CN107167126B - 一种自主式水下机器人组合导航方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，提供了一种自主式水下机器人组合导航方法和系统。其中方法包括根据水下机器人配备的测速仪、姿态传感器和深度传感器采集的信息，以及初始位置信息，推算出航位导航信息；在确认当前航位导航信息下，水下机器人处于地理模块A中时，采集周边的环境信息，并与地理模块A中的标定信息进行匹配；根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。本发明利用地理模块和航位推算法中的航位导航信息的匹配，根据匹配结果调整航位推算法和匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，改善单一航位推算法存在的定位误差容易随时间和航程累积发散的问题。

Description

一种自主式水下机器人组合导航方法和系统

【技术领域】

本发明涉及水下机器人技术领域，特别是涉及一种自主式水下机器人组合导航方法和系统。

【背景技术】

目前智能水下机器人向小型化发展是其发展趋势之一。小型水下机器人由于其体积小、机动灵活、成本低、搭载方便，在军民用都有广泛的应用前景。导航问题仍然是水下机器人设计所面临的主要关键技术之一。

现在水下机器人导航常用方法有航位推算法、惯性导航及声学方法等。惯导系统一般体积较大，价格昂贵，最重要的是纯惯性导航系统导航在没有其它传感器数据信息进行补偿的情况下其定位误差将随时间和航程累积和发散，声学定位系统(长基线、短基线、超短基线等)定位精度有很大提高，其缺点就是作用距离有限。航位推算导航是一种低成本的导航方法，是水下机器人重要的导航手段，其方法简单、经济，水下机器人除了配备测速仪、姿态、深度传感器等外，只需要给定初始位置信息，通过一定的算法就可构成具有一定精度的实时、可靠的自主式导航系统。微小型水下机器人受限于体积、成本、能源等限制，这对导航系统提出了更高的要求，这对构造一种小型化组合导航系统增加了难度。导航系统一般由小型化、低成本传感器构成，传感器精度较低，同时，水下机器人一般工作在特有的海洋水下环境，干扰噪声信号大，各种水声传感器普遍存在精度低、野点率高的缺点，对传感器数据进行较好的滤波剔出野点信息尤为重要。航位推算导航一般需要定期进行位置校正，如果潜深较大通过浮出水面通过GPS进行位置重调，这将消耗较多能源，这对能源有限的微小型水下机器人尤其不利。同时现有的水下机器人导航系统普遍不存在路线仿真模拟操作，可视性差的同时，精确度低。

【发明内容】

本发明实施例要解决的技术问题是克服现有自主式导航方式中，航位推算法所存在的定位误差容易随时间和航程累积和发散的问题。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种自主式水下机器人组合导航方法，水下机器人向服务端发送携带预规划航线的地理模块请求消息；接收服务端返回的覆盖所述预规划航线的一个或者多个地理模块，其中，所述地理模块中包含现实环境中相应区域的标定信息，所述方法包括：

根据水下机器人配备的测速仪、姿态传感器和深度传感器采集的信息，以及初始位置信息，推算出航位导航信息；

在确认当前航位导航信息下，水下机器人处于地理模块A中时，采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配；

根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

可选的，所述标定信息为由图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项组成。

可选的，所述采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配，具体包括：

所述水下机器人采集周边的图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项，并与相应地理模块中的标定信息进行逐一匹配。

可选的，所述根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，还包括：

若匹配结果中连续与n个地理模块所对应的标定信息匹配失败，则浮出水面进行GPS定位；

在GPS定位矫正完成后，再继续执行对应预规划航线的任务。

可选的，服务端还发送所述预规划航线上的一个或者多个浮标的相关信息，其中，所述相关信息包括浮标的定位信息和浮标的声呐参数信息。

可选的，水下机器人根据其深度传感器的监测参数和推算出航位导航信息，确定当前航位附近是否存在可交互的浮标，若存在可交互的浮标，则根据所述浮标的声呐参数信息调整自身的接收模块，

根据接收到声呐信号结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

可选的，所述调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，具体包括：

若匹配结果正确，则减少匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率；

若匹配结果不正确，则增大匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

可选的，所述地理模块由一个或者多个水下机器人在目标定位识别系统中工作得到，其中，系统中包括具有主动声呐功能的母船、至少一个具有被动声呐功能的浮标和所述水下机器人，

