CN109188484B - 一种有缆水下机器人定位装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有缆水下机器人定位装置及其定位方法，其中，定位装置包括定位线控制装置和水面定位装置，定位线控制装置安装在水下机器人上，水面定位装置包括可漂浮在水面上的浮体，浮体内设置有GPS信号发射器，定位线控制装置包括定位线和可收卷定位线的卷筒，定位线的一端卷绕在卷筒上，另一端与浮体连接。本发明通过在水面上设置一个与水下机器人跟随运动且内设GPS信号发射器的浮体，从而可以间接测量水下机器人的坐标位置，避免了传统水下机器人无法获取准确水下坐标，以及采用基线定位装置价格昂贵、无法推广的问题，从而为水下科考、观测等作业提供了极大的便利。

Description

一种有缆水下机器人定位装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种有缆水下机器人定位装置及其定位方法。

背景技术

目前，有缆水下机器人在水下探测、水下观察等方面应用日趋广泛。这类水下机器人的总体价格不高，通常不具备水下定位功能，在一些需要获取水下位置的作业任务时，如获取水下沉船的位置时，这类水下机器人通常不能满足作业要求。而现有的带有水下定位功能的有缆水下机器人通常采用基线定位，但是基线定位装置价格昂贵，严重制约了基线定位装置在水下机器人中的应用。

由此可见，发明一种方便经济的有缆水下机器人定位装置，对水下机器人的推广应用具有重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种有缆水下机器人定位装置及其定位方法。

为实现上述目的，本发明首先公开了一种有缆水下机器人定位装置，包括定位线控制装置和水面定位装置，所述定位线控制装置安装在水下机器人上，所述水面定位装置包括可漂浮在水面上的浮体，所述浮体内设置有GPS信号发射器，所述定位线控制装置包括定位线和可收卷所述定位线的卷筒，所述定位线的一端卷绕在所述卷筒上，另一端与所述浮体连接。

进一步的，所述定位线控制装置设置在所述水下机器人的中垂面位置，还包括用于回收定位线的弹性元件和驱动所述卷筒的电动机，所述弹性元件、卷筒和电动机同轴连接。

进一步的，所述弹性元件为恒力弹性元件，且其稳定输出的弹性力不小于所述浮体的最大浮力的10%。

进一步的，所述浮体为一内部空心的浮球，所述GPS信号发射器设置于所述浮球内部。进一步的，所述定位线控制装置还包括一密封的电子舱，所述电子舱内设置有压力传感器和水下控制器，所述水下控制器与所述电动机连接。

进一步的，还包括一定位接收装置，所述定位接收装置包括GPS信号接收器和水上控制器，所述定位接收装置与电子舱电气连接，且所述水上控制器与所述水下控制器电气连接。

进一步的，所述定位线的抗拉强度大于所述水下机器人最大推进力F的5倍，且该定位线的重量小于所述水下机器人最大推进力F的0.5%。

进一步的，所述浮体的最大浮力不小于所述水下机器人最大推进力F的30%。

然后，本发明公开了一种有缆水下机器人定位方法，包括上述的有缆水下机器人定位装置，其特征在于，当水下机器人下潜到目的位置、且需要获取水下机器人在水下的地理位置时，所述水上控制器控制启动电动机，电动机驱动卷筒产生收线动作，定位线对浮体施加向下的拉力，当定位线产生的拉力等于所述浮体的最大浮力时，电动机停止转动，延时Δt，第一次延时后，所述水上控制器控制启动电动机，电动机驱动卷筒进行第二次产生收线动作，所述定位线第二次对浮体施加向下的拉力，当定位线产生的拉力等于浮体的最大浮力时，电动机停止转动，延时Δt后，GPS信号接收器采集浮体中GPS信号发射器的GPS信号，GPS信息加上水下机器人的水深信息就可以获得水下机器人的地理位置。

进一步的，所述Δt取值如下：

式中，h为水下机器人与水面的距离，通过获取电子舱中压力传感器的输出信号获得，其单位为m，Δt的单位为s。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过在水面上设置一个与水下机器人跟随运动且内设GPS信号发射器的浮体，从而可以间接测量水下机器人的坐标位置，避免了传统水下机器人无法获取准确水下坐标，以及采用基线定位装置价格昂贵、无法推广的问题，从而为水下科考、观测等作业提供了极大的便利。同时，通过电两次延时以及定位线收卷动作，让浮球尽可能处于水下机器人的正上方，从而提高水下机器人的定位精度。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例公开的安装有水下机器人定位装置的水下机器人下潜过程的工作示意图；

