CN107110953A

CN107110953A - 水下定位***

Info

Publication number: CN107110953A
Application number: CN201580071058.8A
Authority: CN
Inventors: 阿尔努德·马尔科·容斯玛; 卡尔·索尼尔
Original assignee: Complex Geou Public LLC
Current assignee: Fenover IP Private Ltd.
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: BR112017008824A2; NL2013724B1; US20170328982A1; EP3451010B1; DK3213104T3; WO2016068715A1; US10371791B2; EP3213104B1; CN107110953B; AU2015340110A1; EP3213104A1; AU2015340110B2; EP3451010A1

Abstract

一种水下定位***(1)提供漫游器(2)的位置信息，该***可在参考系内移动。该***可以包括：具有光源(30)的至少一个信标(4)，位于参考系的固定位置；水下成像设备(10)，能在参考系中与漫游器一起移动以从不同的视点观察光源并且确定表示光源相对于成像设备的方向或方向的改变的方向数据；方位传感器(14)，与成像设备相关联以确定成像设备相对于参考系的方位并生成方位数据；以及定标元件(12、28、111、113、115、330a‑c)，用于提供表示成像设备与光源之间的距离的定标数据。可以提供各种不同的信标。在可替换***实现方式中，光源和水下成像设备的位置在漫游器与信标之间是颠倒的。

Description

水下定位***

技术领域

本发明涉及一种用于在水下的环境中进行定位的方法和***并且更具体地涉及用于这种用途的信标的***。本发明还涉及用于确定两个对象的相对位置和方向的海底计量***。

背景技术

在水下作业期间，常常需要准确识别对象在绝对方面或相对于另一对象的位置和/或方向。这种对象可以包括输油管线和凸缘、工程结构、地质构造、救助项目等等。目前，使用遥控潜水器(ROV)在该背景下进行大量工作。然而，将理解类似的问题适用于人类潜水员、载人潜水设备以及无人自治潜水器(AUV)的情况并且本发明同样可适用于所有的水下漫游器。

通常，对于漫游器，由于卫星定位***在水下是无效的，因此在全局参考系中精确的水下绝对定位是困难的。使用陀螺仪和加速计的无助惯性导航***(INS)可提供可靠的粗定位但却遭受漂移。为了计量的目的，在从第一对象行进到第二对象所需的时间段，这种***不能可靠地实现所需的厘米级相对精度，且不会进行附加测量。声学定位***在水下有效的，但具有取决于***的类型和水深的缺点：

对于安装在水面舰船上的USBL(超短基线)***，漫游器的定位精度随着水深升高而降低；

海床上的应答器的LBL(长基线)阵列是昂贵的并且还需要阵列昂贵的部署及校正；

声学DVL(多普勒速度计程仪)辅助的INS定位提高INS准确度但将会表现出漂移；

来自ROV或其他传感器的声学噪声和多径效应会影响声学定位***的准确度和可靠性。

相对定位也是困难的，例如，在相对定位中希望确定第一对象相对于第二对象的位置。如果光学能见度是使得两个对象均从漫游器的给定位置可见，则可以对相应对象执行光学或激光测距寻找。然而，与在空中或自由空间中的传播相比，水下光传播严重受限并且只有绿光到蓝光可在没有衰减到超出实际应用的情况下传播显著距离(10米到100米)。在大部分情况下，两个对象不会从相同位置充分可见并且将漫游器从第一位置转移到第二位置需要了解相关位移。由于这两个观察不是同时的，还必须考虑相应观察时间。

水下计量的一种方法使用安装在ROV上的照相机从不同位置拍摄照片序列。通过使用三角测量的原理合成照片，能够确定调查对象的相对位置。该程序在摄影测量法中是已知的并需要相对良好能见度和显著的处理能力。当场景暗时，需要ROV上的光源。由于背散射，这进而进一步降低了能见度。可以在调查对象上提供记号以便提高精度并且比例尺用于提供基线测量。文档GB2257250描述了水下测量的摄影测量法的使用。在WO2011143622中描述了另一种设备，该设备捕获水下的全景图像。

期望提供一种可替换***和提供附加位置数据的方法，特别是作为现有***的附加冗余度。进一步期望提供一种甚至在降低的能见度状况下能够操作并有效使用处理器性能的***。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于提供能在参考系内移动的漫游器的位置信息的水下定位***，该***包括：具有光源的至少一个信标，位于参考系内的固定位置；水下成像设备，能在参考系中与漫游器一起移动以从不同的视点观察光源并且确定表示光源相对于成像设备的方向或方向的改变的方向数据；方位传感器，与成像设备相关联以确定成像设备相对于参考系的方位并生成方位数据；以及定标元件，用于提供表示成像设备与光源之间的距离的定标数据。

通过将光源(即，有源光源)用作信标，在相当长距离内，甚至在浊度或低能见度的情况下，可以实现高水平的精度。在使用照相机定位对象或识别标记的常规过程的情况下，与在相同的位置从有源光源发出相比较，由照相机收到的反射光已行进两倍的距离。另外，对象或标记的照明导致光的背散射从而使图像处理更复杂。在点光源的情况下，可在其他暗环境中进行观察。即使在光源变模糊或混浊的距离，信号处理能够准确地识别光源的中心。如上所述，传统***已使用声信标进行海底定位。长基线(LBL)声学计量操作主要确定阵列中信标之间的距离尺寸。然而，精度取决于假设和与局部音速有关的测量并且这种设备对海底噪声会非常敏感。通常，距离精度可限于大约5cm，随着距应答器的距离而增加。在点光源之间的角度的摄影测绘测量的情况下，可达到比0.05度更好的精度。这可以等同于每米距离低于1毫米的误差。

在该上下文中，提及“成像设备”旨在指能够在像场内登记光源的位置并确定其相对于成像设备的方向的任意设备。在一个实施方式中，成像设备也许能够测量并评估两个点光源之间的角度。通常，这样的成像设备是众所周知的并且现成可用作摄影测量设备、测量照相机、360度成像照相机等等。这些设备可以提供相关点的同时图像，借此，图像与成像设备的几何形状/焦距之间的距离确定角间距。然而，成像设备不需要具有完全成像潜力并且可以是专门建立的用于依次定位点光源并以经纬仪的方式确定它们的角位移。优选地，成像设备精确到低于0.05度。

方位传感器可以是能够确定成像设备相对于参考系的方位的任意设备。表达“X与Y相关联”通常旨在指对象X相对于对象Y在固定位置并与其一起移动。因此，措辞“与成像设备相关联的方位传感器”旨在指方位传感器相对于成像设备在固定位置并与其一起移动。能够在3D空间中确定对象的瞬时方位的各种类型的俯仰、滚动以及航向传感器是已知的。这些可以是使用有源或固态技术的基于磁和重力的***。在一个实施方式中，方位传感器可以是MEMS类型的俯仰和滚动传感器，优选地，静态精度为0.1度并且动力精度为0.25度或更佳。

可以在配置为用于提供漫游器相对于固定参考系的绝对位置信息的水下定位***中实现所提出的原理。在这种实施方式中，具有光源的信标可以相对于固定参考系在固定位置部署，例如，部署在海床上和/或假定相对于海床保持固定的对象中/对象上。在可替换实施方式中，水下定位***可被配置为提供漫游器相对于动态参考系的相对定位信息。动态参考系例如可以与设置有至少一个信标光源并可在水下移动的另一漫游器或引导车辆相关联。在这种实施方式中，引导车辆或漫游器可以起到具有限定动态参考系(为此位置和定位可相对于固定参考系而动态地改变)的一个或多个光源的可移动信标的作用，并且至少一个漫游器可以使用其相关联的水下成像设备从不同的视点观察光源并确定表示光源的方向或方向的改变的方向数据。

根据本发明的优选实施方式，光源是LED。这种设备可以是成本有效的且可以是一次性的，同时适于海底条件。优选地，LED是点光源，从而甚至在能见度的限制下确保中心点的准确识别。在又一个实施方式中，光源是适于发射波长基本上在420纳米至520纳米的范围内并且最大强度在460纳米至480纳米的范围内的光的LED。对于海底操作，绿色或蓝色LED是优选的，因为它们衰减最少。在可替换布置中，一个以上的LED可以设置在单个信标上，从而使得能够识别出短基线。

如将理解，光源的观察可提供角位移信息但是不能提供刻度(scale)信息。由于这个原因，为了提供至少单个长度尺寸，必须存在至少一个定标元件。如将理解，在参考系的背景下，定标元件的特征长度应当尽可能大以便减少观测误差的负效应。

在本发明的一个实施方式中，定标元件可包括以预定间隔距离安装的一对光源。这可以是校准棒、在每端具有光源的杆或管的形式。可替换地，多个光源可以沿着长形条以预定间隔设置，长形条可以是刚性的或柔性的。在另外的实施方式中，通过提供立体成像设备等也可以实现定标。如将理解，在参考系的背景下，定标元件的长度应当尽可能地长。