所述水下机器人用于获取环境对象相对于水下机器人的第一位置信息和环境对象内容，并发送所述第一位置信息到母船；所述母船和浮标之间相差预设距离，母船用于获取所述浮标的第二位置信息；浮标中记录有母船声呐信号的相关参数，并将采集到的来自水下机器人的声呐反射信号反馈给母船；

所述母船还用于根据自身的第三位置信息、浮标的第二位置信息、母船和浮标采集到的水下机器人的声呐反射信号，以及环境对象相对于水下机器人的第一位置信息，计算得到环境对象的定位信息；并根据所述环境对象的定位信息和环境对象，依据地理模块大小的设定，生成一个或者多个地理模块。

第二方面，本发明实施例提供了一种自主式水下机器人组合导航系统，系统中包括水下机器人和服务端，具体的：

所述水下机器人向服务端发送携带预规划航线的地理模块请求消息；

所述服务端匹配所述航线和维护的地理模块，并向所述水下机器人返回覆盖所述航线的一个或者多个地理模块，其中，所述地理模块中包含现实环境中相应区域的标定信息：

所述水下机器人还用于根据水下机器人配备的测速仪、姿态传感器和深度传感器采集的信息，以及初始位置信息，推算出航位导航信息；在确认当前航位导航信息下，水下机器人处于地理模块A中时，采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配；根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

可选的，所述标定信息为由图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项组成。

可选的，所述采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配，具体包括：

所述水下机器人采集周边的图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项，并与相应地理模块中的标定信息进行逐一匹配。

本发明实施例提出了一种结合航位推算法和地理模块识别法的自主式水下机器人组合导航方法，相比较现有的单一的航位推算法容易随时间和航程累积和发散的问题，利用地理模块和航位推算法中的航位导航信息进行匹配(包括地理模块的标定信息和具体航位下的环境信息)，根据匹配结果调整航位推算法和/或匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，从而改善了单一航位推算法存在的定位误差容易随时间和航程累积和发散的问题。

另一方面，本实施例所述方法对于水下机器人的硬件成本要求不高，并且，结合本发明实施例所提出的地理模块识别方法和与预规划航线，进一步减少水下机器人的计算量，在提高其导航精准度的情况下，也提高了其续航能力。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种自主式水下机器人组合导航方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种自主式水下机器人组合导航方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种地理模块生成的系统架构图；

图4是本发明实施例提供的一种地理模块生成原理示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种地理模块生成的系统架构图；

图6是本发明实施例提供的另一种地理模块生成的系统架构图；

图7是本发明实施例提供的一种自主式水下机器人组合导航系统架构图；

图8是本发明实施例提供的另一种自主式水下机器人组合导航系统架构图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种自主式水下机器人组合导航方法，其中，水下机器人向服务端发送携带预规划航线的地理模块请求消息；接收服务端返回的覆盖所述预规划航线的一个或者多个地理模块，其中，所述地理模块中包含现实环境中相应区域的标定信息，如图1所示，所述方法包括：

在步骤201中，根据水下机器人配备的测速仪、姿态传感器和深度传感器采集的信息，以及初始位置信息，推算出航位导航信息。

该推导过程可以参考现有技术，在此不再赘述。

其中，步骤201的推算过程可以是按照预设周期进行的，也是可以在上述各传感器检测到参数改变量超过各自的预设阈值时，触发推算过程。在此，不对于其触发方式做特殊的限定，已有的其它触发方式均可以适用于本发明实施例中。

在步骤202中，在确认当前航位导航信息下，水下机器人处于地理模块A中时，采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配。

其中，所述标定信息为由图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项组成。对于所有的地理模块，所述图片、声呐信息、温度和海水流速，可以作为其共同设置的参数项，但是，不同的地理模块其标定信息中实际拥有内容的参数项却不一定都覆盖上述5个参数项。例如：地理模块B可能因为其所处海域较为常规，对应的海水流速没有什么异常，因此，其海水流速可能就为空；而地理模块C会因为其所处海域为海底火山口附近，则相应的海水流速参数项或者温度参数项会被赋值为某一特定值，用于标定该特殊地域。

