CN110275169A - 一种水下机器人近场检测感知系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下机器人近场检测感知系统,捷联惯导系统安装于水下机器人上，可测量水下机器人的角运动和线运动信息，多个压力传感器安装于水下机器人侧线和前端阵列中，用于水下机器人近场水流扰动冲击检测，多个矢量水听器安装于水下机器人侧线和前端阵列内，用于水下目标定位和追踪，姿态传感器安装于三维云台的内部，内含有陀螺仪和加速度计等运动传感器，用于获取前视声呐和摄像头的姿态信息，能在水下扰动涌流中调节前视声呐探测姿态以保持前视声呐和摄像头既定探测角度，通过水下近场扰动冲击定位算法使水下机器人能够探测和定位附近的扰动源，为水下机器人实现水下近场检测感知提供可靠依据，实现对水下近场水流扰动冲击感知和定位。

Description

一种水下机器人近场检测感知系统
技术领域
本发明涉及水下机器人的水下近场感知领域，特别是涉及一种基于水下机器人侧线和前端压力传感器的水下机器人近场检测感知系统。
背景技术
海洋是人类生存和发展的第二大空间，对我国的经济、人文和社会的发展有着直接和巨大的影响。水下机器人在海洋资源勘探、水下救援、海底地貌研究等方面取得巨大的实际应用成果。水下机器人对环境的感知能力是水下机器人现阶段研究的关键。由于水下机器人特殊而复杂的工作环境，水下环境的变化将会直接决定机器人是否能够正常工作，所以探究水下机器人对水下环境的感知，可以为机器人提供重要的水流环境信息，有助于指导水下航行器更准确地完成水下探测任务。
为了应对不同复杂的环境，水下机器人配备了不同的探测系统。目前，水下机器人主要依靠声呐和视觉图像方法对水下目标进行探测和定位。声呐技术主动发射声波并接收水下目标物体返回的声波，从而测量目标的位置、速度等信息，远距离探测效果好，在近场作业时，声呐探测存在盲区，且噪声大、精度较差；又由于光线的折射、散射及水下悬浮物的干扰，采用视觉图像方法得到的水下图像存在失真、对比度低的缺点。然而，在地形比较复杂、光线暗弱、噪声繁杂的区域，已有的感知系统无法正常地发挥作用。由于这些限制因素的存在，水下机器人如何近场感知周围水流变化、探测水下目标，如何更准确地完成水下任务，这是一个迫切需要解决的难题。
因此实时感知水下机器人近场水流冲击扰动干扰，感知周围的水流变化信息，可以提高水下机器人水下航行性能，如何提高水下机器人感知近场水流扰动冲击能力是本发明所需要解决的核心问题。
中国实用新型专利ZL 201820732741.2公开了“一种模块化的多功能水下探测器”，通过模块化设计，实现水下目标探测。不适于近场水流冲击扰动感知。
中国发明专利ZL 201210089034.3公开了“电磁式水下传感器网络节点搭载装置”，通过水下传感器网络节点实现多种情况下的水下试验和海洋检测。不适于近场水流冲击扰动感知。
中国发明专利ZL 201711434606.6公开了“一种用于水下感知与取样的机器人”，通过摄像头实现水下机器人感知和取样。不适于近场水流冲击扰动感知。
中国发明专利ZL 201810020550.8公开了“基于红通道的卷积神经网络的水下光学智能感知方法”，通过光学信息对水下场景进行智能感知，利用红通道算法和卷积神经网络快速获取水下高精度感知图像。不适于近场水流冲击扰动感知。
发明内容
本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，提供一种水下机器人近场检测感知系统，实现对水下近场水流扰动冲击的感知和定位。
为解决上述技术问题，本发明的构思是：
由于水下机器人搭载的声呐和视觉图像在近场作业时，声呐探测存在盲区且噪声大以及视觉图像获得的水下图像存在失真、对比度低的缺点。通过水下机器人侧线和前端的多个压力传感器阵列，通过上位机显示多个压力传感器阵列反馈的压力分布曲线数据，辨别扰动源的水平位置和纵向位置，推断扰动源与水下机器人之间的距离，实现对水下近场水流扰动冲击的感知和定位。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
