CN105093180A - 一种水下机器人定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人定位系统及方法，所述定位系统包括水下机器人、水面浮体、发射端、接收端、压力传感器、惯性制导；所述的发射端共有一个；所述的接收端共有两个；所述发射端和两个接收端时间同步，发射端定时发送定位信号，两个接收端同步接收定位信号；所述的压力传感器固定在水下机器人上；所述的惯性制导固定在接收端上；所述惯性制导测量接收端的姿态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。其优点表现在：本发明的一种水下机器人定位系统，实现了只有一个水面发射端的情况下的水下机器人定位，省去了水面发射端之间数据交换的时间，减少了定位时间，增加了可靠性。

Description

一种水下机器人定位系统及方法

技术领域

本发明涉及水下机器人定位技术领域，具体地说，是一种水下机器人定位系统及方法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，全面深入认识海洋，开发利用海洋和保护海洋具有重大意义，其水下机器人得到了快速发展。

水下机器人广泛应用与海洋开发、海洋工程，及海防技术领域，使用了多种定位系统来对水下目标进行定位，由于海洋环境的特殊性。通常是通过水下声学手段，即利用声波脉冲对面、水中的目标进行定位，具体的实现原理是测量不同路径传播的声波脉冲时间延时或声脉冲之间的时间差和相位差，通过相应的定位算法进行定位。

基于声学的定位系统按照水声信号的传播路径主要有两种分类：双程模式和单程模式。

双程模式又称作应答模式，需要定位设备配置收发应答器。发射端和应答器之间双向收发水声信号实现定位，单程模式又称非应答模式，发射端和定位设备之间单向传送信号即可实现定位。单程定位系统都是信标向发射端发送信号，发射端根据接收到信号的特征解算出信标的位置。目前的单程和双程模式，其信标的位置解算都是在发射端或者船基、岸基完成。

然而基于声学的定位系统有以下局限性：

首先，定位系统所需部件庞大，需要多个个浮标(发射端)，数据中心、海面无线通信链路，定位系统在布防、校准和维护等方面都比较困难，费时耗资，且灵活性差，不能机动，作用范围有限；

其次，多个发射端之间需要数据通信，数据交换才能解算出定位接收器的位置，增加了布防所需的时间，降低了可靠性；

另外，定位方法中，无论是单程模式还是双程模式，其定位方法均是确定对水下机器人相对与发射端的距离，对水下机器人的三维坐标姿态信息则不能进行定位。

综上所述，亟需一种结构简单，布防、校准及维护容易，可靠性好的水下机器人定位系统；以及一种能够获取水下机器人的三维坐标姿态信息的水下机器人定位方法。而关于这种水下机器人定位系统及方法目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种结构简单，布防、校准及维护容易，可靠性好的水下机器人定位系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种水下机器人定位系统，其特征在于，所述定位系统包括水下机器人、水面浮体、发射端、接收端、压力传感器、惯性制导；所述的发射端共有一个；所述的接收端共有两个，其两个接收端之间的中心距离处安装有压力传感器；所述发射端和两个接收端时间同步，发射端定时发送定位信号，两个接收端同步接收定位信号；所述的惯性制导固定在接收端上；所述惯性制导测量接收端的姿态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。

所述发射端安装有声波发射器。

所述接收端安装有接收器。

所述发射端位置固定或者移动。

所述接收端相对位置固定。

所述的发射端通过GPS定位。

所述的发射端固定在水面浮体上，接收端固定在水下机器人上，其两个接收端之间的中心距离处安装有压力传感器。

所述的发射端固定在水下机器人上，接收端固定在水面浮体上，压力传感器安装在固定接收端的地方。

所述水下机器人从水面到水底是网络构架，采用IEEE1588网络化测量及控制系统的精确时钟同步协议。

本发明的再一目的是针对现有技术中的不足，提供一种能够获取水下机器人的三维坐标姿态信息的水下机器人定位方法。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种水下机器人定位方法，该方法包括发射端发射定位信号、接收端接收发射端定位信号并进行定位解算；

所述接收端解算方法具体步骤如下：

步骤S1，发射端定时发送定位信号，且接收端与发射端时间同步，根据时间和定位信号在水中传播的速度解算出两个接收端分别于发射端AO,BO的距离l₁,l₂；

步骤S11，定义两个接收端位置的距离AB距离为d；发射端位置的O点坐标为(0，0,0)，压力传感器位置的C点坐标为(x,y,z),其中z＝h，h为C点的压力传感器测出来的深度；

步骤S12，根据两个接收端到发射端的距离，可以确定发射端在以D点为圆心，以h为半径的圆，且圆心D点在两个接收端的连线以及延长线上；

步骤S2，根据三角函数公式计算压力传感器至发射端的连线水平方向的夹角大小，其夹角为公式为：

$\∠OCB=\arccos \left(\frac{{\mathrm{OC}}^2+{\mathrm{CB}}^2-{\mathrm{OB}}^2}{2OC\×CB}\right),$ 其中， $BC=\frac{1}{2}d,OC=\frac{1}{2}(l_1+l_2)$

