水下主动旋转光学信标导引系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水下主动旋转光学信标导引系统及方法，其中光筒和反射镜旋转机构均设于安装壳体中，反射镜旋转机构包括驱动齿轮，且所述驱动齿轮可转动地设于所述光筒上端，所述光筒下端内设有光源灯芯，所述光筒内部设有可调节高度的透镜，透明护罩设于安装壳体上侧，且所述反射镜倾斜设于所述透明护罩中，所述反射镜通过所述驱动齿轮带动旋转，所述光源灯芯发出的光线先穿过所述透镜，再经过所述反射镜反射由透明护罩输出。本发明专利技术通过改变信标的发射角度延长输出光线有效作用距离，并通过反射镜旋转机构实现输出光线平面360

【技术实现步骤摘要】
水下主动旋转光学信标导引系统及方法


[0001]本专利技术涉及水下机器人领域，具体地说是一种水下主动旋转光学信标导引系统及方法。

技术介绍

[0002]自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)一直是水下机器人(unmannedunderwater vehicle,UUV)领域的研究热点,其已经在海洋科学研究、海洋资源调查和海洋安全保证等方面得到了广泛的应用，其中导航定位是AUV在水下规划任务路径的关键。
[0003]AUV光学导航是指利用光学传感器来实现引导AUV航行的方法。在近距离下，光学定位能够使AUV在作业时具有极高精度，且稳定性好，因此光学定位方法已成为水下近距离精确定位的主要手段。目前，AUV光学导航已经成为AUV航行技术中重要的一环，在实现AUV自主航行方面发挥着重要作用。
[0004]水下光学定位的重要指标是作用距离、作用精度与更新频率。近年来，随着计算机视觉的发展与硬件的更新，光学方法将作用精度提升至厘米级，并达到实时更新频率，然而对AUV而言，由于受限于水质影响，光学信号在水中传输也受到较大影响，如图4所示，由于光学信号在水中的传输距离随着角度的缩小而增大，而传统光学信标又需要兼顾角度与传输距离，因此其作业范围通常仅为扇形，无论角度还是传输距离均受到极大限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种水下主动旋转光学信标导引系统及方法，其通过改变信标的发射角度延长输出光线有效作用距离，并通过反射镜旋转机构实现输出光线平面360
°
旋转动态扫描，以将输出光线有效作用角度扩大至全角度，从而解决了传统光导引信标发射角度有限、作用距离短等问题。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007]一种水下主动旋转光学信标导引系统，包括安装壳体、透明护罩、光筒、反射镜和反射镜旋转机构，其中光筒和反射镜旋转机构均设于所述安装壳体中，所述反射镜旋转机构包括驱动齿轮，且所述驱动齿轮可转动地设于所述光筒上端，所述光筒下端内设有光源灯芯，所述光筒内部设有可调节高度的透镜，透明护罩设于安装壳体上侧，且所述反射镜倾斜设于所述透明护罩中，所述反射镜通过所述驱动齿轮带动旋转，所述光源灯芯发出的光线先穿过所述透镜，再经过所述反射镜反射由透明护罩输出。
[0008]所述反射镜设于一个反射镜支架中，所述驱动齿轮上设有多个螺杆，所述反射镜支架边沿设有多个螺孔，且各个螺孔分别套装于对应的螺杆上，所述驱动齿轮上设有多个螺杆套筒，各个螺杆下端分别螺纹安装于对应的螺杆套筒中，螺杆套筒上端设有上表面呈斜面的垫块，所述垫块螺纹安装于对应的螺杆上，并且所述垫块上侧的斜面与所述反射镜支架配合。
[0009]所述反射镜支架包括支架底板和侧架体，其中侧架体设于支架底板边沿，且侧架体上设有多个螺孔。
[0010]所述光筒上端设有轴承支架，且所述轴承支架内设有支撑所述驱动齿轮旋转的轴承，所述光筒下端设有散热片，且所述光源灯芯设于所述散热片上。
[0011]所述反射镜旋转机构包括电机、电机齿轮和驱动齿轮，其中电机固设于所述安装壳体中，电机齿轮套装于所述电机的输出轴上并与所述驱动齿轮啮合。
[0012]所述光筒上设有电机固定板，所述电机安装于所述电机固定板上。
[0013]所述光筒内设有两个透镜固定座，且所述透镜通过两个透镜固定座夹紧固定，所述透镜固定座外壁设有外螺纹与所述光筒内孔螺纹配合，所述透镜固定座靠近透镜一侧的边沿设有卡槽)，所述透镜边沿设有卡块。
[0014]所述安装壳体包括上壳体和下端板，且所述上壳体与下端板之间设有壳体密封圈，所述透明护罩下端固定于所述上壳体的顶板上，且所述透明护罩与上壳体顶部之间设有护罩密封圈，所述上壳体一侧的侧板上设有水密连接器。
[0015]所述透明护罩下端通过护罩锁紧圈固定于所述上壳体的顶板上。
[0016]一种根据所述的水下主动旋转光学信标导引系统的导引方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0017]步骤一：确定AUV相机采集帧率、信标可观测角度、信标允许误差以及AUV相机最大扫描速率，其中AUV相机最大扫描速率s
ˊ
通过下式计算：
[0018]s
ˊ
＝f/(360
°
/a)；
[0019]上式中，f为AUV相机采集帧率，a为信标可观测角度；