在可替换布置中，定标元件可包括相对于光源在已知位置定位在信标中或信标上的声应答器和与成像设备相关联的相应声学收发器。通过在相应光源之间进行适当三角测量并且此外进行从一个光源到成像设备的单个距离测量，能够确定参考系的整体刻度。为了该目的，声学上测量的距离的精度需要适用于参考系内所希望的位置精度。在一个实施方式中，声信标可以被定位并集中，使得所发出的声音似乎来自与光源相同的点。可替换地，声信标可以已知的偏移与光源相邻定位。最优选地，声信标定位在光源的垂直下方。除垂直以外的解决方案可能需要另外的姿态能力确定偏移方向。此外，术语“与...相关联”旨在指接收器相对于成像设备在固定位置并与该设备一起移动。如以下将论述的，在ROV的情况下，成像设备和声接收器两者将彼此以预定偏移安装在ROV上。最优选地，成像设备和声接收器将构成ROV上的相同的模块的一部分。

根据本发明的另一个实施方式，***进一步包括与成像设备相关联并可一起移动的惯性导航***(INS)。INS通常是传统的设备，用于提供相对和绝对局部方位和位置信息。提及INS并非旨在限制任何特定操作原理并且应当包括能够确定3D位置的变化的任意运动传感器。具体地，INS可基于机械陀螺动作、光纤陀螺仪(FOG)、激光环形陀螺仪(LRG)、MEMS基础技术、加速计、磁力仪或上述任意组合。最优选地，INS是“寻北”因为其包括允许相对于地球(具体地，地北或磁北)瞬时确定其姿态的航向指示器。另外，INS应当优选地是辅助INS，因为其设置有附加输入以提高INS精度。这可以包括水声定位、提供绝对深度测量的深度传感器和/或提供相对于地球的引力场的方位的垂直度传感器和如上所述的USBL、SBL以及DVL***。这些附加传感器可以是INS的一部分或与INS相关联作为集成辅助INS方案的一部分。在成像设备位于ROV上的情况下，INS可以是ROV的INS。通常，这将足以向成像设备提供大致的信息，足以使其在光源之间区分开。对于光源隔开大约30米的距离的参考系，INS的米或较低的绝对精度可能足够了。优选地，INS布置为提供绝对位置信息并且与成像设备协作还可以确定光源在绝对(例如，局部)参考系中的位置。

在更优选的实施方式中，INS在X-Y方向上具有好于5cm，更优选地，好于1cm的相对精度，并且精确地定标到成像设备。在这种情况下，INS可以用作定标元件以确定至少第一视点与第二视点之间的直线距离。通过沿着已知长度的基线移动成像设备，对于光源的参考系，能够去除与刻度有关的模糊。用于提高包括漂移补偿和测量重复的精度的传统过程可以用于增强这些结果。尽管第一视点与第二视点之间的直线距离可能足够用于确定参考系的刻度，优选地，INS被布置为确定从第一视点到第二视点的3D向量。以这种方式，可以容易确定参考系的相对方位。理想地，将摄影测绘角度测量与INS以及其他可用观测数据在单个导航引擎中一起处理，单个导航引擎使刻度能够连续更新。取代使用通过将成像设备从第一视点移动到第二视点确定刻度的INS，可以使用在短基线构造中以标定的距离隔开定位的第一和第二不同的成像设备。标定的间隔距离然后可以用作定标元件。

在另一个实施方式中，定标元件可包括与成像设备相关联并能够分析其深度变化的深度传感器。以这种方式，可以确定在第一视点与第二视点之间Z方向上的移动并且单独使用或与其他数据一起使用以评估定标数据。

尽管以上论述的定标元件可以各自单独使用，最优选地，***设置有一起工作的大量可替换定标元件以提高精度并提供容错性。因此，INS可以用于初步大致确定一个或多个光源应当投放的位置。还可以用于在没有足够可见光源的位置或能见度变差的情况保持精度或去除模糊。当所确定的角度给出差的精度时，声应答器可以帮助去除模糊。

在多个设备一起工作以实现要求精度的情况下，需要数据精细的时间戳。最优选地，***包括布置成相对于方向数据对定标数据标记时间戳的时钟。还将理解的是，确定方向数据可能已需要方位数据相对于成像设备产生的图像的时间戳。以这种方式，可基于INS数据和成像数据的组合估计成像设备感知的图像的瞬时方位。数据应当优选地对至少1毫秒的精度标记时间戳。最优选地，时间戳将精确到大约0.1毫秒。所要求的定时精度(包括未考虑的处理和通信延迟)可以取决于成像设备所要求的测量精度和预期移动速率。

***优选地包括布置为接收并分析方向数据和定标数据以确定位置信息的处理器。在一个实施方式中，处理器对于成像设备来说是本地的并且可以与之集成。处理器因此可以位于海底(例如，漫游器上)，从而省去了对信号传输到表面的需要。传输到表面可能限于所得到的处理数据或者可替换地数据可以记录并传送到表面用于在成像设备和处理器返回时进行处理(例如，在AUV的情况下)。

将理解单个光源可以将相当大的附加信息提供到现有的***。根据本发明另外的实施方式，***可包括多个信标，每个信标具有形成信标矩阵或网络的至少一个光源。附加信标将会进一步改善***的冗余度和精度并且不同的技术可以用于利用它们。具体地，可以应用标准同步局部化和定位(Localization and Positioning)(SLAM)处理以解析矩阵。在一个实施方式中，信标可以随机定位在待调查的对象附近以形成信标矩阵。矩阵可具有根据手头的任务的刻度和尺寸但是对于在工程技术安装设施周围进行水下作业，矩阵通常可以具有50米与5公里之间的最大尺寸。然而将理解对可以安装的信标的数目没有限制并且理论上这种信标可以绘制许多公里内管线的路线。在混浊的条件下，矩阵可能需要将单独的信标靠在一起，但在清水中，每个信标可以与其相邻信标的最大能见距离来设置。取决于光源的强度，每个信标可以与其相邻信标相距50米以上定位，更具地，与其相邻信标相距100米以上定位并且甚至相隔200米以上。在需要更大的局部精度的情况下以及需要同时从漫游器的给定位置看见大量光源的情况下，信标可以彼此更接近地定位。应理解的是，所需的信标灯的亮度可取决于涉及的距离和水透明度在几流明到一千以上变化。

在一个实施方式中，成像设备可包括指向前方并且具有用于手头任务的合适视场的单个照相机。在可替换的实施方式中，成像设备可包括一个或多个照相机，布置为捕获至少90°，优选地，至少180°，并且更优选地，360°以上的水平视场内的方向数据。增大视场允许成像设备同时识别大量的光源。将理解单个图像内的光源之间的角度的分辨率的精度可以由优于当成像设备本身必须摇动或者漫游器改变方向时实现的角度的分辨率的精度。在可替换实施方式中，成像设备可包括指向下方的照相机，该照相机例如用于从上方观察信标的矩阵并执行SLAM技术或摄影测绘技术。

一旦已建立参考系，能够确定第一海底对象相对于参考系的位置和姿态。这可通过各种传统过程实现。根据一个优选的实施方式，***可包括激光剥离成像设备，该激光剥离成像设备与用于生成参考系内的对象的3D轮廓的成像设备相关联并可一起移动。这可以用于生成定向在参考系内的第一海底对象的3D轮廓。尽管在一个实施方式中第一对象可以是固定对象(例如，海床上)，但并不排除第一对象可以是待确定相对于参考系的位置的任意对象。这还可以包括成像设备或者例如ROV(成像设备安装在其上)。一旦在参考系内建立该位置，信息可以用于其他目的并且可以确定其他对象的位置。

根据本发明的一个实施方式，信标可以是一次性的。关于这一点，一次性旨在表示该信标用于单次使用并且可以留在海床上而不会有损于环境。它们可以设置有对环境无害而且将会如期分解的电源。它们还可以包括浸入海水工作的电池。多个一次性信标可以任意施放到感兴趣区域上以限定参考系。

可替换地，信标可以是可回收且可再用的。在那种情况下，它们可以设置有可再充电的或可更换的能量源。它们还可以设置有便于回收的磁体或者用于连接至ROV或由ROV回收的其他装置。

信标中至少一个可被配置为附接至待调查的海底对象。附接的形式可以取决于海底对象的性质。附接可以通过磁体进行或者光源可以设置在合适的***件上以相对于管端或凸缘提供限定的方位。通过将光源附接到对象上，在建立参考系时可以考虑该附接光源。随后，可以通过摄影检查、激光剥离等确定对象相对于附接光源的位置和方位。可替换地，在限定的配置中可以附接大量光源以便确定对象的一部分的3D位置和方位。

在某些实施方式中，希望信标包括布置为确定信标的至少俯仰和滚动的方位传感器。对于旋转对称的信标，俯仰和滚动(其相对于信标上的另一点限定光源的仰角)可能是足够的。当信标携带另一光源或声应答器时或者在其需要附接至对象的情况下可能需要这种做法。在一些情况下，可能期望提供信标的全方位信息，包括航向、俯仰和滚动。当信标是定向的或不旋转对称时，这可能是相关的。

在信标的再一配置中，可以设置有其自身的通信能力，使得其能够与另一类似的信标或者漫游器通信。在这方面，仅发射光或声音脉冲并不旨在构成通信并且术语通信能力旨在表示信标能够发送数据。通信可以提供当从讯问器询问时的能力，信标将能够发送最少其ID、其电池寿命(如果可用)、及其滚动、俯仰和航向(如果可用)。进一步的通信可以提供将信标置于电力睡眠模式或者从该模式恢复的能力。可以通过编码光或声音脉冲或某种其他调制形式进行通信。通信可以处于相对低的数据速率并需要几秒完成交易。该数据可以包括唯一的识别信息、方位信息、相对于其他信标的位置信息以及开始通信协议所需的信号交换数据。

