CN114228959A - 一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法 - Google Patents

一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法,包括：水下机器人冰下巡航过程中依靠自主导航系统向回收洞口航行时，通过航行路线上预置的水下光学二维码路标进行导航校准，逐步从远处向冰下回收洞口靠近；待水下机器人航行至回收洞口2km以内后，通过洞口吊放的声学路标进行持续的导航位置校准，并引导水下机器人自主向声学路标靠近；待水下机器人航行至洞口附近，光学传感器可见洞口下放的回收网，综合使用声学路标及光学路标信息引导水下机器人钻入回收网，此时自动停止机器人推进系统，等待起吊脱离水面，将水下机器人放置在隔板上，完成整个回收过程。

Description

一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极 地冰下回收方法
技术领域
本发明涉及北极冰下科考用水下机器人技术领域，更具体地说是一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法。
背景技术
目前北极冰下水下机器人冰洞回收主要是通过机器人上系缆，保障回航安全或者使用大范围机动之后从冰站外沿的开阔水域浮起回收，对冰下大范围长期调查有较大的限制，在极地支撑保障工作负担大且承受巨大风险。因此需要研制一套智能科学的冰下机器人回收方法，设计一套基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收系统，从而实现水下机器人智能化安全回收。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于设计一套基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收系统，从而实现水下机器人智能化安全回收。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，包括以下步骤：
搜索回航至冰洞位置：水下机器人与水面控制中心通信确认返航回收指令，根据自身惯导系统提供的航向数据、结合水下光学路标、水声通讯校正自身导航位置，驶向目标回收冰洞；
撞网回收流程：在目标冰洞口下方，水下机器人围绕回收网进行定深巡航、自主撞网，等待起吊至冰面，实现回收返航过程中的声学路标与光学路标组合辅助导航。
所述返航回收指令为水面控制中心通过吊放入冰下海水中的水声通信机向水下机器人发送回收指令或者水下机器人按照预定任务时间自动执行回收任务。
所述搜索回航至冰洞位置，包括：
首先，根据自身导航数据向目标回收洞口航行；
其次，水下机器人回航过程中，根据水下高清摄像机观测到的预设位置处的光学路标，识别光学路标位置，校正自身导航位置；
最后，水下机器人回航过程中，接收声学路标信息，按照声学路标导引，向回收冰洞口航行，到达目标回收洞口下方。
所述光学路标是已知位置信息的冰下二维码图像。
进一步的，所述二维码路标形状为球体或多面体，在球形或多面体的二维码路标上分别设有多个二维码图像。
进一步的，所述二维码路标在冰下布放之后，从同一深度各个角度观察均可以识别确认二维码路标信息，包括ID标号和方向标号。
进一步的，所述球体或多面体的二维码路标信息均包含的基础信息：路标的ID序号，对于多面体二维码路标信息，还包括用于指示方向的对应面标号。
进一步的，所述的二维码路标ID序号与路标的位置信息一一对应，并提前将唯一映射关系信息输入到水下机器人控制系统，水下机器人采集图像、识别二维码的ID序号，从而对应出该路标的位置信息。
所述二维码图像光学路标为若干个通过冰洞布放于冰下的二维码路标，向水下机器人返航时提供位置信息。
进一步的，所述冰洞为通过冰钻在长期冰站上打通的直径不超过10cm的冰洞。
所述识别光学路标位置为：
a.对采集的图像进行识别处理，获取二维码路标信息；
b.估算距离该二维码的距离和方向；
c.获取对应二维码路标的位置信息，计算水下机器人当前的估计位置信息用于位置导航校正。
进一步的，所述估算距离该二维码的距离为按照二维码图像的像素分辨率的缩放比例对距离进行估计。
所述定深巡航、自主撞网，等待起吊至冰面，包括：
水下机器人同时考虑声学路标信息和光学路标信息回航至靠近洞口时，通过高清摄像头观察并确认从冰洞口吊放入水的回收网；
水下机器人以艏部为前向，自主撞向回收网并停止推进螺旋桨转动，通过高清摄像头观察，当艏部回收钩扎入回收网后，再次确认推进螺旋桨转动是否停止；再次通过高清摄像头确认回收钩扎入回收网。
所述水下机器人未能成功撞向回收网时，将自主定深模式围绕洞口绕行，从远处重新尝试撞向回收网回收；所述水下回收网中心深度不小于定深深度。
