CN115900727A - 一种水下机器人导航装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人导航装置，涉及机器人定位导航技术领域，包括激光发射模块、透镜模块、光学传感器模块、数字信号处理模块和电源管理模块；本发明还公开了一种水下机器人，通信连接上述水下机器人导航装置，接收并响应水下机器人导航装置的位移和速度信息；本发明公开了一种水下机器人导航方法，包括：S100、水下机器人导航装置安装；S200、水下机器人启动；S300、图像阵列采集；S400、位移和速度计算；S500、导航信息发送；S600、导航信息响应。本发明不依赖于水下通信装置，降低了水下导航定位的成本，不依赖水下通信设备，提高了定位的精度。

Description

一种水下机器人导航装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人定位导航技术领域，尤其涉及一种水下机器人导航装置及方法。

背景技术

随着人民生活水平的不断提高，泳池逐渐走进了很多私人庭院和高档小区。泳池在使用一段时间后池底及四周都会沉淀一层污垢，难以清理干净。相较于人工打扫清理，选择使用泳池自动清洁机器人可以达到零死角、便利、成本低的目的。为了提高泳池机器人的清洁效率和智能程度，需要在行进过程中获取机器人的运动导航定位信息。

目前用于水下定位的技术方案有以下三种：

1、基于惯性导航的定位方式。该方案通过水下机器人搭载的惯性传感器(包括加速度传感器和陀螺仪传感器)，计算出机器的相对位移。这种方案往往要依赖复杂的算法，无法保证其导航精度，且有累积误差，无法满足长时间水下工作的需求。

2、基于声呐的定位方式。在水中电磁信号衰减较快，无法像在空气中通过超声波、红外线测量距离。但可以通过声呐发生装置和接收装置，获取导航定位的信息。水下声学定位通常用在航道安全、矿藏资源调查、海底光缆铺设等领域。这种方案成本较高，不适用于泳池等小面积水域环境的导航。

3、基于GPS的水下定位方式。需要结合多个GPS浮标，水下导航收发器向GPS浮标发送定位信号，GPS浮标将水声定位信号、浮标姿态校准数据、GPS信号等信息进行调制后发送到数据控制中心。数据控制中心将GPS基准站差分信号与以上信息融合处理计算后得到水下目标位置。这种方案成本较高，且精度不高，需要提前安装设置多个GPS浮标，不适用于泳池环境的导航任务。

概括而言，现有技术方案的缺点主要有以下三点：

1、信标的方法需要提前布置，不具有便捷性；

2、水声方案的方法成本高，不便于在泳池这样的小范围内使用；

3、惯性导航的精确度低，且有较大的累积误差，在工程中不可靠。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种水下机器人导航装置及方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何降低水下导航定位的成本，提高定位的精度。

发明人经研究发现，利用光电原理，通过拍摄表面连续图片，对比相邻图片差异后计算出机器人相对于平面的位移和速度信息，不依赖于水下通信装置，即可获取自身位移和速度信息。

本发明的一个实施例中，提供了一种水下机器人导航装置，包括：

激光发射模块，向水池底部表面发射同心激光光束；

透镜模块，包括折射子模块和汇聚子模块，折射子模块位于激光发射模块与水池底部表面之间，提高激光发射模块发射的同心激光光束亮度并折射为平行激光光束射向水池底部表面，汇聚子模块位于水池底部表面与光学传感器模块之间，经过水池底部表面反射的平行激光光束通过汇聚子模块汇聚成同心激光光束，然后传输给光学传感器模块；

光学传感器模块，设置均匀排布的微小光敏物质，接收透镜模块汇聚成的同心激光光束，转换为与光信号成相应比例关系的电信号，形成图像阵列；

数字信号处理模块，包括数字图像芯片，与光学传感器模块通信连接，响应于光学传感器模块发送的图像阵列，进行互相关运算，得到连续两张图像阵列以像素为单位的X轴方向和Y轴方向的变动数值，通过像素和实际物理距离的转换，得到位移和速度信息；

电源管理模块，与激光发射模块、光学传感器模块、数字信号处理模块电路连接并供电；

电源管理模块供电，激光发射模块发射出同心激光光束，经过透镜模块的折射子模块折射为平行激光光束射向水池底部表面，经过水池底部表面反射的平行激光光束通过透镜模块的汇聚子模块汇聚成同心激光光束，传输给光学传感器模块形成图像阵列，图像阵列传输到数字信号处理模块进行互相关运算，最终得到位移和速度信息。

