CN114199224A - 水下机器人的定位系统、定位方法及水下机器人组件 - Google Patents

水下机器人的定位系统、定位方法及水下机器人组件 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种水下机器人的定位系统、定位方法及水下机器人组件。水下机器人的定位系统包括：浮标、深度传感器和处理模块，浮标包括：浮标定位模块，用于确定浮标的位置；线缆，用于连接水下机器人；张力缆轴，线缆缠绕在张力缆轴上，张力缆轴使延伸出的线缆保持张紧；计米器，计量延伸出的线缆的长度；角度传感器，用于检测延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角；深度传感器用于检测水下机器人的下潜深度；处理模块用于确定水下机器人的位置。本申请通过浮标位置叠加水下机器人相对浮标偏移的位置确定水下机器人的位置，实现对水下机器人低成本、高精度的定位。

Description

水下机器人的定位系统、定位方法及水下机器人组件
技术领域
本申请涉及水下设备领域，具体涉及一种水下机器人的定位系统、定位方法及水下机器人组件。
背景技术
使用时，水下机器人的定位对操控方来说非常重要。由于水下无线传输的局限性，GPS信号无法传送到水下，现有技术中通常采用 USBL(超短基线定位系统)进行水下定位。超短基线定位系统由发射换能器、应答器、接收基阵组成。发射换能器和接收基阵安装在船上，应答器固定在水下机器人上。
发射换能器发出一个声脉冲，应答器收到后，回发声脉冲，接收基阵收到后，测量出X、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间计算出水下装置到基阵的距离R，从而计算得到水下探测器在平面坐标上的位置和水下探测器的深度。
但是，USBL造价较高，而且对载具的要求也高。USBL基阵通常有两种布设方式：1、使用专用船只，在船只出厂前固定到船底；2、使用专用卡具，布设要求高，卡具的安装、维护和运输极为困难。水下机器人需要搭载的应答器体积和造价都较大，不适用小型水下机器人。另外在浅水区域，声学反射和干扰较强，并且存在水面回波干扰，定位精度很差。
发明内容
基于此，本申请提供了一种水下机器人的定位系统、定位方法及水下机器人组件，实现对水下机器人低成本、高精度的定位。
本申请的一个实施例提供一种水下机器人的定位系统，包括：浮标、深度传感器和处理模块，所述浮标包括：浮标定位模块，用于确定浮标的位置；线缆，用于连接水下机器人；张力缆轴，所述线缆缠绕在所述张力缆轴上，所述张力缆轴使延伸出的线缆保持张紧；计米器，计量所述延伸出的线缆的长度；角度传感器，用于检测延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角；所述深度传感器用于检测所述水下机器人的下潜深度；所述处理模块根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置。
根据本申请的一些实施例，所述水下机器人的定位系统还包括姿态传感器，所述姿态传感器用于检测所述水下机器人的姿态。
根据本申请的一些实施例，所述浮标还包括电池，所述电池为所述浮标定位模块、张力缆轴、计米器和角度传感器供电。
根据本申请的一些实施例，所述水下机器人的定位系统应用于深度 300米以内的水域。
本申请的一个实施例提供一种水下机器人的定位方法，利用如上所述水下机器人的定位系统对水下机器人进行定位，所述方法包括：通过所述浮标定位模块确定浮标的位置；通过所述计米器计量延伸出的线缆的长度；通过角度传感器检测延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角；通过深度传感器检测所述水下机器人的下潜深度；根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置。
根据本申请的一些实施例，所述根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置包括：根据所述水下机器人的下潜深度和延伸出的线缆的长度，利用勾股定理确定所述水下机器人与所述浮标的水平距离；根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、所述水下机器人与所述浮标的水平距离、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置。
根据本申请的一些实施例，所述方法还包括：通过姿态传感器检测所述水下机器人的姿态。
根据本申请的一些实施例，所述方法还包括：通过电池为所述浮标定位模块、张力缆轴、计米器和角度传感器供电。
根据本申请的一些实施例，所述水下机器人的定位方法应用于深度 300米以内的水域。
本申请的一个实施例提供一种水下机器人组件，包括：如上所述水下机器人的定位系统；水下机器人，所述线缆连接所述水下机器人，所述深度传感器设置于所述水下机器人上。
本申请的水下机器人定位系统及方法，利用浮标定位模块确定浮标在水面的位置，根据水下机器人相对浮标偏移的位置确定水下机器人的具体位置；水下机器人定位系统造价低、定位精度高；抗干扰能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。
