CN209764112U - 小型无缆水下机器人组合导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水下机器人技术领域，提供一种小型无缆水下机器人组合导航装置，包括惯性导航模块、耐压GPS模块、多普勒速度计模块、深度测量模块、视觉平台模组、嵌入式片上系统、多串口卡和单片机。多串口卡和单片机分别与嵌入式片上系统连接，惯性导航模块和耐压GPS模块通过多串口卡连接嵌入式片上系统，深度计通过A/D转换板连接单片机，视觉平台模组两台摄像机与嵌入式片上系统连接。各数据采集模块分别完成导航数据的采集，并传输到片上系统，通过融合多种类型的导航采集器的导航数据，使它们优势互补，利于实现长距离的精确导航。该装置体积小，重量轻，成本低，利于实现水下导航系统小型化，可应用于要求体积重量小的小型水下机器人。

Description

小型无缆水下机器人组合导航装置

技术领域

本实用新型属于水下机器人技术领域，尤其涉及一种小型无缆水下机器人组合导航装置。

背景技术

目前，世界上各大国家都在大力发展海洋事业，但海洋中存在各种不确定和未知因素，人体和普通设备要在这种条件下顺利完成工作相当困难。小型水下机器人因其安全、经济、便携等优点，一直受到各国研究人员的关注，可以完成海洋环境检测、海洋资源开发、海底管道铺设，及大型海上结构物水下检测等工作。

目前，导航定位问题仍然是水下机器人设计所面临的主要关键问题之一。小型水下机器人受限于体积、成本、能源等限制，导航装置一般由小型化、低成本传感器构成，传感器精度较低，同时，水下机器人一般工作在特有的水下坏境，干扰噪声信号大，并且无缆水下机器人丢失后通常很难找回，这对导航系统提出了更高的要求，对构造一种小型化水下组合导航装置增加了难度。

现在水下机器人导航常用方法有惯性导航、航位推算法、水声定位等。其中，惯性导航系统在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不容易受到干扰破坏。航位推算导航是一种低成本的导航方法，是水下机器人重要的导航手段，其方法简单、经济，水下机器人除了配备测速仪、姿态、深度传感器等外，只需要给定初始位置信息，通过一定的算法就可构成具有一定精度的实时、可靠的自主式导航系统。水声定位系统通过接收已知位置的基阵发出的声纳信号，可获取水下机器人的绝对位置。但是，高精度的惯导系统往往体积庞大，价格昂贵，并且，惯性导航系统导航和航位推算导航的定位误差将随时间和航程累积和发散，一般需要定期进行位置校正。水声系统需要安装固定位置的基阵，不适合于小型水下机器人的远距离航行。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于解决现有技术中通过单一导航方法难以满足水下机器人航行的需要，为小型无缆水下机器人提供一种体积小、重量轻、成本低的组合导航装置。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种小型无缆水下机器人组合导航装置，包括惯性导航模块、耐压GPS模块、多普勒速度计模块、深度测量模块、视觉平台模组、嵌入式片上系统、多串口卡和单片机；

所述嵌入式片上系统、多串口卡和单片机内置于水下机器人的电子舱中，所述多串口卡和单片机分别与所述嵌入式片上系统连接；

所述惯性导航模块、耐压GPS模块设置在水下机器人内部，所述惯性导航模块和耐压GPS模块通过多串口卡连接所述嵌入式片上系统；

所述深度测量模块包括设置在水下机器人外围框架顶部的深度计和与深度计连接的A/D转换板，深度计通过A/D转换板连接所述单片机；

所述多普勒速度计模块设置在水下机器人外围框架底部，所述多普勒速度计模块包括与所述单片机连接的超声波发射模块和超声波接收模块；

所述视觉平台模组包括位于所述水下机器人外围框架前端上部的第一摄像机和位于所述水下机器人外围框架前端下部的第二摄像机，所述第一摄像机和第二摄像机与所述嵌入式片上系统连接。所述第一摄像机和第二摄像机平行放置，并使两摄像机光轴平行且垂直于两摄像机光心连线，构成一个双目立体视觉系统。

作为优选，所述多普勒速度计模块由超声波发射模块和超声波接收模块组成。超声波发射模块包括一个压电超声波转换器和若干反相器，压电超声波转换器通过若干反相器与所述单片机连接；超声波接收模块包括超声波接收探头，整形放大电路和滤波混频电路，超声波接收探头接收到超声波后，将转换后的电信号通过整形放大电路和滤波混频电路送入单片机。通过计算超声波多普勒频移得到机器人的三维运动速度。所述多普勒速度计模块使用超声波作为信号载体，在水下衰减比光波小，探测距离比激光多普勒速度计远。所述多普勒速度计所需电子元件和电子电路均较为常见，价格低廉。所述多普勒速度计体积小、功耗小。

