CN108776484A - 水下方向调整方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种水下方向调整方法和装置。所述方法包括根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。本申请解决了水下机器人的实时姿态的参照数据单一，并不能准确地反映水下机器人的实时姿态的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种水下方向调整方法和装置。
背景技术
水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。因为，水下机器人需要在水下广泛的区域内进行搜索、取样等工作，因此，工作时需要对水下机器人的水下方向调整，以使水下机器人在水下广泛的区域内运行。
现有技术中，水下机器人的水下方向调整方法，通过本端建立的机器坐标系获取本端的实时姿态数据，根据实时姿态数据可以实现对水下机器人的水下运行方向进行调整。
在实施本申请实施例的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术中，获取实时姿态数据都是基于自身建立的机器坐标系，水下机器人的实时姿态的参照数据单一，并不能准确地反映水下机器人的实时姿态。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种水下方向调整方法和装置，以解决水下机器人相对于实时姿态的参照数据单一，并不能准确地反映水下机器人的实时姿态的问题。
为了实现上述目的，第一方面，本申请实施例提供的一种水下方向调整方法，包括：
根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及
根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；
对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；
将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。
可选地，根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，包括：
建立大地坐标系以及本端的机器坐标系；
获取本端实时所受的重力，并根据机器坐标系对本端实时所受的重力进行分解，得到第一测算数据；
根据本端实时所受的重力与大地坐标系对应关系对第一测算数据进行数据转换，得到本端相对于大地坐标系的第一实时姿态数据。
可选地，根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据，包括：
通过陀螺仪获取本端的实时角速度，并根据机器坐标系对实时角速度进行分解运算，得到第二测算数据；
对第二测算数据进行数据转换，得到本端相对于大地坐标系的第一实时姿态数据。
可选地，对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据，包括：
对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第四实时姿态数据；
通过磁力计获取本端的参考角度，并根据参考角度对第四实时姿态数据进行矫正，得到第三实时姿态数据。
可选地，本水下方向调整方法还包括：
接收控制指令，其中，控制指令包括目标位置或目标方向；
执行控制指令，以使本端根据控制指令生成目标角度。
第二方面，本申请实施例提供的一种水下方向调整装置，包括：
姿态获取模块，用于根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；
数据融合模块，用于对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；
运算执行模块，用于将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。
可选地，姿态获取模块，用于：
建立大地坐标系以及本端的机器坐标系；
获取本端实时所受的重力，并根据机器坐标系对本端实时所受的重力进行分解，得到第一测算数据；
根据本端实时所受的重力与大地坐标系对应关系对第一测算数据进行数据转换，得到本端相对于大地坐标系的第一实时姿态数据。
可选地，姿态获取模块，用于：
通过陀螺仪获取本端的实时角速度，并根据所述机器坐标系对所述实时角速度进行分解运算，得到第二测算数据；
对所述第二测算数据进行数据转换，得到本端相对于所述大地坐标系的第一实时姿态数据。
可选地，数据融合模块，用于：
对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第四实时姿态数据；
通过磁力计获取本端的参考角度，并根据参考角度对第四实时姿态数据进行矫正，得到第三实时姿态数据。
可选地，本水下方向调整装置还包括接收模块；
接收模块，用于接收控制指令，其中，控制指令包括目标位置或目标方向；
运算执行模块，还用于执行控制指令，以使本端根据控制指令生成目标角度。
在本申请实施例中提供的水下方向调整方法，通过根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。这样，通过引入新的实时姿态参照因素，得到两个实时姿态数据，再将两个实时姿态数据进行数据融合，从而提高了获取的水下机器人的实时姿态数据的准确率，实现了更加精准地对水下机器人的运行方向进行控制的技术效果，进而解决了现有技术中水下机器人的实时姿态的参照数据单一，并不能准确地反映水下机器人的实时姿态的技术问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的一种水下方向调整方法的流程图；
