CN113776514A - 液体下检测竖直表面的机器人的相对导航方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种液体下检测竖直表面的机器人的相对导航方法和装置，其中，该方法包括：根据竖直表面建立竖直表面导航坐标系；通过惯性导航设备获取机器人在竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息；通过深度测量设备获取机器人在竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息；通过多普勒测速仪获得机器人在竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息，其中多普勒测速仪朝向竖直表面；以及融合竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、第二导航相关信息以及第三导航相关信息获得机器人在竖直表面的导航信息。本申请提供的方法和装置，实现竖直表面内连续导航，解决了传统水下导航算法在竖直表面内无法应用的问题。

Description

液体下检测竖直表面的机器人的相对导航方法和装置
技术领域
本申请涉及水下导航领域，尤其涉及液体下检测竖直表面的机器人的相对导航方法和装置。
背景技术
首先需要说明的是，本申请的检测竖直表面的机器人的相对导航方案适于各种液体，例如，水、油、酒精等，为了方便起见，在如下的描述中将液体具体化为水。
水下机器人在水利水电工程检测、海上石油平台检测、船底检测等领域中经常存在在竖直表面或近似竖直表面附近相对导航的需求，如在水利水电工程大坝检测中，需要水下机器人检测大坝体竖直表面，即在竖直表面附近完成按规划路线巡检、缺陷定位等作业，这些作业都需要具备相对精确的竖直表面内导航的能力。
传统水下机器人导航一般指在水平面内的导航，相关***和算法设计都是针对水平面内的，如导航***按水平面导航安装，导航结果按水平面表示(位置选用经度、纬度，速度分为东向速度、北向速度等)。竖直表面内的导航与水平面的导航差异很大，在竖直表面内导航目前尚未有相关的方案。
水下机器人导航的常用技术手段包括INS(Inertial Navigation System，惯性导航***)、GNSS(Global Navigation Satellite System，GNSS)、水声DVL(DopplerVelocity Log，多普勒测速仪)、水声LBL/SBL/USBL(Long Baseline/Short Baseline/Ultra Short Baseline，长/短/超短基线导航)等。其中INS能够测量位置、速度和姿态全维信息；GNSS需要接收卫星电磁波信号，仅能够在水面使用；DVL仅用来测速；LBL/SBL/USBL需要外部水声基阵或节点支持，仅用于定位。水下机器人导航一般将上述两种或多种导航***综合应用，利用数据融合方法，形成组合导航***。如CN111829512A公开的“一种基于多传感器数据融合的AUV导航定位方法及***”、CN107966145B公开的“一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法”、CN112710304A公开的“一种基于自适应滤波的水下自主航行器导航方法”等方法。
发明内容
申请人注意到，目前公开的常用水下导航方法无法用于竖直表面的导航，原因在于：常用水下导航主要针对大范围水平面内的导航定位需求设计，重点关注水下机器人的水平坐标(如经度、纬度位置和东向、北向速度等)，DVL通常对水底观测得到水平速度，水下机器人上安装的水声导航设备，例如USBL节点，与水面船体上安装的基阵存在一定的深度差，深度测量设备主要用于水下机器人的定深控制等；而竖直表面内的水下相对导航则主要关注水下机器人在竖直表面内的导航定位，要求水下机器人频繁地上下运动，要求水下机器人与竖直表面的距离准确，深度和相对距离是重要的导航信息，DVL测速应该相对竖直表面而不是水底测量，水下机器人在靠近水表面时与水面USBL基阵深度差较小，且声波在竖直表面有反射效果，USBL效果不佳甚至无法使用等等。
基于此，本申请提供了一种液体下检测竖直表面的机器人的相对导航的方案，使用“惯性导航+深度测量设备+朝向竖直表面的DVL”的组合导航方式，由惯性导航、深度测量设备和朝向竖直表面DVL分别提供导航相关的信息，包括速度、位置、深度等，在建立竖直表面导航坐标系后，融合这些竖直表面坐标系下的导航相关信息，在融合之后实现竖直表面内连续导航；并且，可选择使用卫星导航和水声导航设备间断性的修正，使得竖直表面内的导航更为精确可靠。本发明的方案是一种专门针对水下竖直表面导航场景设计的方法，解决了传统水下导航算法在水下竖直表面内无法应用的问题。
根据本申请的第一个方面，提供一种液体下检测竖直表面的机器人的相对导航方法，其包括：
根据竖直表面建立竖直表面导航坐标系；
通过惯性导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息；
通过深度测量设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息；
通过多普勒测速仪获得所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息，其中所述多普勒测速仪朝向所述竖直表面；以及
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
