一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器、內(nèi)置壓力計和水聲通訊聲納，水下機器人本體四周安裝有若干攝像頭，每個攝像頭內(nèi)均安裝有北斗模塊，所述水聲通訊聲納外壁上還安裝有水流速傳感器和外置壓力傳感器，還包括數(shù)據(jù)處理模塊，全景視頻生成模塊，物理模型建立模塊，虛擬作動器，虛擬傳感器，導(dǎo)航路線模擬分析模塊。本發(fā)明通過北斗模塊的設(shè)計，完成了GPS定位裝置及其各傳感器位置的檢測，可以自動完成位置參數(shù)校正，方便了使用，同時可以通過物理模型進行每條仿真路線的仿真模擬，從而得到優(yōu)化后的路線，提高了系統(tǒng)的可視性，同時也提高了路線的準確性和安全性。
【專利說明】
一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航系統(tǒng)，具體涉及一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前智能水下機器人向小型化發(fā)展是其發(fā)展趨勢之一。小型水下機器人由于其體積小、機動靈活、成本低、搭載方便，在軍民用都有廣泛的應(yīng)用前景。導(dǎo)航問題仍然是水下機器人設(shè)計所面臨的主要關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)在水下機器人導(dǎo)航常用方法有航位推算法、慣性導(dǎo)航及聲學(xué)方法等。慣導(dǎo)系統(tǒng)一般體積較大，價格昂貴，最重要的是純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航在沒有其它傳感器數(shù)據(jù)信息進行補償?shù)那闆r下其定位誤差將隨時間和航程累積和發(fā)散，水聲定位系統(tǒng)(長基線、短基線、超短基線等)定位精度有很大提高，其缺點就是作用距離有限。航位推算導(dǎo)航是一種低成本的導(dǎo)航方法，是水下機器人重要的導(dǎo)航手段，其方法簡單、經(jīng)濟，水下機器人除了配備測速儀、姿態(tài)、深度傳感器等外，只需要給定初始位置信息，通過一定的算法就可構(gòu)成具有一定精度的實時、可靠的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。微小型水下機器人受限于體積、成本、能源等限制，這對導(dǎo)航系統(tǒng)提出了更高的要求，這對構(gòu)造一種小型化組合導(dǎo)航系統(tǒng)增加了難度。導(dǎo)航系統(tǒng)一般由小型化、低成本傳感器構(gòu)成，傳感器精度較低，同時，水下機器人一般工作在特有的海洋水下環(huán)境，干擾噪聲信號大，各種水聲傳感器普遍存在精度低、野點率高的缺點，對傳感器數(shù)據(jù)進行較好的濾波剔出野點信息尤為重要。航位推算導(dǎo)航一般需要定期進行位置校正，如果潛深較大通過浮出水面通過GPS進行位置重調(diào)，這將消耗較多能源，這對能源有限的微小型水下機器人尤其不利。同時現(xiàn)有的水下機器人導(dǎo)航系統(tǒng)普遍不存在路線仿真模擬操作，可視性差的同時，精確度低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過北斗模塊的設(shè)計，完成了GPS定位裝置及其各傳感器位置的檢測，從而可以自動完成位置參數(shù)校正，大大方便了使用，同時可以通過物理模型進行每條仿真路線的仿真模擬，從而得到優(yōu)化后的路線，一方面提高了系統(tǒng)的可視性，另一方面也提高了路線的準確性和安全性。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0005]—種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器、內(nèi)置壓力計和水聲通訊聲納，所述耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器和內(nèi)置壓力計安裝在水下機器人本體內(nèi)，所述水聲通訊聲納安裝在水下機器人本體前端，所述水下機器人本體四周安裝有若干攝像頭，每個攝像頭、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器、內(nèi)置壓力計和水聲通訊聲納內(nèi)均安裝有北斗模塊，所述水聲通訊聲納外壁上還安裝有水流速傳感器和外置壓力傳感器，所述耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)置壓力計、水流速傳感器、外置壓力傳感器、水聲通訊聲納均與內(nèi)嵌式中央處理器的輸入端相連，還包括
[0006]數(shù)據(jù)處理模塊，用于接收攝像頭所采集到的視頻數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的北斗模塊的定位數(shù)據(jù)，用所接收到的定位數(shù)據(jù)完成視頻數(shù)據(jù)的標記，并將標記完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送到全景視頻生成模塊；
[0007]全景視頻生成模塊，用于根據(jù)所接收到的視頻數(shù)據(jù)生成全景視頻數(shù)據(jù)，并將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)嵌式中央處理器；
[0008]所述內(nèi)嵌式中央處理器用于接收耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)置壓力計、水流速傳感器、外置壓力傳感器、水聲通訊聲納以及全景視頻生成模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)，將所收到的數(shù)據(jù)儲存與對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并將這些所接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理模型建立模塊所能識別的數(shù)據(jù)發(fā)送到物理模型建立模塊;還用于根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)，通過預(yù)設(shè)的算法輸出組合導(dǎo)航信息至顯示屏；