本发明公开了一种水下机器人近场检测感知系统,包括：一个水下机器人、一个捷联惯导系统、多个压力传感器、多个矢量水听器、一个三维云台、一个姿态传感器、一个前视声呐、一个摄像头和一个上位机，其特征在于：所述水下机器人具有多轴螺旋桨驱动，可实现自身姿态和运动控制，通过以太网与所述上位机相连；所述捷联惯导系统搭载于所述水下机器人上，内含有速度陀螺，加速度计和微型计算机，用于测量所述水下机器人的角运动和线运动信息；所述多个压力传感器安装于所述水下机器人侧线和前端阵列中，用于所述水下机器人近场水流扰动冲击检测；所述多个矢量水听器安装于所述水下机器人侧线和前端阵列内，用来接受水中的声信号，可以将声信号转化为电信号，用于水下目标定位和追踪；所述三维云台安装于所述水下机器人下，用于装载所述前视声呐和所述摄像头，所述捷联惯导系统和所述姿态传感器电连接并综合信息，控制所述三维云台位姿，以实现对所述前视声呐和所述摄像头探测角度的自动调节，用于所述水下机器人在水下涌流中调节姿态以保持所述前视声呐和所述摄像头既定探测角度；所述姿态传感器安装于所述三维云台的内部，内含有陀螺仪和加速度计等运动传感器，用于获取所述水下机器人的姿态信息；所述前视声呐安装于所述三维云台上，可以进行既定的扫描角度和扫描范围，通过发射声脉冲并接受不同位置回波信号完成水下信息采集；所述摄像头安装于所述三维云台上，可以进行既定的采集角度进行水下光学图像的采集；所述上位机用于远程控制所述水下机器人和接收声呐数据，显示所述前视声呐扫描的二维声呐图像数据和所述摄像头获取的图像数据，所述上位机可在水下水流扰动冲击下用于接受所述多个压力传感器反馈的所述水下机器人侧线和前端的压力变化和压力分布，测量所述水下机器人表面的压力变化，通过水下近场扰动冲击定位算法使所述水下机器人能够探测和定位附近的扰动源，为所述水下机器人实现水下近场检测感知提供可靠依据。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明采用上位机显示多个压力传感器阵列反馈的压力分布曲线数据，通过水下近场扰动冲击定位算法，分析上位机显示的多个压力传感器反馈的压力分布曲线可辨别扰动源的移动方向，以评估扰动源的水平位置，进一步确定扰动源的纵向位置，以实测压力值与理论压力计算值的差值绝对值为目标函数，采用无导数估计法，给定一个可能的解为初始解，迭代计算下一个可能的解，最终估计扰动源与侧线之间的距离。
本发明的近场检测感知可广泛适用于水下近场水流扰动冲击的感知和定位。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构框图；
图2是本发明的水下机器人近场感知的结构示意图；
图3是本发明的水下机器人近场感知侧线压力传感器阵列的结构示意图；
图4是本发明的水下机器人近场感知前端压力传感器阵列的结构示意图；
图5是本发明的水下机器人水下三维检测系统的高度信息三角计算图；
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1，本水下机器人近场检测感知系统,包括：一个水下机器人(1)、一个捷联惯导系统(2)、多个压力传感器(3)、多个矢量水听器(4)、一个三维云台(5)、一个姿态传感器(6)、一个前视声呐(7)、一个摄像头(8)和一个上位机(9)，其特征在于：
1)所述水下机器人(1)具有多轴螺旋桨驱动，可实现自身姿态和运动控制，通过以太网与所述上位机(9)相连；
2)所述捷联惯导系统(2)搭载于所述水下机器人(1)上，内含有速度陀螺，加速度计和微型计算机，用于测量所述水下机器人(1)的角运动和线运动信息；
3)所述多个压力传感器(3)安装于所述水下机器人(1)侧线和前端阵列中，用于所述水下机器人(1)近场水流扰动冲击检测；
4)所述多个矢量水听器(4)安装于所述水下机器人(1)侧线和前端阵列内，用来接受水中的声信号，可以将水声信号转化为电信号，用于和多个压力传感器(3)进行数据融合，实现水下扰动源的近场感知、定向和定位；
