CN109507658A - 一种水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置，属于水下机器人追踪技术领域，包括位于水下机器人上的信号发生系统和与海底观测网通讯连接的海底基站；信号发生系统包括用于感知激光方向的位置探测器、用于产生光信号的三个发光体以及第一控制器，第一控制器根据位置探测器感知到的激光方向对发光体进行姿态调整；海底基站包括固定在海床上的底座、活动安装在底座上的激光发生器、用于拍摄发光体的摄像头以及第二控制器，摄像头的拍摄方向与激光发生器的激光发射方向相同，第二控制器控制激光发生器和摄像头的姿态并根据摄像头拍摄的发光体的图像计算水下机器人的位置和姿态。

Description

一种水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置

技术领域

本发明涉及水下机器人追踪技术领域，具体地说，涉及一种水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置。

背景技术

水下机器人常用的定位方式是基于声学的方法，具有通信传输距离远的特点，如公布号为CN108227744A的中国专利文献公开的水下机器人定位导航系统及定位导航以及公布号为CN108020815A的中国专利文献公开的定位水下机器人的方法、设备及存储设备，均通过对声呐发送的声波信号进行处理实现定位，其功耗较大。

光学定位具有空间分辨率高的特点，适合于近距离高精度定位。常用的方法是利用脉冲激光光源并辅助飞行时间采样对水下回射器进行距离探测，最大探测距离可达到100米，但飞行时间探测需要超高速模数转换器与大功率纳秒脉冲激光源，设备成本极高，功耗较大。

基于飞行时间的测距精度高，且精度不受距离影响，但利用飞行时间测距对硬件要求较高，且需要抑制水体的后向散射(Han J，Yang K，Sun L，et al.Improved time-of-flight range acquisition technique in underwater lidar experiments[J].AppliedOptics.2015，54(18)：5715-5725.)，实施难度相对较高。基于全向光信标进行光学定位追踪方式用于水下机器人的定位当中(Bosch J,Gracias N，Ridao P，et al.Close-rangetracking of underwater vehicles using light beacons[J].Sensors，2016，16(4)：429.)，其具有隐蔽性较差的缺点，且同等功耗下全向光相较于定向光的传播距离较短，限制了其的定位距离。且当水下机器人用于海底地形地貌探测时，具有距离海床近的特点，传统的声学定位无法保证足够的精度与更新频率以确保水下机器人与海床之间具有安全的距离，水下机器人具有撞毁的危险。

发明内容

本发明的目的为提供一种水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置，该装置基于双向耦合光源，克服现有的水下声学定位通信方法以及基于脉冲激光光源并辅助飞行时间采样的定位方法成本高、功耗大、实现较为复杂的缺陷，同时弥补了运用全向光信标定位隐蔽性较差，传播距离短的不足，避免了传统声学定位方法由于更新频率低、定位分辨率较低在水下机器人近海床运动中可能造成的危险。

为了实现上述目的，本发明提供的水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置包括位于水下机器人上的信号发生系统和与海底观测网通讯连接的海底基站；信号发生系统包括用于感知激光方向的位置探测器、用于产生光信号的三个发光体以及第一控制器，第一控制器根据位置探测器感知到的激光方向对发光体进行姿态调整；海底基站包括固定在海床上的底座、活动安装在底座上的激光发生器、用于拍摄发光体的摄像头以及第二控制器，摄像头的拍摄方向与激光发生器的激光发射方向相同，第二控制器控制激光发生器和摄像头的姿态并根据摄像头拍摄的发光体的图像计算水下机器人的位置和姿态。

上述技术方案中，位于海底的基站的激光发生器发出532nm的激光，基站可改变激光的发射角度(俯仰角、偏航角)，通过初始化激光搜寻方法在指定区域发射激光，直至激光射中水下机器人上的位置探测器。水下机器人的第一控制器根据光点的位置计算出激光入射的方向，并由第一控制器控制发光体的俯仰角与偏航角至激光入射方向角。基站端的摄像头捕捉到发光体，并通过3个发光体在摄像头上的位置计算出水下机器人的位置与姿态。同时基站通过扩展卡尔曼滤波的方法实现对水下机器人的持续追踪。实现了海底基站对水下机器人在近海床运动的情况下的全方位追踪定位，整个装置结构简单、功耗低、体积小、可靠性高、成本低。

为了便于信号的传递和操作发光体的姿态，作为优选，水下机器人的底部固定有一密封且透光的第一壳体，信号发生系统安装在第一壳体内，其中，发光体通过姿态调整机构安装在第一壳体内。

作为优选，发光体为发光二极管，发光二极管的前端可设置凸透镜，用以聚焦发光二极管发出的光。

作为优选，姿态调整机构包括可相对第一壳体旋转的中心轴、沿中心轴间隔布置且可相对中心轴旋转的三根横杆以及驱动中心轴旋转的第一致动器，三个发光体分别安装在三根横杆的端部。通过第一致动器驱动中心轴旋转，从而调整发光体的偏航角，另外，通过横杆的旋转调整发光体的俯仰角，实现发光体的姿态调节。