根据本发明的另一方面，提供一种增强在水下参考系内移动的漫游器的位置信息的方法，漫游器携带成像设备并与处理器通信用于评估与漫游器的瞬时位置有关的位置数据，方法包括：提供具有光源的信标；将信标置于参考系内的固定位置；在参考系内将漫游器移动到不同视点；从不同的视点生成表示光源相对于成像设备的方向的方向数据；以及将方向数据提供至处理器。该方法可以完全通过合适的控制设备来实现或者可以部分地或完全地由操作员执行，优选地，使用如以上或在下文中所述的定位***或信标。对于调查的本领域技术人员，将理解在现有配置中仅提供一个光源将会改善定位解决方案(尤其对于漂移)。在另外的光源或与光源相关联的其他附加信息的情况下，解决方案更进一步得到改进。在仅四个光源布置在几何合适的配置中的情况下，可明确地确定漫游器的相对位置，而无需任何附加信息。任何附加独立观测(光源或其他)将会提供冗余度并且因此提高解决方案的鲁棒性并允许质量控制和容错性。

在一个实施方式中，信标可以任意放入参考系内。这样的过程可以允许高度冗余。更优选地，光源放在增强所得到的计算的位置和取决于能见度的距离。在一个实施方式中，从任意单个位置应当可见至少三个光源，但更优选地，四个或更多个光源可见以便提供更大的冗余度和容错性。

方法优选地包括通过利用成像设备观看光源、确定光源的中心的坐标并将坐标发送到处理设备且不用传输其他图像数据来确定方向数据。如上面已描述的，成像设备可以适于该目的并仅需要识别给定光源的中心以便确定成像设备的基准面所对角。因此，可仅基于该数据进行处理并且不需要发送其他周围图像。成像设备可以同时发送至少三个光源的坐标或者可以基于顺序观测成对地提交数据。在那种情况下，可能需要每次观测的时间戳数据。通过避免传输全部的摄影图像数据，可以节省较大的带宽。此外，识别光源的中心相对简单准确，与光源的大小或亮度无关且与水的浊度无关。

方法可以另外包括在光源与成像设备之间建立距离。如上所述，可以单独地或组合地实现各种过程以达到这种结果。此外或可替换地，可以通过确定参考系内的至少一个长度尺寸建立成像设备在参考系内的相对位置。将理解一旦成像设备已确定大量光源限定的几何形状，则一个单一的长度尺寸能够建立相关刻度。这可以是两个光源之间的距离、光源与成像设备之间的距离或者两个成像视点之间的距离。

在一个实施方式中，确定参考系内的至少一个长度尺寸包括以已知的间隔距离放置两个光源。这可通过将两个光源定位在具有与被调查的位置有关的预定长度尺寸的固定棒上来实现。例如，通过给予它们不同的颜色自然可识别两个光源。可替换地，相同的固定结构上的附加光源可用于例如借助于它们的配置识别固定光源，在它们的配置中共线的所有光可以是一个潜在的配置。

在另一个实施方式中，确定参考系内的至少一个长度尺寸的方法包括提供与光源相关联的至少一个声应答器并测量从成像设备到声应答器的直线距离。如以上已讨论的，声应答器可用于以各种方式精确地确定水下的距离并且通过在漫游器上的合适的装置询问应答器能够提供一个相对精确的距离测量。还将理解设置有声应答器的两个信标可以互相询问以确定它们的分离并且利用漫游器或处理设备传送该信息。

在又一个实施方式中，惯性导航***(INS)与成像设备相关联并且确定参考系内的至少一个长度尺寸的步骤包括将成像设备从第一视点移动到第二视点并且使用来自INS的数据确定在第一视点与第二视点之间的距离或3D向量。INS可以是如上所述的并且可以是辅助的，其中任意数量的附加输入可用。

该方法特别适用于在确定第一对象和可能的其他对象在参考系内的位置和/或方位时的水下计量。各种方法可以实现为确定第一对象相对于成像设备的位置和方位。在一个实施方式中，这可包括由成像设备或与成像设备相关联的设备形成第一对象的多个摄影图像。摄影测量法技术然后可以用于重建第一对象相对于参考系的3D位置和方位。

在另一个实施方式中，确定第一对象相对于成像设备的位置和/或方位可包括激光剥离第一对象并生成第一对象的3D轮廓。在这种情况下，激光剥离设备和成像设备可以是相关联的并且可与例如ROV上的成像设备一起移动。

一旦已调查第一对象，方法可以用于确定第二对象相对于成像设备的位置和/或方位。以这种方式，能够计算第二对象与第一对象的相对位置和方位。在这种情况下，第二对象必须位于与限定第一对象的参考系的光源相同的参考系中。换言之，需要光源跨越第一对象与第二对象之间的区域使得整个区域可被限定为其中还限定了第一对象和第二对象的单个参考系。在参考系内的任一点，成像设备应当优选地能够观测足够的光源以确保漫游器无漂移并精确定位。会期望至少两个、三个、四个或者甚至更多个光源保持在任意时间点在漫游器的视野中。

本发明还涉及在以上和下文描述的方法中使用的一种水下信标。信标包括加权基部和上侧的光源。在优选实施方式中，光源应当可从水平面内的所有方向可见。优选地，光源应当在至少180°，更优选地，至少220°的立体角内可见(即，不受阻碍)，从而使得即使当信标位于海床上不同的海拔时能够进行观看。优选地，设备构造成在水中采用垂直位置。这可通过提供相对小的基部并通过使信标的上侧比基部相对更具浮力来实现。

在另一个实施方式中，信标可以是一次性的。如以上所表示的，一次性旨在表示该信标用于单次使用并且可以留在海床上而不会有损于环境。信标可以设置有对环境无害而且将会如期(优选地，在不超过五年的周期内)分解的电源。还可以包括浸入海水工作的电池。可替换地，信标可以是可回收且可再用的。在那种情况下，可以设置有可再充电的或可更换的能量源。信标还可以设置有便于回收的磁体或者用于连接至ROV或由ROV回收的其他装置。

在一个特定实施方式中，水下信标进一步包括声应答器，光源位于该声应答器上方并与声应答器垂直对准。优选地，声应答器向外定向，且光源在声应答器上方并与其对准使得仅需要考虑光源与声应答器之间的Z偏移。其他信标配置可以包括多个光源、方位传感器和通信能力。

本发明还涉及水下漫游器，包括成像设备和与成像设备相关联的用于确定成像设备相对于参考系的方位的方位传感器，漫游器可被控制以执行上述或如此处要求权利的方法。漫游器可由适于执行如以上和在下文中描述的方法的计算机程序产品控制。

根据另一方面，另一方面可被认为是第一方面的替代物，提供一种用于提供漫游器的位置信息的水下定位***，其中，漫游器适于在水体中部署并在参考系内移动，其中***包括：-光源，设置在漫游器中或漫游器上并能在相对于参考系的不同位置之间与漫游器一起移动；-信标，设置有水下成像设备并适于相对于参考系在固定位置在水体中部署，其中，水下成像设备被配置为在不同的位置观察光源并确定表示光源相对于成像设备的方向或方向的改变的方向数据；-方位传感器，与漫游器相关联并被配置为确定漫游器相对于参考系的方位并生成方位数据，以及-定标元件，用于提供表示成像设备与光源之间的距离的定标数据。

与以上参照第一方面在本文中描述的优点和效果一致，还可以通过将有源光源用作漫游器位置标记器来在相当长距离内实现高级精度。对于具有成像设备的设计为用于静态部署到水体的床上的信标，可建立相对于地面坐标系保持固定的参考系。参考系将会经历更少的漂移甚至实际上不会漂移。漂移的减少进而将会提高将所检测到的光源与漫游器的实际方位和/或位置相关联的精度。

额外重量或附接机构可以设置在信标上以进一步稳定处于部署状态的信标。此外，设计用于静态部署的信标可具有小尺寸和紧凑的形状，从而允许信标上的成像设备在任意相关方向或几乎所有相关方向上具有(接近)自由的视野以观察尽可能多的光源。

在一个实施方式中，定标元件可包括光源和以距光源预定非零距离安装在漫游器中或漫游器上的至少一个另一光源。这可为安装在漫游器中或漫游器上的光源的预定空间分配的形式。可能地，在预定安装点的光源可具有不同的发射特性(例如，典型的波长范围和峰值强度波长)，这便于成像设备在传感器读数中识别漫游器的方位。

再次，光源可以是适于发射波长基本上在420纳米至520纳米的范围内并且最大强度在460纳米至480纳米的范围内的光的一个或多个LED。

在可替换实施方式中还可以通过提供立体成像能力实现定标。例如，定位***可包括设置有另一水下成像设备的至少一个另一信标。定标元件然后可以包括以距第一成像设备固定距离定位的另一水下成像设备，并且定位***然后可以被配置为对漫游器上的一个或多个光源的距离进行三角测量。可以执行初始校准程序以确定信标的相对位置及它们相应的成像设备。