所述水下机器人回航自主撞向回收网之前，通过自主导航坐标设定阈值，提前停止水下机器人推进螺旋桨转动。
所述水下机器人回航自主撞向回收网之后，通过水声通信机再次确认停止水下机器人推进螺旋桨转动。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明方法设计的基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法和流程，可以在水下机器人回航过程中，从较远处开始持续引导和修正导航精度，确保水下机器人准确返回回收洞口，从而实现水下机器人安全和智能化回收。
附图说明
图1为本发明的水下机器人极地冰下回收流程图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明涉及北极冰下科考用水下机器人技术领域。北极海冰及海洋环境变化对全球气候产生重大影响，通过水下机器人在冰下对海冰进行观测将对深刻理解北极海冰快速减退机制、提高我国北极前沿科学认知发挥重要作用。在执行观测任务后能够实现装备的安全回收，是观测任务成功实施的关键。
北极冰下观测水下机器人需要在长期冰站上开凿冰洞将水下机器人从冰洞放入水中，任务结束后再从冰洞回收，以往主要是通过机器人上系缆保障回航安全，或者使用大范围机动之后从冰站外沿的开阔水域浮起回收，对实现冰下大范围长期调查有较大的限制，为了得到海冰中心区域附近的观测信息，希望使用无缆自主水下机器人开展更大范围、更长时间的冰下观测。在极地试验过程中，支撑保障条件有限，水下机器人需要尽可能自主实现回收。
水下机器人冰下巡航过程中依靠自主导航系统向回收洞口航行时，通过航行路线上预置的水下光学二维码路标进行导航校准，逐步从远处向冰下回收洞口靠近；待水下机器人航行至回收洞口2km以内后，通过洞口吊放的声学路标(超短基线，USBL)进行持续的导航位置校准，并引导水下机器人自主向声学路标靠近；待水下机器人航行至洞口附近，光学传感器可见洞口下放的回收网，综合使用声学路标及光学路标信息引导水下机器人钻入回收网，此时自动停止机器人推进系统，使用冰面上的简易吊车将回收网和水下机器人一并吊起，在机器人脱离水面之前，完成机器人起吊承重缆的安装，在水下机器人完全吊离开冰洞口之后，使用隔板覆盖洞口，并将水下机器人放置在隔板上，完成整个回收过程
本专利在正常回收流程中，不需要水面特殊保障。采用的布放方式为通过在北极长期冰站上开凿冰洞，使用常规吊放装置将水下机器人吊放入水。回收指的是安全将水下机器人经由冰洞回收至冰面上。
水下机器人通过自身搭载的高清相机、水声通信机，即可实现光学和声学路标导航校准。
如图1所示，方法流程步骤包括：
步骤1：水面控制中心通过吊放入冰下海水中的水声通信机向水下机器人发送回收指令或者水下机器人按照预定任务时间自动执行回收任务；
步骤2：水下机器人向水面控制中心发送执行回收任务开始确认信号，根据自身导航数据向计算的回收洞口航行；
步骤3：水下机器人回航过程中，根据水下高清摄像机观测到的光学路标，结合已知的路标位置，校正自身导航位置；
步骤4：水下机器人回航过程中，接收到声学路标信息后，按照声学路标导引，向冰洞口航行；
步骤5：水下机器人同时考虑声学路标信息和光学路标信息，回航至靠近洞口时，通过高清摄像头可以清晰的观察并确认从冰洞口吊放入水的回收网；
步骤6：水下机器人采用定深航行模式，自主撞向回收网，通过在冰洞上目视观察或水下高清摄像机观测，艏部回收钩扎入回收网；
步骤7：通过在冰洞上目视观察或水下高清摄像机观测，再次确认回收钩扎入回收网，使用冰面上的简易吊车缓慢吊起回收网，连同水下机器人一同吊至冰洞水分界面，在机器人脱离水面之前，完成机器人起吊承重缆的安装系缚；
步骤8：吊起水下机器人，在水下机器人完全吊离开冰洞口之后，使用隔板覆盖洞口，并将水下机器人放置在隔板上，完成整个回收过程。
光学路标采用以下实例：
所述的光学路标是已知位置信息的冰下二维码图像。通过在水下机器人回收洞口附近区域布设数个冰洞，可以采用通过冰钻在长期冰站上打通直径不超过10cm的细小冰洞，然后通过特布放缆绳或伸缩杆，经提前打好的冰洞布放冰下二维码路标。
二维码路标是球体或者六面体，二维码路标在冰下布放之后，可以使得水下机器人从同一深度各个角度观察均可以拍摄二维码图像，从而识别确认二维码路标信息。二维码路标信息包含的基础信息为路标的ID序号。对于球体，通过在表面设置4-5张相同的二维码图像，对应于同一个路标的ID序号。对于六面体等有指向性的路标，通过在前、后、左、右和下表面分别设置5张二维码图像，对应于同一个路标的ID序号，以及五个方向的对应面的标号用于区分方向。带有对应面标号的二维码路标，可以给水下机器人提供洞口方向信息，可用于方向不准确或者无方向信息的冰下机器人航行控制。
