连接、一端29与感知决策电路板7连接，用于将感知决策电路板7固定于顶盖2下。
[0079]
如图2所示，所述感知决策电路板7包括微型中央处理器、位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、两个通用串行接口(usart接口)。其中位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、通用串行接口分别直接连接到微型中央处理器；所述微型中央处理器为基于cortex-m3内核的32位arm架构的嵌入式中央处理器，微型中央处理器运行前后台操作系统，前台系统以轮询方式执行环境感知、运动决策，后台系统以中断方式接收上位机信息，用于采集、处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行电路板；采用atk-neo-6m，该模块是集成rf射频芯片、基带芯片和核心cpu,可以通过usart通信接口以1～100hz的频率提供格式为gpgga的经纬度信息；姿态感知模块采用jy901姿态传感器，姿态感知模块与微型控制器之间通过集成电路总线(iic)通信，能够获取偏航角、俯仰角、横滚角，也可获得当前的三轴加速度、三轴角速度以及相对于正北的偏向角；所述通信组网模块，即e18-2g4z27sp，是基于ti cc2530芯片的一款小体积2.4ghz频段的zigbee无线模块，采用半双工通信模式，使用usart通信接口，用于漂浮式机动平台与其他个体通信自组网、向控制漂浮式全向机动平台的上位机回传状态信息、接收上位机的控制指令；通用串行接口一(usart串口)与驱动执行电路板的通用串行接口(usart串口)连接，用于传输运动控制指令至驱动执行电路板，以及为感知决策电路板供电；通用串行接口二(usart串口)通过ttl转usb模块与顶盖的通用串行接头(usb接口)7连接，用于向感知决策电路板烧录程序、读取数据。
[0080]
所述驱动执行电路板9包括微型中央处理器、电源管理模块、两个通用串行接口(usart串口)。其中电源管理模块、两个通用串行接口(usart串口)分别直接连接到微型中央处理器；所述微型中央处理器为基于cortex-m3内核的32位arm架构的嵌入式中央处理器，用于接收通用串行接口一中的感知决策电路板7下发的运动指令，通过内置的推力分配方法通过pb7(tim4 ch2，螺旋桨推进器1)、pb8(tim4 ch3，，螺旋桨推进器2)、pb9(tim4 ch4，，螺旋桨推进器3)输出频率为50hz的pwm波至三个螺旋桨推进器12，控制其旋转提供推力，保障漂浮式全向机动平台运动以及通过pb6(tim4 ch1)端口输出频率为50hz的pwm波控制360
°
角度可控舵机旋转；所述电源管理模块采用lm2596多路开关电源管理模块，和电源10(12伏锂电池)、微型中央处理器、三个螺旋桨推进器12连接，用于将电源10输出电压12伏降至微型中央处理器的工作电压5伏以及向三个螺旋桨推进器12提供12伏电压；通用串行接口一(usart串口)与感知决策电路板7的通用串行接口(usart串口)连接，用于接收运动控制指令，以及为感知决策电路板7供电；通用串行接口二(usart串口)通过ttl转usb模块与顶盖的通用串行接口(usb接口)19连接，用于向驱动执行电路板9烧录程序、读取数据。
[0081]
所述固定铜柱8一端和感知决策电路板7，连接方式见30(固定铜柱与感知决策电路连接方式)，一端和驱动执行电路板9，连接见31(固定铜柱与驱动执行电路固定方式)，用于将驱动执行电路板9固定于感知决策电路板7下端。
[0082]
所述电源10为12v 18650锂电池，容量为8000mah，与驱动执行电路板上9的电源管理模块连接，用于为漂浮式全向机动平台供电，可持续供电4小时。
[0083]
本实施例一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的控制方法，具体步骤如下：
[0084]
步骤1：将所述漂浮式全向机动平台投放于水域内指定位置；
[0085]
步骤2：开启各模块至运行模式；由360
°
角度可控舵机控制摄像头模块转动，通过感知决策电路板的第一微型中央处理器采集和处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据，并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行模块；
[0086]
步骤3：由所述驱动执行电路板的第二微型中央处理器接收感知决策电路板下发的运动指令，结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至三个螺旋桨推进器，控制其旋转提供推力，完成漂浮式全向机动平台运动。
[0087]
本实施例一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的应用，所述漂浮式全向机动平台作为验算面向水面环境的集群自组织运动控制算的机器人。
[0088]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：包括漂浮式壳体、感知决策模块、驱动执行模块和电源模块；所述漂浮式壳体用于搭载其他模块并对漂浮式全向机动平台提供浮力；所述感知决策模块将获取的环境信息和自身位置、姿态信息结合集群自组织运动控制算法得到运动控制指令，并将运动控制指令发送至驱动执行模块；所述驱动执行模块将接收到的运动控制指令结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至驱动执行部件，实现漂浮式全向机动平台在水面的全方向运动；所述电源模块用于漂浮式全向机动平台的供电控制。2.根据权利要求1所述一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：所述漂浮式壳体包括装载壳体和顶盖，所述装载壳体为上端开口的回转体空腔结构，所述顶盖密封安装于其开口端，构成一体式密封结构。3.根据权利要求1所述一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：所述感知决策模块包括360
°
角度可控舵机、摄像头模块固定支架、摄像头模块和感知决策电路板；所述摄像头模块通过摄像头模块固定支架安装于360
