CN105974456A - 一种自主式水下机器人组合导航*** - Google Patents

一种自主式水下机器人组合导航*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自主式水下机器人组合导航***，包括耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器、内置压力计和水声通讯声纳，水下机器人本体四周安装有若干摄像头，每个摄像头内均安装有北斗模块，所述水声通讯声纳外壁上还安装有水流速传感器和外置压力传感器，还包括数据处理模块，全景视频生成模块，物理模型建立模块，虚拟作动器，虚拟传感器，导航路线模拟分析模块。本发明通过北斗模块的设计，完成了GPS定位装置及其各传感器位置的检测，可以自动完成位置参数校正，方便了使用，同时可以通过物理模型进行每条仿真路线的仿真模拟，从而得到优化后的路线，提高了***的可视性，同时也提高了路线的准确性和安全性。

Description

一种自主式水下机器人组合导航***
技术领域
本发明涉及一种导航***，具体涉及一种自主式水下机器人组合导航***。
背景技术
目前智能水下机器人向小型化发展是其发展趋势之一。小型水下机器人由于其体积小、机动灵活、成本低、搭载方便，在军民用都有广泛的应用前景。导航问题仍然是水下机器人设计所面临的主要关键技术之一。现在水下机器人导航常用方法有航位推算法、惯性导航及声学方法等。惯导***一般体积较大，价格昂贵，最重要的是纯惯性导航***导航在没有其它传感器数据信息进行补偿的情况下其定位误差将随时间和航程累积和发散，水声定位***(长基线、短基线、超短基线等)定位精度有很大提高，其缺点就是作用距离有限。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***。微小型水下机器人受限于体积、成本、能源等限制，这对导航***提出了更高的要求，这对构造一种小型化组合导航***增加了难度。导航***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海洋水下环境，干扰噪声信号大，各种水声传感器普遍存在精度低、野点率高的缺点，对传感器数据进行较好的滤波剔出野点信息尤为重要。航位推算导航一般需要定期进行位置校正，如果潜深较大通过浮出水面通过GPS进行位置重调，这将消耗较多能源，这对能源有限的微小型水下机器人尤其不利。同时现有的水下机器人导航***普遍不存在路线仿真模拟操作，可视性差的同时，精确度低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种自主式水下机器人组合导航***，通过北斗模块的设计，完成了GPS定位装置及其各传感器位置的检测，从而可以自动完成位置参数校正，大大方便了使用，同时可以通过物理模型进行每条仿真路线的仿真模拟，从而得到优化后的路线，一方面提高了***的可视性，另一方面也提高了路线的准确性和安全性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种自主式水下机器人组合导航***，包括耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器、内置压力计和水声通讯声纳，所述耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器和内置压力计安装在水下机器人本体内，所述水声通讯声纳安装在水下机器人本体前端，所述水下机器人本体四周安装有若干摄像头，每个摄像头、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器、内置压力计和水声通讯声纳内均安装有北斗模块，所述水声通讯声纳外壁上还安装有水流速传感器和外置压力传感器，所述耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内置压力计、水流速传感器、外置压力传感器、水声通讯声纳均与内嵌式中央处理器的输入端相连，还包括
数据处理模块，用于接收摄像头所采集到的视频数据及其对应的北斗模块的定位数据，用所接收到的定位数据完成视频数据的标记，并将标记完成后的数据发送到全景视频生成模块；
全景视频生成模块，用于根据所接收到的视频数据生成全景视频数据，并将生成的数据发送到内嵌式中央处理器；
所述内嵌式中央处理器用于接收耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内置压力计、水流速传感器、外置压力传感器、水声通讯声纳以及全景视频生成模块所发送的数据，将所收到的数据储存与对应的数据库内，并将这些所接收到的数据转换成物理模型建立模块所能识别的数据发送到物理模型建立模块；还用于根据所接收到的数据，通过预设的算法输出组合导航信息至显示屏；
物理模型建立模块，用于根据内嵌式中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种水下机器人物理模型；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型建立模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，为在物理模型中***的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
导航路线模拟分析模块，用于通各种仿真分析算法和仿真分析方法完成导航路线的仿真分析；
人机操作模块，用于输入水下机器人本体的基本参数数据、数据调用命令和各种控制命令，并将所输入的基本参数数据、数据调用命令、各种控制命令发送到内嵌式中央处理器；