5)所述三维云台(5)安装于所述水下机器人(1)下，用于装载所述前视声呐(7)和所述摄像头(8)，所述捷联惯导系统(2)和所述姿态传感器(6)电连接并综合信息，控制所述三维云台(5)位姿，以实现对所述前视声呐(7)和所述摄像头(8)探测角度的自动调节，用于所述水下机器人(1)在水下涌流中调节姿态以保持所述前视声呐(7)和所述摄像头(8)既定探测角度；
6)所述姿态传感器(6)安装于所述三维云台(5)的内部，内含有陀螺仪和加速度计等运动传感器，用于获取所述水下机器人(1)的姿态信息；
7)所述前视声呐(7)安装于所述三维云台(5)上，可以进行既定的扫描角度和扫描范围，通过发射声脉冲并接受不同位置回波信号完成水下信息采集；
8)所述摄像头(8)安装于所述三维云台(5)上，可以进行既定的采集角度进行水下光学图像的采集；
9)所述上位机(9)用于远程控制所述水下机器人(1)和接收声呐数据，显示所述前视声呐(7)扫描的二维声呐图像数据和所述摄像头(8)获取的图像数据，所述上位机(9)可在水下水流扰动冲击下用于接受所述多个压力传感器(3)反馈的所述水下机器人(1)侧线和前端的压力变化和压力分布，测量所述水下机器人(1)表面的压力变化，通过水下近场扰动冲击定位算法使所述水下机器人(1)能够探测和定位附近的扰动源，为所述水下机器人(1)实现水下近场检测感知提供可靠依据。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
参见图2，所述水下机器人(1)侧线和前端安装所述多个压力传感器(2)阵列，模仿鱼类侧线系统对水下近场环境的感知，所述多个压力传感器(2)可以检测所述水下机器人(1)周围水波产生扰动冲击作用，从而产生压力变化并转化为电信号显示于所述的上位机(1)中。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
参见图3和图4，所述上位机(9)可用于显示所述多个压力传感器(2)阵列的压力分布曲线数据和所述多个矢量水听器(4)所获取的测量水声场中的矢量参数数据，通过分析侧线和前端压力分布曲线和矢量参数数据，可以辨别扰动源的方向和位置，并推断扰动源与所述水下机器人(1)之间的距离，使所述水下机器人(1)具有感知外界扰动冲击的能力。
实施例四：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
参见图5，所述水下近场扰动冲击定位算法是根据水下近场扰动冲击引起水波变化，水波产生的力作用在所述水下机器人(1)表面的侧线的前端的所述多个压力传感器上(3)和所述多个矢量水听器(4)，从而产生压力和水声场矢量参数变化，通过分析所述上位机(9)显示的所述多个压力传感器(3)反馈的压力分布曲线和所述多个矢量水听器(4)所获取的测量水声场中的矢量参数数据，可辨别扰动源的移动方向，以评估扰动源的水平位置，进一步确定扰动源的纵向位置，以实测压力值与理论压力计算值的差值绝对值为目标函数，采用无导数估计法，给定一个可能的解为初始解，迭代计算下一个可能的解，最终估计扰动源与侧线之间的距离，具体过程如下：
(a)所述上位机(9)显示所述多个压力传感器(3)反馈压力分布曲线，对所述多个压力传感器(3)上各点的压力变化规律和侧线压力分布以及所述多个矢量水听器(4)获得的水声场矢量参数进行分析，通过侧线的压力分布曲线可以区分振动源的移动方向，并推断振动源的水平位置；
(b)使用快速傅里叶变换分别提取所述多个压力传感器(3)各点处的压力信号幅值；
(c)将所述多个压力传感器(3)反馈的压力分布曲线和所述多个矢量水听器(4)获得的水声场矢量参数进行方向识别与修正，获取扰动正方向和水平轴之间的夹角
振动正方向和ri之间的夹角α；ri和水平轴之间的夹角θ带入目标函数，选择振动源的实际近似位置作为目标函数的初始解；
(d)计算相对于扰动源位置的目标函数；
(e)使用无导数估计方法迭代产生下一个可能的解；
(f)如果不满足终止条件(目标函数的终止容差设置为10-6)，返回(d)运行，如果满足终止条件，确定扰动源的纵向位置，最终估计扰动源与侧线之间的距离ri。