[0009]物理模型建立模塊，用于根據(jù)內(nèi)嵌式中央處理器所發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制命令生成各種水下機器人物理模型；
[0010]虛擬作動器，用于驅(qū)動參數(shù)變化的，與物理模型建立模塊中的各元素建立關(guān)系后，可以在指定的范圍內(nèi)對參數(shù)進行變動，從而可以驅(qū)動仿真分析方法針對不同的參數(shù)進行計算求解；
[0011]虛擬傳感器，為在物理模型中插入的能直接獲取相應(yīng)的結(jié)果或信息的目標的邏輯單元；
[0012]導(dǎo)航路線模擬分析模塊，用于通各種仿真分析算法和仿真分析方法完成導(dǎo)航路線的仿真分析；
[0013]人機操作模塊，用于輸入水下機器人本體的基本參數(shù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)調(diào)用命令和各種控制命令，并將所輸入的基本參數(shù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)調(diào)用命令、各種控制命令發(fā)送到內(nèi)嵌式中央處理器；
[0014]所述虛擬作動器通過循環(huán)執(zhí)行仿真算法或仿真方法將結(jié)果反饋給導(dǎo)航路線模擬分析模塊，所述導(dǎo)航路線模擬分析模塊自動提取數(shù)據(jù)給虛擬傳感器，所述虛擬傳感器自動顯示分析結(jié)果。
[0015]優(yōu)選地，耐壓GPS定位裝置包括GPS芯片、RFID芯片、電子羅盤芯片和北斗模塊，GPS芯片包括中央處理模塊、噪音抑制模塊、增益放大模塊和北斗模塊，GPS輸入信號經(jīng)過噪音抑制模塊和增益放大模塊進入中央處理模塊，GPS輸出信號經(jīng)過調(diào)制模塊輸出至北斗模塊，通過北斗模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，RFID芯片和電子羅盤芯片與中央處理模塊相連，且內(nèi)置北斗模塊。
[0016]優(yōu)選地，所述北斗模塊采用短報文通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
[0017]優(yōu)選地，所述虛擬作動器包括虛擬單元作動器、虛擬特性作動器和虛擬載荷作動器。
[0018]優(yōu)選地，所述全景視頻生成模塊通過以下步驟完成全景視頻的生成:
[0019]S1、進行視頻去噪、增強預(yù)處理后，得到精確的邊緣，并以得到的邊緣點作為特征點，通過坐標系間轉(zhuǎn)化得到三維點云，重建精確的表面模型；
[0020]S2、對模型進行無變形的紋理映射，使重建效果更接近于真實的三維場景，導(dǎo)入至視頻拼接軟件中，完成起始點的自動匹配，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的拼接;整個拼接過程涵蓋攝像頭的標定、傳感器圖像畸變校正、圖像的投影變換、匹配點選取、全景圖像拼接，以及亮度與顏色的均衡處理。
[0021]優(yōu)選地，所述顯示屏為兩個，其中一個用于導(dǎo)航路線的模擬分析，另一個用于其他數(shù)據(jù)的顯示。
[0022 ]優(yōu)選地，所述內(nèi)嵌式中央處理器通過北斗模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。
[0023]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]通過北斗模塊的設(shè)計，完成了GPS定位裝置及其各傳感器位置的檢測，從而可以自動完成位置參數(shù)校正，大大方便了使用;通過北斗模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸，避免了由于信號太差而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷的情況的發(fā)生;通過物理模型建立模塊的設(shè)計，以及虛擬作動器、虛擬傳感器和導(dǎo)航路線模擬分析模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了每條仿真路線的仿真模擬，從而可以得到優(yōu)化后的路線，一方面提高了系統(tǒng)的可視性，另一方面也提高了路線的準確性和安全性。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明實施例中耐壓GPS定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0028]如圖1-圖2所示，本發(fā)明實施例提供了一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器、內(nèi)置壓力計和水聲通訊聲納，所述耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器和內(nèi)置壓力計安裝在水下機器人本體內(nèi)，所述水聲通訊聲納安裝在水下機器人本體前端，所述水下機器人本體四周安裝有若干攝像頭，每個攝像頭、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器、內(nèi)置壓力計和水聲通訊聲納內(nèi)均安裝有北斗模塊，所述水聲通訊聲納外壁上還安裝有水流速傳感器和外置壓力傳感器，所述耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)置壓力計、水流速傳感器、外置壓力傳感器、水聲通訊聲納均與內(nèi)嵌式中央處理器的輸入端相連，還包括