所述虚拟作动器通过循环执行仿真算法或仿真方法将结果反馈给导航路线模拟分析模块，所述导航路线模拟分析模块自动提取数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器自动显示分析结果。
优选地，耐压GPS定位装置包括GPS芯片、RFID芯片、电子罗盘芯片和北斗模块，GPS芯片包括中央处理模块、噪音抑制模块、增益放大模块和北斗模块，GPS输入信号经过噪音抑制模块和增益放大模块进入中央处理模块，GPS输出信号经过调制模块输出至北斗模块，通过北斗模块完成数据传输，RFID芯片和电子罗盘芯片与中央处理模块相连，且内置北斗模块。
优选地，所述北斗模块采用短报文通讯实现数据传输。
优选地，所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。
优选地，所述全景视频生成模块通过以下步骤完成全景视频的生成：
S1、进行视频去噪、增强预处理后，得到精确的边缘，并以得到的边缘点作为特征点，通过坐标系间转化得到三维点云，重建精确的表面模型；
S2、对模型进行无变形的纹理映射，使重建效果更接近于真实的三维场景，导入至视频拼接软件中，完成起始点的自动匹配，实现视频数据的拼接；整个拼接过程涵盖摄像头的标定、传感器图像畸变校正、图像的投影变换、匹配点选取、全景图像拼接，以及亮度与颜色的均衡处理。
优选地，所述显示屏为两个，其中一个用于导航路线的模拟分析，另一个用于其他数据的显示。
优选地，所述内嵌式中央处理器通过北斗模块完成数据传输。
本发明具有以下有益效果：
通过北斗模块的设计，完成了GPS定位装置及其各传感器位置的检测，从而可以自动完成位置参数校正，大大方便了使用；通过北斗模块完成数据的传输，避免了由于信号太差而导致数据传输中断的情况的发生；通过物理模型建立模块的设计，以及虚拟作动器、虚拟传感器和导航路线模拟分析模块的设计，实现了每条仿真路线的仿真模拟，从而可以得到优化后的路线，一方面提高了***的可视性，另一方面也提高了路线的准确性和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例一种自主式水下机器人组合导航***的结构示意图。
图2为本发明实施例中耐压GPS定位装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种自主式水下机器人组合导航***，包括耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器、内置压力计和水声通讯声纳，所述耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器和内置压力计安装在水下机器人本体内，所述水声通讯声纳安装在水下机器人本体前端，所述水下机器人本体四周安装有若干摄像头，每个摄像头、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器、内置压力计和水声通讯声纳内均安装有北斗模块，所述水声通讯声纳外壁上还安装有水流速传感器和外置压力传感器，所述耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内置压力计、水流速传感器、外置压力传感器、水声通讯声纳均与内嵌式中央处理器的输入端相连，还包括
数据处理模块，用于接收摄像头所采集到的视频数据及其对应的北斗模块的定位数据，用所接收到的定位数据完成视频数据的标记，并将标记完成后的数据发送到全景视频生成模块；
全景视频生成模块，用于根据所接收到的视频数据生成全景视频数据，并将生成的数据发送到内嵌式中央处理器；
所述内嵌式中央处理器用于接收耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内置压力计、水流速传感器、外置压力传感器、水声通讯声纳以及全景视频生成模块所发送的数据，将所收到的数据储存与对应的数据库内，并将这些所接收到的数据转换成物理模型建立模块所能识别的数据发送到物理模型建立模块；还用于根据所接收到的数据，通过预设的算法输出组合导航信息至显示屏；
物理模型建立模块，用于根据内嵌式中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种水下机器人物理模型；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型建立模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，为在物理模型中***的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
导航路线模拟分析模块，用于通各种仿真分析算法和仿真分析方法完成导航路线的仿真分析；
人机操作模块，用于输入水下机器人本体的基本参数数据、数据调用命令和各种控制命令，并将所输入的基本参数数据、数据调用命令、各种控制命令发送到内嵌式中央处理器；
所述虚拟作动器通过循环执行仿真算法或仿真方法将结果反馈给导航路线模拟分析模块，所述导航路线模拟分析模块自动提取数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器自动显示分析结果。
耐压GPS定位装置包括GPS芯片、RFID芯片、电子罗盘芯片和北斗模块，GPS芯片包括中央处理模块、噪音抑制模块、增益放大模块和北斗模块，GPS输入信号经过噪音抑制模块和增益放大模块进入中央处理模块，GPS输出信号经过调制模块输出至北斗模块，通过北斗模块完成数据传输，RFID芯片和电子罗盘芯片与中央处理模块相连，且内置北斗模块。
所述北斗模块采用短报文通讯实现数据传输。
所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。