作为优选，嵌入式片上系统采用PHYTEC i.MX6UL型号arm核心板，适合低功耗、低成本、紧凑型装置，支持CAN口，串口，LCD、摄像头等多种接口组合。

作为优选，单片机采用Atmel YL9G20型号单片机芯片，并集成了存储芯片、通讯芯片、传感器接口等。

作为优选，多串口卡选用SUNIX SER5066A8型号8串口扩展卡，所述惯性导航模块和耐压GPS模块通过多串口卡连接嵌入式片上系统，多串口卡预留一定量数据接口，以考虑传感器的扩展。

作为优选，所述惯性导航模块、耐压GPS模块、深度计和摄像机均为小型化、功耗小、低成本传感器。惯性导航模块可选用invensen ITG3205型号惯性导航传感器组，耐压GPS模块可选用royaltek REB-3571型号GPS模块，深度计可选用TECLOCK DMD2100J型号深度计，摄像机可选用SONY4140型号板机。

本实用新型工作方式为：惯性导航模块通过加速度计和陀螺仪获得三个平移运动的加速度和三个转动运动角速度。耐压GPS模块在水面附近时接收卫星信号，获取水下机器人的绝对位置信息。上述平移加速度信息、转动运动角速度信息和绝对位置信息通过多串口卡传输到嵌入式片上系统。视觉平台模组通过双摄像机获取水下环境的两幅数字图像，并传输到嵌入式片上系统。单片机控制多普勒速度计模块发射超声波并检测接收到的超声波发生的频移，获取水下机器人的三维运动速度。深度计通过计算水压检测机器人下潜深度并将测得的信号转化为电流信号，通过A/D转换板送入单片机。单片机将三维运动速度信息和深度信息传输到嵌入式片上系统。嵌入式片上系统根据GPS信号获取初始机器人位置，此后对平移加速度信息、三维运动速度和转动运动角速度信息进行融合滤波和积分处理，并结合深度计的深度信息，根据航位推算法计算移动后机器人在导航参考坐标系的位姿。嵌入式片上系统同时处理双摄像机拍摄的两幅数字图像，并从图像中选择特征点，根据当前机器人位置，通过双目视差原理求出特征点在导航坐标系中的坐标，并存储图像、特征点的坐标信息。后续可通过图像匹配从相机现在拍照而得的图像中提取之前存储的特征点，并根据存储的特征点的坐标，反解算出机器人在坐标系中的位姿，并对航位推算法结果进行修正。当水下机器人航行到水面附近时，嵌入式片上系统可通过耐压GPS模块获取的水下机器人的绝对位置，上述二者相互结合，实现多途径、多方法的位置矫正，清除航位推算法的累计误差，得到更精确的导航信息。本实用新型的嵌入式片上系统涉及的数据处理与运算均为现有技术，可参见如中国专利201010559044.X公开的一种小型水下机器人组合导航系统及导航方法、201320750334.1公开的组合导航系统，或其他相关文献，此处不再赘述。

有益效果：本实用新型的小型无缆水下机器人组合导航装置集合了惯性导航、GPS定位、多普勒速度计、深度计、视觉平台等多类型导航数据采集器件，能够感知各类数据，工作既不需要事先在工作水域布置器件，也不需要事先绘制工作水域地图，使用方便快捷，可以在未知水域工作。多种类型的导航采集器的导航数据可相互融合，优势互补，有利于实现长距离的持续精确导航。本实用新型体积小、重量小、功耗低，成本低，适合用于受限于体积、成本、能源等限制的小型水下机器人。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，结合附图对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本实用新型的连接框图。

图2是本实用新型的安装示意图。

图3是本实用新型的具体连接图。

图4是本实用新型的超声波发射模块的电路图。

图5是本实用新型的超声波接收模块的电路图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步的描述如下：

如图1所示，本实用新型公开的一种小型无缆水下机器人组合导航装置主要包括惯性导航模块、耐压GPS模块、多普勒速度计模块、深度测量模块、视觉平台模组、嵌入式片上系统、多串口卡和单片机。

