CN107505643A - 一种结合gps与红外导航的机器鱼返航定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法，所述机器鱼内置有控制板，电量检测模块和GPS模块均与控制板电性连接，水下距离水面一定距离处设置有供机器鱼充电的充电桩，充电桩上设有三个远距离红外发射二极管和一个近距离红外发射二极管，且每个红外发射二极管采用不同的编码方式，在机器鱼上沿中心线两侧各装有一个红外信号接收器，记为第一接收器和第二接收器，每个红外信号接收器的接收角度范围为90°；本发明所述方法能够让机器鱼在电量不足的情况下，能够自主确定自身相对于指定位置的方位，再通过姿态的调整自动返航进行充电，提高机器鱼的水下作业能力和续航能力，能够提高机器鱼在水下续航能力，并方便机器鱼的维修和保养。

Description

一种结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法
技术领域
本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是一种结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法。
背景技术
机器鱼在水下巡游时，如果电量不足了，应该怎么做，怎么到达指定位置，该指定位置可以包括维修基站、充电基站等，在电量不足的情况下，如何确定自身相对于指定位置的方位，如何自主到达指定位置进行充电，减少人工的干预。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法，利用GPS与红外发射二极管定位导航，使机器鱼自主到达充电基站进行充电续航。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法，所述机器鱼内置有控制板，电量检测模块和GPS模块均与控制板电性连接，水下距离水面一定距离处设置有供机器鱼充电的充电桩，充电桩上设有三个远距离红外发射二极管和一个近距离红外发射二极管，且每个红外发射二极管采用不同的编码方式，其中一个远距离红外发射二极管设置于近距离红外发射二极管的正前方，设该远距离红外发射二极管的信号发射区域为c，近距离红外发射二极管的信号发射区域位于c内，其他两个远距离红外发射二极管各对称设置于近距离红外发射二极管前方的左右两侧，这两个远距离红外发射二极管的信号发射区域分别为a、e，三个远距离红外发射二极管的信号区域部分重叠，即区域a与c的重叠部分为区域b，区域e与c的重叠部分为区域d，在机器鱼上沿中心线两侧各装有一个红外信号接收器，记为第一接收器和第二接收器，每个红外信号接收器的接收角度范围为90°；
定位包括初步定位和精确定位两个过程；
初步定位包括：当机器鱼的电量检测模块检测到电量不足10％后，机器鱼中断并保存当前正在执行的任务；机器鱼的控制板发送上浮指令，使机器鱼上浮到水面，到达水面后机器鱼内置的GPS模块接收卫星信号，确定自身所处位置的三维坐标；同时控制板向充电桩发送请求充电桩所在三维坐标的指令，充电桩通过射频将自身的位置坐标发送给机器鱼，机器鱼控制板根据自身三维坐标和充电桩的三维坐标，确定游动方向；
精确定位包括：机器鱼在水面上接收到充电桩的三维坐标信息后，垂直下潜至水下充电桩所在水平面位置，机器鱼向充电桩游动：
若第一接收器和第二接收器有且只有一个接收到区域a的信号，机器鱼通过调整游动姿态，改变头部方位，使得两个接收器能够同时接收到区域a的信号；当两接收器同时能够接收到来自区域a的信号时，计时器开始计时，若2s后还是只能接收到区域a的信号，机器鱼向区域b偏转方向，直到两个接收器同时检测到了来自区域b的信号,使机器鱼保持当前方位角继续前进；若2s后还是只能接收到来自区域b的信号，使机器鱼向区域c偏转方向，使第一接收器接收到区域b的信号，第二接收器只接收到区域c的信号，使机器鱼保持当前方位角继续前进，2s后若两个接收器接收到的信号和之前一样，机器鱼继续调整头部方位角，向区域c偏转方向，直至两个红外接收器同时只接收到来自区域c的红外信号，机器鱼进入到区域c，使机器鱼保持当前方位角继续前进；