步骤S3，根据步骤S1中的发射端到接收端的距离，以及步骤S2中的夹角，结合点C到点O的距离和向量CO和向量CA的夹角关系可得方程为

步骤S31，水下机器人在X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ的单位向量为(i,j,k)。

本发明优点在于：

1、本发明的一种水下机器人定位系统，实现了只有一个水面发射端的情况下的水下机器人定位，省去了水面发射端之间数据交换的时间，减少了定位时间，增加了可靠性；

2、同时只需要一个发射端，大大方便了对水下机器人的定位，接收端不需要向外发射信号，结构简单，布防、校准及维护容易；

3、发射端和接收端保持时钟同步，只要定时发送定位信号，即可实现定位，操作方便了很多；

4、可以用于勘探、水下机器人定位、水下机器人导航等领域；

5、两个接收端相对位置固定，且与发射端时间同步，通过接收的发射端的定位信号，反解出接收端和发射端的相对位置，再根据水面发射端通过GPS定位的定位信号，得到定位水下接收端的位置；

6、本发明的一种水下机器人定位方法，通过接收端解算方法，结合水面发射端的GPS定位，即可定位水下机器人的三维坐标，加之，惯性制导获得的接收端姿态信息，获得X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。

附图说明

附图1是本发明的一种水下机器人定位系及方法统框图。

附图2为本发明的一种水下机器人定位系及方法几何原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.水下机器人11.水面浮体

12.发射端13.接收端

14.压力传感器15.水面

请参照图1，图1是本发明的一种水下机器人1定位系及方法统框图。一种水下机器人1定位系统，所述定位系统包括水下机器人1、水面浮体11、发射端12、接收端13、压力传感器14、惯性制导；所述的发射端12固定在水面浮体11上；所述的发射端12共有一个；所述的接收端13位于水下机器人1上；所述的接收端13共有两个，其两个接收端13之间的中心距离处安装有压力传感器14；所述发射端12和两个接收端13时间同步，发射端12定时发送定位信号，两个接收端13同步接收定位信号；所述发射端12安装有声波发射器；所述接收端13安装有接收器；所述发射端12位置固定或者移动；所述接收端13相对位置固定；所述惯性制导测量接收端13的姿态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。

请参照图2，图2为本发明的一种水下机器人1定位系及方法几何原理图。其发射端12标记为O，两个接收端13位置分别标记为A、B；压力传感器14的位置标记为C，发射端12O定时的发送定位信号，两个接收端13A、B接收定位信号，根据接收到定位信号的时刻和定位信号在传输的速度可以得到发射端12O到两个接收机A、B的距离分别是l₁,l₂。

根据已知的AO和BO的距离以及AB的距离可以确定满足到A,B点距离为l₁,l₂的点集合，考虑到确定的是接收端13和发射端12的相对位置，故认为点集合过点O(0,0,0)的圆。

本发明的一种水下机器人1定位方法，该方法包括发射端12发射定位信号、接收端13接收发射端12定位信号并进行定位解算，接收端13解算方法具体步骤如下：

步骤S1，发射端12定时发送定位信号，且接收端13与发射端12时间同步，根据时间和定位信号在水中传播的速度解算出两个接收端13分别于发射端12AO,BO的距离。

步骤S11，定义两个接收端13位置的距离AB距离为d；发射端12位置的O点坐标为(0，0,0)，压力传感器14位置的C点坐标为(x,y,z),其中z＝h，h为C点的压力传感器14测出来的深度。

步骤S12，根据两个接收端13到发射端12的距离，可以确定发射端12在以D点为圆心，以h为半径的圆，且圆心D点在两个接收端13的连线以及延长线上。

步骤S2，根据三角函数公式计算压力传感器14至发射端12的连线水平方向的夹角大小，其夹角为公式为：

$\∠OCB=arccos\left(\frac{{\mathrm{OC}}^2+{\mathrm{CB}}^2-{\mathrm{OB}}^2}{2OC\×CB}\right),$ 其中， $BC=\frac{1}{2}d,OC=\frac{1}{2}(l_1+l_2)$

步骤S3，根据步骤S1中的发射端12到接收端13的距离，以及步骤S2中的夹角，结合点C到点O的距离和向量CO和向量CA的夹角关系可得方程为

其中，水下机器人1带有惯性导航感器可以实时测出接收端13的姿态信息，包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。由此可以推出沿水下机器人1方向的单位向量是(i,j,k)。Z为压力传感器14测量水面15深度距离为h。

解方程可以得到x,y，及得到了C点坐标(x，y,z)。得到了C点与O点相对位置，也就是得到了水下机器人1和水面15发射端12的相对位置，水面15发射端12通过GPS定位，即可实现了对水下机器人1的定位。