[0029]數(shù)據(jù)處理模塊，用于接收攝像頭所采集到的視頻數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的北斗模塊的定位數(shù)據(jù)，用所接收到的定位數(shù)據(jù)完成視頻數(shù)據(jù)的標記，并將標記完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送到全景視頻生成模塊；
[0030]全景視頻生成模塊，用于根據(jù)所接收到的視頻數(shù)據(jù)生成全景視頻數(shù)據(jù)，并將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)嵌式中央處理器；
[0031]所述內(nèi)嵌式中央處理器用于接收耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)置壓力計、水流速傳感器、外置壓力傳感器、水聲通訊聲納以及全景視頻生成模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)，將所收到的數(shù)據(jù)儲存與對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并將這些所接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理模型建立模塊所能識別的數(shù)據(jù)發(fā)送到物理模型建立模塊;還用于根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)，通過預(yù)設(shè)的算法輸出組合導(dǎo)航信息至顯示屏；
[0032]物理模型建立模塊，用于根據(jù)內(nèi)嵌式中央處理器所發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制命令生成各種水下機器人物理模型；
[0033]虛擬作動器，用于驅(qū)動參數(shù)變化的，與物理模型建立模塊中的各元素建立關(guān)系后，可以在指定的范圍內(nèi)對參數(shù)進行變動，從而可以驅(qū)動仿真分析方法針對不同的參數(shù)進行計算求解；
[0034]虛擬傳感器，為在物理模型中插入的能直接獲取相應(yīng)的結(jié)果或信息的目標的邏輯單元；
[0035]導(dǎo)航路線模擬分析模塊，用于通各種仿真分析算法和仿真分析方法完成導(dǎo)航路線的仿真分析；
[0036]人機操作模塊，用于輸入水下機器人本體的基本參數(shù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)調(diào)用命令和各種控制命令，并將所輸入的基本參數(shù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)調(diào)用命令、各種控制命令發(fā)送到內(nèi)嵌式中央處理器；
[0037]所述虛擬作動器通過循環(huán)執(zhí)行仿真算法或仿真方法將結(jié)果反饋給導(dǎo)航路線模擬分析模塊，所述導(dǎo)航路線模擬分析模塊自動提取數(shù)據(jù)給虛擬傳感器，所述虛擬傳感器自動顯示分析結(jié)果。
[0038]耐壓GPS定位裝置包括GPS芯片、RFID芯片、電子羅盤芯片和北斗模塊，GPS芯片包括中央處理模塊、噪音抑制模塊、增益放大模塊和北斗模塊，GPS輸入信號經(jīng)過噪音抑制模塊和增益放大模塊進入中央處理模塊，GPS輸出信號經(jīng)過調(diào)制模塊輸出至北斗模塊，通過北斗模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，RFID芯片和電子羅盤芯片與中央處理模塊相連，且內(nèi)置北斗模塊。
[0039]所述北斗模塊采用短報文通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
[0040]所述虛擬作動器包括虛擬單元作動器、虛擬特性作動器和虛擬載荷作動器。
[0041 ]所述全景視頻生成模塊通過以下步驟完成全景視頻的生成:
[0042]S1、進行視頻去噪、增強預(yù)處理后，得到精確的邊緣，并以得到的邊緣點作為特征點，通過坐標系間轉(zhuǎn)化得到三維點云，重建精確的表面模型；
[0043]S2、對模型進行無變形的紋理映射，使重建效果更接近于真實的三維場景，導(dǎo)入至視頻拼接軟件中，完成起始點的自動匹配，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的拼接;整個拼接過程涵蓋攝像頭的標定、傳感器圖像畸變校正、圖像的投影變換、匹配點選取、全景圖像拼接，以及亮度與顏色的均衡處理。
[0044]所述顯示屏為兩個，其中一個用于導(dǎo)航路線的模擬分析，另一個用于其他數(shù)據(jù)的顯不O
[0045 ]所述內(nèi)嵌式中央處理器通過北斗模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。
[0046]所述水流速傳感器、外置壓力傳感器內(nèi)設(shè)有北斗模塊。