其中，在进行步骤202中的采集动作时，通常可以将用于采集的各传感器的工作功率相应调高，例如：若地理模块相应的标定信息中包含图片，则表明其环境信息中包含较为独特的对象，此时，照明灯的工作功率则可以相应的调高，从而能够保证所采集到的环境信息尽可能的全面，也为后续的匹配过程增加了准确度。

在步骤203中，根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

所述补偿系数根据计算得到的当前推算出航位导航信息和地理模块标定信息之间相对于理论预规划航线和地理模块标定信息之间的误差值，计算相对于经纬度的偏移量，并根据两次校对的间隔距离，计算得到水下机器人单位移动距离的补偿量。所述补偿量将参与下一轮的推算出航位导航信息过程。

所述调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率的值和匹配的正确率成反比，即正确率越高则频率越低、正确率越低则平率越高。两者之间的比例关系可以根据经验或者水下机器人的计算能设定，在此不做特殊限定。

本发明实施例提出了一种结合航位推算法和地理模块识别法的自主式水下机器人组合导航方法，相比较现有的单一的航位推算法容易随时间和航程累积和发散的问题，利用地理模块和航位推算法中的航位导航信息进行匹配(包括地理模块的标定信息和具体航位下的环境信息)，根据匹配结果调整航位推算法和/或匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，从而改善了单一航位推算法存在的问题。

另一方面，本实施例所述方法对于水下机器人的硬件成本要求不高，并且，结合本发明实施例所提出的地理模块识别方法和与预规划航线，进一步减少水下机器人的计算量，在提高其导航精准度的情况下，也提高了其续航能力。

在本发明实施例中，处理模块A的描述仅仅是为了便于理解当前航位导航信息下的限定条件，因此，标注内容A并没有特殊的限定作用，在实际情况下也可以利用阿拉伯数字或者其它字母组合进行称呼和标定。

在本发明实施例中，对于步骤202中执行的，所述采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配，具体实现的方式包括：

所述水下机器人采集周边的图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项，并与相应地理模块中的标定信息进行逐一匹配。若当中有一项或者多项是当前水下机器人所不具备的，则可跳过相应的参数项的匹配。

在本发明实施例中，对于步骤203中执行的根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，还存在一种实现的可能，即在步骤202中：

若匹配结果中连续与n个地理模块所对应的标定信息匹配失败，则浮出水面进行GPS定位；其中，n为自然数。所述n的参数值的设定可以根据单一地理模块所覆盖的面积大小进行调整，若单一地理模块所覆盖的面积越大，则相应的n可以设置的较小，从而能够保证经由相应个数的地理模块匹配失败后能够尽快的矫正当前的航线。在GPS定位矫正完成后，再继续执行对应预规划航线的任务。

在具体实现时，除了可以采用实施例1所述的结合航位推算法和地理模块识别法来完成自主导航矫正外，还可以进一步结合上述矫正失败情况下进行浮出水面GPS定位矫正的辅助手段进一步提高本发明实施例方法的在执行过程中的鲁棒性。但是，将水下机器人浮出水面进行GPS定位矫正的话，对于水下机器人的能源损耗是较大的，并且会影响预估的水下机器人完成任务的时间和水下机器人的续航能力。因此，结合本发明实施例，还存在一种可组合的导航方法，具体的，服务端除了返回实施例1中的一个或者多个地理模块外，还返回所述预规划航线上和与所述航线相邻的一个后者多个浮标的相关信息，其中，所述相关信息包括浮标的定位信息和浮标的声呐参数信息。在具体执行过程中，如图2所示，所述方法还包括以下执行步骤：

在步骤301中，水下机器人根据其深度传感器的监测参数和推算出航位导航信息，确定当前航位附近是否存在可交互的浮标，若存在可交互的浮标，则根据所述浮标的声呐参数信息调整自身的接收模块。