在可替换布置中，定标元件可包括相对于成像设备在已知位置定位在信标中或信标上的声应答器和与漫游器相关联的相应声学收发器。通过在至少一个光源之间进行适当三角测量，外加从具有成像设备的信标到漫游器上的一个光源的单个距离测量，能够确定参考系的整体刻度。为了该目的，声学上测量的距离的精度需要适用于参考系内所希望的位置精度。声信标可以已知的偏移与成像设备相邻定位。最优选地，声信标定位在成像设备的垂直下方。除垂直以外的解决方案可能需要另外的姿态能力确定偏移方向。在ROV的情况下，光源以及声接收器将以相互预定偏移安装在ROV中/上。

根据本发明的另一个实施方式，***进一步包括与漫游器相关联并可一起移动的惯性导航***(INS)。INS通常是传统设备，用于提供相对和绝对局部定位和位置信息。提及INS并非旨在限制任何特定操作原理并且应当包括能够确定3D位置的变化的任意运动传感器。具体地，INS可基于机械陀螺动作、光纤陀螺仪(FOG)、激光环形陀螺仪(LRG)、MEMS基础技术、加速计、磁力仪或上述任意组合。最优选地，INS是“寻北”因为其包括允许相对于地球(具体地，地北或磁北)瞬时确定其姿态的航向指示器。另外，INS应当优选地是辅助INS，因为其设置有附加输入以提高INS精度。这可以包括水声定位、提供绝对深度测量的深度传感器和/或提供相对于地球的引力场的方位的垂直度传感器和如上所述的USBL、SBL以及DVL***。这些附加传感器可以是INS的一部分或与INS相关联作为集成辅助INS方案的一部分。

在更优选的实施方式中，INS可以用作定标元件以确定至少漫游器相对于参考系的第一位置与第二位置之间的距离。用于提高包括漂移补偿和测量重复的精度的传统过程可以用于增强定标确定结果。尽管第一位置与第二位置之间的直线距离可能足够用于确定参考系的刻度，优选地，INS被布置为确定从漫游器的第一位置到第二位置的3D向量。以这种方式，可以容易确定漫游器的局部参考系相对于与信标相关联的(例如，全球)参考系的相对方位。理想地，将摄影测绘角度测量与INS以及其他可用观测数据在单个导航引擎中一起处理，这使得刻度能够连续更新。

在另一个实施方式中，定标元件可包括与漫游器相关联并能够分析其深度变化的深度传感器。以这种方式，可以确定漫游器的第一位置与第二位置之间的Z方向上的移动并且单独使用或与其他数据一起使用以评估定标数据。

尽管以上论述的定标元件可以各自单独使用，最优选地，***设置有一起工作的大量可替换定标元件以提高精度并提供容错性。INS可以用于在漫游器没有足够的光源对成像设备可见的位置或能见度变差的情况保持精度或去除模糊。当所确定的角度给出差的精度时，声应答器可以帮助去除模糊。

在多个传感器设备一起工作以实现要求精度的情况下，在粗略的时间划分中优选来自不同传感器的传感器数据的精细时间戳。最优选地，***包括布置成相对于方向数据对定标数据标记时间戳的时钟。还将理解的是，确定方向数据可能已需要方位数据相对于成像设备产生的图像的时间戳。以这种方式，可基于INS数据和成像数据的组合估计成像设备感知的图像的瞬时方位。数据应当优选地被标记时间戳至至少1毫秒的精度。最优选地，时间戳将精确到大约0.1毫秒。所要求的定时精度(包括未考虑的处理和通信延迟)可以取决于成像设备所要求的测量精度和预期移动速率。

***优选地包括布置为接收并分析方向数据和定标数据以确定位置信息的处理器。在一个实施方式中，处理器对于漫游器来说是本地的并且可以与之集成。处理器因此可以位于海底(例如，在漫游器上)，从而省去了对信号传输到表面的需要。传输到表面可能限于所得到的处理数据或者可替换地数据可以记录并传送到表面用于在返回成像设备和处理器时进行处理(例如，在AUV的情况下)。

将理解单个成像设备与单个光源之间的协作可以将相当大的附加信息提供到现有的***。根据本发明另一实施方式，***可包括多个信标，每个信标具有至少一个成像设备。信标适于部署在水体中以形成信标矩阵或网络。附加信标将会增加***的测量冗余度和精度并且不同的技术可以用于利用它们。具体地，可以应用标准同步局部化和定位(SLAM)处理以解析矩阵。在一个实施方式中，信标可以随意定位在待调查的对象附近以形成信标矩阵。矩阵可具有取决于手头的任务的刻度和尺寸。对于在工程技术安装设施周围的水下作业，矩阵通常可以具有最大50米与5公里之间的尺寸。然而，将理解可以安装的信标的数目没有限制。理论上，这种信标可以绘制许多公里以内的管线的路线。在混浊的条件下，矩阵可能需要单独的信标彼此靠近。

应理解的是，所需的光源的亮度可取决于涉及的距离和水透明度在几流明到一千以上的流明内变化。在漫游器中/上的光源可具有可调节的强度设置以使光源所需亮度动态地适应水的视觉条件和信标的期望检测精度。优选地，动态地设置强度以便避免成像设备中过度曝光效果(例如，像素饱和度、光晕等)，这将会劣化所获得的图像中的光检测和定位精度。

在一个实施方式中，信标上的成像设备可包括一个或多个照相机，该照相机布置为捕获至少90°，优选地，至少180°，并且更优选地，360°以上的水平视场内的方向数据。照相机甚至可以协作以生成半球形图像，且合成视场在显著的立体角上延伸。在近似平坦的海床的应用中，该立体角例如可以是Ω＝2π的球面度。增大视野允许成像设备识别漫游器上的多个光源，与漫游器相对于信标的位置无关。将理解单个图像内的光源之间的角度的分辨率的精度可以优于当成像设备本身必须摇动时实现的角度的分辨率的精度。

一旦已建立漫游器在参考系内的位置，能够确定第一海底对象相对于参考系的位置和姿态。这可通过各种传统过程实现。

根据一个优选的实施方式，***可包括激光剥离成像设备，该激光剥离成像设备与用于生成参考系内的对象的3D轮廓的漫游器相关联并可一起移动。这可以用于生成定向在参考系内的第一海底对象的3D轮廓。尽管在一个实施方式中第一对象可以是固定对象(例如，海床上)，但并不排除第一对象可以是待确定相对于参考系的位置的任意对象。

信标可以是可回收且可再用的。在那种情况下，它们可以设置有可再充电的或可更换的能量源。信标还可以设置有便于回收的磁体或者用于连接至ROV或由ROV回收的其他装置。

信标中至少一个可被配置为附接至待调查的海底对象。附接的形式可以取决于海底对象的性质。附接可以通过磁体或自锁夹具进行或者成像设备可以设置在合适的***件(stab-in)上以相对于管端或凸缘提供限定的方位。通过将具有成像设备的信标附接至对象，将在调查对象的位置建立参考系(即，具有其原点)，使得在测量对象时当漫游器靠近成像设备的时候潜在的测量和定位误差变得最小。随后，可以通过摄影观察、激光剥离等确定对象相对于附接信标的位置和方位。

可替换地或者此外，可以提供具有另一光源的另一信标，该另一信标被配置为用于附接至待调查的海底对象。同样对于该另一信标，附接的形式可取决于海底对象的性质。附接可以通过磁体或自锁夹具进行，或者另一光源可以设置在合适的***件上以相对于管端或凸缘提供限定的方位。具有另一光源的该另一信标优选地部署在具有成像设备的信标的视野内。通过将另一信标附接至对象，信标的成像设备可以同时观测另一信标上的附接(即，固定)的另一光源和漫游器上的(移动)光源。在漫游器和调查对象相对于参考系的位置之间建立关系时可以将同步光观察考虑在内。在限定的配置中可以附接多个光源以便确定对象(一部分的)的3D位置和方位。

在某些实施方式中，希望信标或另一信标包括布置为确定(另一)信标的至少俯仰和滚动的方位传感器。对于旋转对称的(另一)信标，相对于(另一)信标上的另一点限定信标上的成像设备或另一信标上的另一光源的仰角的俯仰和滚动可能是足够的。当(另一)信标携带声应答器时或者在其需要附接至对象的情况下可能需要这种做法。在一些情况下，可能期望提供(另一)信标的全方位信息，包括航向、俯仰和滚动。当(另一)信标定向或不旋转对称时，这可能是相关的。

在实施方式中，信标可以设置有处理器，处理器配置为用于从方向数据和定标数据中确定漫游器的位置信息。可替换地，处理器可以仅被配置为确定在成像设备获取的图像中检测到的光源的像素坐标，并存储这些坐标用于进一步使用和/或传输到漫游器。

在另一实施方式中，信标可包括通信设备，通信设备布置为通过水体将位置信息和/或检测光源的确定像素坐标无线传输到漫游器。可以使用声学传输、光传输、以及电磁传输技术中至少一个将位置信息从信标传递到漫游器。

因此，信标可以设置有其自身的通信能力，使得其能够与另一相似的信标或漫游器通信，另一信标设置有另一光源。在这方面，仅发出单电磁(例如，无线电或光)脉冲或单声音脉冲并非意在构成通信。术语“通信能力”意在表示信标能够发送数据。通信可以提供当从讯问器询问时的能力，信标将能够发送最少其ID、其电池寿命(如果可用)、及其滚动、俯仰和航向(如果可用)。进一步的通信可以提供将信标置于电力睡眠模式或者从该模式恢复的能力。可以通过一串编码电磁或声音脉冲或某种其他调制形式进行通信。通信可以处于相对低的数据速率并需要几秒完成交易。数据可以包括漫游器的计算位置信息、所确定的检测光源的像素坐标、唯一的识别信息、方位信息、相对于其他信标的位置信息以及开始通信协议所需的信号交换数据。