图2是根据本申请实施例的一种步骤S100的流程图；
图3是根据本申请实施例的一种步骤S200的流程图；
图4是根据本申请实施例的一种步骤S300的流程图；
图5是根据本申请实施例的另一种水下方向调整方法的流程图；
图6是根据本申请实施例的一种水下方向调整装置的结构示意图；
图7是根据本申请实施例的另一种水下方向调整装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本申请实施例提供了一种水下方向调整方法，如图1所示，该方法包括如下的步骤S100和步骤S400：
S100，根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据。
在本实施例中，水下机器人的本端中至少安装有重力加速度计或者三轴加速度传感器，可以通过该重力加速度计获取本端实时所受的重力，因为，该重力方向为始终指向大地的地心方向，因此，以本端所受的重力作为本端的装备姿态的参照，可以获取本端的第一实时姿态数据。其中，该第一实时姿态数据至少包括本端对应的滚动角、俯仰角和偏航角中的任意一种或多种。
S200，根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据。
在本实施例中，水下机器人的本端中至少安装有陀螺仪和磁力计等感应装置，可以根据陀螺仪获取本端的实时角速度，并基于陀螺仪原理，进而得到本端的第二实时姿态数据。其中，该第二实时姿态数据至少包括本端对应的滚动角、俯仰角和偏航角中的任意一种或多种。另外，该感应装置也可以是其他可以用于感应角度、角速度、重力、惯性等属性的装置。
S300，对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据。
在本实施例中，第一实时姿态数据和第二实时姿态数据是通过不同的参照因素生成两组关于本端的实时姿态数据，因为两组实时姿态数据有不同参照因素，因此，第一实时姿态数据和第二实时姿态数据不同，需要对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合，获得更为准确地本端的第三实时姿态数据。
S400，将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。
在本实施例中，目标角度为本端下一时刻需要本端对准的方向或者水下行驶方向，通过本端当前时刻的第三实时姿态数据与目标角度比较，对第三实时姿态数据和目标角度进行计算，得到本端需要作出的方向调整值，其中，方向调整值的取值可以为0，当方向调整值的取值为0时，本端无需调整方向；本端得到方向调整值后，需要根据该方向调整值生成驱动运行单元可以识别的运行指令，将该运行指令发送给本端的驱动运行单元后，驱动运行单元执行该运行指令调整运行方向。这样，通过本步骤S400能够根据运行指令完成水下对于水下机器人不可视环境下的方向调整，而且能够在水流或者其他外界环境的干扰下保持水平姿态稳定。
如图2所示，可选地，S100，根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，包括如下的步骤S110至步骤S130：
S110，建立大地坐标系以及本端的机器坐标系。
在本实施例中，根据实际参照需要设置一个大地坐标系，再根据本端的外形结构或者功能结构位置设置本端的机器坐标系。其中，大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系，地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示，大地坐标系的确立包括选择一个椭球、对椭球进行定位和确定大地起算数据。
S120，获取本端实时所受的重力，并根据机器坐标系对本端实时所受的重力进行分解，得到第一测算数据。
在本实施例中，通过重力传感器或者加速度计获取本端实时所受的重力，根据根据机器坐标系对本端实时所受的重力进行分解得到第一测算数据，该第一测算数据具体为一个对应机器坐标系的重力分解矩阵。
S130，根据本端实时所受的重力与大地坐标系对应关系对第一测算数据进行数据转换，得到本端相对于大地坐标系的第一实时姿态数据。
在本实施例中，本端实时所受的重力指向大地坐标系中的原点，因此，对第一测算数据进行数据转换，可以得到机器坐标系与大地坐标系的对应关系，从而得到本端相对于大地坐标系的第一实时姿态数据。
如图3所示，可选地，S200，根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据，包括如下的步骤S210和步骤S220：
S210，通过陀螺仪获取本端的实时角速度，并根据机器坐标系对所述实时角速度进行分解运算，得到第二测算数据；
在本实施例中，通过陀螺仪获取本端的实时角速度，再根据机器坐标系对实时角速度进行分解，得到该实时角速度对应机器坐标系的各轴向上的分量，再对每个分量进行积分，得到对应机器坐标系的各轴向上的角度，第二测算数据包括对应机器坐标系的各轴向上的角度。
S220，对第二测算数据进行数据转换，得到本端相对于大地磁场的第二实时姿态数据。
在本实施例中，基于陀螺仪的数据转换方式，对第二测算数据进行数据转换，将对应机器坐标系的各轴向上的角度换算为对应大地坐标系的各轴向上的角度，第二实时姿态数据包括对应大地坐标系的各轴向上的角度。