°
角度可控舵机上，与感知决策电路板连接，用于感知环境信息并将环境信息传输至感知决策电路板，环境信息包括水面障碍、其他个体空间分布；所述360
°
角度可控舵机安装于顶盖外端面，能够控制摄像头模块在0-360度范围内的旋转，并通过自身携带的电位器检测当前角度；所述感知决策电路板通过吊舱支架安装于漂浮式壳体内，包括第一微型中央处理器、位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、通用串行接口；所述位置感知模块、姿态感知模块、通信组网模块、通用串行接口分别与第一微型中央处理器连接；所述第一微型中央处理器用于采集和处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据，并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行模块。4.根据权利要求3所述一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：所述位置感知模块集成了射频芯片、基带芯片和核心cpu，用于获取漂浮式全向机动平台自身所在经纬度的信息；所述姿态感知模块用于获取漂浮式全向机动平台的偏航角、俯仰角、横滚角以及全向机动平台相对于正北的偏向角；所述通信组网模块采用半双工通信模式，用于漂浮式机动平台与其他个体通信自组网、向控制漂浮式全向机动平台的上位机回传状态信息、接收上位机的控制指令；所述通用串行接口用于与其他元件的连接及信息传输。5.根据权利要求3所述一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：所述驱动执行模块包括驱动执行电路板和螺旋桨推进器；三个所述螺旋桨推进器沿周向均布于漂浮式壳体的外周，其轴向高度与漂浮式全向机动平台的重心持平；所述驱动执行电路板通过沿周向设置的多个固定铜柱安装于感知决策电路板下方、并位于漂浮式壳体内，包括第二微型中央处理器和通用串行接口，所述第二微型中央处理器与三个所述螺旋桨推进器、360
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角度可控舵机连接，通过通用串行接口接收感知决策电路板下发的运动指令，结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至三个螺旋桨推进器，控制其旋转并提供推力，保障漂浮式全向机动平台运动，以及输出pwm波控制360
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角度可控舵机旋
转。6.根据权利要求5所述一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：所述电源模块包括电源、电源管理模块、供电开关，所述电源安装于漂浮式壳体内，与电源管理模块、供电开关连接；所述电源管理模块位于驱动执行电路板上，供电开关位于顶盖上；通过电源管理模块将电源电压12伏降至微型中央处理器的工作电压5伏，以及向三个螺旋桨推进器提供12伏电压；通过供电开关控制控制电源为整个漂浮式全向机动平台的供电闭合。7.根据权利要求6所述一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台，其特征在于：所述顶盖用于安装位置感知模块天线、通信组网模块天线、360
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角度可控舵机、供电开关、四芯充电接头、两个通用串行接口、吊舱支架；其中，位置感知模块天线、通信组网模块天线分别与感知决策电路板上的位置感知模块、通信组网模块相连接；供电开关用于控制电源为整个漂浮式全向机动平台的供电闭合；四芯充电接头用于为电源提供充电接口；两个通用串行接口分别与感知决策电路板、驱动执行电路板连接，用于烧录程序、读取数据、为其他额外加装的传感器提供拓展接口。8.一种权利要求1-7任一项所述面向水面集群的漂浮式全向机动平台的控制方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：将所述漂浮式全向机动平台投放于水域内指定位置；步骤2：开启各模块至运行模式；由360
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角度可控舵机控制摄像头模块转动，通过感知决策电路板的第一微型中央处理器采集和处理位置感知模块、姿态感知模块、摄像头模块的数据，并结合搭载的集群自组织运动控制算法下发运动控制指令至驱动执行模块；步骤3：由所述驱动执行电路板的第二微型中央处理器接收感知决策电路板下发的运动指令，结合内置的推力分配方法输出不同pwm波至三个螺旋桨推进器，控制其旋转提供推力，完成漂浮式全向机动平台运动。9.根据权利要求8所述一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的控制方法，其特征在于：所述推力分配方法为，当三个螺旋桨推进器的力矩和为零时，能够正常提供指定方向的推力，表达式为：其中，m为三个螺旋桨推进器提供的力矩和，为螺旋桨推进器i产生的推力矢量，为力矩半径；忽略z轴轴向位移后，将上式简化为：∑m
z
＝f1+f2+f3＝0因此，当需要提供的推力矢量为时，需要三个螺旋桨推进器分别提供如下推力：
其中，f
need,x
为在x轴上的分力，f
need,y
为在y轴上的分力。10.一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台的应用，其特征在于：所述漂浮式全向机动平台作为验算面向水面环境的集群自组织运动控制算的机器人。

技术总结
本发明一种面向水面集群的漂浮式全向机动平台、方法及应用，属于集群智能技术领域；包括漂浮式壳体、感知决策模块、驱动执行模块和电源模块，通过各模块协作并结合动力分配方法，得到能够用于验证面向开放水面环境集群自组织运动算法的全向机动平台。本发明集感知、决策、执行为一体，通过组合使用360


技术研发人员：彭星光 张朝 周永建 宋保维 潘光 李乐 张福斌 高剑
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/6/27