根据本发明的又一方面，提供一种增强在水体中以及对应于水体的参考系内移动的漫游器的位置信息的方法，其中，漫游器设置有光源并与处理器通信用于评估与漫游器相对于参考系的瞬时位置有关的位置数据，其中该方法包括：-设置具有水下成像设备的信标，其中，水下成像设备被配置为在不同的位置观察光源并确定表示光源相对于成像设备的方向或方向的改变的方向数据；-相对于参考系在固定位置将信标部署在水域中；-在参考系内将漫游器移动到不同的视点；-从不同视点生成表示光源相对于成像设备的方向的方向数据；以及-将方向数据提供至处理器。

该方法可以完全通过合适的控制设备来实现或者可以部分地或完全地由操作员执行，优选地，使用如以上或在下文中所述的定位***或信标。

对于调查的本领域技术人员，将理解在现有配置中仅提供并感测/监测一个光源将会改善定位解决方案(尤其对于漂移)。在另外的光源或与光源相关联的其他附加信息的情况下，解决方案更进一步得到改进。在仅四个光源以几何合适的配置布置在漫游器上的情况下，可明确地确定漫游器的相对位置，而无需任何附加信息。任何附加独立观测(光源或其他)将会提供冗余度并且因此提高解决方案的鲁棒性并允许质量控制和容错性。

在一个实施方式中，信标可以任意放入参考系内。这样的过程可以允许高度冗余。

光源可以置于漫游器中或漫游器上增强所得到的计算的位置以及取决于能见度的距离。在一个实施方式中，从任意单个位置应当可见至少三个光源，但更优选地，四个或更多个光源可见以便提供更大的冗余度和容错性。

方法优选地包括通过利用成像设备观看光源、确定光源的中心的坐标并将坐标发送到处理设备且不用传输其他图像数据来确定方向数据。如上面已描述的，成像设备可以适于仅识别给定光源的中心以便确定在成像设备的基准面处所对的角度。因此可仅基于该数据进行处理并且其他周围图像不需要由信标发送到漫游器。成像设备可以同时发送至少三个光源的坐标或者可以基于顺序观测成对地提交数据。在那种情况下，可能需要用于每次观测的时间戳数据。通过避免将全部摄影图像数据从信标发送至漫游器，少得多的数据需要发送。这允许信标携带不太复杂的通信设备。可替换地或此外，因此可以将所需观察数据更迅速地发送到漫游器，从而允许在(动态)位置评估过程中漫游器(几乎)“实时”采用该附加坐标数据。此外，识别光源的中心相对简单准确，与光源的大小或亮度无关且与水的浊度无关。因此，在成像设备的图像处理单元可以实现光源中心检测算法。

方法可以另外包括在信标与漫游器之间建立距离。如上所述，可以单独地或组合地实现各种过程以达到这种结果。

在一个实施方式中，例如，通过给予它们不同的颜色可识别出设置在漫游器上的两个光源。可替换地，漫游器中/上的预定模式的附加光源可用于识别漫游器上的主光源。

在另一个实施方式中，确定参考系内的至少一个长度尺寸的方法包括提供与成像设备相关联的至少一个声应答器并测量从成像设备到声应答器的直线距离。如以上已讨论的，声应答器可用于以各种方式精确地确定水下的距离并且通过在漫游器上的合适的装置询问应答器能够提供一个相对精确的距离测量。还将理解设置有声应答器的两个信标可以互相询问以确定它们分离并且利用漫游器或处理设备传送该信息。

在又一个实施方式中，惯性导航***(INS)与漫游器相关联，并且确定参考系内至少一个长度尺寸的步骤包括相对于参考系将漫游器从第一位置移动到第二位置，其中，第二位置不同于第一位置，并且使用来自INS的数据确定第一位置与第二位置之间的距离或3D向量。INS可以是如上所述的并且在可用的情况下可通过任意数量的附加输入进行辅助。

在确定第一对象和可能的其他对象在参考系内的位置和/或方位中，该方法特别适用于水下计量。各种方法可以实现为确定第一对象相对于信标上成像设备的位置和方位。在一个实施方式中，这可包括由成像设备或与成像设备相关联的设备形成第一对象的多个摄影图像。摄影测量法技术然后可以用于重建第一对象相对于参考系的3D位置和方位。

在另一个实施方式中，确定第一对象相对于成像设备的位置和/或方位可包括激光剥离第一对象并生成第一对象的3D轮廓。在这种情况下，激光剥离设备可以与例如ROV上的漫游器相关联并且可一起移动。

一旦已调查第一对象，该方法可以用于确定第二对象相对于漫游器的位置和/或方位。以这种方式，能够计算第二对象与第一对象的相对位置和方位。在这种情况下，在假定在调查第一对象和第二对象过程中的漫游器位置两者中，漫游器必须在成像设备的视野内，并且对于这两个位置，漫游器相对于参考系的位置必须是可确定的。换言之，至少在调查两个对象期间漫游器及其光源对于成像设备保持可见的位置，成像设备的视野需要跨越直接包围第一对象和第二对象的两个区域。成像设备应当优选地能够观察足够的光源以确保漫游器无漂移并精确定位。会期望漫游器(如果存在)上的至少两个、三个、四个或者甚至更多个光源保持在任意时间点在信标上的成像设备的视野中。

本发明还涉及在以上和下文描述的方法中使用的一种水下信标。信标包括加权基部和上侧的成像设备。在优选实施方式中，成像设备应当具有水平面内所有方向的视野。优选地，光源应当在至少2π球面度的立体角内，和/或至少180°，更优选地，至少220°的直角内可见(即，不受阻碍)，从而使得即使当信标位于海床上不同的仰角时能够进行观看。优选地，设备构造成在水中采用垂直位置。这可通过提供相对小的基部并通过使信标的上侧比基部相对更具浮力来实现。

在一个特定实施方式中，水下信标进一步包括声应答器，其中成像设备位于声应答器上方并与声应答器垂直对准。优选地，声应答器向外定向，且成像设备在声应答器上方并与其对准使得仅需要考虑成像设备与声应答器之间的Z偏移。其他信标配置可以包括多个成像设备、方位传感器和通信能力。

本发明还涉及水下漫游器，包括一个或多个光源和与漫游器相关联的用于确定漫游器相对于参考系的方位的方位传感器，漫游器可控制以执行上述或如此处权利要求的方法。漫游器可由适于执行如以上和在下文中描述的方法的计算机程序产品控制。

附图说明

现在将参照所附的示意图仅通过实例来描述实施方式，在附图中，相应的参考符号表示相应的部件。在附图中，相同的参考数字表示相同的元件。此外，元件的多个实例可以各自包括元件号所附的单独字母。例如，特定元件“20”的两个实例可以标记为“20a”和“20b”。在那种情况下，可以使用没有附加字母(例如，“20”)的元件标记以泛指元件的每个实例，同时元件标记将会包括附加字母(例如，“20a”)以指元件的特定实例。

图1示出根据本发明的第一实施方式的水下定位***的示意图；

图2示意性地指示图1的ROV和信标的相对位置；

图3以立体图示出可替换信标；

图4示意性地示出在执行剂量中图1的***的使用；

图5示意性地示出从图4的ROV感知到的图像；

图6在示意性视图中示出本发明的第二实施方式的一部分；

图7示出图6的水下定位***的更多细节；以及

图8示出根据本发明的信标的另一实施方式；

图9示出信标的又一实施方式，以及

图10示出根据本发明的另一方面的水下定位***。

附图是仅仅为了说明性的目的，并且不用作如列出的权利要求一样限制范围或保护。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施方式的水下定位***1的示意图。***包括ROV 2和信标4，两者均适于水下作业，信标位于海床6上。ROV2包括用脐带缆20连接的摄影测绘照相机10、声学收发器12、方位传感器14、处理器16以及通信接口18。ROV 2可以是如用于水下作业和调查的普通的传统设备并且将进一步设置有用于操纵其本身以及其他对象并用于与表面通信的全部所需设施。还将理解的是，尽管参照ROV说明了实施方式，但相同的原理可以应用于完全自主的车辆以及潜水者携带的手持式漫游器等。照相机10是具有大约120度的视野的校准广角照相机并专门相对于ROV 2的轴线AR产生图像。方位传感器14是适于在任何时间点向处理器16输出轴线AR的方位的俯仰/滚动/航向传感器。方位传感器14可以是具有优于0.2度的动力精度的传统固态重力/磁性传感器。将理解可以根据所需的总精度、它们与总精度的相关性以及相对于其他部件的冗余度选择单独组件的精度。

信标4具有基部22，在基部中设置有电池24和电子设备26。基部22相对较重，从而确保当被放置在海床6上时信标4处于垂直方向。声应答器28和光源30设置在基部22上方。光源30是在清水中提供最多大约200米的能见度的大功率绿色/蓝色LED。光源30放置在信标4的顶部以在各个方向上以及在2π以上的球面度的立体角上可见。

