本發(fā)明涉及水下遙控潛水器，特別涉及一種水下遙控潛水器及其空間定位方法。

背景技術(shù)：

1、水下遙控潛水器（rov）的定位技術(shù)是水下工程、海洋勘探和水下考古等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有rov的空間定位技術(shù)主要包括聲吶定位、視覺(jué)定位、光通信定位、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（ins）、全球定位系統(tǒng)（gps）、水下定位基站等。

2、由于水下環(huán)境復(fù)雜多變，水下具有低能見(jiàn)度、高壓、溫度變化和水流等特性，光信號(hào)在水中衰減快，且易受環(huán)境光干擾，而聲波在水中的傳播速度和衰減特性與其在空氣中的不同，導(dǎo)致采用聲吶定位、視覺(jué)定位、光通信定位方式的定位結(jié)果不準(zhǔn)確；而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（ins）存在長(zhǎng)時(shí)間累積誤差，需要定期校準(zhǔn)的情況；gps信號(hào)無(wú)法穿透水體使gps定位技術(shù)無(wú)法適用于水下；水下定位基站是使用水下聲學(xué)發(fā)射器和接收器組成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)定位，需要預(yù)先部署基站，不僅成本高，而且在動(dòng)態(tài)環(huán)境中使用靈活性不足。上述方法都無(wú)法較好適用于rov的水下定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種水下遙控潛水器及其空間定位方法，為rov水下定位提供一種水下定位精準(zhǔn)度較高、實(shí)現(xiàn)成本可控的空間定位方法，解決上述提及的現(xiàn)有定位方法無(wú)法較好適用于rov水下定位的問(wèn)題。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所使用的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明所述的一種水下遙控潛水器的空間定位方法，包括：

4、利用水下遙控潛水器（rov）上設(shè)置的聲吶矩陣和慣性測(cè)量單元（imu），采集rov的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)和與周圍空間的距離數(shù)據(jù)，計(jì)算rov與周圍空間的相對(duì)位置的聲吶數(shù)據(jù)；

5、將所述聲吶數(shù)據(jù)和所述姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)基于無(wú)跡卡爾曼濾波算法（ukf）及對(duì)其無(wú)跡變換運(yùn)用的數(shù)據(jù)融合算法，估計(jì)rov的位置和姿態(tài)狀態(tài)。

6、優(yōu)選的，還包括對(duì)所采集的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)分別進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)預(yù)處理后的距離數(shù)據(jù)，計(jì)算所述聲吶數(shù)據(jù)。

7、進(jìn)一步優(yōu)選的，根據(jù)預(yù)處理后的距離數(shù)據(jù)，計(jì)算傾斜長(zhǎng)度，求取所述傾斜長(zhǎng)度的平方根，得到所述聲吶數(shù)據(jù)。

8、優(yōu)選的，所述聲吶矩陣至少包括前置聲吶組、后置聲吶組和側(cè)置聲吶組，所述前置聲吶組和所述后置聲吶組中的聲吶均沿rov的中軸線設(shè)置，且所述前置聲吶組中聲吶波束與rov前進(jìn)方向呈45°±5夾角，所述后置聲吶組中聲吶波束與rov前進(jìn)方向呈30°±5夾角，所述側(cè)置聲吶組中聲吶左右對(duì)稱且間隔設(shè)置。

9、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述前置聲吶組和所述后置聲吶組中聲吶波束的中心平面均與rov本體框架平行。

10、優(yōu)選的，所述姿態(tài)數(shù)據(jù)包括加速度、角速度、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、橫滾角、俯仰角及偏航角。

11、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)融合算法包括：

12、s1：初始化無(wú)跡卡爾曼濾波算法（ukf）的狀態(tài)向量，并設(shè)定協(xié)方差矩陣；

13、s2：定義觀測(cè)模型和觀測(cè)噪聲協(xié)方差，并構(gòu)建所述狀態(tài)向量分別與所述聲吶數(shù)據(jù)和所述姿態(tài)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系；

14、s3：計(jì)算所述狀態(tài)向量的均值，根據(jù)所述狀態(tài)向量的均值和協(xié)方差矩陣，通過(guò)無(wú)跡卡爾曼變換選擇一組σ點(diǎn)；