二维码路标ID序号与路标的位置信息是一一对应的，并提前将路标ID序号与位置信息的唯一映射信息输入到水下机器人控制系统，水下机器人拍摄路标图像，识别二维码的ID序号和对应面的标号、识别出对应出路标的位置信息和方向。
在冰上按照设定的几个远近位置距离，预先分别采集二维码图像，并进行图像像素近大远小的规律，标定距离与图像像素缩放比例的关系。根据水下机器人拍摄的二维码图像的像素分辨率的缩放比例对当期二维码路标的距离进行估计。
进一步的，路标的呈现方式主要为二维码，根据路标信息量多少，可以使用其他视觉路标形式，如一维码，数字码或者其他能识别的图像等。
水下机器人回航采用定深航行模式，水下回收网中心深度不小于定深深度。水下机器人未能成功装向回收网时，将自主定深模式绕行，从远处重新尝试撞向回收网回收。水下机器人回航自主撞向回收网之前，通过自主导航坐标设定阈值，提前停止水下机器人推进螺旋桨转动。水下机器人回航自主撞向回收网之后，通过水声通信机再次确认停止水下机器人推进螺旋桨转动。
综上所述，本发明给出了一种可用于北极等特殊环境，针对使用冰洞布放的水下机器人，在冰下进行大范围、长时间调查后，冰下返航至冰洞口完成回收的方法。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
搜索回航至冰洞位置：水下机器人与水面控制中心通信确认返航回收指令，根据自身惯导系统提供的航向数据、结合水下光学路标、水声通讯校正自身导航位置，驶向目标回收冰洞；
撞网回收流程：在目标冰洞口下方，水下机器人围绕回收网进行定深巡航、自主撞网，等待起吊至冰面，实现回收返航过程中的声学路标与光学路标组合辅助导航。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述返航回收指令为水面控制中心通过吊放入冰下海水中的水声通信机向水下机器人发送回收指令或者水下机器人按照预定任务时间自动执行回收任务。
3.根据权利要求1所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述搜索回航至冰洞位置，包括：
首先，根据自身导航数据向目标回收洞口航行；
其次，水下机器人回航过程中，根据水下高清摄像机观测到的预设位置处的光学路标，识别光学路标位置，校正自身导航位置；
最后，水下机器人回航过程中，接收声学路标信息，按照声学路标导引，向回收冰洞口航行，到达目标回收洞口下方。
4.根据权利要求3所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述光学路标是已知位置信息的冰下二维码图像。
5.根据权利要求4所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述二维码图像光学路标为若干个通过冰洞布放于冰下的二维码路标，向水下机器人返航时提供位置信息。
6.根据权利要求3所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述识别光学路标位置为：
a.对采集的图像进行识别处理，获取二维码路标信息；
b.估算距离该二维码的距离和方向；
c.获取对应二维码路标的位置信息，计算水下机器人当前的估计位置信息用于位置导航校正。
7.根据权利要求1所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述定深巡航、自主撞网，等待起吊至冰面，包括：
水下机器人同时考虑声学路标信息和光学路标信息回航至靠近洞口时，通过高清摄像头观察并确认从冰洞口吊放入水的回收网；
水下机器人以艏部为前向，自主撞向回收网并停止推进螺旋桨转动，通过高清摄像头观察，当艏部回收钩扎入回收网后，再次确认推进螺旋桨转动是否停止；再次通过高清摄像头确认回收钩扎入回收网。
8.根据权利要求1所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述水下机器人未能成功撞向回收网时，将自主定深模式围绕洞口绕行，从远处重新尝试撞向回收网回收；所述水下回收网中心深度不小于定深深度。
9.根据权利要求1所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述水下机器人回航自主撞向回收网之前，通过自主导航坐标设定阈值，提前停止水下机器人推进螺旋桨转动。
10.根据权利要求1所述的一种基于声学路标与光学路标组合辅助导航的水下机器人极地冰下回收方法，其特征在于，所述水下机器人回航自主撞向回收网之后，通过水声通信机再次确认停止水下机器人推进螺旋桨转动。
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