现在将参照图2说明定位***1的操作，图2示出ROV 2和信标4的示意性平面图。ROV 2使其轴线AR相对于北N指向航向H。处理器16控制照相机10的操作以产生信标4上的光源30的摄影测绘图像。基于读数，处理器可以计算与光源30的方位角β以及其相对于北N的角度α。处理器16还使用收发器12询问信标4以向应答器28发脉冲并检测返回的脉冲。对于给定水深和温度，使用常规测距技术将传输时间转换为距离R。尽管没有进一步讨论，但将理解的是，将从ROV上或别处的传感器提供执行这样的测距所需的所有附加读数。一旦确定了信标4相对于ROV的方位角和距离，能够评估从ROV 2到信标4的Δx和Δy偏移。因此，将理解对于信标4的固定位置，能够确定ROV 2的位置。相反，如果ROV 2的位置是已知的，则可以确定信标4的位置。在图2中，示出了二维配置的情况，为简单起见，在该二维配置中仅考虑方位角。将理解实际上，还会考虑仰角并且还将确定Δz值。

图3示出根据替换实施方式的信标104，该信标用于与待调查的水下对象O连接。信标104包括大小适于啮合对象O的***式基部122。如在图1的较早的实施方式中，基部包括电池124，但是在这个实施方式中，还提供了方位传感器125和通信电子设备126。光源130设置在信标104的与和信标104的轴线AB对准的基部122相反的一端。在基部与光源130之间的轴线AB上设置有应答器128。信标104可附着于对象O，对象O在所示实施方式中是管凸缘并使得能够确定轴线AB的方位并将该方位由通信电子设备126传送到外部设备。在这种情况下，经由声应答器128进行到ROV 2上的收发器12的通信作为编码声脉冲流。这种通信通常是传统的并且在本文中不需要进一步论述。将理解，还可以通过表面的声纳进行通信或者还可以调制光源130用于传输信息。

图4示意性地示出如何在计量过程中实现***1以从第一水下目标对象O1调查到第二水下目标对象O2。该过程对于对象之间不存在直接视线情况是尤其方便的，但如果不是这种情况同样可适用。根据图4，对象O1、O2中的每一个设置有如图3中所描述的信标104。在开始过程之前，ROV 2在两个对象O1、O2的中间的位置处已投放如在图1中示出的类型的信标4。信标4的位置可以是随机的，条件是该信标可以同时从如将在下面进一步论述的ROV2观察信标104和信标4两者的光源。

在操作中，ROV 2最初位于其可以观察第一对象O1和信标4的第一位置P1。在该位置，如以上参考图2描述的，确定信标104与ROV 2的方位角α11和距离R11。同样如上所述，即使ROV的精确位置是未知的，现在在第一对象O1的x、y、z参考系中确定其相对于第一对象O1的相对位置。ROV还询问信标104以确定轴线AB1的方位。该信息从信标104被发送至ROV 2。由于照相机10的大视场，ROV 2能够同时确定信标4的位置并计算信标4相对于ROV 2的方位角α12和距离R12。由于这是同时发生的，即，ROV 2没有移动或漂移，还可以确定信标4在第一对象O1的参考系中的位置。ROV 2然后移动到信标4与第二对象O2之间的第二位置P2。将理解第二位置P2可以是任意随机位置并且不需要ROV 2能够在从第一位置P1行进到第二位置P2的过程中跟踪其自身的移动。然而，例如，通过使用INS跟踪其位置变化的能力可以为***提供附加冗余度。一旦在位置P2，ROV 2使用其照相机10确定信标4上的光源30、130和第二对象O2的方位角α21、α22。还询问应答器28和128以确定相应距离R21、R22并接收关于信标104的轴线AB2的方位的方位信息。基于该数据，处理器16能够确定第二对象O2在第一目标对象O1的参考系中的位置与方位。将理解，在不用确定任何单个绝对位置的情况下可以实现所有的这些。然而，将理解可提供附加信息和读数以便将所描述的数据与已知的基准点联系起来。还将理解的是，虽然已使用单个中间信标示出了本实施方式，但可以在没有中间信标的情况下执行该方法，假定ROV能够从单个位置看见两个对象。此外，可以提供任意数量的中间信标，从而桥接两个对象之间的间隙或者将对象链接到已知的基准点。

图5示意性地示出通过图4的ROV 2的照相机10感知到的图像。图像被描述为照相机屏幕，虽然将理解的是可以定量地解释图像并且实际上从不需要显示到屏幕上。点AR位于图像的中心并表示通过ROV的轴线确定的航向。点N表示北的瞬时位置，并且示出轴线AR相对于水平位置的倾斜和滚动。点130和30分别表示信标104和4上的光源的中心。根据本发明的重要优势，然而，可能出现远距离的光源或模糊的光源130、30，它们将总是圆形的，从而使得合适的图像分析软件能够确定每个光源的中心点。基于照相机捕获的图像对于每个光源需要发送的仅有的信息是中心点的坐标。这显著减轻需要发送的数据量。将理解的是，在所描述的实施方式中，通过ROV上的处理器16分析数据。然而，在数据被发送到表面的情况下，待发送的数据量的减少会是十分有利的。

图6示出根据本发明的第二实施方式的定位***101的一部分。***101包括具有额外能力的ROV 102并在操作中示出为调查第一水下对象O1。ROV 102与图1的ROV相似并且类似特征用由前面是100的类似的参考标号表示。根据图6，ROV 102具有相隔一定距离定位并且两者都指向前方的第一照相机110和第二照相机111，从而允许立体视觉。此外，ROV102设置有INS 113、深度计115和激光行扫描器117，从而允许3D感知图像范围内的对象。图6中还示出了位于海床6上接近对象O1的被动式信标204。被动式信标204与图1的信标2相似但仅包括光源230和电池224，没有声应答器或进一步的电子设备或通信能力。为了清楚，具有通信能力的信标4和104可被称为有源信标。

在***101的运行中，ROV 102最初被引导靠近对象O1并且激光剥离被用于建立对象O1的3D图像，包括其相对于ROV 102的位置和方位。从ROV的相同位置，照相机110、111两者都能够观察光源230并且由于立体视觉能够确定与光源230的距离和方位角。一旦在对象O1的参考系中建立光源230，ROV 102可以移到远距离位置并且假设其仍能看见光源230，它可以确定其新的位置。

在图7中进一步描述了图6的定位***101，图7示出了另外的有源信标4和被动式信标204并且进一步包括与第二对象O2的管凸缘啮合的***式信标104。信标4、104、204形成可通过ROV 102使用技术组合映射的光的矩阵109。在初始阶段，ROV 102飞过区域并使用SLAM技术同时定位并映射在其可见度内的所有光源。除光源的初始映射之外，ROV 102从其INS 113及其深度计115搜集有关其位置变化的附加信息并使用这些更准确地确定其相对于矩阵109的位置。有源信标4由处理器116命令以在声学上彼此通信以确定它们之间的距离D。该信息被报告回到处理器116，处理器使用距离D更准确地确定矩阵109的规模(scale)。例如，有源信标4上的光源30可与其他信标颜色不同以便帮助ROV 102识别提供距离信息D的那些信标。定位***101可以用于在对象O1与O2之间执行计量但也可以留在水下安装设施附近的海床上作为安装操作过程中的导航辅助设备。

图8示出了根据第三实施方式的信标304。信标304包括位于安装在基部322(包括应答器328)上的三角形框架331的三个角的三个光源330a、b、c。框架在外形上与相互更靠近的光源330b和330c和相对远离的光源330A等边。光源330a-c之间的距离被仔细地限定并可由ROV用来确定信标304所指向的刻度和方向两者，即，光源330a的位置。将理解，光源330a-c还可以颜色不同或者如果需要额外的识别则布置成以不同的序列闪光。

图9示出了根据第四实施方式的信标404。以部署状态在海水体408的海床406上示出了信标404。信标404包括三个光源430a、430b、430c，这三个光源相邻地位于预定位置以限定局部信标参考系的原点OR。三个光源430a-c安装在基部422上，并且各自适于在远离局部参考系的原点OR的预定方向上将相应光束432a、432b、432c投射到水408中。例如，这三个光源430a-c可以由激光器形成。经受水408的浊度和/或在水408中漂浮的颗粒的浓度，投射的激光在一定程度上将会散射，从而致使三个束432a-c的部分对足够近的成像设备可见。

光源432a-c布置成使得投射光束432a-c的方向不一致或以并行的方式传播。优选地，投射光束432a-c的方向彼此正交以限定正交局部参考系。然而，光束的正交性不是至关重要的。如果在合适距离以内，ROV的照相机也许能观察所有的三个光束432a-c。

优选地，三个光源430a-c中的每一个生成不同波长范围的光。可替换地或者此外，三个光源430a-c可被配置为以不同的时间图(时间模式，time pattern)闪光以允许在漫游器中的处理器分析投射(局部)参考系的方位。

ROV可以使用局部参考系的投射光束表示来收集与信标404的局部参考系有关的视觉数据。视觉数据例如可以用于确定信标404指向的方向(包括信标404上光源430a-c的位置，只要ROV已经预先已知信标的结构)。

附加光源431可以距光源430a-c预定距离设置在信标404上。该附加光源431例如可以是以距局部参考系的原点OR已知的距离和已知的方向固定的点状源。由ROV上的成像设备获取的附加光源431的视觉数据可以与对信标上的光源430a-c、431的布置的提前了解相结合以帮助分析信标的局部参考系的刻度。