所述全景视频生成模块通过以下步骤完成全景视频的生成：
S1、进行视频去噪、增强预处理后，得到精确的边缘，并以得到的边缘点作为特征点，通过坐标系间转化得到三维点云，重建精确的表面模型；
S2、对模型进行无变形的纹理映射，使重建效果更接近于真实的三维场景，导入至视频拼接软件中，完成起始点的自动匹配，实现视频数据的拼接；整个拼接过程涵盖摄像头的标定、传感器图像畸变校正、图像的投影变换、匹配点选取、全景图像拼接，以及亮度与颜色的均衡处理。
所述显示屏为两个，其中一个用于导航路线的模拟分析，另一个用于其他数据的显示。
所述内嵌式中央处理器通过北斗模块完成数据传输。
所述水流速传感器、外置压力传感器内设有北斗模块。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自主式水下机器人组合导航***，其特征在于，包括耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器、内置压力计和水声通讯声纳，所述耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器和内置压力计安装在水下机器人本体内，所述水声通讯声纳安装在水下机器人本体前端，所述水下机器人本体四周安装有若干摄像头，每个摄像头、加速度传感器、陀螺仪、内嵌式中央处理器、内置压力计和水声通讯声纳内均安装有北斗模块，所述水声通讯声纳外壁上还安装有水流速传感器和外置压力传感器，所述耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内置压力计、水流速传感器、外置压力传感器、水声通讯声纳均与内嵌式中央处理器的输入端相连，还包括
数据处理模块，用于接收摄像头所采集到的视频数据及其对应的北斗模块的定位数据，用所接收到的定位数据完成视频数据的标记，并将标记完成后的数据发送到全景视频生成模块；
全景视频生成模块，用于根据所接收到的视频数据生成全景视频数据，并将生成的数据发送到内嵌式中央处理器；
所述内嵌式中央处理器用于接收耐压GPS定位装置、加速度传感器、陀螺仪、内置压力计、水流速传感器、外置压力传感器、水声通讯声纳以及全景视频生成模块所发送的数据，将所收到的数据储存与对应的数据库内，并将这些所接收到的数据转换成物理模型建立模块所能识别的数据发送到物理模型建立模块；还用于根据所接收到的数据，通过预设的算法输出组合导航信息至显示屏；
物理模型建立模块，用于根据内嵌式中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种水下机器人物理模型；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型建立模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，为在物理模型中***的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
导航路线模拟分析模块，用于通各种仿真分析算法和仿真分析方法完成导航路线的仿真分析；
人机操作模块，用于输入水下机器人本体的基本参数数据、数据调用命令和各种控制命令，并将所输入的基本参数数据、数据调用命令、各种控制命令发送到内嵌式中央处理器；
所述虚拟作动器通过循环执行仿真算法或仿真方法将结果反馈给导航路线模拟分析模块，所述导航路线模拟分析模块自动提取数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器自动显示分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人组合导航***，其特征在于，耐压GPS定位装置包括GPS芯片、RFID芯片、电子罗盘芯片和北斗模块，GPS芯片包括中央处理模块、噪音抑制模块、增益放大模块和北斗模块，GPS输入信号经过噪音抑制模块和增益放大模块进入中央处理模块，GPS输出信号经过调制模块输出至北斗模块，通过北斗模块完成数据传输，RFID芯片和电子罗盘芯片与中央处理模块相连，且内置北斗模块。
3.根据权利要求2所述的一种自主式水下机器人组合导航***，其特征在于，所述北斗模块采用短报文通讯实现数据传输。
4.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人组合导航***，其特征在于，所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。
5.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人组合导航***，其特征在于，所述全景视频生成模块通过以下步骤完成全景视频的生成：
S1、进行视频去噪、增强预处理后，得到精确的边缘，并以得到的边缘点作为特征点，通过坐标系间转化得到三维点云，重建精确的表面模型；
S2、对模型进行无变形的纹理映射，使重建效果更接近于真实的三维场景，导入至视频拼接软件中，完成起始点的自动匹配，实现视频数据的拼接；整个拼接过程涵盖摄像头的标定、传感器图像畸变校正、图像的投影变换、匹配点选取、全景图像拼接，以及亮度与颜色的均衡处理。
6.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人组合导航***，其特征在于，所述显示屏为两个，其中一个用于导航路线的模拟分析，另一个用于其他数据的显示。
7.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人组合导航***，其特征在于，所述内嵌式中央处理器通过北斗模块完成数据传输。
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