多串口卡和单片机分别与嵌入式片上系统连接，惯性导航模块和耐压GPS 模块通过多串口卡连接嵌入式片上系统，深度测量模块包括深度计和A/D转换板，深度计通过A/D转换板连接单片机，第一摄像机和第二摄像机连接嵌入式片上系统，多普勒速度计模块连接单片机。

如图2所示，该水下机器人组合导航装置安装方式为：

嵌入式片上系统、多串口卡和单片机集成在主控板1上，内置于水下机器人的电子舱中，惯性导航模块2、耐压GPS模块3设置在水下机器人内部，深度测量模块4设置在水下机器人外围框架顶部，多普勒速度计模块5设置在水下机器人外围框架底部，视觉平台模组包括设置在水下机器人外围框架前端上部的第一摄像机6和设置在水下机器人外围框架前端下部的第二摄像机7，并且第一摄像机6和第二摄像机7平行放置，并使两摄像机光轴平行且垂直于两摄像机光心连线，构成一个双目立体视觉系统。

如图3所示，该水下机器人组合导航装置各模块选型为：

嵌入式片上系统选用PHYTEC i.MX6UL型号arm核心板，单片机选用型号 AtmelYL9G20单片机，多串口卡选用SUNIX SER5066A8型号串口扩展卡，惯性导航模块选用invensen ITG3205型号惯性导航组件，耐压GPS模块选用 royaltek REB-3571型号GPS模块，深度计选用TECLOCK DMD2100J型号深度计，第一摄像机和第二摄像机选用SONY4140型号摄像机板机，各器件的具体电线路连接和信号处理方式可参见相应的使用说明，此处不赘述。多普勒速度计模块中超声波发射模块和超声波接收模块使用若干电子器件自主搭建。

如图4所示，超声波发射模块包括一个压电超声波转换器和若干反相器，单片机输出的方波信号通过两个反相器接入压电超声波转换器的一段，另一端接一个反相器后接方波信号，其频率等于压电超声波转换器中压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波。压电超声波转换器上端通过两个反相器和一个电阻接+5V电压，下端通过一个电阻接+5V电压。

如图5所示，超声波接收模块包括超声波接收探头，整形放大电路和滤波混频电路，超声波接收探头接收到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为同频率电信号，经过通过整形放大电路和滤波混频电路处理后，将包含多普勒频移信号的余弦信号送入单片机并传输到嵌入式片上系统，通过数据处理求出水下机器人相对水底的三维运动速度。

Claims (10)

1.一种小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，包括惯性导航模块、耐压GPS模块、多普勒速度计模块、深度测量模块、视觉平台模组、嵌入式片上系统、多串口卡和单片机；

所述嵌入式片上系统、多串口卡和单片机内置于水下机器人的电子舱中，所述多串口卡和单片机分别与所述嵌入式片上系统连接；

所述惯性导航模块、耐压GPS模块设置在水下机器人内部，所述惯性导航模块和耐压GPS模块通过多串口卡连接所述嵌入式片上系统；

所述深度测量模块包括设置在水下机器人外围框架顶部的深度计和与深度计连接的A/D转换板，深度计通过A/D转换板连接所述单片机；

所述多普勒速度计模块设置在水下机器人外围框架底部，所述多普勒速度计模块包括与所述单片机连接的超声波发射模块和超声波接收模块；

所述视觉平台模组包括位于所述水下机器人外围框架前端上部的第一摄像机和位于所述水下机器人外围框架前端下部的第二摄像机，所述第一摄像机和第二摄像机与所述嵌入式片上系统连接。

2.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述超声波发射模块包括一个压电超声波转换器和若干反相器，所述压电超声波转换器通过若干反相器与所述单片机连接。

3.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述超声波接收模块包括超声波接收探头，整形放大电路和滤波混频电路，所述超声波接收探头接收到超声波后，将转换后的电信号通过整形放大电路和滤波混频电路送入单片机。

4.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述嵌入式片上系统选用PHYTEC i.MX6UL型号arm核心板。

5.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述单片机选用Atmel YL9G20型号单片机。

6.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述多串口卡选用SUNIX SER5066A8型号8串口扩展卡。

7.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述惯性导航模块选用invensen ITG3205型号惯性导航传感器组。

8.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述耐压GPS模块选用royaltek REB-3571型号GPS模块。

9.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述深度计选用TECLOCK DMD2100J型号深度计。

10.根据权利要求1所述的小型无缆水下机器人组合导航装置，其特征在于，所述第一摄像机和第二摄像机选用SONY4140型号板机。