信标404进一步包括具有如以上在本文中描述的类似的功能的应答器428。

图10示意性地示出水下定位***501的可替换实现方式。以上参考图1-9中的实施方式描述的定位***中的特征同样可以存在于图10中示出的定位***501中，并且在此将不会再次论述。对于参考图10的论述，类似的特征用前面是500的类似的参考标号表示以区分实施方式。

图10中的定位***501包括ROV 502和适于在固定位置在水体508中部署的至少一个信标504。在这个实施方式中，定位***501包括两个信标504a、504b。参考系XYZ相对于两个信标504中的一个限定，并且可以假定该参考系保持相对于水体508固定。

ROV 502还适于相对于参考系XYZ部署在各个位置与方位之间的水体508中并移动通过水体。在该可替换实施方式中，定位***501包括设置在ROV 502上的几个光源530a、530b、530c并且可相对于参考系在不同的位置/方位之间与ROV 502一起移动。光源530a-c设置在ROV 502的外壳上的预定位置，以对于成像设备510a、510b从ROV壳体的形状允许的同样多的方向上可见。光源530a-530c的空间配置仍相对于ROV 502保持固定。在该实例中，光源530a-c是在清水中提供最多大约200米的可见度的大功率绿色/蓝色LED。

ROV 502进一步包括方位传感器514、处理器516、以及通信接口518。还可以存在声学收发器512、INS 513、以及深度传感器515中的至少一个。此外，可以提供激光行扫描器517。通信接口518与脐带缆520连接。方位传感器514是俯仰/滚动/航向传感器，其可以是传统固态重力/磁性传感器。

两个信标504a、504b中的每一个设置有水下成像设备510a、510b。每个水下成像设备510被配置为观察ROV 502上的光源530a-c，并且确定表示光源530a-c相对于相应成像设备510的方向或方向的改变的方向数据。

每个成像设备510可包括协作以提供在球形表面(即，具有在显著的立体角上延伸的合成视场)的一部分上延伸的图像的几个照相机单元。例如，由照相机单元覆盖的立体角可以在Ω＝2π球面度上延伸。两个信标504中的每一个具有基部522，在基部内部设置有电池524、成像设备510、图像处理器519、以及电子设备526。基部522相对较重，以在被放置在海床506上时使信标504处于垂直方向。在基部22上方设置声应答器528和成像设备510。

在图10中示出的定位***501实施方式的操作可以根据如以上参考图2、图4以及图5讨论的相同的原理和过程进行，但适于分别说明光源530a-c和ROV 502与信标504上的成像设备510的互换位置。

因此，已参考上述的特定实施例描述了本发明的实施方式。从以上的说明中，应当理解一方面可以用设置在ROV上的一个或多个光源和设置在一个或多个信标上的一个或多个成像设备或者另一方面用设置在ROV上的一个或多个成像设备和设置在一个或多个信标上的一个或多个光源实现水下定位***。

应当认识到的是，可对这些实施例做出各种修改并且可替换形式对于本领域技术人员而言是已知的。具体地，可以提供具有任意数量的灯的信标并且信标的布置和ROV的实现可以与示意性地示出的设计不同。

除了以上描述的那些修改之外，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本文描述的结构和技术进行做出修改。因此，尽管已经描述了具体的实施方式，但是这些实施方式仅仅为实例，并不限制本发明的范围。

应注意，出于简明的原因，对应于各种实施方式中的相似的元件的参考标号(例如，信标104、204、304等与元件4相似)在权利要求中由仅它们的底数统一表示，即，不是数百的倍数。然而，这并不表明权利要求元件应当解释为仅指对应于底数的特征。尽管已在权利要求中省去类似的参考标号，但它们的适用性将从与附图的比较中清晰可见。

参考符号列表

在以下列表中已省去在说明中已用于表示相似元件的相似的参考标号(仅数百不同)，但应当被认为是隐含包括的。

1 水下定位***

2 远程可操作车辆

4 信标

6 床(例如，海床)

8 水体(例如，海水)

10 水下成像设备(例如，摄影测绘照相机)

12 声学收发器

14 方位传感器

16 处理器

18 通信接口

20 脐带缆

22 基部

24 电池

26 电子设备

28 声应答器

30 光源

109 光源矩阵

111 第二水下成像设备(例如，照相机)

113 惯性导航***

115 深度计

117 激光行扫描器

125 信标方位传感器

126 信标通信电子设备

331 框架(例如，三角形)

431 另一光源

519 信标图像处理器

AR ROV轴线

AB 信标轴

Hi 航向(对象i＝1,2,…)

N 北

Oi 水下对象(i＝1,2,…)

Pi 位置(对象i＝1,2,…)

Rij 距离(从i到j)

αij 方位角

Δk 空间偏移(k＝x,y,z)

Claims

1.一种用于提供漫游器(2)的位置信息的水下定位***(1)，能在参考系内移动，所述***包括：

-具有光源(30)的至少一个信标(4)，位于所述参考系的固定位置；

-水下成像设备(10)，能在所述参考系中与所述漫游器一起移动以从不同的视点观察所述光源并且确定表示所述光源相对于所述成像设备的方向或方向的改变的方向数据；

-方位传感器(14)，与所述成像设备相关联以确定所述成像设备相对于所述参考系的方位并生成方位数据；以及

-定标元件(12、28、111、113、115、330a-c)，用于提供表示所述成像设备与所述光源之间的距离的定标数据。

2.根据权利要求1所述的***(1)，其中，所述定标元件(12、28、111、113、115、330a-c)包括相对于所述光源(30)设置在所述信标(4)之内或之上的预定固定位置的声应答器(28)以及与所述成像设备(10)相关联的相应声学收发器(12)。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的***(1)，其中，所述定标元件(12、28、111、113、115、330a-c)包括光源(330a)和以距所述光源预定非零距离安装的至少另一个光源(330b、330c)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的***(101)，其中，所述定标元件(12、28、111、113、115、330a-c)包括惯性导航***(113)，所述惯性导航***与所述成像设备(110)相关联并能一起移动并且布置成确定至少第一视点与第二视点之间的距离。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的***(101)，其中，所述定标元件(12、28、111、113、115、330a-c)包括深度传感器(115)，所述深度传感器与所述成像设备(110)相关联并能一起移动并且布置成确定第一视点与第二视点之间的深度变化。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的***(101)，其中，所述定标元件(12、28、111、113、115、330a-c)包括在距第一成像设备(110)固定距离处设置的第二成像设备(111)，并且其中所述***被配置为对距所述光源(230)的距离进行三角测量。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的***(1)，其中，所述成像设备包括一个或多个照相机(10)，所述照相机布置成捕获至少90°，优选地，至少180°，并且更优选地，360°以上的水平视场内的方向数据。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的***(1)，其中，所述光源(30)是适于发射波长基本上在420纳米至520纳米的范围内并且最大强度在460纳米至480纳米的范围内的光的LED。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的***(1)，包括处理器(16)，所述处理器布置成接收并分析所述方向数据和所述定标数据以确定所述位置信息。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的***(101)，包括激光剥离设备(117)，所述激光剥离设备与用于在所述参考系中生成待调查的对象(O1)的3D轮廓的所述成像设备(110)相关联并能一起移动。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的***(1)，其中，所述信标(4)包括夹具、***部分、绑带、或磁体中至少一个，布置为用于将所述信标附接至所述参考系内待调查的对象(O1)。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的***(1)，其中，所述信标(104)包括方位传感器(125)，所述方位传感器布置为确定所述信标的至少俯仰和滚动以及可选择地还有所述信标的航向。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的***(101)，其中，所述信标(104)包括布置为与另一相似信标或所述漫游器通信数据的通信设备(126)。

14.一种增强漫游器(2)的位置信息的方法，所述漫游器在水下参考系内移动，所述漫游器携带成像设备(10)并与处理器(16)通信，用于评估与所述漫游器相对于所述参考系的瞬时位置有关的位置数据，所述方法包括：

-提供具有光源(30)的信标(4)；

-将所述信标放置在所述参考系内的固定位置；

-在所述参考系内将所述漫游器移动到不同的视点；

-从不同视点生成表示所述光源相对于成像设备的方向的方向数据；

-将所述方向数据提供至所述处理器；

-确定所述成像设备相对于所述参考系的方位并生成方位数据；以及

-提供表示所述光源与所述成像设备之间的距离的定标数据。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，提供表示所述光源(30)与所述成像设备(10)之间的距离的定标数据包括以下中至少一个：

-在所述信标(4)上设置声应答器(28)并从所述漫游器(2)中询问所述声应答器以确定到所述信标的距离，以及

-提供相隔已知距离的至少两个光源，并对距所述成像设备的距离进行三角测量。

16.根据权利要求14或15所述的方法，包括将最少具有光源(30)的三个信标(4)定位在所述参考系内以形成矩阵。

17.根据权利要求16所述的方法，包括使用SLAM技术建立矩阵的剖析图。

18.根据权利要求14至17中的任一项所述的方法，其中，生成方向数据包括：

-利用所述成像设备(10)观察所述光源(30)；

-确定所述光源的中心的坐标；以及

-将所述坐标发送到所述处理设备(16)，且不用发送进一步的图像数据。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，包括执行计量测量以确定海底对象(O1)相对于所述漫游器(2)的位置和方位。