根据本申请的第二个方面，提供一种液体下检测竖直表面的机器人的相对导航装置，其包括：
坐标系建立单元，用于根据竖直表面建立竖直表面导航坐标系；
第一获取单元，用于通过惯性导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息；
第二获取单元，用于通过深度测量设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息；
第三获取单元，用于通过多普勒测速仪获得所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息，其中所述多普勒测速仪朝向所述竖直表面；以及
融合单元，用于融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
根据本发明的第三个方面，提供一种电子设备，包括：
处理器；以及
存储器，存储有计算机指令，当所述计算机指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行第一方面所述的方法。
根据本发明的第四个方面，提供一种非瞬时性计算机存储介质，存储有计算机程序，当所述计算机程序被多个处理器执行时，使得所述处理器执行第一方面所述的方法。
根据本发明提供了液体下检测竖直表面的机器人的相对导航的方法、装置、电子识别和非瞬时性计算机存储介质，采用“惯性导航+深度测量设备+朝向竖直表面的DVL”的组合导航方式，其中，DVL不是朝向水底而是朝向竖直表面，测量相对竖直表面的速度，在建立竖直表面导航坐标系后，融合惯性导航、深度测量设备和朝向竖直表面的DVL提供的竖直表面导航坐标系下的导航相关信息，在融合这些竖直表面导航坐标系下的导航相关信息之后实现竖直表面内连续导航；并且，可选择使用卫星导航和水声导航设备间断性的修正，使得竖直表面内的导航更为精确可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。
图1为根据本申请实施例的水下检测竖直表面的机器人的相对导航的逻辑示意图。
图2为根据本申请实施例的水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法的流程图。
图3为竖直表面导航坐标系示意图。
图4为根据本申请实施例的朝向竖直表面的多普勒测速仪安装示意图。
图5为根据本申请实施例的水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置的示意图。
图6是本发明提供的一种电子设备的结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为根据本申请实施例的水下检测竖直表面的机器人的相对导航的逻辑示意图，大体上显示了本申请方案的逻辑。如图1所示，惯性导航提供了机器人的第一导航相关信息，该第一导航相关信息包括机器人的姿态、速度、位置、角速度和加速度；深度测量设备提供了机器人的第二导航相关信息，该第二导航相关信息包括机器人的深度，其中，深度测量设备包括深度计；多普勒测速仪提供了第三导航相关信息，该第三导航相关信息包括机器人相对竖直表面的速度和/或距离；另外，也可以安装专门的激光测距仪、声学高度计等，对机器人相对竖直表面的距离进行测量。接着，将惯性导航、深度测量设备和多普勒测速仪提供的第一导航相关信息、第二导航相关信息和第三导航相关信息进行融合之后，就能够获得机器人在竖直表面的导航信息，该导航信息包括机器人的姿态以及相对竖直表面的位置、速度等。
另外，如图1所示，机器人在液面时利用GNSS提供导航相关信息，包括位置和速度信息，在水下距离检测的竖直表面较远无声波干扰时利用水声导航设备(例如，USBL)提供导航相关信息，包括位置信息，GNSS和水声导航设备提供的导航相关信息可以与上述第一导航相关信息、第二导航相关信息和第三导航相关信息一起进行融合，获得机器人在竖直表面的导航信息。
需要说明的是，本申请的方案不仅适用于与水平面呈90°的竖直表面，还可适用于大致为竖直的表面，也可适用于与水平面呈任意夹角的表面，优选的，本申请的方案适于与水平面的夹角大于70°的竖直表面。
根据本发明的一个方面，提供一种水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法。图2为根据本申请实施例的水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法的流程图。如图2所示，该方法包括如下步骤。
步骤S201，根据竖直表面建立竖直表面导航坐标系。
首先，建立竖直表面导航坐标系(记作m系)：Om-xmymzm，根据一个具体实施例，一种坐标系建立方式如图3所示：原点Om为选定的竖直表面上的一个点，该原点根据应用需求选定，建议选择竖直结构上特征明显且已知位置坐标已知水深的点；xm沿竖直表面朝下，ym沿竖直表面的水平方向，zm垂直竖直表面朝外，xmymzm且形成右手直角坐标系。
可以理解的是，还可以根据其他方式建立竖直表面导航坐标系，这些都属于本申请覆盖的范围。
按图3方式建立的竖直表面导航坐标系内的矢量lm与水下导航中常用的大地地理坐标系(记为n系)的矢量ln间的转换关系为：
Figure BDA0003204790840000061
其中，
Figure BDA0003204790840000062
表示系原点Om的位置，
Figure BDA0003204790840000063
