协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统及跟踪方法技术方案

协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统及跟踪方法，属于水下机器人技术领域。为了解决目前水下机器人的定位精度受到现有的浮标静态特点影响而存在与水下机器人的距离变远而变差的问题，本发明专利技术利用设计的水面浮标系统一方面作为通信中继，中转岸基控制端与水下机器人之间的数据信息，实现岸基控制端与水下机器人的双向通信；另一方面浮标通过对水下机器人的声呐定位获取其相对位置并自主运动纠正位置偏差，保证浮标与水下机器人处于同一垂直于水平面的线上。由于浮标与水下机器人处于同一垂直于水平面的线上，所以浮标所处经纬度即是水下机器人所处经纬度，结合水下机器人的深度位置，即可精准定位水下机器人的位置。即可精准定位水下机器人的位置。即可精准定位水下机器人的位置。

【技术实现步骤摘要】
协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统及跟踪方法

：
[0001]本专利技术属于水下机器人
，具体涉及一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，以及水下机器人的跟踪方法。

技术介绍
：
[0002]随着海洋产业的发展，水下机器人的前景十分广阔，但是水下机器人的通信与定位问题一直困扰着该领域的科研人员，也正是这两个主要问题的存在限制了水下机器人更广泛的发展和应用。
[0003]针对上述的两个问题，许多科研人员给出了解决方案并得到了验证。针对水下机器人与岸基地面站通信的问题，目前主流的方案是线缆通信、浅水域无线通信和拖拽式浮标中继通信，以上方案均能满足水下机器人与地面站通信，但是缺点也十分突出。线缆通信的方式使水下机器人的活动范围由于线缆的长度而受限并且水下机器人容易被线缆缠绕。浅水域无线通信的方式限制了水下机器人只能活动在较浅的水域而无法到深水域作业。拖拽式浮标中继通信的方式结合了线缆通信和无线通信的优点，浮标与水下机器人之间用线缆通信，然后浮标作为中继站通过无线电实现浮标与地面站之间的通信，但是由于浮标是被动运动，在拖拽中线缆极易受到损坏，所以此通信方案暂时停留在实验阶段，并未应用于工业生产中。
[0004]针对水下机器人的定位问题，由于GPS或北斗等导航定位系统在水下无信号，所以目前主流的水下机器人的定位方式有静态浮标定位，惯性导航IMU定位和视觉定位等方案，其中静态浮标定位是借用声呐来实现，能够对水下机器人的长期定位，但由于声呐的探测时浮标是静态的，所以定位的精度随着浮标与水下机器人的距离变远而变差，当水下机器人超出声呐的探测范围后将无法对其进行定位。惯性导航IMU随着定位时间的增加误差越来越大，并且水下洋流等因素对其定位产生严重干扰。视觉定位在清澈水域中效果较好，但是实际应用中由于海水颜色的特点使采集的图像雾化，视距范围严重受限，这时无法实现定位。