为了简化姿态调整机构，作为优选，三根横杆的另外一端铰连在同一根连杆上，且其中一个横杆连接有驱动该横杆相对中心轴旋转的第二致动器。如此设置，只需要驱动三根横杆中的一根旋转，即可通过连杆带动另外两个横杆同步旋转，实现三个发光体的同步调整。

作为优选，位置探测器包括至少8个，各位置探测器以中心轴为中心均匀设置，且朝向不同的方向。实现在水下机器人的所有方向上进行搜索，避免出现死角。

作为优选，第一壳体上设有用于将激光光束聚焦到位置探测器上的凸透镜。

作为优选，底座上设有一旋转台和驱动该旋转台旋转的第三致动器，旋转台上安装有透明的第二壳体，激光发生器、摄像头和第二控制器安装在第二壳体内；第二壳体的一段通过水平轴与旋转台活动连接，另一端设有驱动第二壳体绕水平轴活动的驱动机构。第三致动器驱动旋转台旋转，带动第二壳体旋转，以调整激光发生器和摄像头的偏航角，驱动机构带动第二壳体活动，以调整激光发生器和摄像头的俯仰角，从而实现激光发生器和摄像头的姿态调整。

作为优选，驱动机构包括与旋转台固定的竖直腔体、设置在竖直腔体外的支架以及安装在竖直腔体内且用于驱动支架沿竖直腔体的外壁上下滑动的第四致动器，支架与第二壳体相连。

作为优选，支架的一侧伸出一连接板，该连接板上设有横向的通槽，通槽内设有可沿通槽移动且与第二壳体固定的固定销；竖直腔体设有穿过其顶部且顶端与支架相连的调节杆，该调节杆与竖直腔体的顶部动密封，调节杆的底端与第四致动器连接。可在第四致动器的输出端连接竖直的直线丝杆，将调节杆的底端与直线丝杆上的螺母固定，从而实现调节杆的上下移动，并带动支架沿竖直腔体的外壁上下滑动。

作为优选，第二壳体的端部设有相同朝向的第一窗口镜和第二窗口镜，分别作为激光发生器的穿透窗和摄像头的视野窗。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置通过双向耦合光源实现了海底基站对水下机器人近海床运动时的全方位追踪定位。整个装置结构简单，控制方便，运行可靠。通过双向耦合光源的方法可以有效增强同等功率下的定位距离，同时增强定位时水下机器人的隐蔽性。

附图说明

图1为本发明实施例水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的海底基站的结构示意图；

图3为本发明实施例的信号发生系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图3，本实施例的水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置包括位于海底且与海底观测网相连的海底基站1和位于水下机器人3上的信号发生系统2。

海底基站1包括：第二壳体14、用于放置基站端俯仰电机10的竖直腔体13、偏航电机腔22，第二壳体14、竖直腔体13和偏航电机腔22的材料均为亚克力，且均与各自端盖进行径向密封。

第二壳体14内有激光发生器27和准直镜29，激光发生器27用于产生532nm激光，准直镜29用于对激光进行扩束。激光发生器27上方固定有监测水下机器人端发光体的电荷耦合摄像头7。电荷耦合摄像头7后方为第二控制器15。第二壳体14的前后两端分别安装有前端盖6和后端盖17，第二控制器15后方为第二壳体后端盖17，后端盖17上开有通孔，供与海底观测网相连的水密缆通过，且该通孔与水密缆之间水密连接。在准直镜29及电荷耦合摄像头7前方为第二壳体前端盖6，其上分别开有窗口镜4和窗口镜5。

第二壳体14通过2个半圆形固定架8、16固定在活动板28上，活动板28通过转动副与旋转台26相连，旋转台26上固定竖直腔体13，竖直腔体13内设有基站端俯仰电机10。基站端俯仰电机10的输出端与直线丝杠11相连，直线丝杠11上安装有滑块18，滑块18另一侧连接俯仰调节杆12，其穿过竖直腔体13的上端盖9与支架19相连，其中上端盖9与俯仰调节杆12之间安装有密封圈，进行动密封连接。

支架19下方与限位环21连接，限位环21用于限制支架19的轴向运动方向。支架19侧边开有直线通槽，与位于活动板28上的连接板20构成直线滑动副，具体地，在连接板20上固定一销轴，该销轴可沿直线通槽滑动。

偏航电机腔22设置在旋转台26下方，其内部装有基站端偏航电机23与云台25，云台25一端与基站端偏航电机23相连，另一端连接旋转台26。偏航电机腔22下方固定底座24。