若第一接收器和第二接收器有且只有一个接收到区域e的信号，机器鱼通过调整游动姿态，改变头部方位，使得两个接收器能够同时接收到区域e的信号；当两接收器同时能够接收到来自区域e的信号时，计时器开始计时，若2s后还是只能接收到区域e的信号，机器鱼向区域d偏转方向，直到两个接收器同时检测到了来自区域d的信号,使机器鱼保持当前方位角继续前进；若2s后还是只能接收到来自区域d的信号，使机器鱼向区域c偏转方向，使第一接收器接收到区域c的信号，第二接收器只接收到区域d的信号，使机器鱼保持当前方位角继续前进，2s后若两个接收器接收到的信号和之前一样，机器鱼继续调整头部方位角，向区域c偏转方向，直至两个红外接收器同时只接收到来自区域c的红外信号，机器鱼进入到区域c，使机器鱼保持当前方位角继续前进；
机器鱼从区域c向近距离红外发射二极管的信号发射区域前进，当机器鱼接收到近距离红外发射二极管的信号时，控制板控制机器鱼降低游动速度，当机器鱼前进到某一时刻时，两个红外接收器同时接收不到近距离红外发射二极管的信号，则判定机器鱼已经到达充电桩的位置，控制板控制机器鱼停止游动，并进行充电。
作为优选实施例，GPS模块为ATK-NEO-6M-V23模块。
优选地，所述近距离红外发射二极管，在空气中的发射距离为1m，在水中的发射距离为0.8m，在水中的发射广角与空气中的发射广角相同都为17°。
优选地，所述远距离红外发射二极管，在空气中的发射距离为3.5m，在水中的发射距离为2.8m，在水中的发射广角与空气中的发射广角相同都为40°。
本发明的技术效果：
本发明所述方法能够让机器鱼在电量不足的情况下，能够自主确定自身相对于指定位置的方位，再通过姿态的调整自动返航进行充电，提高机器鱼的水下作业能力和续航能力，能够提高机器鱼在水下续航能力，并方便机器鱼的维修和保养。
附图说明
图1是初步定位工作流程图。
图2是红外发射二极管信号发射区域分布图。
图3是机器鱼红外接收器位置安装示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
仿生机器鱼的初步定位采用GPS进行，GPS是一种可以授时和测距的空间交会定点导航系统，随着电子技术的发展目前GPS用户接收机的体积越来越小，能够嵌入到各个载体当中，本发明中在机器鱼体内嵌入GPS模块、电量检测模块和控制板，电量检测模块和GPS模块均与控制板电性连接。但GPS导航定位，卫星所发射的信号属于微波信号，在水中传播损耗快、传播距离短，从而不能在水中传播，因此要利用GPS为机器鱼进行导航，机器鱼必须首先上浮到水面上。
初步定位的工作流程如图1所示，当机器鱼的电量检测模块检测到电量不足10％后，机器鱼中断并保存当前正在执行的任务。控制板发送上浮指令，使机器鱼上浮到水面，到达水面后机器鱼内置的GPS模块接收卫星信号，确定自身所处位置的三维坐标。同时向充电桩请求目标位置的三维坐标，充电桩通过射频将自身的位置坐标发送给机器鱼。机器鱼控制板根据自身三维坐标和充电桩的三维坐标，确定游动方向，此时，机器鱼完成初步定位开始进入精确定位阶段。
在初步定位阶段所采用的GPS定位模块是ATK-NEO-6M-V23模块，它是由是ALIENTEK生产的一款高性能GPS模块，模块核心采用UBLOX公司的NEO-6M模组，具有50个通道，追踪灵敏度可达-161dBm，测量输出频率最高可达5Hz，定位精度为2.0到2.5m之间。
在精确定位阶段仿生机器鱼利用红外导航，寻找充电桩。在充电桩上设有三个远距离红外发射二极管，其在空气中发射距离为3.5m，在水中发射的距离会有部分的损耗，因此实际在水中的发射距离为2.8m。空气中的发射广角为40°，在水中的发射广角与空气中的发射广角一致也为40°。三个远距红外发射二极管在安装时信号区域有部分重叠如图2所示，且每个红外发射二极管采用不同的编码方式，从而使机器鱼能够在接收到红外信号时，判断自身相对于充电桩的位置。此外在充电桩上还设置有一个近距离的红外发射二极管，其在空气中的发射距离为1m，在水中的发射距离为0.8m，水中的发射广角与空气中的发射广角相同都为17°。为了使机器鱼能够与充电桩实现精确的对接，近距离红外发射二极管发射的角度不宜过大，在理论上其发射角度越小定位越精确，但是角度越小机器鱼接收信号的难度越大，定位的难度也随之增高。在机器鱼上沿中心线两侧各装有一个红外信号接收器，分别为第一接收器1和第二接收器2，如图3所示，每个接收器的接收角度范围为90°，因此机器鱼能够检测到其前方180°范围内的红外信号。