15、s4：定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，并將每個(gè)σ點(diǎn)通過(guò)所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型進(jìn)行傳播，得到每個(gè)σ點(diǎn)對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)點(diǎn)σ’；

16、s5：計(jì)算所有預(yù)測(cè)點(diǎn)σ’的均值和協(xié)方差矩陣；

17、s6：獲取實(shí)時(shí)聲吶數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)所述預(yù)測(cè)點(diǎn)σ’及所獲取的聲吶數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)用所述觀測(cè)模型，得到預(yù)測(cè)的觀測(cè)狀態(tài)值；

18、s7：計(jì)算所述預(yù)測(cè)的觀測(cè)狀態(tài)值的均值和協(xié)方差矩陣；

19、s8：根據(jù)所求取的所述預(yù)測(cè)的觀測(cè)狀態(tài)值的協(xié)方差和所述觀測(cè)噪聲協(xié)方差，計(jì)算卡爾曼增益；

20、s9：根據(jù)所述卡爾曼增益和所述實(shí)時(shí)聲吶數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，更新步驟s1中的所述狀態(tài)向量和所述協(xié)方差矩陣，并輸出更新后的狀態(tài)向量和協(xié)方差矩陣；判斷更新后的狀態(tài)向量和協(xié)方差矩陣是否達(dá)到迭代結(jié)束條件，若是，則結(jié)束計(jì)算，若否，則進(jìn)入步驟s10；

21、s10：執(zhí)行步驟s3至s9。

22、進(jìn)一步優(yōu)選的，在步驟s5中，計(jì)算預(yù)測(cè)點(diǎn)σ’的協(xié)方差矩陣時(shí)，將所述姿態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入變量數(shù)據(jù)；

23、和/或，在步驟s7中，計(jì)算所述預(yù)測(cè)的觀測(cè)狀態(tài)值的協(xié)方差矩陣時(shí)，將所述聲吶數(shù)據(jù)作為輸入變量數(shù)據(jù)。

24、本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種水下遙控潛水器，包括潛水器主體，所述潛水器主體上設(shè)置有聲吶矩陣、慣性測(cè)量單元和處理器，所述聲吶矩陣中的聲吶和所述慣性測(cè)量單元中的傳感器分別與所述處理器信號(hào)連接，所述處理器寫入有包括上述一種水下遙控潛水器的空間定位方法的程序。

25、優(yōu)選的，所述潛水器主體設(shè)置有防撞裝置，所述聲吶設(shè)置在所述防撞裝置內(nèi)部或面向所述潛水器主體的一側(cè)。

26、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明所述的一種水下遙控潛水器的空間定位方法的有益效果主要體現(xiàn)在：

27、本發(fā)明方法通過(guò)在rov上設(shè)置所述聲吶矩陣和所述慣性測(cè)量單元，來(lái)采集rov的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)和與周圍空間的距離數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)所述數(shù)據(jù)融合算法來(lái)估計(jì)rov的位置和姿態(tài)狀態(tài)，所需設(shè)備常規(guī)且簡(jiǎn)易，不僅設(shè)備成本可控，而且能夠靈活適應(yīng)rov水下位置的不斷改變；

28、同時(shí)所述數(shù)據(jù)融合算法是基于對(duì)無(wú)跡卡爾曼濾波算法（ukf）及其無(wú)跡變換的運(yùn)用來(lái)進(jìn)行，不僅計(jì)算成本可控，而且通過(guò)ukf的無(wú)跡變換，使得ukf無(wú)需線性化非線性函數(shù)，從而能夠有效處理rov在水下定位場(chǎng)景中所述聲吶矩陣和所述慣性測(cè)量單元所采集數(shù)據(jù)的非線性問(wèn)題，準(zhǔn)確估計(jì)rov的位置和姿態(tài)狀態(tài)，這種方法無(wú)需gps信號(hào)，能夠在gps信號(hào)無(wú)法獲取的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)rov水下位置和姿態(tài)的精確估計(jì)。