表示n系到m系的姿态转换矩阵，可以是一个3*3的矩阵，该矩阵可根据竖直表面的水平走向确定。假设n系采用东-北-天坐标系，竖直表面的水平走向(ym方向)方位角为θ，竖直表面为严格的竖直表面(xm严格竖直向下，与地球重力方向平行)，则
Figure BDA0003204790840000064
可写成：
Figure BDA0003204790840000065
本发明将位置、速度等变量的导航结果在竖直表面导航坐标系(m系)内表示，例如，导航位置记为Pm，导航速度记为vm，则速度和位置满足：
Figure BDA0003204790840000066
其中
Figure BDA0003204790840000067
表示位置对时间的导数。
步骤S202，通过惯性导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息。
通过惯性导航设备获取机器人的第一导航相关信息，该第一导航相关信息包括机器人的姿态、速度、位置、加速度和角速度信息等。
步骤S203，通过深度测量设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息。
通过深度测量设备获取机器人的第二导航相关信息，该第二导航相关信息包括机器人的深度。
步骤S204，通过多普勒测速仪获得所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息。
为了获得机器人相对竖直表面的速度，本申请中将多普勒测速仪朝向竖直表面，可采用如下两种实现方式，分别如图4(a)、图4(b)所示。如图4(a)所示，多普勒测速仪安装在水下机器人前部，工作时水下机器人前部朝向竖直表面，这不是常规的多普勒测速仪安装方式(常规方式安装在底部，实现对水底的速度测量)，水下机器人在正常行驶时无法对水底测速，无法参与导航。如图4(b)所示，多普勒测速仪安装在水下机器人底部，工作时水下机器人调整姿态，保证底部对着竖直表面，是多普勒测速仪的常规安装方式，水下机器人在其他场景正常行驶时可以利用多普勒测速仪导航，但该方式对水下机器人控制能力要求较高，要求水下机器人作业中能实现大角度调整，底部对准竖直表面。
图4(a)和图4(b)所示的多普勒测速仪朝向竖直表面的方式都可以获得机器人相对竖直表面的速度，具体采用哪种方式可以根据实际情况进行选择。另外，为了将多普勒测速仪朝向竖直表面，除了图4(a)和图4(b)所示的方式，还可以采用其他方式，只有能够将多普勒测速仪朝向竖直表面获得机器人相对竖直表面的速度，对于多普勒测速仪的安装方式，本申请不做任何限制。
本发明的方案中需要测量水下机器人相对竖直表面的距离，该距离可以利用多普勒测速仪测量，也可以安装专门的激光测距仪、声学高度计等进行测量。
由于不同的信息融合有不同的理论框架和处理方式，本发明下面仅介绍各导航设备(包括惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪)导航信息的表示，各种信息融合方法所需的输入可从下面的导航信息中推导。
惯性导航***通过陀螺测量角速度，通过加速度计测量加速度，进而计算水下机器人的姿态、速度和位置等。惯性导航姿态和速度解算方程为：
Figure BDA0003204790840000071
其中，
Figure BDA0003204790840000072
为机器人本体系(记为b系)到大地地理坐标系(n系)的姿态转换矩阵，该矩阵可以为3*3矩阵，可将b系表示的矢量转换到n系表示；
Figure BDA0003204790840000081
表示
Figure BDA0003204790840000082
对时间的导数；
Figure BDA0003204790840000083
是陀螺测量的角速度；
Figure BDA0003204790840000084
表示地球自转角速度；
Figure BDA0003204790840000085
表示水下机器人运动导致的n系相对地球系(记为e系)的旋转角速度；
Figure BDA0003204790840000086
和
Figure BDA0003204790840000087
分别表示矢量
Figure BDA0003204790840000088
和
Figure BDA0003204790840000089
的叉乘矩阵；
Figure BDA00032047908400000810
为水下机器人的速度在n系的表示；
Figure BDA00032047908400000811
表示
Figure BDA00032047908400000812
对时间的导数；fb是加速度计测量的比力，
Figure BDA00032047908400000813
表示重力加速度。
Figure BDA00032047908400000814
利用可得到惯性导航***测量的竖直表面内相对导航的水下机器人的姿态矩阵
Figure BDA00032047908400000815
(水下机器人的本体坐标系b系与竖直表面导航坐标系m系间的姿态转换矩阵)和速度vm：
Figure BDA00032047908400000816
这就得出了惯性导航***提供的在竖直表面导航坐标系下的导航相关信息。在获得了惯性导航***在竖直表面导航坐标系下的速度vm后，根据等式(3)，就可以获得惯性导航***在竖直表面导航坐标系下的位置。
深度测量设备用于测量水下机器人在水中的深度d，假设m系原点Om的水深为
Figure BDA00032047908400000817
则组合导航中的深度测量设备观测信息为：
Figure BDA00032047908400000818