当机器鱼进入精确定位区域后，由于机器鱼是在水面上，而充电桩设置在水下。要从水面直接定位到充电桩的位置，需要涉及到机器鱼的三维运动路径计算，过程较为复杂。因此当机器鱼进入精确定位区域后，首先进行降维运动。充电桩的位置坐标已知，其相对水面的深度也是已知的，机器鱼根据充电桩所在的位置深度确定自身要下潜深度，并下潜到充电桩所在位置的水平面，从而将三维定位问题转变为平面定位问题。
如图2所示，a、b、c、d、e分别表示各自区域所能接收到的信号类型，显然要使机器鱼与充电桩进行对接，就必须让机器鱼在区域c中沿直线行走，然后到达黑色区域，即近距红外发射二极管所在的区域。因此当机器鱼接收不到任何红外信号时，机器鱼通过C-形转弯调整自身方向。当接收到红外信号时，其可能存在如下几种类型的情况：
1)当仿生机器鱼从左侧进入定位区域时，若第一接收器1和第二接收器2有且只有一个接收到区域a的信号，机器鱼通过调整游动姿态，改变头部方位，使得两个接收器能够同时接收到区域a的信号。例如，只有第二接收器2能够接收到区域a的信号，那么机器鱼应向右调整方向，使得第一接收器1也能够接收到区域a的信号。当两接收器同时能够接收到来自区域a的信号时，计时器开始计时。若2s后还是只能接收到区域a的信号，机器鱼再像右侧调整方向，直到两个接收器中的任何一个或者同时检测到了来自区域b的信号，至此机器鱼进入下一阶段的方向调整。同理，机器鱼如果从右侧进入定位区域，调整过程与上述过程类似，最后使机器鱼进入到区域d。
2)若机器鱼从区域b或者区域d进入定位区域，此时机器鱼上的两个红外接收器至少有一个能够同时检测到两种不同的红外信号。如果机器鱼上的红外接收器接收到的是来自左侧和中间的红外发射二级管的信号，说明机器鱼是从区域b进入定位区域，此时机器鱼调整头部方位角使得两个红外接收器能够同时接收到来自左侧和中间的红外信号。若2s后还是只有接收到来自左侧和中间的红外的信号，机器鱼向右继续偏转，使第一接收器1同时接收到来自左侧和中间的红外的信号，第二接收器2只接收到来自中间的红外的信号。此时，机器鱼保持当前方位角继续前进，2s后若两个接收器接收到的信号和之前一样，机器鱼调整头部方位角，直至两个红外接收器同时只接收到来自中间的红外信号，机器鱼进入到区域c，开始下一阶段的调整。同理，机器鱼如果从d区域进入定位区域，调整过程与上述过程一致，最后也使机器鱼到达区域c。
3)机器鱼从区域c进定位区域时，两个红外接收器都只能接收到来自中间的红外信号，由于机器鱼进入区域c的方位不一定正对着充电桩的位置，在运动的过程中可能会重新进入到区域b和d，此时机器鱼按照2)种所述方法进行调整。因此，此时机器鱼实际上是以“S”形的路径不断向充电桩靠近，逐渐进入黑色区域，即近距红外发射二极管所在的区域。在机器鱼不断靠近充电桩的过程中，由于机器鱼自身有宽度，不能简化成为质点。可能出现第一接收器1接收到了来自左侧和中间的红外信号，同时第二接收器2接收到了来自右侧和中间的红外信号，此时判定机器鱼进入近距红外发射器的覆盖区域，机器鱼开始接收近距红外信号，控制板控制机器鱼降低游动速度。
4)在近距红外覆盖区域机器鱼以“S”形路线前进，保证第一接收器1和第二接收器2至少有一个能够接收到近距红外的信号，随着机器鱼的前进在某一时刻两个红外接收器会同时接收不到近距红外信号，此时判定机器鱼已经到达充电桩的位置，控制板控制机器鱼停止运动，并进行充电。