图1是本申请实施例水下机器人的定位系统的示意图；
图2是本申请实施例角度传感器检测延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角的示意图；
图3是本申请实施例计算浮标与水下机器人的水平距离的示意图；
图4是本申请实施例水下机器人的定位方法的流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，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，都属于本申请保护的范围。
水下机器人一般可以分为两大类：一类是有缆水下机器人，称为遥控潜水器；另一类是无缆水下机器人，称为自主潜水器。但是，无论哪种水下机器人，目前主要是采用USBL(超短基线定位系统)进行水下定位。
如图1所示，本实施例的水下机器人的定位系统包括：浮标100、深度传感器201和处理模块300。浮标100和深度传感器201配合用于检测参数，处理模块300根据获取的参数信息确定水下机器人的位置。
浮标100包括：浮标定位模块101、线缆102、张力缆轴103、计米器104、角度传感器105。浮标100还包括浮力块和外壳，浮力块使得浮标100可以漂浮在水面，外壳设置于浮力块的上表面，浮标定位模块101、张力缆轴103、计米器104和角度传感器105均设置于外壳的空腔内。
浮标定位模块101用于确定浮标100在水面的位置。可选地，浮标定位模块101为GPS模块、北斗定位模块等，可实时确定浮标100在水面的位置。
线缆102缠绕在张力缆轴103上，线缆102的一端连接水下机器人 200。可选地，线缆102为零浮力线缆。浮标100和水下机器人200可通过线缆102进行通信。线缆102还用于测量浮标100和水下机器人 200之间的距离。张力缆轴103可选为恒张力缆轴，张力缆轴103使由浮标延伸出的线缆保持张紧，即通过张力缆轴103保持浮标100和水下机器人200之间的线缆为张紧状态。
计米器104可选择已有的线缆计米器，用于计量延伸出的线缆的长度。
如图2所示，角度传感器105用于检测由浮标延伸出的线缆102与标准位置在水平方向的夹角R1。标准位置为在水平方向预设的一固定不变的方向，如通过电子磁针将正北方设置为标准位置。角度传感器 105可检测延伸出的线缆102相对标准位置在水平方向偏移的角度。
深度传感器201设置于水下机器人200上，用于检测水下机器人 200的下潜深度。
处理模块300为处理器，可根据浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定水下机器人200的位置。
如图3所示，一种可选的方案中，以延伸出的线缆包括连接水下机器人200的端点和在张力缆轴103上的端点，以延伸出的线缆在张力缆轴103上的端点为坐标系的原点，处理模块300根据水下机器人200的下潜深度H1和延伸出的线缆的长度L1，利用勾股定理确定水下机器人 200距离浮标100的水平距离D1。以浮标100的位置为原点，根据水下机器人的下潜深度H1、水下机器人距离浮标的水平距离D1、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角R1确定水下机器人200相对浮标 100偏移的位置，然后叠加浮标100的位置确定出水下机器人200的位置。
可选地，处理模块300设置于水下机器人200上，浮标100获得的浮标100的位置、延伸出的线缆的长度L1、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角R1均通过线缆102发送给水下机器人200上的处理模块300，处理模块300结合深度传感器201检测的水下机器人200的下潜深度H1计算出水下机器人200的位置。水下机器人200通过第一通信模块将水下机器人200的位置发送给岸站或母船上的控制装置。
另一种可选的方案中，处理模块300设置于岸站或母船上。浮标 100获得的浮标100的位置、延伸出的线缆的长度L1、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角R1均通过第二通信模块发送给处理模块 300。水下机器人200通过第一通信模块将水下机器人200的下潜深度 H1发送给处理模块300，处理模块300计算水下机器人200的位置，供操控方参考。
本申请的水下机器人定位系统利用浮标定位模块101确定浮标100 在水面的位置，根据水下机器人200相对浮标100偏移的位置确定水下机器人200的具体位置。水下机器人定位系统造价低、定位精度高，避免声学反射和水面回波干扰。水下机器人定位系统便于在小型水下机器人上使用。
根据本申请一个可选的技术方案，水下机器人的定位系统还包括姿态传感器202。姿态传感器202设置于水下机器人200上，用于检测水下机器人200的姿态，并将姿态信息发送给处理模块300，以便操控方实时了解水下机器人200在水中的姿态。
根据本申请一个可选的技术方案，浮标100还包括电池106。电池 106用于为浮标定位模块101、张力缆轴103、计米器104和角度传感器105供电。
另一种方案的，浮标100通过线缆102连接水下机器人200的供电模块，水下机器人200通过线缆102为浮标定位模块101、张力缆轴103、计米器104和角度传感器105供电。