20.根据权利要求19所述的方法，包括形成所述对象(O1)的多个摄影图像用于生成所述对象的三维轮廓。

21.根据权利要求19或权利要求20所述的方法，包括激光剥离所述对象并生成所述对象的3D轮廓。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，包括确定第二对象(O2)相对于所述漫游器(2)的位置和方位。

23.一种在根据权利要求1至13中任一项所述的***(1)或者根据权利要求14至22中任一项所述的方法中使用的水下信标(4)，包括在下侧的基部(22)和在与所述下侧相反的上侧的光源(30)。

24.根据权利要求23所述的水下信标(304)，包括在距第一光源(330a)以及彼此预定距离处设置的一个或多个另一光源(330b、330c)。

25.根据权利要求23或24所述的水下信标(404)，包括定位成限定所述参考系的原点(OR)的三个光源(430a、430b、430c)，其中，所述三个光源中的每一个适于将光束(432a、432b、432c)远离所述原点投射到预定方向上，其中，得到的光束生成所述参考系的三个空间轴线的直观表示，以便能够被漫游器(2)上的成像设备(10)检测到。

26.根据权利要求25所述的水下信标(404)，其中，所述三个光源(430a、430b、430c)中的每一个包括激光器，所述激光器适于发射波长基本上在420纳米至520纳米的范围内并且最大强度在460纳米至480纳米的范围内的光，优选地，其中三个激光器的最大强度彼此不相重叠。

27.根据权利要求23-26中任一项所述的水下信标(4)，包括相对于所述光源(30)设置在预定位置的声应答器(28)。

28.根据权利要求27所述的水下信标(4)，其中，所述声应答器(12)在使用中垂直设置在所述光源(30)下方。

29.根据权利要求23至28中的任一项所述的水下信标(104)，包括：方位传感器(125)，布置成确定所述光源(130)相对于所述参考系的至少俯仰和滚动，以及可选地还有所述光源相对于所述参考系的航向。

30.根据权利要求23至29中任一项所述的水下信标(104)，包括：通信设备(126)，布置成与另一相似信标或漫游器通信数据，所述数据至少包括信号交换数据。

31.一种水下漫游器(2)，包括成像设备(10)和与所述成像设备相关联的用于确定所述成像设备相对于参考系的方位的方位传感器(14)，所述漫游器能控制以执行根据权利要求14至22中任一项所述的方法。

32.一种用于提供漫游器(502)的位置信息的水下定位***(501)，其中，所述漫游器适于部署在水体(508)中并在参考系内移动，其中，所述***包括：

-光源(530)，设置在所述漫游器中或所述漫游器上并能在相对于所述参考系的不同位置之间与所述漫游器一起移动；

-信标(504)，设置有水下成像设备(510)并适于相对于所述参考系在固定位置部署在水体中，其中，所述水下成像设备被配置为在不同的位置观察所述光源并确定表示所述光源相对于所述成像设备的方向或方向的改变的方向数据；

-方位传感器(514)，与所述漫游器相关联并被配置为确定所述漫游器相对于所述参考系的方位并生成方位数据，以及

-定标元件(512、513、515、528、530b-530c)，用于提供表示所述成像设备与所述光源之间的距离的定标数据。

33.根据权利要求32所述的***(501)，其中，所述定标元件(512、513、515、528、530b-530c)包括相对于所述水下成像设备(510)在预定固定位置设置在所述信标(504)中或所述信标(504)上的声应答器(528)以及与所述漫游器(502)相关联的相应声学收发器(512)。

34.根据权利要求32或权利要求33所述的***(501)，其中，所述定标元件(512、513、515、528、530b-530c)包括所述光源(530a)和在距所述光源预定非零距离处安装在所述漫游器中或所述漫游器上的至少一个另一光源(530b、530c)。

35.根据权利要求32-34中任一项所述的***(501)，其中，所述定标元件(512、513、515、528、530b-530c)包括惯性导航***(513)，所述惯性导航***与所述漫游器(502)相关联并能一起移动并且布置为至少确定所述漫游器相对于所述参考系的第一位置与第二位置之间的距离，其中，所述第二位置不同于所述第一位置。

36.根据权利要求32-35中任一项所述的***(501)，其中，所述定标元件(512、513、515、528、530b-530c)包括深度传感器(515)，所述深度传感器与所述漫游器(502)相关联并能一起移动并且布置为确定所述漫游器相对于所述参考系的第一位置与第二位置之间的深度变化，其中，所述第二位置不同于所述第一位置。

37.根据权利要求32-36中任一项所述的***(501)，包括至少一个另一信标(504b)，所述信标设置有另一水下成像设备(510b)并适于相对于所述参考系在另一固定位置部署在水体中。

38.根据权利要求37所述的***(501)，其中，所述定标元件(512、513、515、528、530b-530c)包括在距第一成像设备(510a)固定距离处设置的另一水下成像设备(510b)，并且其中所述***被配置为对距所述光源的距离进行三角测量。

39.根据权利要求32-38中任一项所述的***(501)，其中，所述光源(530)是适于发射波长基本上在420纳米至520纳米的范围内并且最大强度在460纳米至480纳米的范围内的光的LED。

40.根据权利要求32-39中任一项所述的***(501)，其中，所述信标(504)设置有处理器(519)，所述处理器配置为用于从所述方向数据和所述定标数据中确定所述漫游器(502)的位置信息。

41.根据权利要求40所述的***(501)，其中，所述信标(504)包括通信设备(526)，所述通信设备布置为将所述位置信息通过水体无线传输到所述漫游器(502)，优选地，通过声学传输、光传输、以及电磁传输中至少一个。

42.根据权利要求32-41中任一项所述的***(501)，包括激光剥离设备(517)，所述激光剥离设备与所述漫游器(502)相关联并能一起移动用于在所述参考系内生成待调查的对象的3D轮廓。

43.根据权利要求32-42中任一项所述的***(501)，其中，所述信标(504)包括夹具、***部分、绑带、或磁体中至少一个，布置为用于将所述信标附接至所述参考系内待调查的对象。

44.根据权利要求32-43中任一项所述的***(501)，其中，所述信标(504)包括方位传感器(525)，所述方位传感器布置为确定所述信标的至少俯仰和滚动以及可选择地还有所述信标的航向。

45.一种增强漫游器(502)的位置信息的方法，所述漫游器在水体(508)中和参考系内移动，其中，所述漫游者设置有光源(530a、530b、530c)并与处理器(516)通信用于评估与所述漫游者相对于所述参考系的瞬时位置有关的位置数据，其中，所述方法包括：

-设置具有水下成像设备(510)的信标(504)，其中，所述水下成像设备被配置为在不同的位置观察所述光源并确定表示所述光源相对于所述成像设备的方向或方向的改变的方向数据；

-相对于所述参考系在固定位置将所述信标部署在水体中；

-在所述参考系内将所述漫游器移动到不同的视点；

-从不同视点生成表示所述光源相对于所述成像设备的方向的方向数据；

-将所述方向数据提供至所述处理器；

-确定所述漫游器相对于所述参考系的方位并生成方位数据；以及

-提供表示所述成像设备与所述光源之间的距离的定标数据。

46.根据权利要求45所述的方法，其中，提供表示所述成像设备(510)与所述光源(530)之间的距离的定标数据包括以下中至少一个：

-在所述信标(504)上设置声应答器(528)并从所述漫游器(502)中询问所述声应答器以确定到所述信标的距离，以及

-以相隔的已知距离在所述漫游器中或所述漫游器上设置至少两个光源(530a、530b、530c)，并对距所述成像设备的距离进行三角测量。

47.根据权利要求45或46所述的方法，其中，生成方向数据包括：

-利用所述成像设备(510)观察所述光源(530)；

-确定所述光源的中心的坐标；以及

-将所述坐标发送到所述处理设备(616)，且不用发送进一步的图像数据。

48.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，包括执行计量测量以确定海底对象(O1)相对于所述漫游器(502)的位置和方位。

49.根据权利要求48所述的方法，包括激光剥离所述对象(O1)并生成所述对象的3D轮廓。

50.根据权利要求48或49所述的方法，包括确定第二对象(O2)相对于所述漫游器(502)的位置和方位。

51.一种在根据权利要求32-44中任一项所述的***(501)或根据权利要求45-50中任一项所述的方法中使用的水下信标(504)，包括在下侧的基部(522)，以及在与所述下侧相反的上侧的水下成像设备(510)。

52.根据权利要求51所述的水下信标(504)，包括相对于所述成像设备(510)设置在预定位置的声应答器(528)。

53.根据权利要求52所述的水下信标(504)，其中，所述声应答器(528)在使用中垂直设置在所述成像设备(510)下方。

54.根据权利要求51-53中任一项所述的水下信标(504)，包括：方位传感器(525)，布置为至少确定所述成像设备(510)相对于所述参考系的俯仰和滚动。

55.根据权利要求51至54中任一项所述的水下信标(504)，包括布置成与另一相似信标(504b)或漫游器(502)通信数据的通信设备(526)，所述数据至少包括信号交换数据。

56.一种水下漫游器(502)，包括安装在所述漫游器中或所述漫游器上的光源(530)和与所述漫游器相关联的用于确定所述漫游器相对于参考系的方位的方位传感器(514)，所述漫游器能够被控制以执行根据权利要求45-50中任一项所述的方法。