其中(Pm)x表示水下机器人位置矢量Pm的x分量。
这就得出了深度测量设备提供的在竖直表面导航坐标系下的导航相关信息。
多普勒测速仪测量相对竖直表面的速度，直接测量结果是该速度在b系的表示，组合导航中需要转换到m系：
Figure BDA00032047908400000819
多普勒测速仪测量相对竖直表面的距离s(也可以安装专门的激光测距仪、声学高度计等进行测量)，用于组合导航信息为：
s＝(Pm)z (8)
其中(Pm)z表示水下机器人位置矢量的分量。
这就得出了多普勒测速仪提供的在竖直表面导航坐标系下的导航相关信息。
步骤S205，融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
在获得惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪提供的在竖直表面导航坐标系下的导航相关信息后，就可以将这些信息进行融合，得到最优的导航结果。信息融合方法可以采用现有组合导航中的Kalman滤波、粒子滤波、最优估计等方法。
惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪的导航组合可以提供竖直表面内的连续导航。在一个具体实施例中，在机器人处于水面时，GNSS导航比较准确，可以纳入GNSS提供的导航相关信息进行融合，对惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪的导航组合进行修正。这样，水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法还包括如下步骤。
步骤S206，通过卫星导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息。
机器人在水下时，卫星导航***的信号接收天线接收不到卫星信号，卫星导航***有相关的参数可以判断，比如导航卫星数量，导航结果PDOP值等。根据卫星导航***参数可以判断是否在水面，能否使用卫星导航。
在确定能够使用卫星导航时，通过卫星导航设备获取机器人的第四导航相关信息，该第四导航相关信息包括机器人的位置和速度信息。
卫星导航的位置和速度为在n系的表示或可方便地转换到n系，本发明的方案需要将其转换到m系用于组合导航：
Figure BDA0003204790840000091
这样，在获得竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息后，水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法还包括：
步骤S207：融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
在另一个具体实施例中，在机器人水下距离检测的竖直表面较远无声波干扰时，水声导航设备(例如，USBL)导航比较准确，可以纳入水声导航设备提供的导航相关信息进行融合，对惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪的导航组合进行修正。这样，水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法还包括如下步骤。
步骤S208，通过水声导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息。
如果接收不到基阵的水声通信信号，无法使用水声导航设备；另外，如果干扰导致位置偏差较大，可以根据其他导航***信息判断偏差，滤除水声导航设备提供的导航相关信息存在的偏差。
在机器人水下距离检测的竖直表面较远无声波干扰时，通过水声导航设备获取机器人的第五导航相关信息，该第五导航相关信息包括机器人的位置信息，该水声导航设备包括LBL、SBL和USBL。
水声导航设备(例如USBL)的位置测量可方便地转换到n系，本发明的方案需要将其转换到m系用于组合导航：
Figure BDA0003204790840000101
这样，在获得竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息后，水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法还包括：
步骤S209，融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
另外，当同时获得卫星导航提供的竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息和水声导航设备提供的竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息后，可以将竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息和第五导航相关信息进行融合，这样，水下检测竖直表面的机器人的相对导航方法还包括：融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
根据本发明提供了液体下检测竖直表面的机器人的相对导航的方法，采用“惯性导航+深度测量设备+朝向竖直表面的DVL”的组合导航方式，其中，DVL不是朝向水底而是朝向竖直表面，测量相对竖直表面的速度，在建立竖直表面导航坐标系后，融合惯性导航、深度测量设备和朝向竖直表面的DVL提供的竖直表面导航坐标系下的导航相关信息，在融合这些竖直表面导航坐标系下的导航相关信息之后实现竖直表面内连续导航；并且，可选择使用卫星导航和水声导航设备间断性的修正，使得竖直表面内的导航更为精确可靠。
