[发明专利]一种装配机械臂的无人艇水面垃圾清理控制系统及方法

说明书

本发明公开一种装配机械臂的无人艇水面垃圾清理控制系统及方法，该系统包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、中央控制器以及与其相连接的机械臂系统。发明中通过设置机械臂拾取垃圾的位置点取代遍历任务区的连续作业形式，进而降低能耗；同时利用摄像头和激光雷达实现标定点外盲区位置的垃圾清理工作。本发明实现了全自动化的水面垃圾清理和分类工作，解决了传统方法中效率低、能耗高、人工成本高的问题。

技术领域

本发明属于无人艇应用技术领域，更具体地说，是一种装配机械臂的无人艇水面垃圾清理控制系统及方法。

背景技术

无论是河道、河塘、湖面、湖泊、江面，还是风景河道、城区河道、水库、水电站，都存在着水面垃圾清理问题。这些水面垃圾包括水草、水葫芦、芦苇等水生植物和各类生活垃圾，它们不仅阻碍航道而且损害海洋生态环境。目前常见的垃圾清理方式分为人工打捞和半自动化处理两种方式，人工打捞效率低、作业时间长而且具有一定的危险性，半自动化的处理方虽然能改善人工打捞的一些问题，但是无法实现分类清理，仍然需要投入大量的人力开展后续的工作。也有人提出全自动化的水面垃圾清理方法，但是需要船舶完全遍历任务区域，这将导致更高的能耗和更低的有效工作时间。因此有必要研究一套具有分类能力的高效率、低功耗水面垃圾清理控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种装配机械臂的无人艇水面垃圾清理控制系统及方法，用以解决水面垃圾清理工作效率低、能耗高的问题。本发明中以无人艇作为移动载体搭载机械臂在任务区域内进行循迹和目标检测，利用基于强化学习的机械臂来实现对目标的检测和抓取。本发明不仅能对给定区域下的水面垃圾进行清理，而且能够在不断学习中优化机械臂的抓取精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种装配机械臂的无人艇水面垃圾清理控制系统，包括分别与中央控制器连接的数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和机械臂系统，及为以上各模块提供电源的电源模块，其中：

数据采集模块，其采集无人艇的位置信息、无人艇的航向角信息及检测任务区域内是否有垃圾及垃圾分类信息，还采集整个任务区域内残留垃圾与无人艇的距离信息，并将所有采集的信息发送到数据处理模块；

数据处理模块，其对所述数据采集模块采集的所有信息进行处理，并将处理后的信息传送到所述中央控制器；

数据存储模块，其用于存储常见的水面垃圾的图像信息，并将其归纳为干垃圾、可回收垃圾和其他垃圾三类，以便所述中央控制器控制机械臂系统实现垃圾分类投放；所述中央控制器用于读取所述数据采集模块采集的图像信息并将其与所述数据存储模块中的图像信息进行对比以确定垃圾种类，并且规划无人艇巡航路径、标定机械臂系统拾取点。

进一步地，所述数据采集模块包括定位模块、姿态传感器、摄像头和激光雷达；所述定位模块提供船舶位置信息；所述姿态传感器用于测量船舶的航向角；所述摄像头用于检测任务区域内是否有垃圾存在并且采集机械臂拾取的垃圾图像信息以实现垃圾分类；所述激光雷达用于检测整个任务区域内残留垃圾与无人艇的距离信息。

进一步地，所述定位模块为GPS或惯性导航系统。

进一步地，所述数据处理模块用于对数据采集模块获得的信息进行处理，包括模数转换、滤波、信号放大和图像转码。

进一步地，所述机械臂系统包括微处理器、机械臂、驱动器和双目相机；所述双目相机用于确定机械臂抓手与目标间的距离信息，并将测得的距离信息发送到微处理器；所述微处理器对该距离信息进行处理得到控制信号；所述驱动器根据微处理器的控制信号控制机械臂以实现目标垃圾的抓取，微处理器内通过强化学习网络模型优化算法对机械臂与任务环境的交互过程进行学习以提高抓取精度。

进一步地，所述强化学习网络模型优化算法，包括以下步骤：

1)通过辅助网络对任务环境建模；