一种水下机器人定位导航系统及定位导航方法技术方案

本发明专利技术提供一种水下机器人定位导航系统及定位导航方法，所述系统包括水下机器人和控制台，水下机器人包括定位信息采集模块、避障信息采集模块和控制模块，通过定位信息采集模块和避障信息采集模块分别对水下机器人的位置信息和障碍物信息进行检测，进而根据水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息，控制水下机器人前行。本发明专利技术利用多传感器信息融合技术实现了全时段高精度定位导航及避障，保证了水下机器人在水面下前行的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人定位导航系统及定位导航方法
本专利技术涉及机器人导航
，更具体地，涉及一种水下机器人定位导航系统及定位导航方法。
技术介绍
目前，地球大部分地域是海洋，海洋不仅蕴藏着丰富的资源，而且随着科技的进步，各国的科学家对海洋进行未知探索。水下机器人不仅应用于海洋，还可以应用于河流、湖泊，水下机器人在水产养殖方面也有重要贡献，它灵活的潜入水底通过自身携带的传感器进行实时监测水质状况，包括PH值、溶解氧、浊度、温度、电导率等。基于这些原因，各国相继开展了水下机器人方面的研究，水下机器人技术得到了快速发展。随着对水下机器人研究的不断深入，出现了一系列定位的方法，有特征点标记法、惯性定位导航法等，但是都存在一定的局限性，特征标记法利用声波回声定位选取最近的三个点，再利用三点定位法计算出机器人的位置，这种方法需要对实验区域提前布置，不能适应于各种环境；惯性定位导航法可以在任意区域，但是随着距离的增长，误差会不断累加。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种水下机器人定位导航系统及定位导航方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种水下机器人定位导航系统，包括水下机器人和控制台，所述水下机器人位于水面下，所述控制台位于地面或船舰上，所述水下机器人包括定位信息采集模块、避障信息采集模块和控制模块；所述定位信息采集模块，用于采集水下机器人在水面下的位置坐标信息，并发送给控制模块；所述避障信息采集模块，用于对水下障碍物进行检测，并将障碍物检测信息发送给控制模块；所述控制模块，用于根据水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息，控制水下机器人前行；所述控制台，用于对水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息进行显示。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以作如下改进。进一步的，所述定位信息采集模块包括GPS接收器、多普勒声纳传感器、惯性测量单元和超声波测高仪，所述控制台中包括GPS发射端，所述GPS发射端与所述GPS接收器组成GPS模块；所述多普勒声纳传感器，用于测量水下机器人的三维运动速度信息；所述惯性测量单元，用于测量水下机器人的位姿信息和加速度信息；所述控制模块，用于根据水下机器人的所述三维运动速度信息、加速度信息和水下机器人入水时刻的位置坐标，计算出任意时刻，水下机器人在水面下的第一位置坐标信息(x1，y1，z1)；还用于根据计算出来的水下机器人的第二位置坐标信息(x2，y2，z2)对计算出的水下机器人在水面下的第一位置坐标信息(x1，y1，z1)进行校正，得到校正后的水下机器人的位置坐标(x，y，z)；所述超声波测高仪，用于测量水下机器人距离水面的高度；所述GPS模块，用于结合所述超声波测高仪，对水下机器人的第二位置坐标信息(x2，y2，z2)进行计算。进一步的，所述多普勒声纳传感器中包括发射换能器和接收换能器，所述接收换能器包括多个水听器；所述发射换能器，用于向水下方发射多束声波信号；所述接收换能器，用于采用多个水听器接收海底反射的每一束回波信号；所述多普勒声纳传感器，还用于根据发射的每一束声波信号的频率和接收的相应的每一束回波信号的频率，计算出水下机器人的三维运动速度。进一步的，所述避障信息采集模块包括红外线传感器和摄像头；所述红外线传感器，用于对水下机器人前方障碍物的位置坐标信息进行检测；所述摄像头，用于根据所述障碍物的位置坐标信息，对障碍物的类型进行分析；所述控制模块，用于根据所述障碍物的位置坐标信息以及障碍物的类型控制水下机器人前行。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于水下机器人定位导航系统的定位导航方法，包括：采集水下机器人在水面下的位置坐标信息以及水下机器人前方障碍物信息；根据水下机器人的位置坐标信息和前方障碍物信息，控制水下机器人在水下前行。进一步的，所述采集水下机器人在水面下的位置坐标信息具体包括：分别测量水下机器人的三维运动速度和三维加速度；根据水下机器人的三维运动速度、三维加速度以及水下机器人入水时刻的位置，计算出任意时刻，水下机器人在水面下的第一位置坐标信息(x1，y1，z1)。进一步的，所述测量水下机器人的三维运动速度包括：采用多普勒声纳传感器向水下发射多束声波信号，并接收海底反射的相对应的多束回波信号；根据接收的每一束回波信号的频率与对应的发射的每一束声波信号的频率之间的频移，计算得到水下机器人的三维运动速度。进一步的，还包括：通过控制台上的GPS发射端和水下机器人上的GPS接收器，以及超声波测高仪，对水下机器人的第二位置坐标信息(x2，y2，z2)进行计算；采用所述第二位置坐标信息(x2，y2，z2)校正所述第一位置坐标信息(x1，y1，z1)，得到校正后的水下机器人的位置坐标信息。进一步的，所述采集水下机器人前方障碍物信息具体包括：采用红外线传感器测量水下机器人正前方障碍物的位置信息；根据所述障碍物的位置信息，利用摄像头对障碍物进行拍摄，并根据拍摄得到的障碍物的照片分析障碍物的类型。进一步的，所述根据水下机器人的位置坐标信息和前方障碍物信息，控制水下机器人在水下前行具体包括：当水下机器人前方障碍物在安全距离外时，控制水下机器人继续前行；当水下机器人前方障碍物在安全距离内时，根据所述障碍物的类型，控制水下机器人是继续前行或者转弯避开障碍物。本专利技术提供的一种水下机器人定位导航系统及定位导航方法，定位信息采集模块和避障信息采集模块分别对水下机器人的位置信息和障碍物信息进行检测，根据水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息，控制水下机器人前行。本专利技术利用多传感器信息融合技术实现了全时段高精度定位导航及避障，保证了水下机器人在水面下前行的安全性。附图说明图1为本专利技术一个实施例的水下机器人定位导航系统结构框图；图2为本专利技术一个实施例的水下机器人定位导航方法流程图；图3为多普勒声纳传感器发射四束声波信号的示意图；图4为多普勒声纳传感器的模型坐标系示意图；图5为惯性测量单元测量的水下机器人的位姿参数分布图；图6为通过GPS模块和超声波测高仪测量水下机器人的位置坐标信息的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。参见图1，提供了本专利技术一个实施例的水下机器人定位导航系统，包括水下机器人和控制台，所述水下机器人位于水面下，所述控制台位于地面或船舰上，水下机器人和控制台之间通过无线信号传输。其中，水下机器人包括定位信息采集模块、避障信息采集模块和控制模块。定位信息采集模块，用于采集水下机器人在水面下的位置坐标信息，并发送给控制模块；避障信息采集模块，用于对水下障碍物进行检测，并将障碍物检测信息发送给控制模块；控制模块，用于根据水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息，控制水下机器人前行；控制台，用于对水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息进行显示。在上述实施例的基础上，本专利技术的一个实施例中，所述定位信息采集模块包括GPS接收器、多普勒声纳传感器、惯性测量单元和超声波测高仪，所述控制台中包括GPS发射端，所述GPS发射端与所述GPS接收器组成GPS模块。其中，所述多普勒声纳传感器，用于测量水下机器人的三维运动速度信息；所述惯性测量单元，用于测量水下机器人的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机器人定位导航系统，其特征在于，包括水下机器人和控制台，所述水下机器人位于水面下，所述控制台位于地面或船舰上，所述水下机器人与所述控制台通过无线传输，所述水下机器人包括定位信息采集模块、避障信息采集模块和控制模块；所述定位信息采集模块，用于采集水下机器人在水面下的位置坐标信息，并发送给控制模块；所述避障信息采集模块，用于对水下障碍物进行检测，并将障碍物检测信息发送给控制模块；所述控制模块，用于根据水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息，控制水下机器人前行；所述控制台，用于对水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息进行显示。