[0020]步骤二：在AUV定位前与基站通过授时系统确认AUV与基站的时间同步，然后AUV控制模块通过计算时间/角速率获得任意时刻透明护罩输出光线的中心线理论角度位置；
[0021]步骤三：AUV控制模块比较反射镜旋转两圈后AUV相机观测到的透明护罩输出光线中心线的角度位置，并确定AUV相机实际观测误差是否在信标允许误差范围内，具体为：
[0022]一、当AUV相机处于两次观测的透明护罩输出光线中心线角度位置之间时，根据下式计算实际误差e
ˊ
：
[0023]e
ˊ
＝(360
×
s)/f
‑
e；
[0024]上式中，s为AUV相机扫描速率，f为AUV相机采集帧率，e为信标允许误差；
[0025]二、当AUV相机处于观测到的透明护罩输出光线中心线角度位置的信标观测误差范围内时，将当次观测的透明护罩视为正对AUV。
[0026]本专利技术的优点与积极效果为：
[0027]1、本专利技术将输出光线发射角度缩小以有效提升导引灯光光线的传输作用距离，然而发射角度缩小也带来了输出光线平面工作范围小的问题，因此本专利技术利用反射镜旋转机构驱动反射镜旋转，从而实现输出光线在平面360
°
旋转动态扫描，以时间换空间，获得了360
°
全角度下的远距离导引工作范围。
[0028]2、本专利技术的光源灯芯发出的光线先经过透镜，再经反射镜反射形成输出光线由透明护罩输出，其中本专利技术可以通过移动透镜固定座改变透镜位置，从而实现调节输出光线功能，比如利用透镜实现光束聚焦提升输出光线作用距离或光束发散提升作用角度，另外本专利技术的反射镜安装于反射镜支架中，所述反射镜支架高度可调，并且本专利技术也可以通过
更换不同倾斜角度的反射镜支架和配套的垫块改变反射镜的倾斜角度，使用更加灵活。
[0029]3、本专利技术形成了一种新的导引方法，其中只要AUV相机扫描速率小于允许的最大扫描速率，所述反射镜每旋转一圈，都能够保证总有一个角度位置的输出光线被AUV相机观测到，再通过比较反射镜旋转两圈后AUV相机观测到的透明护罩输出光线中心线的角度位置，确定AUV相机实际观测误差是否在信标允许误差范围内，进而判断信标光源是否正对AUV。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的结构示意图，
[0031]图2为图1中的光筒、透镜和透镜固定座的配合示意图，
[0032]图3为本专利技术使用时的光线输出路径示意图，<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下主动旋转光学信标导引系统，其特征在于：包括安装壳体(25)、透明护罩(1)、光筒(13)、反射镜(21)和反射镜旋转机构，其中光筒(13)和反射镜旋转机构均设于所述安装壳体(25)中，所述反射镜旋转机构包括驱动齿轮(18)，且所述驱动齿轮(18)可转动地设于所述光筒(13)上端，所述光筒(13)下端内设有光源灯芯(12)，所述光筒(13)内部设有可调节高度的透镜(14)，透明护罩(1)设于安装壳体(25)上侧，且所述反射镜(21)倾斜设于所述透明护罩(1)中，所述反射镜(21)通过所述驱动齿轮(18)带动旋转，所述光源灯芯(12)发出的光线先穿过所述透镜(14)，再经过所述反射镜(21)反射由透明护罩(1)输出。2.根据权利要求1所述的水下主动旋转光学信标导引系统，其特征在于：所述反射镜(21)设于一个反射镜支架(24)中，所述驱动齿轮(18)上设有多个螺杆(19)，所述反射镜支架(24)边沿设有多个螺孔，且各个螺孔分别套装于对应的螺杆(19)上，所述驱动齿轮(18)上设有多个螺杆套筒(191)，各个螺杆(19)下端分别螺纹安装于对应的螺杆套筒(191)中，螺杆套筒(191)上端设有上表面呈斜面的垫块(20)，所述垫块(20)螺纹安装于对应的螺杆(19)上，并且所述垫块(20)上侧的斜面与所述反射镜支架(24)配合。3.根据权利要求2所述的水下主动旋转光学信标导引系统，其特征在于：所述反射镜支架(24)包括支架底板(23)和侧架体(22)，其中侧架体(22)设于支架底板(23)边沿，且侧架体(22)上设有多个螺孔。4.根据权利要求1所述的水下主动旋转光学信标导引系统，其特征在于：所述光筒(13)上端设有轴承支架(16)，且所述轴承支架(16)内设有支撑所述驱动齿轮(18)旋转的轴承(17)，所述光筒(13)下端设有散热片(11)，且所述光源灯芯(12)设于所述散热片(11)上。5.根据权利要求1所述的水下主动旋转光学信标导引系统，其特征在于：所述反射镜旋转机构包括电机(7)、电机齿轮(5)和驱动齿轮(18)，其中电机(7)固设于所述安装壳体(25)中，电机齿轮(5)套装于所述电机(7)的输出轴上并与所述驱动齿轮(18)啮合。6.根据权利要求5所述的水下主动旋转光学信标导引系统，其特征在于：所述光筒(13)上设有电机固定板(6)，所述电机(7)安装于所述电机固定板(6)上。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙凯，韩泽凯，谷海涛，韩晓军，曹钧凯，郎继超，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：