需要说明的是：发射端12和接收端13网络时钟同步，发射端12定时发送定位信号，两个接收端13同时接受定位信号。优选采用IEEE1588网络化测量及控制系统的精确时钟同步协议，使用硬件和软件配合，不需要额外的时钟线，使用以太网的数据线传送时钟信号实现发射端12与接收端13的时钟同步。其中，网络时钟同步是一个标准技术。本发明的水下机器人1从水面15到水底是网络构架，可以直接采用通用技术，并不需要特别的时钟线。如果采用其他通讯协议，例如RS485，则需要专门的硬件和软件构架；

所述发射端12和接收端13除了上述的固定连接方式，即发射端12固定在水面浮体11上，接收端固定在水下机器人1上。其发射端12还可以固定在水下机器人1上，接收端13固定在水面浮体11上。其发射端12和接收端13固定连接的位置可根据需要设计，压力传感器14固定在水下机器人1上或者用于固定在接收端13所在的水面浮体11上；所述的惯性制导固定在接收端13上；

所述的压力传感器14实质为深度传感器，可测量水下机器人1的的深度；所述的发射端12通过GPS定位；所述两个接收端13之间的距离相对于水下机器人1和发射端12的距离足够小；

所述接收端13解算方法，水下机器人1会解算出两个对称的值，此时根据水下机器人1的运动过程以及运动过程的连续性，解算出来的值与上一时刻水下机器人1的位置值进行比较，舍去一个值；因水下机器人1的位置是连续的，不会从一个点跳到另一个点，所以只要某一时刻确定了水下机器人1的位置，以后的位置也就相应确定了。另外、水下机器人1和水面浮体11是相对拖曳的关系、既水下部分先动，浮体跟随。浮体不会跑到水下机器人1的前面，由于水面浮体11和水下机器人1处于同一流场，这一特性和水流速无关。所以通过动力学特性可以舍弃一个解。

本发明的一种水下机器人1定位系统，实现了只有一个水面15发射端12的情况下的水下机器人1定位，省去了水面15发射端12之间数据交换的时间，减少了定位时间，增加了可靠性；同时只需要一个发射端12，大大方便了对水下机器人1的定位，接收端13不需要向外发射信号，结构简单，布防、校准及维护容易；发射端12和接收端13保持时钟同步，只要定时发送定位信号，即可实现定位，操作方便了很多；两个接收端13相对位置固定，且与发射端12时间同步，通过接收的发射端12的定位信号。反解出接收端13和发射端12的相对位置，再根据水面15发射端12通过GPS定位的定位信号，得到定位水下接收端13的位置；可以用于勘探、水下机器人1定位、水下机器人1导航等领域；本发明的一种水下机器人1定位方法，通过接收端13解算方法，结合水面15发射端12的GPS定位，即可定位水下机器人1的三维坐标，加之，惯性制导获得的接收端13姿态信息，获得X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下机器人定位系统，其特征在于，所述定位系统包括水下机器人、水面浮体、发射端、接收端、压力传感器、惯性制导；所述的发射端共有一个；所述的接收端共有两个；所述发射端和两个接收端时间同步，发射端定时发送定位信号，两个接收端同步接收定位信号；所述的压力传感器固定在水下机器人上；所述的惯性制导固定在接收端上；所述惯性制导测量接收端的姿态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。

2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述发射端安装有声波发射器。

3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述接收端安装有接收器。

4.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述发射端位置固定或者移动。

5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述接收端相对位置固定。

6.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的发射端通过GPS定位。

7.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的发射端固定在水面浮体上，接收端固定在水下机器人上，其两个接收端之间的中心距离处安装有压力传感器。

8.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的发射端固定在水下机器人上，接收端固定在水面浮体上，压力传感器安装在固定接收端的地方。

9.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述水下机器人从水面到水底是网络构架，采用IEEE1588网络化测量及控制系统的精确时钟同步协议。

10.一种水下机器人定位方法，其特征在于，该方法包括发射端发射定位信号、接收端接收发射端定位信号并进行定位解算；

所述接收端解算方法具体步骤如下：

步骤S1，发射端定时发送定位信号，且接收端与发射端时间同步，根据时间和定位信号在水中传播的速度解算出两个接收端分别于发射端AO,BO的距离l₁,l₂；

步骤S11，定义两个接收端位置的距离AB距离为d；发射端位置的O点坐标为(0，0,0)，压力传感器位置的C点坐标为(x,y,z),其中z＝h，h为C点的压力传感器测出来的深度；

步骤S12，根据两个接收端到发射端的距离，可以确定发射端在以D点为圆心，以h为半径的圆，且圆心D点在两个接收端的连线以及延长线上；

步骤S2，根据三角函数公式计算压力传感器至发射端的连线水平方向的夹角大小，其夹角为公式为：

$\∠OCB=arccos\left(\frac{{\mathrm{OC}}^2+{\mathrm{CB}}^2-{\mathrm{OB}}^2}{2OC\×CB}\right),$ 其中， $BC=\frac{1}{2}d,$ $OC=\frac{1}{2}(l_1+l_2)$

步骤S3，根据步骤S1中的发射端到接收端的距离，以及步骤S2中的夹角，结合点C到点O的距离和向量CO和向量CA的夹角关系可得方程为

步骤S31，水下机器人在X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ的单位向量为(i,j,k)。