根据本申请的另一个方面，提供一种水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置。图5为根据本申请实施例的水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置的示意图。如图5所示，该装置包括如下单元。
坐标系建立单元501，用于根据竖直表面建立竖直表面导航坐标系。
首先，建立竖直表面导航坐标系(记作m系)：Om-xmymzm，根据一个具体实施例，一种坐标系建立方式如图3所示：原点Om为选定的竖直表面上的一个点，该原点根据应用需求选定，建议选择竖直结构上特征明显且已知位置坐标已知水深的点；xm沿竖直表面朝下，ym沿竖直表面的水平方向，zm垂直竖直表面朝外，xmymzm且形成右手直角坐标系。
可以理解的是，还可以根据其他方式建立竖直表面导航坐标系，这些都属于本申请覆盖的范围。
按图3方式建立的竖直表面导航坐标系内的矢量lm与水下导航中常用的大地地理坐标系(记为n系)的矢量ln间的转换关系如上述等式(1)所示。假设n系采用东-北-天坐标系，竖直表面的水平走向(ym方向)方位角为θ，竖直表面为严格的竖直表面(xm严格竖直向下，与地球重力方向平行)，则
Figure BDA0003204790840000111
可为上述等式(2)所示。
本发明将位置、速度等变量的导航结果在竖直表面导航坐标系(m系)内表示，例如，导航位置记为Pm，导航速度记为vm，则速度和位置满足上述等式(3)。
第一获取单元502，用于通过惯性导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息。
通过惯性导航设备获取机器人的第一导航相关信息，该第一导航相关信息包括机器人的姿态、速度、位置、加速度和角速度信息等。
第二获取单元503，用于通过深度测量设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息。
通过深度测量设备获取机器人的第二导航相关信息，该第二导航相关信息包括机器人的深度。
第三获取单元504，用于通过多普勒测速仪获得所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息。
为了获得机器人相对竖直表面的速度，本申请中将多普勒测速仪朝向竖直表面，可采用如下两种实现方式，分别如图4(a)、图4(b)所示。如图4(a)所示，多普勒测速仪安装在水下机器人前部，工作时水下机器人前部朝向竖直表面，这不是常规的多普勒测速仪安装方式(常规方式安装在底部，实现对水底的速度测量)，水下机器人在正常行驶时无法对水底测速，无法参与导航。如图4(b)所示，多普勒测速仪安装在水下机器人底部，工作时水下机器人调整姿态，保证底部对着竖直表面，是多普勒测速仪的常规安装方式，水下机器人在其他场景正常行驶时可以利用多普勒测速仪导航，但该方式对水下机器人控制能力要求较高，要求水下机器人作业中能实现大角度调整，底部对准竖直表面。
图4(a)和图4(b)所示的多普勒测速仪朝向竖直表面的方式都可以获得机器人相对竖直表面的速度，具体采用哪种方式可以根据实际情况进行选择。另外，为了将多普勒测速仪朝向竖直表面，除了图4(a)和图4(b)所示的方式，还可以采用其他方式，只有能够将多普勒测速仪朝向竖直表面获得机器人相对竖直表面的速度，对于多普勒测速仪的安装方式，本申请不做任何限制。
本发明的方案中需要测量水下机器人相对竖直表面的距离，该距离可以利用多普勒测速仪测量，也可以安装专门的激光测距仪、声学高度计等进行测量。
由于不同的信息融合有不同的理论框架和处理方式，本发明通过上述等式(4)-(8)介绍各导航设备(包括惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪)导航信息的表示，各种信息融合方法所需的输入可从给出的导航信息中推导。
融合单元505，用于融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
在获得惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪提供的在竖直表面导航坐标系下的导航相关信息后，就可以将这些信息进行融合，得到最优的导航结果。信息融合方法可以采用现有组合导航中的Kalman滤波、粒子滤波、最优估计等方法。
惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪的导航组合可以提供竖直表面内的连续导航。在一个具体实施例中，在机器人处于水面时，GNSS导航比较准确，可以纳入GNSS提供的导航相关信息进行融合，对惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪的导航组合进行修正。这样，水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置还包括如下单元。
第四获取单元506，用于通过卫星导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息。
机器人在水下时，卫星导航***的信号接收天线接收不到卫星信号，卫星导航***有相关的参数可以判断，比如导航卫星数量，导航结果PDOP值等。根据卫星导航***参数可以判断是否在水面，能否使用卫星导航。