如图4所示，可选地，S300，对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据，包括如下的步骤S310至步骤S320：
S310，对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第四实时姿态数据。
在本实施例中，对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，可以通过卡尔曼滤波对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合处理，从而得到本端的第四实时姿态数据，其中，卡尔曼滤波是一个最优化自回归数据处理算法，通过平均加权处理，能够将多组数据计算得到一组最准确的数据。这样，通过至少两种上述实时姿态数据进行卡尔曼滤波数据融合，得到的实时姿态数据更为准确，解决了目前实时姿态数据由单一数据决定，导致实时姿态数据不准确的问题，例如，现有技术中通过陀螺仪获取的实时姿态数据，会受到许多因素干扰(例如噪声)，导致单一由陀螺仪获取的实时姿态数据不准确。此外，该第四实时姿态数据至少包括本端对应的滚动角、俯仰角和偏航角中的任意一种或多种。
S320，通过磁力计获取本端的参考角度，并根据参考角度对第四实时姿态数据进行矫正，得到第三实时姿态数据。
在本实施例中，采用磁力计可以检测出本端相对大地磁场北的角度，将该角度作为参考角度，通过参考角度对应第四实时姿态数据包括的数据进行矫正。其中，该第三实时姿态数据至少包括本端对应的滚动角、俯仰角和偏航角中的任意一种或多种。
如图5所示，可选地，本水下方向调整方法还包括如下的步骤S510和步骤S520：
S510，接收控制指令，其中，控制指令包括目标位置或目标方向。
在本实施例中，该控制指令可以通过与本端建立有通讯连接的控制终端发出，该控制指令可以包括将某一个位置作为本端的目标位置，该目标位置为本端需要达到的位置，同时，该控制指令还可以包括某一个方向作为本端的目标方向，本端在下一时刻需要对准该方向。
S520，执行控制指令，以使本端根据控制指令生成目标角度。
在本实施例中，当控制指令中包括目标位置时，根据目标位置对应本端的位置以及本端当前行驶方向，确定目标位置与本端位置的连线与本端当前行驶方向之间形成的角度，该角度即为目标角度。确定生成该目标角度后，再进行步骤S400，以使本端调整行驶角度向目标角度行驶。
在本申请实施例中提供的水下方向调整方法，通过S100，根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及S200，根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；S300，对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；S400，将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。这样，通过引入新的实时姿态参照因素，得到两个实时姿态数据，再将两个实时姿态数据进行数据融合，从而提高了获取的水下机器人的实时姿态数据的准确率，实现了更加精准地对水下机器人的运行方向进行控制的技术效果，进而解决了现有技术中水下机器人的实时姿态的参照数据单一，并不能准确地反映水下机器人的实时姿态的技术问题。
基于与上述水下方向调整方法相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种水下方向调整装置，如图6所示，包括：
姿态获取模块10，用于根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；
数据融合模块20，用于对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；
运算执行模块30，用于将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。
可选地，姿态获取模块10，用于：
建立大地坐标系以及本端的机器坐标系；
获取本端实时所受的重力，并根据机器坐标系对本端实时所受的重力进行分解，得到第一测算数据；
根据本端实时所受的重力与大地坐标系对应关系对第一测算数据进行数据转换，得到本端相对于大地坐标系的第一实时姿态数据。
可选地，姿态获取模块10，用于：
通过陀螺仪获取本端的实时角速度，并根据机器坐标系对实时角速度进行分解，得到第二测算数据，以及通过磁力计获取本端相对于大地磁场一预设方向的测算角度；
根据测算角度对第二测算数据进行运算，得到本端相对于大地磁场的第二实时姿态数据。
可选地，数据融合模块20，用于：
对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第四实时姿态数据；
通过磁力计获取本端的参考角度，并根据参考角度对第四实时姿态数据进行矫正，得到第三实时姿态数据。
可选地，如图6所示，本水下方向调整装置还包括接收模块40；
接收模块40，用于接收控制指令，其中，控制指令包括目标位置或目标方向；
运算执行模块30，还用于执行控制指令，以使本端根据控制指令生成目标角度。