在步骤302中，根据接收到声呐信号结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

其中，步骤301-步骤302的执行可以是和步骤202-步骤203组合实现，其组合方式可以是松耦合的形式，即步骤202-步骤203和步骤301-302并行执行，当满足步骤202中条件“水下机器人处于地理模块A中时”时，则执行完步骤202和步骤203；当满足步骤301中条件确定当前航位附近存在可交互的浮标时，则执行完步骤301和步骤302。除此以外，本发明实施例还提供了另一种紧耦合的形式，即步骤202-203的执行过程与步骤301-步骤302的执行过程是互斥的，即在步骤202-203成功执行完毕时，则短时间内关闭步骤301中对于其当前航位附近是否存在可交互的浮标的判断，从而可以避免导航信息的重复校对。

因此，结合上述步骤301-步骤302的实现方式，还存在一种优选的组合实现形式，即对于上述“若匹配结果中连续与n个地理模块所对应的标定信息匹配失败，则浮出水面进行GPS定位”的实现过程，将因为所述步骤301-步骤302的组合实现而被调整为：

若匹配结果中连续与n个地理模块所对应的标定信息匹配失败，并且其间没有执行所述步骤301-302，则浮出水面进行GPS定位；

若匹配结果中连续与n个地理模块所对应的标定信息匹配失败，但是，其间执行所述步骤301-302，并且成功矫正了导航信息，则重置对应所述n的累计参数值。

结合本发明实施例，为了进一步的提高校准过程的动态性和灵活性，所述动态性和灵活性也针对不同硬件配置的水下机器人，例如：水下机器人B的配置比水下机器人A的配置高，那么就可以相应的减少匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。另一方面，所述调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，还可以通过计算正确度的高低进行适应性的调整，具体包括：

若匹配结果正确，则减少匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率；

若匹配结果不正确，则增大匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

结合本发明实施例，还提供了一种地理模块的生成方法，具体的如图所示，所述地理模块由一个或者多个水下机器人在目标定位识别系统中工作得到，其中，系统中包括具有主动声呐功能的母船、至少一个具有被动声呐功能的浮标和所述水下机器人，

所述水下机器人用于获取环境对象相对于水下机器人的第一位置信息和环境对象的内容，并发送所述第一位置信息到母船；所述母船和浮标之间相差预设距离，母船用于获取所述浮标的第二位置信息；浮标中记录有母船声呐信号的相关参数，并将采集到的来自水下机器人的声呐反射信号反馈给母船；

所述母船还用于根据自身的第三位置信息、浮标的第二位置信息、母船和浮标采集到的水下机器人的声呐反射信号，以及环境对象相对于水下机器人的第一位置信息，计算得到环境对象的定位信息；并根据所述环境对象的定位信息和环境对象的内容，依据地理模块大小的设定，生成一个或者多个地理模块。

实施例2：

在实施例1中介绍了如何利用地理模块进行导航信息矫正的方法，本发明实施例则是从如何建立服务端维护的地理模块的方面进行阐述。在本发明实施例中所述地理模块由一个或者多个水下机器人在目标定位识别系统中工作得到，如图3所示，系统中包括具有主动声呐功能的母船1、至少一个具有被动声呐功能的浮标2和水下机器人3，所述水下机器人3可以是采用专业用于采集地理信息的设备，也可以是采用如实施例1中介绍的用于执行其它任务的设备，两者的区别可能在于传感器的检测范围和检测精度上，但是，两者存在的共性是均能完成自身的定位和环境对象的内容的获取。但是，作为本发明实施例的水下机器人还需要其具备获取环境对象(例如：海底山体结构)相对自身第一位置信息的能力。具体阐述如下：

所述水下机器人3用于获取环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息，并发送所述第一位置信息到母船1；所述母船1和浮标2之间相差预设距离，母船1用于获取所述浮标2的第二位置信息；浮标2中记录有母船1声呐信号的相关参数，并将采集到的来自水下机器人3的声呐反射信号反馈给母船1；

所述母船1还用于根据自身的第三位置信息、浮标2的第二位置信息、母船1和浮标2采集到的水下机器人3的声呐反射信号，以及环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息，计算得到环境对象4的定位信息；并根据所述环境对象4的定位信息和环境对象4，依据地理模块大小的设定，生成一个或者多个地理模块。

