專利名稱：高性能水下機器人智能控制計算機系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及水下機器人的智能控制系統，具體涉及高性能水下機器人智能控制計算機系統。
背景技術：
自主水下機器人的航行與作業環境是未知的、非結構化的、動態的、不確定的、復雜的水下環境，要完成其使命，必須配備具有多種類型的傳感器系統，如感知其位置、速度、角速度、姿態和各種失調偏差量的導航傳感器系統，還有根據任務需要獲取作業信息的傳感器系統，如聲視覺、光視覺系統，隨著傳感器數目和信息處理量的不斷增加，數據的復雜性和測量中的模糊性因素加大，要對這些傳感器的數據進行綜合處理采用一般的單機很難滿足精度和準確性的要求。目前的解決方法主要是采用網絡或者串口將多個單板PC機互連成一個分布式計算機系統。這種方法的缺點主要有穩定性差，結構不緊湊，體積大，數據處理能力有限，無法滿足大數據量處理的要求。
發明內容
針對水下機器人數據處理的特點和環境要求，本發明的目的是提供一種高性能水下機器人智能控制計算機系統，它具有大數據量處理能力、高穩定性與高可靠性的特點。
本發明的技術方案是根據水下機器人智能控制中所需處理的數據種類、數據量及算法模式的需要，通過規模擴展與拓撲重構，可以組織成不同規模與結構的多結點計算機系統，高效率地運行應用程序。所述的結點可以采用帶多路高速Link口的信號處理器(如AD公司的SHARC或Tiger-SHARC處理器芯片，SHARC處理器芯片外部具有6路高速Link通訊口，每路通訊速率為40Mbytes/sec，六路同時工作通訊速率可達240Mbytes/sec，在本發明中以SHARC處理器為例進行具體實現說明)來具體實現，結點間的通訊通過高速Link口來完成。
高性能水下機器人智能控制計算機系統，它包括主控與規劃單元1、光視覺信號處理單元2、聲視覺信號處理單元3、數據綜合單元4、自身狀態感知單元5及基礎控制單元6，每個單元含有帶多路高速Link口8的信號處理器7；光視覺信號處理單元2、聲視覺信號處理單元3、數據綜合單元4、自身狀態感知單元5、基礎控制單元6分別與主控與規劃單元1之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊；光視覺信號處理單元2與數據綜合單元4之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊；聲視覺信號處理單元3與數據綜合單元4之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。
本發明具有大數據量處理能力、高穩定性與高可靠性的特點，SHARC處理器芯片的運算速度高達120MFLOPS，外部6條通訊Link口的速度高達240MByte/s，由多片SHARC處理器芯片組成的多結點模塊的計算能力最高可以達到720MFLOPS(單板最多可以集成6片SHARC)，通過高速Link線的點對點互連，多個模塊可以很方便地構成系統，具有大數據量處理能力。而且模塊間只有Link線連接，結構簡單，可靠性高。如果通過串行總線或網絡連接方式構成多機系統，每個模塊都必需具備一套完整的計算機接口，模塊結構復雜，而且模塊間通過串行總線或網絡來通訊時，受帶寬限制，速度也受影響，而且多個模塊分時使用一條通訊通路也影響了系統的穩定性和數據傳輸的實時性；采用Link線實現點對點通訊可以克服這些不足，具有高穩定性與高可靠性的特點。同時，本發明的計算機系統規模擴展是通過增加模塊數量，采用Link線將各模塊連接起來。這樣按照任務的需要可以方便地實現系統規模的擴展或裁剪。
圖1-1是本發明的方框結構示意2-1是本發明實施例的主控與規劃單元1的電路原理框2-2是本發明實施例的光視覺信號處理單元2的電路原理框2-3是本發明實施例的聲視覺信號處理單元3的電路原理框2-4是本發明實施例的數據綜合單元4的電路原理框2-5是本發明實施例的自身狀態感知單元5的電路原理框2-6是本發明實施例的基礎控制單元6的電路原理框3-1是本發明實施例的主控與規劃單元1的電路原理3-2.1與圖3-2.2是本發明實施例的光視覺信號處理單元2的電路原理3-3.1與圖3-3.2是本發明實施例的聲視覺信號處理單元3的電路原理3-4.1與圖3-4.2是本發明實施例的數據綜合單元4的電路原理3-5是本發明實施例的自身狀態感知單元5的電路原理3-6是本發明實施例的基礎控制單元6的電路原理框圖具體實施方式