在本申请实施例中提供的水下方向调整方法，通过姿态获取模块10，用于根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及根据本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；数据融合模块20，用于对第一实时姿态数据和第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；运算执行模块30，用于将第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据运行指令调整运行方向。这样，通过引入新的实时姿态参照因素，得到两个实时姿态数据，再将两个实时姿态数据进行数据融合，从而提高了获取的水下机器人的实时姿态数据的准确率，实现了更加精准地对水下机器人的运行方向进行控制的技术效果，进而解决了现有技术中水下机器人的实时姿态的参照数据单一，并不能准确地反映水下机器人的实时姿态的技术问题。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水下方向调整方法，其特征在于，用于对水下机器人的运行方向进行调整，所述方法包括：
根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及
根据所述本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；
对所述第一实时姿态数据和所述第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；
将所述第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据所述方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据所述运行指令调整运行方向。
2.根据权利要求1所述的水下方向调整方法，其特征在于，所述根据所述本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，包括：
建立大地坐标系以及本端的机器坐标系；
获取所述本端实时所受的重力，并根据所述机器坐标系对所述本端实时所受的重力进行分解，得到第一测算数据；
根据所述本端实时所受的重力与所述大地坐标系对应关系对所述第一测算数据进行数据转换，得到本端相对于所述大地坐标系的第一实时姿态数据。
3.根据权利要求2所述的水下方向调整方法，其特征在于，所述根据所述本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据，包括：
通过陀螺仪获取本端的实时角速度，并根据所述机器坐标系对所述实时角速度进行分解运算，得到第二测算数据；
对所述第二测算数据进行数据转换，得到本端相对于所述大地坐标系的第一实时姿态数据。
4.根据权利要求1所述的水下方向调整方法，其特征在于，对所述第一实时姿态数据和所述第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据，包括：
对所述第一实时姿态数据和所述第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第四实时姿态数据；
通过磁力计获取本端的参考角度，并根据所述参考角度对所述第四实时姿态数据进行矫正，得到第三实时姿态数据。
5.根据权利要求1所述的水下方向调整方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收控制指令，其中，所述控制指令包括目标位置或目标方向；
执行所述控制指令，以使本端根据所述控制指令生成目标角度。
6.一种水下方向调整装置，其特征在于，用于对水下机器人的运行方向进行调整，所述装置包括：
姿态获取模块，用于根据本端实时所受的重力获取本端的第一实时姿态数据，以及根据所述本端的实时角速度获取本端的第二实时姿态数据；
数据融合模块，用于对所述第一实时姿态数据和所述第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第三实时姿态数据；
运算执行模块，用于将所述第三实时姿态数据与目标角度进行运算，得到方向调整值，并根据所述方向调整值生成运行指令，以使本端包括的驱动运行单元根据所述运行指令调整运行方向。
7.根据权利要求6所述的水下方向调整装置，其特征在于，所述姿态获取模块，用于：
建立大地坐标系以及本端的机器坐标系；
获取所述本端实时所受的重力，并根据所述机器坐标系对所述本端实时所受的重力进行分解，得到第一测算数据；
根据所述本端实时所受的重力与所述大地坐标系对应关系对所述第一测算数据进行数据转换，得到本端相对于所述大地坐标系的第一实时姿态数据。
8.根据权利要求7所述的水下方向调整装置，其特征在于，所述姿态获取模块，用于：
通过陀螺仪获取本端的实时角速度，并根据所述机器坐标系对所述实时角速度进行分解运算，得到第二测算数据；
对所述第二测算数据进行数据转换，得到本端相对于所述大地坐标系的第一实时姿态数据。
9.根据权利要求6所述的水下方向调整装置，其特征在于，所述数据融合模块，用于：
对所述第一实时姿态数据和所述第二实时姿态数据进行数据融合运算，得到本端的第四实时姿态数据；
通过磁力计获取本端的参考角度，并根据所述参考角度对所述第四实时姿态数据进行矫正，得到第三实时姿态数据。
10.根据权利要求6所述的水下方向调整装置，其特征在于，所述装置还包括接收模块；
所述接收模块，用于接收控制指令，其中，所述控制指令包括目标位置或目标方向；
所述运算执行模块，还用于执行所述控制指令，以使本端根据所述控制指令生成目标角度。
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