在本发明各实施例中，所述环境对象包括岩石、海底山体、珊瑚和海沟等，若水下机器人不采取合理的避让就会对水下机器人产生实质性破坏的对象。而对于其它水下生物的避让则可以依托水下机器人自身安装的传感设备进行(例如声呐设备和摄像头设备等)。为了进一步简化本发明实施例中使用地理模块给传输通道带来的带宽压力，可以将本实施例中水下机器人采集到没有环境对象的区域(例如传感器可检测范围内没有上述环境对象，而只有海水的情况)所对应的地理模块标注为空或者以简单的标识符表明其对应区域无环境对象，从而极大程度上简化实施例1中服务端与水下机器人之间的地理模块传输所需的带宽。

本发明实施例所述环境对象是较为原始的信息，它可能是环境对象的图片、环境对象的声呐反馈信号，也可能是环境对象的一小部分；相比较实施例1中描述的环境对象，则是服务端通过接收到的来自一个或者多个水下机器人反馈的环境对象和定位信息解析得到的。例如：服务端会根据接收到的多组对应于同一环境对象的定位信息和环境对象，通过建模的方式还原出完成的环境对象，并分析出环境对象的环境信息(包括环境对象的类型、环境对象的结构和环境对象的大小)，并将相应信息配置给构成搜索环境对象的多个地理模块。

其中，所述地理模块为预设形状的单元，地理模块内部包含现实环境中相应区域的环境对象。所述地理模块大小的是根据所述水下机器人所具备的传感设备在海中所能检测到的范围区域来设定的，其形状可以是正六边形、矩形或者是其它可以由所述检测到的范围区域裁剪出来，并可供完成拼接的图形。例如图4所示(图中并未按照比例示出，实际探测距离可能远大于水下机器人的尺寸)，其中，水下机器人的外形为图中3所示，其传感器所能检测的范围如图中标注的31所示，而裁剪出的地理模型为图中标注的32所示。实际情况中，因为水下机器人是处于运动状态的(例如：水平运动)，因此，地理模型的长度理论上可以在一连续长度上任意的设定并完成截取。

实施例3：

本发明实施例是实施例2所述方案在具体实现场合下的一种系统组合形式，在本实施例中所述浮标2具体数量为一个，所述水下机器人3上设置有水深传感器。如图5所示在本实施中，所述系统包括具有主动声呐功能的母船1、一个具有被动声呐功能的浮标2和水下机器人3，其中，所述水深传感器用于反馈水下机器人3到海面的垂直距离；水下机器人3将所述垂直距离反馈给母船1；

所述水下机器人3用于获取环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息；并向母船1发送所述第一位置信息。

所述母船1和浮标2之间相差预设距离，母船1用于获取所述浮标2的第二位置信息；

所述母船1和浮标2之间建立有第二通讯链路，其中，浮标2中记录有母船1声呐信号的相关参数，并将采集到的来自水下机器人3的声呐反射信号通过所述第二通讯链路反馈给母船1；

所述母船1用于根据所述用于根据自身的第三位置信息、水下机器人3的垂直距离、浮标2的第二位置信息、母船1和浮标2采集到的水下机器人3的声呐反射信号，以及环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息，计算得到环境对象的定位信息。

本发明实施例不仅利用了母船自身的续航能力，以及其配备的声呐设备功能，而且利用了水下机器人中配备的水深传感器，简化了水下机器人和浮标的设计需求，以及浮标数量的配置需求(仅需要一个即可)。并利用由母船、浮标和水下机器人构建起来的第一定位子系统，以及由水下机器人和环境对象构建起来的第二定位子系统，由母船或者陆地服务器计算得到环境对象的定位信息，所述定位信息包括经纬度信息、水深信息等等。相比较现有技术中采用的由水下机器人作为等价与所述第一定位子系统中的主动声呐源，本发明实施例能够提高水下机器人的续航能力，并且减少水下机器人的数据处理量，从侧面降低了水下机器人的制造成本。

在本实施例中，将结合图5所示布局图，阐述如何根据自身的第三位置信息、水下机器人3的垂直距离、浮标2的第二位置信息、母船1和浮标2采集到的水下机器人3的声呐反射信号，以及环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息，计算得到环境对象的定位信息。