29、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明所述的一種水下遙控潛水器的有益效果主要體現(xiàn)在：本發(fā)明水下遙控潛水器可采用上述的空間定位方法進(jìn)行水下位置和姿態(tài)的精確估計(jì)，且實(shí)現(xiàn)成本較低。

30、附圖說(shuō)明

31、通過(guò)附圖中所示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例更具體說(shuō)明，本發(fā)明上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將變得更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分，且并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。

32、圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的數(shù)據(jù)融合算法的流程示意圖；

33、圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種水下遙控潛水器的結(jié)構(gòu)示意圖；

技術(shù)特征：

1.一種水下遙控潛水器的空間定位方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間定位方法，其特征在于：還包括對(duì)所采集的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)分別進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)預(yù)處理后的距離數(shù)據(jù)，計(jì)算所述聲吶數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間定位方法，其特征在于：根據(jù)預(yù)處理后的距離數(shù)據(jù)，計(jì)算傾斜長(zhǎng)度，求取所述傾斜長(zhǎng)度的平方根，得到所述聲吶數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間定位方法，其特征在于：所述聲吶矩陣至少包括前置聲吶組、后置聲吶組和側(cè)置聲吶組，所述前置聲吶組和所述后置聲吶組中的聲吶均沿rov的中軸線設(shè)置，且所述前置聲吶組中聲吶波束與rov前進(jìn)方向呈45°±5夾角，所述后置聲吶組中聲吶波束與rov前進(jìn)方向呈30°±5夾角，所述側(cè)置聲吶組中聲吶左右對(duì)稱且間隔設(shè)置。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間定位方法，其特征在于：所述前置聲吶組和所述后置聲吶組中聲吶波束的中心平面均與rov本體框架平行。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間定位方法，其特征在于：所述姿態(tài)數(shù)據(jù)包括加速度、角速度、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、橫滾角、俯仰角及偏航角。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的空間定位方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)融合算法包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空間定位方法，其特征在于：在步驟s5中，計(jì)算預(yù)測(cè)點(diǎn)σ’的協(xié)方差矩陣時(shí)，將所述姿態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入變量數(shù)據(jù)；

9.一種水下遙控潛水器，包括潛水器主體，其特征在于：所述潛水器主體上設(shè)置有聲吶矩陣、慣性測(cè)量單元和處理器，所述聲吶矩陣中的聲吶和所述慣性測(cè)量單元中的傳感器分別與所述處理器信號(hào)連接，所述處理器寫入有包括權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的一種水下遙控潛水器的空間定位方法的程序。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種水下遙控潛水器，其特征在于：所述潛水器主體設(shè)置有防撞裝置，所述聲吶設(shè)置在所述防撞裝置內(nèi)部或面向所述潛水器主體的一側(cè)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種水下遙控潛水器及其空間定位方法，所述空間定位方法包括利用ROV上設(shè)置的聲吶矩陣和慣性測(cè)量單元IMU，采集ROV的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)和與周圍空間的距離數(shù)據(jù)，計(jì)算ROV與周圍空間相對(duì)位置的聲吶數(shù)據(jù)；將聲吶數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)基于無(wú)跡卡爾曼濾波算法UKF及對(duì)其無(wú)跡變換運(yùn)用的數(shù)據(jù)融合算法，估計(jì)ROV的位置和姿態(tài)狀態(tài)。本發(fā)明方法所需設(shè)備常規(guī)且簡(jiǎn)易，設(shè)備成本可控且能夠靈活適應(yīng)ROV水下位置的改變，同時(shí)數(shù)據(jù)融合算法是基于對(duì)UKF及其無(wú)跡變換的運(yùn)用來(lái)進(jìn)行，計(jì)算成本可控且通過(guò)無(wú)跡變換，使得UKF無(wú)需線性化非線性函數(shù)，可有效處理ROV在水下定位場(chǎng)景中所采集數(shù)據(jù)的非線性問(wèn)題，準(zhǔn)確估計(jì)ROV的位置和姿態(tài)狀態(tài)。

技術(shù)研發(fā)人員：李俊鑫,喬岳坤,劉浩然,李楊煜,梁文浩,許乾慎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深海智人（廣州）技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19