图2是本发明优选实施例公开的安装有水下机器人定位装置的水下机器人的俯视示意图；

图3是本发明优选实施例公开的有缆水下机器人定位装置获取地理位置时的结构示意图。

图例说明：

1、水下机器人；11、下横梁；12、电子舱；121、压力传感器；122、水下控制器；13、上横梁；111、复合电缆；112、电动机电缆；2、定位线控制装置；21、电动机；22、卷筒；23、定位线；24、弹性元件；3、水面定位装置；31、浮球；32、GPS信号发射器；4、定位接收装置；41、水上控制器；42、GPS信号接收器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-图3所示，本发明首先公开了一种有缆水下机器人定位装置，包括定位线控制装置2、水面定位装置3和定位接收装置4，其中，定位线控制装置2安装在水下机器人1上，其上的部件均相对水下机器人1的中垂面对称设置，从而保持水下机器人1的左右平衡，定位接收装置4设置在水面上，比如浮在水面上的工作母船，水面定位装置3通过定位线23与水下机器人1跟随运动，进而间接获取水下机器人1的地表坐标。

具体的，水下机器人1为一框架式结构，包括下横梁11和上横梁13，下横梁11上安装有密封的电子舱12，电子舱12内设置有压力传感器121和水下控制器122，压力传感器121和水下控制器122电气连接，电子舱12通过复合电缆111与定位接收装置4连接，通过电动机电缆112控制电动机21的动作；而定位线控制装置2包括电动机21、卷筒22、定位线23和弹性元件24，电动机21、卷筒22、弹性元件24均同轴安装在上横梁13上，水面定位装置3包括空心的浮球31和GPS信号发射器32，浮球31通过定位线23与卷筒22连接，GPS信号发射器32设置于浮球31内部，其中，定位线23的一端卷绕在卷筒22上，另一端与浮球31连接，从而确保浮球31对水下机器人1的跟随，水下机器人1下潜时，电动机21不动作，浮球31受到的浮力大于弹性元件24产生的弹性力，浮球31始终浮在水面上，弹性元件24储存弹性势能；而水下机器人1上浮时，电动机21不动作，弹性元件24释放弹性势能，定位线23在弹性元件24产生的弹性力的作用下自动缠绕在卷筒22上。而浮球31的设置可以减少水面的阻力，进而减少对水下机器人1的干扰。定位接收装置4包括水上控制器41和GPS信号接收器42，水上控制器41通过复合电缆111与电子舱12连接，且水上控制器41与GPS信号接收器42电气连接。GPS信号接收器42用来接受GPS信号发射器32的实时位置坐标。

考虑到水下特殊的作业环境，在本实施例中，复合电缆111的重量小于水下机器人最大推进力F的1%，从而以尽量减小复合电缆111对水下机器人运动灵活性的影响，同时，定位线23采用高强度线，其中，定位线23的抗拉强度大于水下机器人最大推进力F的5倍，定位线23的重量小于水下机器人最大推进力F的0.5%，一方面要确保定位线23具有足够的强度，另一方面尽量减小定位线23对水下机器人运动灵活性的影响。同时，浮球31的最大浮力不小于水下机器人最大推进力F的30%，确保水下机器人定位时有足够大的拉力将浮球31拽至水下机器人的正上方。

在本实施例中，弹性元件24为恒力弹性元件，一方面确保水下机器人下潜时，定位线23有足够的拉力拖动浮球31跟随水下机器人一起运动，另一方面确保水下机器人上浮时，定位线23有足够的卷收力将定位线23卷收在卷筒22上。

此外，本发明同时给出了一种基于上述有缆水下机器人定位装置的定位方法，其定位过程如下，当水下机器人下潜到目的位置、且需要获取水下机器人在水下的地理位置时，水上控制器41通过复合电缆111给电子舱12下达启动电动机21的控制信号，电动机21带着卷筒22产生收线动作，当卷筒22的驱动力等于浮球31的最大浮力时，电动机21停止转动，然后延时Δt

式中，h为水下机器人与水面的距离，通过获取电子舱中压力传感器的输出信号获得，其单位为m，Δt的单位为s。

第一次延时Δt后，水上控制器41通过复合电缆111给电子舱12第二次下达启动电动机21的控制信号，电动机21带着卷筒22第二次产生收线动作，当卷筒22的驱动力等于浮球31的最大浮力时，电动机21第二次停止转动，延时Δt，第二次延时Δt后，水上控制器41通过GPS信号接收器42采集GPS信号发射器32的GPS信号，从而获得水下机器人在水下的坐标位置，同时水上控制器41通过获取电子舱12中压力传感器121的信号获得水下机器人在水中的深度，从而获得水下机器人的全部位置信息。

本发明的工作原理及优点如下：

本发明在水面布置了一个浮球31，浮球31和水下机器人1之间通过高强度轻质的定位线23连接，当水下机器人在水下运动时，浮球31一方面拉着定位线23克服弹性元件24的弹性力从卷筒22上伸出来，浮球31另一方面还通过定位线23的牵引作用跟着水下机器人1一起运动，浮球31内安装了GPS信号发射器32，GPS信号发射器32可以实时获取浮球31的地理位置，水上控制器41与GPS信号接收器42连接，水上控制器41通过获取浮球31的GPS信号间接获取水下机器人的地理位置，如图3所示；与此同时，水上控制器41通过获取电子舱12中压力传感器121的信号获取水下机器人在水中的深度，从而获得水下机器人的全部位置信息。