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法，其特征在于，所述机器鱼内置有控制板，电量检测模块和GPS模块均与控制板电性连接，水下距离水面一定距离处设置有供机器鱼充电的充电桩，充电桩上设有三个远距离红外发射二极管和一个近距离红外发射二极管，且每个红外发射二极管采用不同的编码方式，其中一个远距离红外发射二极管设置于近距离红外发射二极管的正前方，设该远距离红外发射二极管的信号发射区域为c，近距离红外发射二极管的信号发射区域位于c内，其他两个远距离红外发射二极管各对称设置于近距离红外发射二极管前方的左右两侧，这两个远距离红外发射二极管的信号发射区域分别为a、e，三个远距离红外发射二极管的信号区域部分重叠，即区域a与c的重叠部分为区域b，区域e与c的重叠部分为区域d，在机器鱼上沿中心线两侧各装有一个红外信号接收器，记为第一接收器和第二接收器，每个红外信号接收器的接收角度范围为90°；
定位包括初步定位和精确定位两个过程；
初步定位包括：当机器鱼的电量检测模块检测到电量不足10％后，机器鱼中断并保存当前正在执行的任务；机器鱼的控制板发送上浮指令，使机器鱼上浮到水面，到达水面后机器鱼内置的GPS模块接收卫星信号，确定自身所处位置的三维坐标；同时控制板向充电桩发送请求充电桩所在三维坐标的指令，充电桩通过射频将自身的位置坐标发送给机器鱼，机器鱼控制板根据自身三维坐标和充电桩的三维坐标，确定游动方向；
精确定位包括：机器鱼在水面上接收到充电桩的三维坐标信息后，垂直下潜至水下充电桩所在水平面位置，机器鱼向充电桩游动：
若第一接收器和第二接收器有且只有一个接收到区域a的信号，机器鱼通过调整游动姿态，改变头部方位，使得两个接收器能够同时接收到区域a的信号；当两接收器同时能够接收到来自区域a的信号时，计时器开始计时，若2s后还是只能接收到区域a的信号，机器鱼向区域b偏转方向，直到两个接收器同时检测到了来自区域b的信号,使机器鱼保持当前方位角继续前进；若2s后还是只能接收到来自区域b的信号，使机器鱼向区域c偏转方向，使第一接收器接收到区域b的信号，第二接收器只接收到区域c的信号，使机器鱼保持当前方位角继续前进，2s后若两个接收器接收到的信号和之前一样，机器鱼继续调整头部方位角，向区域c偏转方向，直至两个红外接收器同时只接收到来自区域c的红外信号，机器鱼进入到区域c，使机器鱼保持当前方位角继续前进；
若第一接收器和第二接收器有且只有一个接收到区域e的信号，机器鱼通过调整游动姿态，改变头部方位，使得两个接收器能够同时接收到区域e的信号；当两接收器同时能够接收到来自区域e的信号时，计时器开始计时，若2s后还是只能接收到区域e的信号，机器鱼向区域d偏转方向，直到两个接收器同时检测到了来自区域d的信号,使机器鱼保持当前方位角继续前进；若2s后还是只能接收到来自区域d的信号，使机器鱼向区域c偏转方向，使第一接收器接收到区域c的信号，第二接收器只接收到区域d的信号，使机器鱼保持当前方位角继续前进，2s后若两个接收器接收到的信号和之前一样，机器鱼继续调整头部方位角，向区域c偏转方向，直至两个红外接收器同时只接收到来自区域c的红外信号，机器鱼进入到区域c，使机器鱼保持当前方位角继续前进；
机器鱼从区域c向近距离红外发射二极管的信号发射区域前进，当机器鱼接收到近距离红外发射二极管的信号时，控制板控制机器鱼降低游动速度，当机器鱼前进到某一时刻时，两个红外接收器同时接收不到近距离红外发射二极管的信号，则判定机器鱼已经到达充电桩的位置，控制板控制机器鱼停止游动，并进行充电。
2.根据权利要求1所述的结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法，其特征在于：GPS模块为ATK-NEO-6M-V23模块。
3.根据权利要求2所述的结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法，其特征在于：所述近距离红外发射二极管，在空气中的发射距离为1m，在水中的发射距离为0.8m，在水中的发射广角与空气中的发射广角相同都为17°。
4.根据权利要求1所述的结合GPS与红外导航的机器鱼返航定位方法，其特征在于：所述远距离红外发射二极管，在空气中的发射距离为3.5m，在水中的发射距离为2.8m，在水中的发射广角与空气中的发射广角相同都为40°。
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