[0047]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，包括耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器、內(nèi)置壓力計和水聲通訊聲納，所述耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器和內(nèi)置壓力計安裝在水下機器人本體內(nèi)，所述水聲通訊聲納安裝在水下機器人本體前端，所述水下機器人本體四周安裝有若干攝像頭，每個攝像頭、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)嵌式中央處理器、內(nèi)置壓力計和水聲通訊聲納內(nèi)均安裝有北斗模塊，所述水聲通訊聲納外壁上還安裝有水流速傳感器和外置壓力傳感器，所述耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)置壓力計、水流速傳感器、外置壓力傳感器、水聲通訊聲納均與內(nèi)嵌式中央處理器的輸入端相連，還包括 數(shù)據(jù)處理模塊，用于接收攝像頭所采集到的視頻數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的北斗模塊的定位數(shù)據(jù)，用所接收到的定位數(shù)據(jù)完成視頻數(shù)據(jù)的標記，并將標記完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送到全景視頻生成模塊； 全景視頻生成模塊，用于根據(jù)所接收到的視頻數(shù)據(jù)生成全景視頻數(shù)據(jù)，并將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)嵌式中央處理器； 所述內(nèi)嵌式中央處理器用于接收耐壓GPS定位裝置、加速度傳感器、陀螺儀、內(nèi)置壓力計、水流速傳感器、外置壓力傳感器、水聲通訊聲納以及全景視頻生成模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)，將所收到的數(shù)據(jù)儲存與對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并將這些所接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理模型建立模塊所能識別的數(shù)據(jù)發(fā)送到物理模型建立模塊;還用于根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)，通過預(yù)設(shè)的算法輸出組合導(dǎo)航信息至顯示屏； 物理模型建立模塊，用于根據(jù)內(nèi)嵌式中央處理器所發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制命令生成各種水下機器人物理模型； 虛擬作動器，用于驅(qū)動參數(shù)變化的，與物理模型建立模塊中的各元素建立關(guān)系后，可以在指定的范圍內(nèi)對參數(shù)進行變動，從而可以驅(qū)動仿真分析方法針對不同的參數(shù)進行計算求解； 虛擬傳感器，為在物理模型中插入的能直接獲取相應(yīng)的結(jié)果或信息的目標的邏輯單元； 導(dǎo)航路線模擬分析模塊，用于通各種仿真分析算法和仿真分析方法完成導(dǎo)航路線的仿真分析； 人機操作模塊，用于輸入水下機器人本體的基本參數(shù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)調(diào)用命令和各種控制命令，并將所輸入的基本參數(shù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)調(diào)用命令、各種控制命令發(fā)送到內(nèi)嵌式中央處理器； 所述虛擬作動器通過循環(huán)執(zhí)行仿真算法或仿真方法將結(jié)果反饋給導(dǎo)航路線模擬分析模塊，所述導(dǎo)航路線模擬分析模塊自動提取數(shù)據(jù)給虛擬傳感器，所述虛擬傳感器自動顯示分析結(jié)果。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，耐壓GPS定位裝置包括GPS芯片、RFID芯片、電子羅盤芯片和北斗模塊，GPS芯片包括中央處理模塊、噪音抑制模塊、增益放大模塊和北斗模塊，GPS輸入信號經(jīng)過噪音抑制模塊和增益放大模塊進入中央處理模塊，GPS輸出信號經(jīng)過調(diào)制模塊輸出至北斗模塊，通過北斗模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，RFID芯片和電子羅盤芯片與中央處理模塊相連，且內(nèi)置北斗模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述北斗模塊采用短報文通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬作動器包括虛擬單元作動器、虛擬特性作動器和虛擬載荷作動器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述全景視頻生成模塊通過以下步驟完成全景視頻的生成: 51、進行視頻去噪、增強預(yù)處理后，得到精確的邊緣，并以得到的邊緣點作為特征點，通過坐標系間轉(zhuǎn)化得到三維點云，重建精確的表面模型； 52、對模型進行無變形的紋理映射，使重建效果更接近于真實的三維場景，導(dǎo)入至視頻拼接軟件中，完成起始點的自動匹配，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的拼接;整個拼接過程涵蓋攝像頭的標定、傳感器圖像畸變校正、圖像的投影變換、匹配點選取、全景圖像拼接，以及亮度與顏色的均衡處理。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示屏為兩個，其中一個用于導(dǎo)航路線的模擬分析，另一個用于其他數(shù)據(jù)的顯示。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自主式水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)嵌式中央處理器通過北斗模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。
【文檔編號】G01S19/47GK105974456SQ201610351400
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】劉丹丹, 朱曉琴, 輔小榮, 王錚, 孫麗麗, 王 琦
【申請人】鹽城工學(xué)院