如图5所示，假设水下机器人所在位置(图5中以字母C标注)投影到海平面的位置为O，则所示水下机器人3的垂直距离为OC，母船1采集到的水下机器人3的声呐反射信号可以计算得到母船1与水下机器人3之间距离AC，而浮标2采集到的水下机器人3的声呐反射信号可以计算得到浮标2与水下机器人3之间的距离BC，其中，位置A和位置B是初始状态下已经获取位置信息，为已知量。此时，可以通过AC和OC计算得到AO，通过BC和OC计算得到BO，在三角形三边AB、AO和BO都已知情况下，便可以计算得到∠BAO。于是便可得到根据A点定位信息得到O点定位信息，并根据垂直距离OC，得到第一定位子系统中水下机器人的第四位置信息。其中，第二定位子系统中环境对象相对于水下机器人的第一位置信息可以通过双目识别原理，配合第二声呐收发器32检测到的环境对象相对于水下机器人的相对距离，利用透视算法计算得到。综合上述水下机器人的第四位置信息和环境对象相对于水下机器人的第一位置信息，便可以计算得到环境对象的定位信息。

在本发明实施例中，预设距离优选的根据水下机器人所要工作的水深深度、水下机器人工作的区域范围，以及母船1和浮标2上声呐设备的最佳工作距离计算得到。

实施例4：

本发明实施例是实施例1所述方案在具体实现场合下的一种系统组合形式，在本实施例中所述浮标2具体数量为两个或者两个以上(在本实施例中以两个为例进行阐述)。本实施例突出的适用于水下机器人中没有配置水深传感器的情况，或者浮标2数量比较充足希望能够更准确的计算得到目标对象定位信息的场合。在本实施例中所述浮标2具体数量为两个或者两个以上，以所述两个或者两个以上的浮标2和母船1的声呐设备作为参考点，其中，各参考点在水面上构成等边图形。如图6所示在本实施中，所述系统包括具有主动声呐功能的母船1、两个具有被动声呐功能的浮标2和水下机器人3，

所述水下机器人3用于获取环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息；并向所述母船1发送所述第一位置信息。

所述母船1和浮标2之间相差预设距离，母船1用于获取所述浮标2的第二位置信息；

所述母船1和浮标2之间建立有第二通讯链路，其中，浮标2中记录有母船1声呐信号的相关参数，并将采集到的来自水下机器人3的声呐反射信号通过所述第二通讯链路反馈给母船1；

所述母船1用于根据所述用于根据自身的第三位置信息、浮标的第二位置信息(包括浮标2和浮标21)、母船1和各浮标采集到的水下机器人3的声呐反射信号，以及环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息，计算得到目标对象的定位信息。

本发明实施例充分利用了母船自身的续航能力，以及其配备的声呐设备功能，简化了水下机器人和浮标的设计需求，并利用由母船、浮标和水下机器人构建起来的第一定位子系统，以及由水下机器人和目标对象构建起来的第二定位子系统，由母船或者陆地服务器计算得到目标对象的定位信息，所述定位信息包括经纬度信息、水深信息等等。相比较现有技术中采用的由水下机器人作为等价与所述第一定位子系统中的主动声呐源，本发明实施例能够提高水下机器人的续航能力，并且减少水下机器人的数据处理量，从侧面降低了水下机器人的制造成本。另一方面，还能通过多浮标构成的检测系统，进一步提高最终计算得到的目标对象的定位信息。

在本实施例中，将结合图6所示结构示意图，阐述如何根据所述用于根据自身的第三位置信息、浮标的第二位置信息(包括浮标2和浮标21)、母船1和各浮标采集到的水下机器人3的声呐反射信号，以及环境对象4相对于水下机器人3的第一位置信息，计算得到目标对象的定位信息。

如图6所示，根据母船的第三位置信息和浮标的第二位置信息(包括图中浮标2和浮标21)计算得到三角形ABD各边的长度，根据母船1和各浮标采集到的水下机器人3的声呐反射信号分别计算得到AB、BC和DC的长度，此时，便可以构建锥形C-ABD模型，并根据锥形模型计算得到水下机器人3相对于母船1所在位置A的位置偏移量，从而得到所述第四位置信息。其中，第二定位子系统中目标对象相对于水下机器人的第一位置信息可以通过双目识别原理，配合第二声呐收发器32检测到的目标对象相对于水下机器人的相对距离，利用透视算法计算得到。综合上述水下机器人的第四位置信息和目标对象相对于水下机器人的第一位置信息，便可以计算得到目标对象的定位信息。