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人定位导航系统，其特征在于，包括水下机器人和控制台，所述水下机器人位于水面下，所述控制台位于地面或船舰上，所述水下机器人与所述控制台通过无线传输，所述水下机器人包括定位信息采集模块、避障信息采集模块和控制模块；所述定位信息采集模块，用于采集水下机器人在水面下的位置坐标信息，并发送给控制模块；所述避障信息采集模块，用于对水下障碍物进行检测，并将障碍物检测信息发送给控制模块；所述控制模块，用于根据水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息，控制水下机器人前行；所述控制台，用于对水下机器人的位置坐标信息和水下障碍物检测信息进行显示。2.如权利要求1所述的定位导航系统，其特征在于，所述定位信息采集模块包括GPS接收器、多普勒声纳传感器、惯性测量单元和超声波测高仪，所述控制台中包括GPS发射端，所述GPS发射端与所述GPS接收器组成GPS模块；所述多普勒声纳传感器，用于测量水下机器人的三维运动速度信息；所述惯性测量单元，用于测量水下机器人三维加速度信息；所述控制模块，用于根据水下机器人的所述三维运动速度信息、三维加速度信息和水下机器人入水时刻的位置坐标，计算出任意时刻，水下机器人在水面下的第一位置坐标信息(x1，y1，z1)；还用于根据计算出来的水下机器人的第二位置坐标信息(x2，y2，z2)对计算出的水下机器人在水面下的第一位置坐标信息(x1，y1，z1)进行校正，得到校正后的水下机器人的位置坐标(x，y，z)；所述超声波测高仪，用于测量水下机器人距离水面的高度；所述GPS模块，用于结合所述超声波测高仪，对水下机器人的第二位置坐标信息(x2，y2，z2)进行计算。3.如权利要求2所述的定位导航系统，其特征在于，所述多普勒声纳传感器中包括发射换能器和接收换能器，所述接收换能器包括多个水听器；所述发射换能器，用于向水下方发射多束声波信号；所述接收换能器，用于采用多个水听器接收海底反射的每一束回波信号；所述多普勒声纳传感器，还用于根据发射的每一束声波信号的频率和接收的相应的每一束回波信号的频率，计算出水下机器人的三维运动速度。4.如权利要求1所述的定位导航系统，其特征在于，所述避障信息采集模块包括红外线传感器和摄像头；所述红外线传感器，用于对水下机器人前...

【专利技术属性】
技术研发人员：位耀光，吴英昊，他旭翔，李道亮，肖瑞超，任勤，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11