技术实现思路
：
[0005]本专利技术为了解决目前水下机器人的定位精度受到现有的浮标静态特点影响而存在与水下机器人的距离变远而变差的问题，以及其他方式的水下机器人定位容易受到洋流等因素的严重干扰或视距范围等因素限制的问题。
[0006]一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，所述浮标系统包括：浮标、浮力块、推进器、射频天线、定位系统、通信电缆、伸缩杆、声呐；
[0007]所述浮力块、推进器、射频天线、定位系统、通信电缆均设置在浮标上，浮力块用于为浮标提供浮力；推进器采用双推进器结构为浮标提供动力；
[0008]定位系统用于实现浮标的定位；
[0009]声呐通过伸缩杆设置在浮标上，声呐设置3个，3个声呐与水面浮标中心O的距离记
为OA、OB、OC，要求OA＝OB＝OC＝R且OA、OB、OC两两之间的夹角是120度；3个声呐用于获取各自与水下机器人的直线距离；
[0010]通信电缆用于连接浮标与水下机器人，实现浮标与水下机器人的通信；浮标内部设有机载电脑，机载电脑通过网络的方式获取水下机器人的姿态数据、传感器数据及图像数据，转发给岸基控制端；
[0011]射频天线用于实现浮标系统与岸基控制端的无线通信，将水下机器人的姿态和图像数据转发至岸基控制端，同时接收岸基控制端的控制指令并转发至水下机器人。
[0012]进一步地，所述的机载电脑通过以太网的方式获取水下机器人的姿态数据、传感器数据及图像数据，转发给岸基控制端；姿态信息及控制指令通过TCP协议传输，图像信息通过UDP协议传输。
[0013]进一步地，射频天线在进行无线通信时，无线通信通过无线网络桥接的方式实现。
[0014]进一步地，3个声呐用于获取各自与水下机器人的直线距离的过程如下：
[0015]浮标上的三个声呐记为声呐A、B、C；水下机器人上设置的声呐记为声呐D；
[0016]首先浮标系统开启内部定时器，开始一组数据的测量；当声呐A向外发送字符
‘
a
’
时记录定时器计时为t1，当声呐B向外发送字符
‘
b
’
时记录定时器计时为t2，当声呐C向外发送字符
‘
c
’
时记录定时器计时为t3；
[0017]当声呐D接收到字符
‘
a
’
立即发送字符
‘
A
’
；接收到字符
‘
b
’
立即发送字符
‘
B
’
，接收到字符
‘
c
’
立即发送字符
‘
C
’
；当声呐A接收到字符
‘
A
’
时记录定时器计时为t4，当声呐B接收到字符
‘
B
’
时记录定时器计时为t5，当声呐C接收到字符
‘
C
’
时记录定时器计时为t6；完成一组数据的测量；定时器清零；
[0018]重复上述过程，实现下一组数据的采集；
[0019]计算距离：
[0020][0021]其中，c为声波在水中的传播速度。
[0022]一种基于协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统的跟踪方法，包括以下步骤：
[0023]S1、基于所述的一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，根据浮标与水下机器人的空间位置关系建立几何模型，在浮标与水下机器人的空间位置关系对应的几何模型，标记O点为水面浮标的中心位置，A、B、C点分别为浮标上三个声呐的位置，D
’
点为水下机器人的位置，D点为水下机器人D
’
在水面上的垂直投影；ρ1、ρ2、ρ3分别为浮标上三个声呐A、B、C与水下机器人D
’
的直线距离，R1、R2、R3分别为ρ1、ρ2、ρ3在水面上的垂直投影，线段OA＝OB＝OC＝R且OA、OB、OC两两之间的夹角是120度，R为浮标的中心与三个声呐的距离，H为水下机器人的深度；
[0024]S2、将该三维几何模型转换为二维几何模型表示R1、R2、R3：
[0025][0026]S3、基于浮标与水下机器人的空间位置关系几何模型有：
[0027][0028]然后等效为
[0029][0030]S4、基于浮标系统运行过程进行跟踪，具体过程包括以下步骤：
[0031]S41、数据采集，包括：水下机器人的深度信息H和浮标上的三个声呐与水下机器人的距离ρ1、ρ2、ρ3；
[0032]ρ1、ρ2、ρ3由浮标上的三个声呐和水下机器人上的声呐通信获得；
[0033]S42、数据滤除，如果测量的数据满足如下条件，则系统判断数据正确，否则判断数据错误，舍弃该组数据；
[0034][0035][0036][0037]S43、根据数据滤除后输出的正确的ρ1、ρ2、ρ3并结合如下条件实现对目标方向的捕获；
[0038][0039]捕获成功的效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，其特征在于，所述浮标系统包括：浮标、浮力块、推进器、射频天线、定位系统、通信电缆、伸缩杆、声呐；所述浮力块、推进器、射频天线、定位系统、通信电缆均设置在浮标上，浮力块用于为浮标提供浮力；推进器采用双推进器结构为浮标提供动力；定位系统用于实现浮标的定位；声呐通过伸缩杆设置在浮标上，声呐设置3个，3个声呐与水面浮标中心O的距离记为OA、OB、OC，要求OA＝OB＝OC＝R且OA、OB、OC两两之间的夹角是120度；3个声呐用于获取各自与水下机器人的直线距离；通信电缆用于连接浮标与水下机器人，实现浮标与水下机器人的通信；浮标内部设有机载电脑，机载电脑通过网络的方式获取水下机器人的姿态数据、传感器数据及图像数据，转发给岸基控制端；射频天线用于实现浮标系统与岸基控制端的无线通信，将水下机器人的姿态和图像数据转发至岸基控制端，同时接收岸基控制端的控制指令并转发至水下机器人。2.根据权利要求1所述的一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，其特征在于，所述的机载电脑通过以太网的方式获取水下机器人的姿态数据、传感器数据及图像数据，转发给岸基控制端；姿态信息及控制指令通过TCP协议传输，图像信息通过UDP协议传输。3.根据权利要求2所述的一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，其特征在于，射频天线在进行无线通信时，无线通信通过无线网络桥接的方式实现。4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，其特征在于，3个声呐用于获取各自与水下机器人的直线距离的过程如下：浮标上的三个声呐记为声呐A、B、C；水下机器人上设置的声呐记为声呐D；首先浮标系统开启内部定时器，开始一组数据的测量；当声呐A向外发送字符
‘
a
’
时记录定时器计时为t1，当声呐B向外发送字符
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b
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时记录定时器计时为t2，当声呐C向外发送字符
‘
c
’
时记录定时器计时为t3；当声呐D接收到字符
‘
a
’
立即发送字符
‘
A
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‘
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立即发送字符
‘
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；当声呐A接收到字符
‘
A
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时记录定时器计时为t4，当声呐B接收到字符
‘
B
’
时记录定时器计时为t5，当声呐C接收到字符
‘
C
’
时记录定时器计时为t6；完成一组数据的测量；定时器清零；重复上述过程，实现下一组数据的采集；计算距离：其中，c为声波在水中的传播速度。5.一种基于协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统的跟踪方法，其特征在于，包
括以下步骤：S1、基于权利要求1至4任意一项所述的一种协助水下机器人通信和定位的水面浮标系统，根据浮标与水下机器人的空间位置关系建立几何模型，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉寒，阮瑞志，张忠腾，叶实庆，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：