在本发明实施例中，预设距离优选的根据水下机器人所要工作的水深深度、水下机器人工作的区域范围，以及母船1和浮标2上声呐设备的最佳工作距离计算得到。

实施例5：

本发明实施例提供还提供了一种自主式水下机器人组合导航系统，如图7所示，系统中包括水下机器人3和服务端5。所述服务端5可以是位于地面上的服务器5(如图7所示)，也可以采用水面上的母船5作为服务端5(如图8所示)，因具体的场合可以采用上述不同的组合方式，具体的：

所述水下机器人向服务端发送携带预规划航线的地理模块请求消息。

其中，所述预规划航线可以是1)操作人员直接在水下机器人操作界面上设置，或者是2)通过数据线经由与水下机器人连接的个人PC导入，还可以是3)由服务端操作人员直接远程进行设置。

所述服务端匹配所述航线和维护的地理模块，并向所述水下机器人返回覆盖所述航线的一个或者多个地理模块，其中，所述地理模块中包含现实环境中相应区域的标定信息。本发明实施例所述水下机器人的操作方式，适合于上述第1)种和第2)种情况，而对于第3中情况服务端可以直接向水下机器人发送航线信息和对应所述航线的一个或者多个地理模块。

所述水下机器人还用于根据水下机器人配备的测速仪、姿态传感器和深度传感器采集的信息，以及初始位置信息，推算出航位导航信息；在确认当前航位导航信息下，水下机器人处于地理模块A中时，采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配；根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

在本发明实施例中，处理模块A的描述仅仅是为了便于理解当前航位导航信息下的限定条件，因此，标注内容A并没有特殊的限定作用，在实际情况下也可以利用阿拉伯数字或者其它字母组合进行称呼和标定。

本发明实施例提出了一种结合航位推算法和地理模块识别法的自主式水下机器人组合导航方法，相比较现有的单一的航位推算法容易随时间和航程累积和发散的问题，利用地理模块和航位推算法中的航位导航信息进行匹配(包括地理模块的标定信息和具体航位下的环境信息)，根据匹配结果调整航位推算法和/或匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，从而改善了单一航位推算法存在的问题。

另一方面，本实施例所述方法对于水下机器人的硬件成本要求不高，并且，结合本发明实施例所提出的地理模块识别方法和与预规划航线，进一步减少水下机器人的计算量，在提高其导航精准度的情况下，也提高了其续航能力。

在本发明实施例中，所述标定信息为由图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项组成。

在本发明实施例中，所述采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配，具体包括：

所述水下机器人采集周边的图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项，并与相应地理模块中的标定信息进行逐一匹配。其中具体匹配方式可以参考实施例1中展开描述内容，在此不一一赘述。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例1基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例1中的叙述，此处不再赘述。

在本发明实施例中，为了应对更为复杂的环境，所述服务端还可以具备更强大的分析能力。例如：当一个地理模块中具备的标定信息为多个和/或多种时，服务端还会接收到当前进行任务的水下机器人的性能参数，并根据当前进行任务的水下机器人所具备的、可供匹配的标定信息参数项，对所述地理模块中的多个标定信息进行筛选，将适合与当前进行任务的水下机器人的标定信息发送给所述水下机器人。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自主式水下机器人组合导航方法，其特征在于，水下机器人向服务端发送携带预规划航线的地理模块请求消息；接收服务端返回的覆盖所述预规划航线的一个或者多个地理模块，其中，所述地理模块中包含现实环境中相应区域的标定信息，所述方法包括：

根据水下机器人配备的测速仪、姿态传感器和深度传感器采集的信息，以及初始位置信息，推算出航位导航信息；

在确认当前航位导航信息下，水下机器人处于地理模块A中时，采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配；