可选地，在上述实施例中的水下机器人导航装置中，平行激光光束以一定角度照亮水池底部表面。

进一步地，在上述实施例中的水下机器人导航装置中，角度优选为15-45°之间。

进一步地，在上述实施例中的水下机器人导航装置中，照亮的水池底部表面积大约为5平方毫米。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航装置中，透镜模块与电源管理模块、激光发射模块、光学传感器模块、数字信号处理模块之间设置黑色底板阻隔，防止光线干扰。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航装置中，光学传感器模块设置透光孔，通过透光孔接收透镜模块的汇聚子模块汇聚的同心激光光束，透光孔设置防水垫圈，保护内部的电路结构。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航装置中，图像阵列的大小为40x40像素，每个像素由0-4095范围的灰度级组成，灰度级由光学传感器模块中特定像素位置所接收到的光线强度决定。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航装置中，折射子模块使用棱光镜。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航装置中，折射子模块使用凸透镜球面，反射平面数量是一至三，根据不同导光方案进行选择。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航装置中，汇聚子模块使用圆形透镜。

发明人把上述实施例的水下机器人导航装置与水下机器人控制板相连，向机器人提供导航所需要的位移和速度信息。

基于上述任一实施例，本发明的另一个实施例中，提供了一种水下机器人，通信连接上述任一实施例中的水下机器人导航装置，接收并响应水下机器人导航装置的位移和速度信息。

基于上述任一实施例，本发明的另一个实施例中，提供了一种水下机器人导航方法，包括如下步骤：

S100、水下机器人导航装置安装；

S200、水下机器人启动，将水下机器人放入水池，水下机器人和水下机器人导航装置开始工作；

S300、图像阵列采集，激光发射模块向水池底部表面发射同心激光光束，经透镜模块反射和汇聚，在光学传感器模块形成图像阵列；

S400、位移和速度计算，数字信号处理模块接收图像阵列并进行互相关运算，不断移动后一帧图像阵列的坐标位置，前一帧图像阵列保持固定，比较两张图像阵列之间的差值，当差值最小时认定为相邻两张图像阵列以像素为单位的X轴方向和Y轴方向的变动数值，通过像素和实际物理距离的转换，得到位移和速度信息；

S500、导航信息发送，数字信号处理模块把位移和速度信息发送给水下机器人进行导航；

S600、导航信息响应，水下机器人接收并响应位移和速度信息。

可选地，在上述实施例中的水下机器人导航方法中，步骤S100包括：

S110、将水下机器人导航装置安装在水下机器人的底部，水下机器人导航装置底部与水池底部表面贴近，最大不能超过1毫米间隔；

S120、通过USB连接线连接水下机器人导航装置和水下机器人，传输导航数据并提供电源。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航方法中，步骤S300中图像阵列的大小为40x40像素，每个像素由0-4095范围的灰度级组成，灰度级由光学传感器模块中特定像素位置所接收到的光线强度决定。

可选地，在上述任一实施例中的水下机器人导航方法中，步骤S300包括：

S310、激光发射，激光发射模块向水池底部表面发射同心激光光束；

S320、透镜模块折射，透镜模块的折射子模块提高激光发射模块发射的同心激光光束亮度，并折射为平行激光光束以一定角度射向水池底部表面；

S330、水池底部表面反射，水池底部表面对平行激光光束进行反射；

S340、透镜模块汇聚，经过水池底部表面反射的平行激光光束通过透镜模块的汇聚子模块汇聚成同心激光光束，传输给光学传感器模块；

S350、图像阵列形成，光学传感器模块接收汇聚子模块汇聚成的同心激光光束，转换为与光信号成相应比例关系的电信号，形成图像阵列。

进一步地，在上述实施例中的水下机器人导航方法中，步骤S320中的角度优选为15-45°之间。

本发明不依赖于水下通信装置，水下机器人即可获取自身位移和速度信息，降低了水下导航定位的成本，不依赖水下通信设备，提高了定位的精度，不必考虑误差累积所导致的精度下降；本发明装置的芯片和传感器材料容易获取，成本低；另外本发明自带激光发射器，不受可见光的影响，精确度高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是图示根据示例性实施例的水下机器人导航装置的结构示意图；

图2是图示根据示例性实施例的水下机器人导航方法的流程图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方示意性地适当夸大了部件的厚度。

发明人设计了一种水下机器人导航装置，如图1所示，包括：

激光发射模块，向水池底部表面发射同心激光光束；

透镜模块，包括折射子模块和汇聚子模块，折射子模块位于激光发射模块与水池底部表面之间，提高激光发射模块发射的同心激光光束亮度并折射为平行激光光束射向水池底部表面，平行激光光束以一定角度照亮水池底部表面，优选地角度为15-45°之间，照亮的水池底部表面积大约为5平方毫米；汇聚子模块位于水池底部表面与光学传感器模块之间，经过水池底部表面反射的平行激光光束通过汇聚子模块汇聚成同心激光光束，然后传输给光学传感器模块；透镜模块与电源管理模块、激光发射模块、光学传感器模块、数字信号处理模块之间设置黑色底板阻隔，防止光线干扰；折射子模块使用棱光镜，汇聚子模块使用圆形透镜；折射子模块也可以使用凸透镜球面，反射平面数量是一至三，根据不同导光方案进行选择；