以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种水下机器人近场检测感知系统,包括：一个水下机器人(1)、一个捷联惯导系统(2)、多个压力传感器(3)、多个矢量水听器(4)、一个三维云台(5)、一个姿态传感器(6)、一个前视声呐(7)、一个摄像头(8)和一个上位机(9)，其特征在于：
1)所述水下机器人(1)具有多轴螺旋桨驱动，可实现自身姿态和运动控制，通过以太网与所述上位机(9)相连；
2)所述捷联惯导系统(2)搭载于所述水下机器人(1)上，内含有速度陀螺，加速度计和微型计算机，用于测量所述水下机器人(1)的角运动和线运动信息；
3)所述多个压力传感器(3)安装于所述水下机器人(1)侧线和前端阵列中，用于所述水下机器人(1)近场水流扰动冲击检测；
4)所述多个矢量水听器(4)安装于所述水下机器人(1)侧线和前端阵列内，用来接受水中的声信号，可以将水声信号转化为电信号，用于和多个压力传感器(3)进行数据融合，实现水下扰动源的近场感知、定向和定位；
5)所述三维云台(5)安装于所述水下机器人(1)下，用于装载所述前视声呐(7)和所述摄像头(8)，所述捷联惯导系统(2)和所述姿态传感器(6)电连接并综合信息，控制所述三维云台(5)位姿，以实现对所述前视声呐(7)和所述摄像头(8)探测角度的自动调节，用于所述水下机器人(1)在水下涌流中调节姿态以保持所述前视声呐(7)和所述摄像头(8)既定探测角度；
6)所述姿态传感器(6)安装于所述三维云台(5)的内部，内含有陀螺仪和加速度计等运动传感器，用于获取所述水下机器人(1)的姿态信息；
7)所述前视声呐(7)安装于所述三维云台(5)上，可以进行既定的扫描角度和扫描范围，通过发射声脉冲并接受不同位置回波信号完成水下信息采集，用于实现前视声呐探测目标；
8)所述摄像头(8)安装于所述三维云台(5)上，可以进行既定的采集角度进行水下光学图像的采集，用于实现前视光学视频检测目标的；
9)所述上位机(9)用于远程控制所述水下机器人(1)和接收声呐数据，显示所述前视声呐(7)扫描的二维声呐图像数据和所述摄像头(8)获取的图像数据，所述上位机(9)可在水下水流扰动冲击下用于接受所述多个压力传感器(3)反馈的所述水下机器人(1)侧线和前端的压力变化和压力分布，测量所述水下机器人(1)表面的压力变化，通过水下近场扰动冲击定位算法使所述水下机器人(1)能够探测和定位附近的扰动源，为所述水下机器人(1)实现水下近场检测感知提供可靠依据。
2.根据权利要求1所述的水下机器人近场检测感知系统，其特征在于所述水下机器人(1)侧线和前端安装所述多个压力传感器(2)阵列，模仿鱼类侧线系统对水下近场环境的感知，所述多个压力传感器(2)可以检测所述水下机器人(1)周围水波产生扰动冲击作用，从而产生压力变化并转化为电信号显示于所述的上位机(1)中。
3.根据权利要求1所述的水下机器人近场检测感知系统，其特征在于所述上位机(9)可用于显示所述多个压力传感器(2)阵列的压力分布曲线数据和所述多个矢量水听器(4)所获取的测量水声场中的矢量参数数据，通过分析侧线和前端压力分布曲线和矢量参数数据，可以辨别扰动源的方向和位置，并推断扰动源与所述水下机器人(1)之间的距离，使所述水下机器人(1)具有感知外界扰动冲击的能力。
4.根据权利要求1所述的水下机器人近场感知系统，其特征在于：所述水下近场扰动冲击定位算法：水下近场扰动冲击会引起水波变化，水波产生的力作用在所述水下机器人(1)表面的侧线的前端的所述多个压力传感器上(3)和所述多个矢量水听器(4)，从而产生压力和水声场矢量参数变化，通过分析所述上位机(9)显示的所述多个压力传感器(3)反馈的压力分布曲线和所述多个矢量水听器(4)所获取的测量水声场中的矢量参数数据，可辨别扰动源的移动方向，以评估扰动源的水平位置，进一步确定扰动源的纵向位置，以实测压力值与理论压力计算值的差值绝对值为目标函数，采用无导数估计法，给定一个可能的解为初始解，迭代计算下一个可能的解，最终估计扰动源与侧线之间的距离。
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