根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率；

所述地理模块由一个或者多个水下机器人在目标定位识别系统中工作得到，其中，系统中包括具有主动声呐功能的母船、至少一个具有被动声呐功能的浮标和所述水下机器人，

所述水下机器人用于获取环境对象相对于水下机器人的第一位置信息和环境对象内容，并发送所述第一位置信息到母船；所述母船和浮标之间相差预设距离，母船用于获取所述浮标的第二位置信息；浮标中记录有母船声呐信号的相关参数，并将采集到的来自水下机器人的声呐反射信号反馈给母船；

所述母船还用于根据自身的第三位置信息、浮标的第二位置信息、母船和浮标采集到的水下机器人的声呐反射信号，以及环境对象相对于水下机器人的第一位置信息，计算得到环境对象的定位信息；并根据所述环境对象的定位信息和环境对象，依据地理模块大小的设定，生成一个或者多个地理模块。

2.根据权利要求1所述的自主式水下机器人组合导航方法，其特征在于，所述标定信息为由图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项组成。

3.根据权利要求2所述的自主式水下机器人组合导航方法，其特征在于，所述采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配，具体包括：

所述水下机器人采集周边的图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项，并与相应地理模块中的标定信息进行逐一匹配。

4.根据权利要求1-3任一所述的自主式水下机器人组合导航方法，其特征在于，所述根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，还包括：

若匹配结果中连续与n个地理模块所对应的标定信息匹配失败，则浮出水面进行GPS定位；

在GPS定位矫正完成后，再继续执行对应预规划航线的任务。

5.根据权利要求1-3任一所述的自主式水下机器人组合导航方法，其特征在于，服务端还发送所述预规划航线上的一个或者多个浮标的相关信息，其中，所述相关信息包括浮标的定位信息和浮标的声呐参数信息。

6.根据权利要求4所述的自主式水下机器人组合导航方法，其特征在于，水下机器人根据其深度传感器的监测参数和推算出航位导航信息，确定当前航位附近是否存在可交互的浮标，若存在可交互的浮标，则根据所述浮标的声呐参数信息调整自身的接收模块，

根据接收到声呐信号结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

7.根据权利要求1所述的自主式水下机器人组合导航方法，其特征在于，所述调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率，具体包括：

若匹配结果正确，则减少匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率；

若匹配结果不正确，则增大匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率。

8.一种自主式水下机器人组合导航系统，其特征在于，系统中包括水下机器人和服务端，具体的：

所述水下机器人向服务端发送携带预规划航线的地理模块请求消息；

所述服务端匹配所述航线和维护的地理模块，并向所述水下机器人返回覆盖所述航线的一个或者多个地理模块，其中，所述地理模块中包含现实环境中相应区域的标定信息：

所述水下机器人还用于根据水下机器人配备的测速仪、姿态传感器和深度传感器采集的信息，以及初始位置信息，推算出航位导航信息；在确认当前航位导航信息下，水下机器人处于地理模块A中时，采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配；根据匹配结果调整用于计算航位导航信息的补偿参数和/或调整匹配计算航位导航信息和地理模块中标定信息的频率；

所述地理模块由一个或者多个水下机器人在目标定位识别系统中工作得到，其中，目标定位识别系统中包括具有主动声呐功能的母船、至少一个具有被动声呐功能的浮标和所述水下机器人，

所述水下机器人用于获取环境对象相对于水下机器人的第一位置信息和环境对象内容，并发送所述第一位置信息到母船；所述母船和浮标之间相差预设距离，母船用于获取所述浮标的第二位置信息；浮标中记录有母船声呐信号的相关参数，并将采集到的来自水下机器人的声呐反射信号反馈给母船；

所述母船还用于根据自身的第三位置信息、浮标的第二位置信息、母船和浮标采集到的水下机器人的声呐反射信号，以及环境对象相对于水下机器人的第一位置信息，计算得到环境对象的定位信息；并根据所述环境对象的定位信息和环境对象，依据地理模块大小的设定，生成一个或者多个地理模块。

9.根据权利要求8所述的自主式水下机器人组合导航系统，其特征在于，所述采集周边的环境信息，并与所述地理模块A中的标定信息进行匹配，具体包括：

所述水下机器人采集周边的图片、声呐信息、温度、海水流速中的一项或者多项，并与相应地理模块中的标定信息进行逐一匹配。