信号发生系统2安装于水下机器人3的底部，包括8个位置探测器54(PSD(PositionSensitive Detector))，用于感知基站发出的激光方向。位置探测器54固定于位置探测器固定架31内部。位置探测器54前方为凸透镜30，用以聚焦海底基站发出的激光。凸透镜30通过前方的固定环55与位置探测器固定架31连接。位置探测器固定架31通过螺纹连接与第一壳体42的上端盖32固定，上端盖32另一端外侧与第一壳体42相连，连接处有密封圈进行径向密封。上端盖32内侧连接机器人端偏航电机33，机器人端偏航电机33与中心轴53相连接。中心轴53上开有3个通孔，由上至下分别连接机器人端俯仰电机51，轴承48与轴承45，中心轴53通孔另一侧分别与三根横杆52、49、46的中部相连，三根横杆的一侧均与连杆47通过转动副连接，另一侧与各自的发光二极管底座36、39、43相连。3个发光二极管底座内均固定有发光二极管35、38、41，用于产生蓝光。发光二极管前方均设有凸透镜34、37、40，用以聚焦发光二极管发出的光。第一控制器50固定在中心轴53上。第一壳体42的材料为亚克力，其下部与第一壳体下端盖44相连，连接处有密封圈进行径向密封。

本实施例的水下机器人三维定位方法如下：

位于海底的基站通过激光发生器27发出532nm激光，经过激光的准直29扩束后经窗口镜5射出，基站通过调整基站端俯仰电机10与基站端偏航电机23的位置改变激光的发射角度(俯仰角、偏航角)，通过初始化激光搜寻方法在指定区域发射激光，直至激光射中水下机器人3上的信号发生系统2的位置探测器。激光光束经过凸透镜30聚焦于位置探测器成像平面上的一点，第一控制器50根据光点的位置计算出激光入射的方向，并由第一控制器50控制机器人端的俯仰电机与偏航电机，改变发光二极管的俯仰角与偏航角至激光入射方向角。基站端的电荷耦合摄像头7捕捉到发光二极管，并通过3个发光二极管在摄像头上的位置计算出水下机器人3的位置与姿态。基站通过扩展卡尔曼滤波的方法实现对水下机器人的持续追踪。

Claims (10)

1.一种水下机器人近海床运动的全方位追踪定位装置，其特征在于：包括位于水下机器人上的信号发生系统和与海底观测网通讯连接的海底基站；

所述信号发生系统包括用于感知激光方向的位置探测器、用于产生光信号的三个发光体以及第一控制器，所述第一控制器根据所述位置探测器感知到的激光方向对所述发光体进行姿态调整；

所述海底基站包括固定在海床上的底座、活动安装在所述底座上的激光发生器、用于拍摄所述发光体的摄像头以及第二控制器，所述摄像头的拍摄方向与所述激光发生器的激光发射方向相同，所述第二控制器控制所述激光发生器和所述摄像头的姿态并根据所述摄像头拍摄的发光体的图像计算水下机器人的位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的水下机器人的底部固定有一密封且透光的第一壳体，所述的信号发生系统安装在第一壳体内，其中，所述的发光体通过姿态调整机构安装在所述第一壳体内。

3.根据权利要求2所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的姿态调整机构包括可相对所述第一壳体旋转的中心轴、沿所述中心轴间隔布置且可相对所述中心轴旋转的三根横杆以及驱动所述中心轴旋转的第一致动器，三个所述的发光体分别安装在三根横杆的端部。

4.根据权利要求3所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的三根横杆的另外一端铰连在同一根连杆上，且其中一个横杆连接有驱动该横杆相对所述的中心轴旋转的第二致动器。

5.根据权利要求3所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的位置探测器包括至少8个，各位置探测器以所述中心轴为中心均匀设置，且朝向不同的方向。

6.根据权利要求5所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的第一壳体上设有用于将激光光束聚焦到所述位置探测器上的凸透镜。

7.根据权利要求1所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的底座上设有一旋转台和驱动该旋转台旋转的第三致动器，所述旋转台上安装有透明的第二壳体，所述的激光发生器、摄像头和第二控制器安装在所述第二壳体内；所述第二壳体的一段通过水平轴与所述旋转台活动连接，另一端设有驱动所述第二壳体绕所述水平轴活动的驱动机构。

8.根据权利要求7所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的驱动机构包括与所述旋转台固定的竖直腔体、设置在所述竖直腔体外的支架以及安装在所述竖直腔体内且用于驱动所述支架沿所述竖直腔体的外壁上下滑动的第四致动器，所述支架与所述第二壳体相连。

9.根据权利要求8所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的支架的一侧伸出一连接板，该连接板上设有横向的通槽，所述通槽内设有可沿通槽移动且与所述第二壳体固定的固定销；

所述的竖直腔体设有穿过其顶部且顶端与所述支架相连的调节杆，该调节杆与所述竖直腔体的顶部动密封，所述调节杆的底端与所述的第四致动器连接。

10.根据权利要求7所述的全方位追踪定位装置，其特征在于：所述的第二壳体的端部设有相同朝向的第一窗口镜和第二窗口镜，分别作为所述激光发生器的穿透窗和所述摄像头的视野窗。