光学传感器模块，设置均匀排布的微小光敏物质，接收透镜模块汇聚成的同心激光光束，转换为与光信号成相应比例关系的电信号，形成图像阵列，图像阵列的大小为40x40像素，每个像素由0-4095范围的灰度级组成，灰度级由光学传感器模块中特定像素位置所接收到的光线强度决定；光学传感器模块设置透光孔，通过透光孔接收透镜模块的汇聚子模块汇聚的同心激光光束，透光孔设置防水垫圈，保护内部的电路结构；

数字信号处理模块，包括数字图像芯片，与光学传感器模块通信连接，响应于光学传感器模块发送的图像阵列，进行互相关运算，得到连续两张图像阵列以像素为单位的X轴方向和Y轴方向的变动数值，通过像素和实际物理距离的转换，得到位移和速度信息；

电源管理模块，与激光发射模块、光学传感器模块、数字信号处理模块电路连接并供电；

电源管理模块供电，激光发射模块发射出同心激光光束，经过透镜模块的折射子模块折射为平行激光光束射向水池底部表面，经过水池底部表面反射的平行激光光束通过透镜模块的汇聚子模块汇聚成同心激光光束，传输给光学传感器模块形成图像阵列，图像阵列传输到数字信号处理模块进行互相关运算，最终得到位移和速度信息。

发明人把上述实施例的水下机器人导航装置与水下机器人控制板相连，向机器人提供导航所需要的位移和速度信息。

基于上述实施例，本发明的另一个实施例中，提供了一种水下机器人，通信连接上述实施例中的水下机器人导航装置，接收并响应水下机器人导航装置的位移和速度信息。

基于上述实施例，发明人提供了一种水下机器人导航方法，如图2所示，包括如下步骤：

S100、水下机器人导航装置安装；包括：

S110、将水下机器人导航装置安装在水下机器人的底部，水下机器人导航装置底部与水池底部表面贴近，最大不能超过1毫米间隔；

S120、通过USB连接线连接水下机器人导航装置和水下机器人，传输导航数据并提供电源。

S200、水下机器人启动，将水下机器人放入水池，水下机器人和水下机器人导航装置开始工作；

S300、图像阵列采集，激光发射模块向水池底部表面发射同心激光光束，经透镜模块反射和汇聚，在光学传感器模块形成图像阵列，图像阵列的大小为40x40像素，每个像素由0-4095范围的灰度级组成，灰度级由光学传感器模块中特定像素位置所接收到的光线强度决定；包括：

S310、激光发射，激光发射模块向水池底部表面发射同心激光光束；

S320、透镜模块折射，透镜模块的折射子模块提高激光发射模块发射的同心激光光束亮度，并折射为平行激光光束以一定角度射

向水池底部表面，角度优选为15-45°之间；

S330、水池底部表面反射，水池底部表面对平行激光光束进行反射；

S340、透镜模块汇聚，经过水池底部表面反射的平行激光光束通过透镜模块的汇聚子模块汇聚成同心激光光束，传输给光学传感器模块；

S350、图像阵列形成，光学传感器模块接收汇聚子模块汇聚成的同心激光光束，转换为与光信号成相应比例关系的电信号，形成

图像阵列。

S400、位移和速度计算，数字信号处理模块接收图像阵列并进行互相关运算，不断移动后一帧图像阵列的坐标位置，前一帧图像阵列保持固定，比较两张图像阵列之间的差值，当差值最小时认定为相邻两张图像阵列以像素为单位的X轴方向和Y轴方向的变动数值，通过像素和实际物理距离的转换，得到位移和速度信息；

S500、导航信息发送，数字信号处理模块把位移和速度信息发送给水下机器人进行导航；

S600、导航信息响应，水下机器人接收并响应位移和速度信息。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水下机器人导航装置，其特征在于，包括：

激光发射模块，向水池底部表面发射同心激光光束；

透镜模块，包括折射子模块和汇聚子模块，所述折射子模块位于所述激光发射模块与所述水池底部表面之间，提高所述激光发射模块发射的同心激光光束亮度并折射为平行激光光束射向所述水池底部表面，所述汇聚子模块位于所述水池底部表面与光学传感器模块之间，经过所述水池底部表面反射的平行激光光束通过所述汇聚子模块汇聚成同心激光光束，然后传输给所述光学传感器模块；