在确定能够使用卫星导航时，通过卫星导航设备获取机器人的第四导航相关信息，该第四导航相关信息包括机器人的位置和速度信息，其中，竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息可以通过等式(9)得到。
这样，在获得竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息后，水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置的融合单元505还用于：
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
在另一个具体实施例中，在机器人水下距离检测的竖直表面较远无声波干扰时，水声导航设备(例如，USBL)导航比较准确，可以纳入水声导航设备提供的导航相关信息进行融合，对惯性导航***、深度测量设备和多普勒测速仪的导航组合进行修正。这样，水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置还包括如下单元。
第五获取单元507，用于通过水声导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息。
如果接收不到基阵的水声通信信号，无法使用水声导航设备；另外，如果干扰导致位置偏差较大，可以根据其他导航***信息判断偏差，滤除水声导航设备提供的导航相关信息存在的偏差。
在机器人水下距离检测的竖直表面较远无声波干扰时，通过水声导航设备获取机器人的第五导航相关信息，该第五导航相关信息包括机器人的位置信息，该水声导航设备包括LBL、SBL和USBL。其中，竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息可以通过等式(10)得到。
这样，在获得竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息后，水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置的融合单元505还用于：
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
另外，当同时获得卫星导航提供的竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息和水声导航设备提供的竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息后，可以将竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息和第五导航相关信息进行融合，这样，水下检测竖直表面的机器人的相对导航装置的融合单元505还用于：融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
根据本发明提供了液体下检测竖直表面的机器人的相对导航的装置，采用“惯性导航+深度测量设备+朝向竖直表面的DVL”的组合导航方式，其中，DVL不是朝向水底而是朝向竖直表面，测量相对竖直表面的速度，在建立竖直表面导航坐标系后，融合惯性导航、深度测量设备和朝向竖直表面的DVL提供的竖直表面导航坐标系下的导航相关信息，在融合这些竖直表面导航坐标系下的导航相关信息之后实现竖直表面内连续导航；并且，可选择使用卫星导航和水声导航设备间断性的修正，使得竖直表面内的导航更为精确可靠。
参阅图6，图6提供一种电子设备，包括处理器；以及存储器，所述存储器存储有计算机指令，当所述计算机指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述计算机指令时实现如图2所示的方法以及细化方案。
应该理解，上述的装置实施例仅是示意性的，本发明披露的装置还可通过其它的方式实现。例如，上述实施例中所述单元/模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如，多个单元、模块或组件可以结合，或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略或不执行。
另外，若无特别说明，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以两个以上单元/模块集成在一起。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序模块的形式实现。
所述集成的单元/模块如果以硬件的形式实现时，该硬件可以是数字电路，模拟电路等等。硬件结构的物理实现包括但不局限于晶体管，忆阻器等等。若无特别说明，所述处理器或芯片可以是任何适当的硬件处理器，比如CPU、GPU、FPGA、DSP和ASIC等等。若无特别说明，所述片上缓存、片外内存、存储器可以是任何适当的磁存储介质或者磁光存储介质，比如，阻变式存储器RRAM(Resistive Random Access Memory)、动态随机存取存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)、静态随机存取存储器SRAM(Static Random-AccessMemory)、增强动态随机存取存储器EDRAM(Enhanced Dynamic Random Access Memory)、高带宽内存HBM(High-Bandwidth Memory)、混合存储立方HMC(Hybrid Memory Cube)等等。