在水下机器人1的运动过程中，浮球31的位置通常滞后于水下机器人位置，为了提高浮球31对水下机器人1的跟随精度，采取了如下措施：一方面让定位线23始终保持一定的弹性力，从而让定位线23处于绷紧状态，尽量不影响水下机器人1运动的灵活性，弹性元件24产生的弹性力通常为水下机器人1最大推进力F的3%~5%；另一方面，当水下机器人1下潜到目的位置、且需要获取水下位置时，水上控制器41通过复合电缆111给电子舱12下达启动电动机21的控制信号，电动机21带着卷筒22产生收线动作，在卷筒22的驱动力作用下，定位线23进一步绷紧，当卷筒22的驱动力等于浮球31的最大浮力时，电动机21停止转动，浮球31将沿着垂直向上的方向上浮，浮球31与水下机器人1之间的距离得到缩小。延时Δt后，水上控制器41通过复合电缆111给电子舱12第二次下达启动电动机21的控制信号，电动机21第二次带着卷筒22产生收线动作，在卷筒22的驱动力作用下，定位线23进一步绷紧，当卷筒22的驱动力等于浮球31的最大浮力时，电动机21停止转动，浮球31将沿着垂直向上的方向上浮，浮球31与水下机器人1之间的距离进一步得到缩小。第二次延时Δt后，水上控制器41通过GPS信号接收器42采集GPS信号发射器32的GPS信号，从而获得水下机器人1的地理位置。

在上述水下机器人1水中位置获取方法中，采用电动机21两次卷收定位线23的目的是让浮球31尽可能处于水下机器人1的正上方，从而提高获取水下机器人地理位置的精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种有缆水下机器人定位方法，其特征在于，采用一有缆水下机器人定位装置，装置包括定位线控制装置（2）、定位接收装置（4）和水面定位装置（3），所述定位线控制装置（2）安装在水下机器人（1）上，所述水面定位装置（3）包括可漂浮在水面上的浮体，所述浮体内设置有GPS信号发射器（32），所述定位线控制装置（2）包括定位线（23）和可收卷所述定位线（23）的卷筒（22），所述定位线（23）的一端卷绕在所述卷筒（22）上，另一端与所述浮体连接；所述定位接收装置（4）包括GPS信号接收器（42）和水上控制器（41），所述定位接收装置（4）与电子舱（12）电气连接，且所述水上控制器（41）与所述水下控制器（122）电气连接；

当水下机器人（1）下潜到目的位置、且需要获取水下机器人（1）在水下的地理位置时，所述水上控制器（41）控制启动电动机（21），电动机（21）驱动卷筒（22）产生收线动作，定位线（23）对浮体施加向下的拉力，当定位线（23）产生的拉力等于所述浮体的最大浮力时，电动机（21）停止转动，延时Δt，第一次延时后，所述水上控制器（41）控制启动电动机（21），电动机（21）驱动卷筒（22）进行第二次产生收线动作，所述定位线（23）第二次对浮体施加向下的拉力，当定位线（23）产生的拉力等于浮体的最大浮力时，电动机（21）停止转动，延时Δt后，GPS信号接收器（42）采集浮体中GPS信号发射器（32）的GPS信号，GPS信息加上水下机器人（1）的水深信息就可以获得水下机器人（1）的地理位置。

2.根据权利要求1所述的有缆水下机器人定位方法，其特征在于，所述Δt取值如下：

式中，h为水下机器人（1）与水面的距离，通过获取电子舱（12）中压力传感器（121）的输出信号获得，其单位为m，Δt的单位为s。

3.根据权利要求1所述的有缆水下机器人定位方法，其特征在于，所述定位线控制装置（2）设置在所述水下机器人（1）的中垂面位置，还包括用于回收定位线（23）的弹性元件（24）和驱动所述卷筒（22）的电动机（21），所述弹性元件（24）、卷筒（22）和电动机（21）同轴连接。

4.根据权利要求3所述的有缆水下机器人定位方法，其特征在于，所述弹性元件（24）为恒力弹性元件，且其稳定输出的弹性力不小于所述浮体的最大浮力的10%。

5.根据权利要求4所述的有缆水下机器人定位方法，其特征在于，所述浮体为一内部空心的浮球（31），所述GPS信号发射器（32）设置于所述浮球（31）内部。

6.根据权利要求5所述的有缆水下机器人定位方法，其特征在于，所述定位线控制装置（2）还包括一密封的电子舱（12），所述电子舱（12）内设置有压力传感器（121）和水下控制器（122），所述水下控制器（122）与所述电动机（21）连接。

7.根据权利要求1-6任一所述的有缆水下机器人定位方法，其特征在于，所述定位线（23）的抗拉强度大于所述水下机器人（1）最大推进力F的5倍，且该定位线（23）的重量小于所述水下机器人（1）最大推进力F的0.5%。

8.根据权利要求1-6任一所述的有缆水下机器人定位方法，其特征在于，所述浮体的最大浮力不小于所述水下机器人（1）最大推进力F的30%。