根据本申请一个可选的技术方案，水下机器人的定位系统应用于深度300米以内的水域。本实施例的水下机器人的定位系统避免浅水区域中声学反射和干扰较强问题，并且避免水面回波干扰，解决水下机器人在浅水区域定位精度差的问题。
如图4所示，本实施例提供一种水下机器人的定位方法，利用如上水下机器人的定位系统对水下机器人进行定位，方法包括：
S1、通过浮标定位模块确定浮标的位置。
S2、通过计米器计量延伸出的线缆的长度，即计量浮标与水下机器人之间的线缆的长度。
S3、通过角度传感器检测延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角。
S4、通过深度传感器检测水下机器人的下潜深度。
S5、处理模块根据浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定水下机器人的位置。
根据本申请一个可选的技术方案，步骤S5、处理模块根据浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定水下机器人的位置包括：
S51、根据水下机器人的下潜深度和延伸出的线缆的长度，利用勾股定理确定水下机器人与浮标的水平距离。
S52、根据浮标的位置、水下机器人的下潜深度、水下机器人距离浮标的水平距离、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定水下机器人的位置。
根据本申请一个可选的技术方案，水下机器人的定位方法还包括：通过姿态传感器检测水下机器人的姿态。以便操控方获取水下机器人的姿态及向数据。
根据本申请一个可选的技术方案，水下机器人的定位方法还包括：通过电池为浮标定位模块、张力缆轴、计米器和角度传感器供电。
根据本申请一个可选的技术方案，水下机器人的定位方法应用于深度300米以内的水域。
本实施例提供一种水下机器人组件，包括：如上水下机器人的定位系统和水下机器人。浮标的线缆连接水下机器人，深度传感器设置于水下机器人上。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种水下机器人的定位系统，其特征在于，包括：浮标、深度传感器和处理模块，所述浮标包括：
浮标定位模块，用于确定浮标的位置；
线缆，用于连接水下机器人，所述浮标通过所述线缆与水下机器人进行通信；
张力缆轴，所述线缆缠绕在所述张力缆轴上，所述张力缆轴使延伸出的线缆保持张紧；
计米器，计量所述延伸出的线缆的长度；
角度传感器，用于检测延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角；
所述深度传感器用于检测所述水下机器人的下潜深度；
所述处理模块根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置。
2.根据权利要求1所述水下机器人的定位系统，其特征在于，还包括姿态传感器，所述姿态传感器用于检测所述水下机器人的姿态。
3.根据权利要求1所述水下机器人的定位系统，其特征在于，所述浮标还包括电池，所述电池为所述浮标定位模块、张力缆轴、计米器和角度传感器供电。
4.根据权利要求1所述水下机器人的定位系统，其特征在于，所述水下机器人的定位系统应用于深度300米以内的水域。
5.一种水下机器人的定位方法，其特征在于，利用权利要求1～4任一项所述水下机器人的定位系统对水下机器人进行定位，所述方法包括：
通过所述浮标定位模块确定浮标的位置；
通过所述计米器计量延伸出的线缆的长度；
通过角度传感器检测延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角；
通过深度传感器检测所述水下机器人的下潜深度；
根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置。
6.根据权利要求5所述水下机器人的定位方法，其特征在于，所述根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、延伸出的线缆的长度、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置包括：
根据所述水下机器人的下潜深度和延伸出的线缆的长度，利用勾股定理确定所述水下机器人与所述浮标的水平距离；
根据所述浮标的位置、水下机器人的下潜深度、所述水下机器人与所述浮标的水平距离、延伸出的线缆与标准位置在水平方向的夹角确定所述水下机器人的位置。
7.根据权利要求5所述水下机器人的定位方法，其特征在于，还包括：通过姿态传感器检测所述水下机器人的姿态。
8.根据权利要求5所述水下机器人的定位方法，其特征在于，还包括：通过电池为所述浮标定位模块、张力缆轴、计米器和角度传感器供电。
9.根据权利要求5所述水下机器人的定位方法，其特征在于，所述水下机器人的定位方法应用于深度300米以内的水域。
10.一种水下机器人组件，其特征在于，包括：
权利要求1～4任一项所述水下机器人的定位系统；
水下机器人，所述线缆连接所述水下机器人，所述深度传感器设置于所述水下机器人上。
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