一种水下机器人定位系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水下机器人定位系统及方法，所述定位系统包括水下机器人、水面浮体、发射端、接收端、压力传感器、惯性制导；所述的发射端共有一个；所述的接收端共有两个；所述发射端和两个接收端时间同步，发射端定时发送定位信号，两个接收端同步接收定位信号；所述的压力传感器固定在水下机器人上；所述的惯性制导固定在接收端上；所述惯性制导测量接收端的姿态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。其优点表现在：本发明专利技术的一种水下机器人定位系统，实现了只有一个水面发射端的情况下的水下机器人定位，省去了水面发射端之间数据交换的时间，减少了定位时间，增加了可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下机器人定位
，具体地说，是一种水下机器人定位系统及方法。
技术介绍
21世纪是海洋的世纪，全面深入认识海洋，开发利用海洋和保护海洋具有重大意义，其水下机器人得到了快速发展。水下机器人广泛应用与海洋开发、海洋工程，及海防
，使用了多种定位系统来对水下目标进行定位，由于海洋环境的特殊性。通常是通过水下声学手段，即利用声波脉冲对面、水中的目标进行定位，具体的实现原理是测量不同路径传播的声波脉冲时间延时或声脉冲之间的时间差和相位差，通过相应的定位算法进行定位。基于声学的定位系统按照水声信号的传播路径主要有两种分类：双程模式和单程模式。双程模式又称作应答模式，需要定位设备配置收发应答器。发射端和应答器之间双向收发水声信号实现定位，单程模式又称非应答模式，发射端和定位设备之间单向传送信号即可实现定位。单程定位系统都是信标向发射端发送信号，发射端根据接收到信号的特征解算出信标的位置。目前的单程和双程模式，其信标的位置解算都是在发射端或者船基、岸基完成。然而基于声学的定位系统有以下局限性：首先，定位系统所需部件庞大，需要多个个浮标(发射端)，数据中心、海面无线通信链路，定位系统在布防、校准和维护等方面都比较困难，费时耗资，且灵活性差，不能机动，作用范围有限；其次，多个发射端之间需要数据通信，数据交换才能解算出定位接收器的位置，增加了布防所需的时间，降低了可靠性；另外，定位方法中，无论是单程模式还是双程模式，其定位方法均是确定对水下机器人相对与发射端的距离，对水下机器人的三维坐标姿态信息则不能进行定位。综上所述，亟需一种结构简单，布防、校准及维护容易，可靠性好的水下机器人定位系统；以及一种能够获取水下机器人的三维坐标姿态信息的水下机器人定位方法。而关于这种水下机器人定位系统及方法目前还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中的不足，提供一种结构简单，布防、校准及维护容易，可靠性好的水下机器人定位系统。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种水下机器人定位系统，其特征在于，所述定位系统包括水下机器人、水面浮体、发射端、接收端、压力传感器、惯性制导；所述的发射端共有一个；所述的接收端共有两个，其两个接收端之间的中心距离处安装有压力传感器；所述发射端和两个接收端时间同步，发射端定时发送定位信号，两个接收端同步接收定位信号；所述的惯性制导固定在接收端上；所述惯性制导测量接收端的姿态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。所述发射端安装有声波发射器。所述接收端安装有接收器。所述发射端位置固定或者移动。所述接收端相对位置固定。所述的发射端通过GPS定位。所述的发射端固定在水面浮体上，接收端固定在水下机器人上，其两个接收端之间的中心距离处安装有压力传感器。所述的发射端固定在水下机器人上，接收端固定在水面浮体上，压力传感器安装在固定接收端的地方。所述水下机器人从水面到水底是网络构架，采用IEEE1588网络化测量及控制系统的精确时钟同步协议。本专利技术的再一目的是针对现有技术中的不足，提供一种能够获取水下机器人的三维坐标姿态信息的水下机器人定位方法。为实现上述第二个目的，本专利技术采取的技术方案是：一种水下机器人定位方法，该方法包括发射端发射定位信号、接收端接收发射端定位信号并进行定位解算；所述接收端解算方法具体步骤如下：步骤S1，发射端定时发送定位信号，且接收端与发射端时间同步，根据时间和定位信号在水中传播的速度解算出两个接收端分别于发射端AO,BO的距离l1,l2；步骤S11，定义两个接收端位置的距离AB距离为d；发射端位置的O点坐标为(0，0,0)，压力传感器位置的C点坐标为(x,y,z),其中z＝h，h为C点的压力传感器测出来的深度；步骤S12，根据两个接收端到发射端的距离，可以确定发射端在以D点为圆心，以h为半径的圆，且圆心D点在两个接收端的连线以及延长线上；步骤S2，根据三角函数公式计算压力传感器至发射端的连线水平方向的夹角大小，其夹角为公式为：∠OCB=arccos(OC2+CB2-OB22OC×CB),]]>其中，BC=12d,OC=12(l1+l2)]]>步骤S3，根据步骤S1中的发射端到接收端的距离，以及步骤S2中的夹角，结合点C到点O的距离和向量CO和向量CA的夹角关系可得方程为步骤S31，水下机器人在X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ的单位向量为(i,j,k)。