光学传感器模块，设置均匀排布的微小光敏物质，接收所述透镜模块汇聚成的同心激光光束，转换为与光信号成相应比例关系的电信号，形成图像阵列；

数字信号处理模块，包括数字图像芯片，与所述光学传感器模块通信连接，响应于所述光学传感器模块发送的图像阵列，进行互相关运算，得到连续两张图像阵列以像素为单位的X轴方向和Y轴方向的变动数值，通过像素和实际物理距离的转换，得到位移和速度信息；

电源管理模块，与所述激光发射模块、所述光学传感器模块、所述数字信号处理模块电路连接并供电；

所述电源管理模块供电，所述激光发射模块发射出同心激光光束，经过所述透镜模块的所述折射子模块折射为平行激光光束射向所述水池底部表面，经过所述水池底部表面反射的平行激光光束通过所述透镜模块的所述汇聚子模块汇聚成同心激光光束，传输给所述光学传感器模块形成所述图像阵列，所述图像阵列传输到所述数字信号处理模块进行互相关运算，最终得到位移和速度信息。

2.如权利要求1所述的水下机器人导航装置，其特征在于，所述透镜模块与所述电源管理模块、所述激光发射模块、所述光学传感器模块、所述数字信号处理模块之间设置黑色底板阻隔，防止光线干扰。

3.如权利要求1所述的水下机器人导航装置，其特征在于，所述光学传感器模块设置透光孔，通过所述透光孔接收所述透镜模块的所述汇聚子模块汇聚的同心激光光束，所述透光孔设置防水垫圈，保护内部的电路结构。

4.如权利要求1所述的水下机器人导航装置，其特征在于，所述图像阵列的大小为40x40像素，每个像素由0-4095范围的灰度级组成，所述灰度级由所述光学传感器模块中特定像素位置所接收到的光线强度决定。

5.如权利要求1所述的水下机器人导航装置，其特征在于，所述折射子模块使用棱光镜。

6.如权利要求1所述的水下机器人导航装置，其特征在于，所述汇聚子模块使用圆形透镜。

7.一种水下机器人，其特征在于，通信连接如权利要求1-6任一所述的水下机器人导航装置，接收并响应所述水下机器人导航装置的位移和速度信息。

8.一种水下机器人导航方法，使用如权利要求1-6任一所述的水下机器人导航装置，其特征在于，包括如下步骤：

S100、水下机器人导航装置安装；

S200、水下机器人启动，将所述水下机器人放入水池，所述水下机器人和所述水下机器人导航装置开始工作；

S300、图像阵列采集，所述激光发射模块向水池底部表面发射同心激光光束，经所述透镜模块反射和汇聚，在所述光学传感器模块形成图像阵列；

S400、位移和速度计算，所述数字信号处理模块接收所述图像阵列并进行互相关运算，不断移动后一帧图像阵列的坐标位置，前一帧图像阵列保持固定，比较两张图像阵列之间的差值，当差值最小时认定为相邻两张图像阵列以像素为单位的X轴方向和Y轴方向的变动数值，通过像素和实际物理距离的转换，得到位移和速度信息；

S500、导航信息发送，所述数字信号处理模块把所述位移和速度信息发送给所述水下机器人进行导航；

S600、导航信息响应，所述水下机器人接收并响应所述位移和速度信息。

9.如权利要求8所述的水下机器人导航方法，其特征在于，所述步骤S100包括：

S110、将所述水下机器人导航装置安装在所述水下机器人的底部，所述水下机器人导航装置底部与所述水池底部表面贴近，最大不能超过1毫米间隔；

S120、通过USB连接线连接所述水下机器人导航装置和所述水下机器人，传输导航数据并提供电源。

10.如权利要求8的水下机器人导航方法，其特征在于，所述步骤S300包括：

S310、激光发射，所述激光发射模块向所述水池底部表面发射同心激光光束；

S320、透镜模块折射，所述透镜模块的所述折射子模块提高所述激光发射模块发射的同心激光光束亮度，并折射为平行激光光束以一定角度射向所述水池底部表面；

S330、水池底部表面反射，所述水池底部表面对所述平行激光光束进行反射；

S340、透镜模块汇聚，经过所述水池底部表面反射的平行激光光束通过所述透镜模块的所述汇聚子模块汇聚成同心激光光束，传输给所述光学传感器模块；

S350、图像阵列形成，所述光学传感器模块接收所述汇聚子模块汇聚成的同心激光光束，转换为与光信号成相应比例关系的电信号，形成所述图像阵列。

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