所述集成的单元/模块如果以软件程序模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本披露各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请实施例还提供一种非瞬时性计算机存储介质，存储有计算机程序，当所述计算机程序被多个处理器执行时，使得所述处理器执行如图2所示的方法以及细化方案。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (16)

1.一种液体下检测竖直表面的机器人的相对导航方法，其包括：
根据竖直表面建立竖直表面导航坐标系；
通过惯性导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息；
通过深度测量设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息；
通过多普勒测速仪获得所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息，其中所述多普勒测速仪朝向所述竖直表面；以及
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过卫星导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过水声导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息，其中，所述水声导航设备包括LBL、SBL和USBL。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中，所述第一导航相关信息包括所述机器人的姿态、速度、位置、角速度和加速度，所述第二导航相关信息包括所述机器人的深度，所述第三导航相关信息包括所述机器人相对所述竖直表面的速度和/或距离，所述第四导航相关信息包括所述机器人的位置和速度，所述第五导航相关信息包括所述机器人的位置。
7.如权利要求1至5任一者所述的方法，其中融合的方式包括Kalman滤波法、粒子滤波法和最优估计法。
8.一种液体下检测竖直表面的机器人的相对导航装置，其包括：
坐标系建立单元，用于根据竖直表面建立竖直表面导航坐标系；
第一获取单元，用于通过惯性导航设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息；
第二获取单元，用于通过深度测量设备获取所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息；
第三获取单元，用于通过多普勒测速仪获得所述机器人在所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息，其中所述多普勒测速仪朝向所述竖直表面；以及
融合单元，用于融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
9.如权利要求8所述的装置，还包括：
第四获取单元，用于通过卫星导航设备获取所述机器人的第四导航相关信息。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述融合单元还用于：
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第四导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
11.如权利要求8所述的装置，还包括：
第五获取单元，用于通过水声导航设备获取所述机器人的第五导航相关信息，其中，所述水声导航设备包括LBL、SBL和USBL。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述融合单元还用于：
融合所述竖直表面导航坐标系下的第一导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第二导航相关信息、所述竖直表面导航坐标系下的第三导航相关信息以及所述竖直表面导航坐标系下的第五导航相关信息获得所述机器人在竖直表面的导航信息。
13.如权利要求11或12所述的装置，其中，所述第一导航相关信息包括所述机器人的姿态、速度、位置、角速度和加速度，所述第二导航相关信息包括所述机器人的深度，所述第三导航相关信息包括所述机器人相对所述竖直表面的速度和/或距离，所述第四导航相关信息包括所述机器人的位置和速度，所述第五导航相关信息包括所述机器人的位置。
14.如权利要求8至12任一者所述的装置，其中融合的方式包括Kalman滤波法、粒子滤波法和最优估计法。
15.一种电子设备，包括：
处理器；以及
存储器，存储有计算机指令，当所述计算机指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-7任一者所述的方法。
16.一种非瞬时性计算机存储介质，存储有计算机程序，当所述计算机程序被多个处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-7任一者所述的方法。
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