本专利技术优点在于：1、本专利技术的一种水下机器人定位系统，实现了只有一个水面发射端的情况下的水下机器人定位，省去了水面发射端之间数据交换的时间，减少了定位时间，增加了可靠性；2、同时只需要一个发射端，大大方便了对水下机器人的定位，接收端不需要向外发射信号，结构简单，布防、校准及维护容易；3、发射端和接收端保持时钟同步，只要定时发送定位信号，即可实现定位，操作方便了很多；4、可以用于勘探、水下机器人定位、水下机器人导航等领域；5、两个接收端相对位置固定，且与发射端时间同步，通过接收的发射端的定位信号，反解出接收端和发射端的相对位置，再根据水面发射端通过GPS定位的定位信号，得到定位水下接收端的位置；6、本专利技术的一种水下机器人定位方法，通过接收端解算方法，结合水面发射端的GPS定位，即可定位水下机器人的三维坐标，加之，惯性制导获得的接收端姿态信息，获得X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。附图说明附图1是本专利技术的一种水下机器人定位系及方法统框图。附图2为本专利技术的一种水下机器人定位系及方法几何原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的具体实施方式作详细说明。附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：1.水下机器人11.水面浮体12.发射端13.接收端14.压力传感器15.水面请参照图1，图1是本专利技术的一种水下机器人1定位系及方法统框图。一种水下机器人1定位系统，所述定位系统包括水下机器人1、水面浮体11、发射端12、接收端13、压力传感器14、惯性制导；所述的发射端12固定在水面浮体11上；所述的发射端12共有一个；所述的接收端13位于水下机器人1上；所述的接收端13共有两个，其两个接收端13之间的中心距离处安装有压力传感器14；所述发射端12和两个接收端13时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下机器人定位系统，其特征在于，所述定位系统包括水下机器人、水面浮体、发射端、接收端、压力传感器、惯性制导；所述的发射端共有一个；所述的接收端共有两个；所述发射端和两个接收端时间同步，发射端定时发送定位信号，两个接收端同步接收定位信号；所述的压力传感器固定在水下机器人上；所述的惯性制导固定在接收端上；所述惯性制导测量接收端的姿态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人定位系统，其特征在于，所述定位系统包括水下机器
人、水面浮体、发射端、接收端、压力传感器、惯性制导；所述的发射端共有
一个；所述的接收端共有两个；所述发射端和两个接收端时间同步，发射端定
时发送定位信号，两个接收端同步接收定位信号；所述的压力传感器固定在水
下机器人上；所述的惯性制导固定在接收端上；所述惯性制导测量接收端的姿
态信息，其姿态信息包括X方向夹角φ、Y方向夹角θ和Z方向夹角ψ。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述发射端安装有声波
发射器。
3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述接收端安装有接收
器。
4.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述发射端位置固定或
者移动。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述接收端相对位置固
定。
6.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的发射端通过GPS
定位。
7.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的发射端固定在水
面浮体上，接收端固定在水下机器人上，其两个接收端之间的中心距离处安装
有压力传感器。
8.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的发射端固定在水
下机器人上，接收端固定在水面浮体上，压力传感器安装在固定接收端的地方。
9.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述水下机器人从水面
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亿明，周庆良，袁彬，邵翔，孙端晨，董团阳，刘青阳，
申请(专利权)人：欧舶智能科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31