在圖1-1中，每個方框表示一個功能單元，高性能水下機器人智能控制計算機系統，包括主控與規劃單元1、光視覺信號處理單元2、聲視覺信號處理單元3、數據綜合單元4、自身狀態感知單元5及基礎控制單元6，每個單元含有帶多路高速Link口8的信號處理器7；其中光視覺信號處理單元2、聲視覺信號處理單元3、數據綜合單元4根據數據處理量的要求采用2-12個結點信號處理器7來實現；光視覺信號處理單元2、聲視覺信號處理單元3、數據綜合單元4、自身狀態感知單元5、基礎控制單元6分別與主控與規劃單元1之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊，光視覺信號處理單元2與數據綜合單元4之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊，聲視覺信號處理單元3與數據綜合單元4之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。
主控與規劃單元1是機器人智能控制計算機系統的中心控制單元，負責對整個系統的控制與指令派發，并將其他單元處理完成的數據結果收集起來進行決策與規劃。主控與規劃單元與光視覺信號處理單元2、聲視覺信號處理單元3、數據綜合單元4、自身狀態感知單元5及基礎控制單元6之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。其原理框圖如圖2～1所示，具體由一片SHARC芯片來實現，如圖3-1所示的原理圖中，SHARC芯片的Link0-Link4引出分別用于與其他單元的連接。
光視覺信號處理單元2主要對水下攝像機或激光成像單元采集的圖象信號進行處理，光視覺信號處理單元2含有2-12個結點信號處理器7，具體實現時，根據需要處理的數據運算量大小，可以采用增加信號處理器7數來進行擴展，光視覺信號處理單元中的信號處理器7(處理結點)之間的連接采用高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊，互連拓撲結構根據算法需要進行配置，光視覺信號處理單元的數據處理結果要送到數據綜合單元進行數據綜合，同時要將部分結果送到主控與規劃單元進行輔助決策，所以在光視覺信號處理單元與主控與規劃單元和數據綜合單元間都分別有高速鏈路口連接。其原理框圖如圖2-2所示，主要由5片SHARC芯片和一片圖象采集芯片TW9903來實現，如圖3-2.1與圖3-2.2所示的原理圖中，U1、U2、U3、U7與U8為5片SHARC芯片，U6為圖象采集芯片TW9903，U3的Link0口和Link4口引出用于與主控與規劃單元1及數據綜合單元4連接。
聲視覺信號處理單元3主要對各種聲納信號進行處理，聲視覺信號處理單元3含有2-12個結點信號處理器7，具體實現時，根據需要處理的數據運算量大小，可以采用增加信號處理器7數來進行擴展，聲視覺信號處理單元中的信號處理器7之間的連接采用高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊，互連拓撲結構根據算法需要進行配置，聲視覺信號處理單元3的數據處理結果要送到數據綜合單元4進行數據綜合，同時要將部分結果送到主控與規劃單元1進行輔助決策，所以在光視覺信號處理單元與主控與規劃單元和數據綜合單元間都分別有高速鏈路口連接。其原理框圖如圖2-3所示，主要由5片SHARC芯片和4片數據采集芯片AD7864來實現，如圖3-3.1與圖3-3.2所示的原理圖中，U1、U2、U3、U7與U8為5片SHARC芯片，U9、U10、U11與U12為數據采集芯片，U3的Link0口和Link4口引出用于與主控與規劃單元1及數據綜合單元4連接。
數據綜合單元4主要對來自于各種傳感器或光視覺信號處理單元2、聲視覺信號處理單元3進行融合處理，其結果送給主控與規劃單元1進行規劃與決策；數據綜合單元4含有2-12個結點信號處理器7，數據綜合單元4的信號處理器7之間的連接采用高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊，互連拓撲結構根據算法需要進行配置。數據綜合單元與主控與規劃單元、光視覺信號處理單元和聲視覺信號處理單元間都有高速鏈路口連接。其原理框圖如圖2-4所示，主要由5片SHARC芯片來實現，如圖3-4.1與圖3-4.2所示的原理圖中，U1、U2、U3、U6與U7為5片SHARC芯片，U2的Link4口、U3的Link1口與U7的Link3口分別引出用于與主控與規劃單元1、聲視覺信號處理單元3和光視覺信號處理單元2連接。
