基于Qt的自主式水下機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

自主式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)代表了未來(lái)水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向，是當(dāng)前世界各國(guó)研究工作的熱點(diǎn)。對(duì)AUV的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(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(guò)程中連續(xù)定位。也就是說(shuō)，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(wèn)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(jiǎn)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(cè)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(cāng)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(guò)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(jiǎn)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(lái)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(cè)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。

3 AUV監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

AUV的監(jiān)控以人機(jī)交互的形式實(shí)現(xiàn)(如圖2所示)，主要是對(duì)AUV各個(gè)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(yùn)用模塊化技術(shù)，可以將錯(cuò)誤局限在各個(gè)模塊內(nèi)部，避免錯(cuò)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(lái)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(shí)現(xiàn)以及基于Qt的信號(hào)與槽機(jī)制。多線程技術(shù)主要是創(chuàng)建繼承Qthread的多個(gè)類，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收與處理，手柄控制等多個(gè)線程。網(wǎng)絡(luò)通信則是通過(guò)繼承QtcpServet的服務(wù)器端與底層來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而基于Qt的信號(hào)與槽機(jī)制則用于通過(guò)岸基平臺(tái)的人機(jī)交互界面對(duì)AUV實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。三者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV各個(gè)方面的監(jiān)測(cè)和控制，以便AUV能高效準(zhǔn)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(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了Qt下的監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)上還有很多不足，有待進(jìn)一步改善提高。基于Qt平臺(tái)強(qiáng)大的可移植性及其庫(kù)函數(shù)，使程序開發(fā)設(shè)計(jì)起來(lái)更具效率。