自身狀態感知單元5主要完成水下機器人位置、速度、角速度、姿態和各種失調偏差量等傳感器系統的信號采集與預處理，并將結果送給主控與規劃單元并轉送給數據綜合單元，自身狀態感知單元與主控與規劃單元有高速鏈路口連接。其原理框圖如圖2-5所示，主要由1片SHARC芯片和數字輸入口邏輯來實現，如圖3-5所示的原理圖中，U1為SHARC芯片，U5、U6為2片245緩沖芯片，U1的Link4口引出用于系統調試時從外部加載程序、Link3口引出用于和主控與規劃單元1連接。
基礎控制單元6主要按照主控與規劃單元的控制指令完成對水下機器人執行機構的控制，基礎控制單元與主控與規劃單元有高速鏈路口連接。其原理框圖如圖2-6所示，主要由1片SHARC芯片和數字輸出口邏輯來實現，如圖3-6所示的原理圖中，U1為SHARC芯片，U5、U6為2片273鎖存芯片，Link4口引出用于和主控與規劃單元1連接。
系統在工作時，由光視覺信號處理單元2對水下攝像機或激光成像單元采集的圖象信號進行預處理，處理的數據送到數據綜合單元4中；聲視覺信號處理單元3對各種聲納信號進行預先處理，處理的數據送到數據綜合單元4中；在數據綜合單元4中，完成多傳感器數據的融合處理運算，其結果送到主控與規劃單元1中；主控與規劃單元1根據融合結果與自身狀態感知單元5檢測到的狀態進行決策與規劃，并將需要執行的結果輸出到基礎控制單元6，完成對機器人的控制；同時，主控與規劃單元1還需要負責對其他單元的任務分發與工作控制。
權利要求
1.高性能水下機器人智能控制計算機系統，它包括主控與規劃單元、光視覺信號處理單元、聲視覺信號處理單元、數據綜合單元、自身狀態感知單元及基礎控制單元，其特征在于主控與規劃單元(1)、光視覺信號處理單元(2)、聲視覺信號處理單元(3)、數據綜合單元(4)、自身狀態感知單元(5)、基礎控制單元(6)分別含有帶多路高速Link口(8)的信號處理器(7)；光視覺信號處理單元(2)、聲視覺信號處理單元(3)、數據綜合單元(4)、自身狀態感知單元(5)、基礎控制單元(6)分別與主控與規劃單元(1)之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊；光視覺信號處理單元(2)與數據綜合單元(4)之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊；聲視覺信號處理單元(3)與數據綜合單元(4)之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。
2.根據權利要求1所述的高性能水下機器人智能控制計算機系統，其特征在于光視覺信號處理單元(2)含有2-12個結點信號處理器(7)，光視覺信號處理單元(2)中的信號處理器(7)之間采用高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。
3.根據權利要求1所述的高性能水下機器人智能控制計算機系統，其特征在于聲視覺信號處理單元(3)含有2-12個結點信號處理器(7)，聲視覺信號處理單元(3)中的信號處理器(7)之間的連接采用高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。
4.根據權利要求1所述的高性能水下機器人智能控制計算機系統，其特征在于數據綜合單元(4)含有2-12個結點信號處理器(7)，數據綜合單元(4)的信號處理器(7)之間的連接采用高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。
全文摘要
本發明涉及水下機器人的智能控制系統。高性能水下機器人智能控制計算機系統，它包括主控與規劃單元、光視覺信號處理單元、聲視覺信號處理單元、數據綜合單元、自身狀態感知單元及基礎控制單元，其特征在于每個單元含有帶多路高速Link口(8)的信號處理器(7)；每個單元分別與主控與規劃單元(1)之間由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊，光視覺信號處理單元(2)與數據綜合單元(4)之間以及聲視覺信號處理單元(3)與數據綜合單元(4)之間分別由高速Link口實現互連，通過Link口實現數據通訊。它具有大數據量處理能力、各單元間通訊速度快、高穩定性與高可靠性的特點。
文檔編號B25J13/00GK1724225SQ20051001909
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月15日 優先權日2005年7月15日
發明者劉云 申請人:中國船舶重工集團公司第七○九研究所