一种基于USBL的水下仿生机器人接驳方法与流程

一种基于usbl的水下仿生机器人接驳方法
技术领域
1.本发明属于水下检测设备技术领域，尤其涉及一种基于usbl的水下仿生机器人接驳方法。

背景技术：

2.现有水下仿生机器人(以仿生鱼为例)一般体积较小，自身携带的能源不足，不能在水中长期工作，在完成一段工作任务后需要其自动返航或人工回收，然后对其进行能源补充、数据下载、和任务更新。由于其自动返航或人工回收需要消耗较多时间，浪费了一定的工作任务时间，此外如果接驳搜索过程不精确，也会导致水下仿生机器人接驳失败。

技术实现要素：

3.本发明有鉴于当前各种接驳站的情况现状，针对包容式接驳站，在分析对接接驳的相关原理，设计了一种基于usbl的水下仿生机器人接驳方式。该方案不需要水下仿生机器人通过自动返航或人工回收来实现能源补充、数据下载、和任务更新，可以直接在水下通过对接接驳站来实现。根据水下仿生机器人和接驳站的坐标位置，将整个接驳过程分为远程、中程、近程三个阶段，并进行不同的接驳对接算法来修正水下仿生机器人的航向。
4.本发明公开的基于usbl的水下仿生机器人接驳方法，应用于水下仿生机器人和接驳站，包括以下步骤：
5.水下仿生机器人自主水下航行到接驳起始点a点后，开始搜寻接驳站usbl发射的脉冲信号，水下仿生机器人收到usbl信号后，根据信号信息进行水下仿生机器人航位修正，若没有搜索到usbl信号时，则在a点的东南西北四个方向50m处进行回旋航行来搜索usbl信号，直至在其中一个方向搜索到信号，再根据第一航向修正算法修正航向；
6.在接驳站中心线上距离接驳站100m、200m、300m处设置3个航向调整点，水下仿生机器人在接到接驳站上usbl的脉冲信号后，对航向根据第二航向修正算法进行修正；
7.当水下仿生机器人在距离接驳站100m时，保持航线直行，在距离接驳站2m时，水下仿生机器人关闭动力装置，利用自身的惯性与接驳站对接接驳，接驳站驱动插拔装置升起插销，锁住水下仿生机器人。
8.进一步的，所述第一航向修正算法如下：
[0009][0010][0011]
其中，α为接驳站的安装角度，long m和lat m为接驳站m绝对位置经纬度，long m和lat m为水下仿生机器人n的绝对位置经纬度，β为水下仿生机器人与接驳站的水平方位角，l为接驳站与水下仿生机器人的距离。
[0012]
进一步的，所述第二航向修正算法如下：
[0013][0014][0015][0016][0017]
其中，α为接驳站的安装角度，long m和lat m为接驳站m绝对位置经纬度，long m和lat m为水下仿生机器人n的绝对位置经纬度，β为水下仿生机器人与接驳站的水平方位角，l为接驳站与水下仿生机器人的距离，h为水下仿生机器人与接驳站的高度差，v
x
为水下仿生机器人水平方向速度，vy为水下仿生机器人垂直方向速度。
[0018]
进一步的，插拔装置与水下仿生机器人接驳的位置计算如下：
[0019][0020]
ξ为海水阻力系数，s为水下仿生机器人尾舵横截面积，t为驱动插拔装置的时间与接驳成功时间之差，l
joint
为插拔装置与水下仿生机器人接驳的位置，m0为水下仿生机器人的质量，g为重力，ρ为海水密度，v
water
为海水流速。
[0021]
进一步的，接驳站与水下仿生机器人接驳后，使用水下电连接器对水下仿生机器人进行能源补充、数据下载和任务更新。
[0022]
进一步的，所述接驳起始点a点距离接驳站500m
[0023]
本发明的有益效果如下：
[0024]
现有水下仿生机器人因技术问题，在完成一段工作任务后需要其自动返航或人工回收，然后对其进行能源补充、数据下载、和任务更新。由于其自动返航或人工回收需要消耗较多时间，浪费了一定的工作任务时间。本发明针对包容式接驳站，不需要水下仿生机器人通过自动返航或人工回收来实现能源补充、数据下载、和任务更新，可以直接在水下通过对接接驳站来实现，节约了工作任务时间，同时通过远中近三个阶段的搜索，不断修正水下仿生机器人的接驳路线，提高了接驳成功率。
附图说明
[0025]
图1本发明接驳方法示意图；
[0026]
图2本发明远程接驳算法流程图；
[0027]
图3本发明中程接驳算法流程图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
[0029]
usbl(ultra-short baseline)超短基线系统包括：接驳站(收发基阵)和信标(应
答器)。信标可安装在拖鱼，auv，rov等需要定位的水下仿生机器人上。
[0030]
水下仿生机器人要准确对接接驳站，必须准确确定接驳站的位置。其中，接驳站的位置主要是指其绝对位置和相对位置。接驳站的绝对位置主要是指接驳站的经纬度、深度和开口位置等；接驳站的相对位置主要是指相对距离、相对水平垂直角等。其中绝对位置可以通过预先将接驳站上的位置存储在水下仿生机器人上，相对位置则需要在水下仿生机器人水下运动中实时运算。由于目前技术能力有限，水下仿生机器人暂时不具备运算能力，需要由接驳站运算出相对位置后通过水声通信方式传送给水下仿生机器人。水下仿生机器人到达接驳站附近后，通过usbl超短基线与接驳站进行2s一周期的信息传送。水下仿生机器人发射脉冲信号，接驳站接收到该信号后，运算出水下仿生机器人的相对位置，水平和垂直方位角等数据信息，此信息以脉冲信号的形式传送给水下仿生机器人，然后根据发射信号与接收信号的时间差，以及信号在水中的传播速度，计算出相对距离。水下仿生机器人将所有接收到信号初步一起传送给水下仿生机器人中心管理系统。
[0031]
本发明将水下仿生机器人水下对接接驳分成远程、中程、近程三个阶段。第一个阶段为远程搜索阶段，在此阶段主要是搜索接驳站usbl的信号，接收该信号后进行初步修正航向。第二阶段为中程搜索阶段，在此阶段主要是根据接驳站的绝对位置来调整水下仿生机器人的航向，使之航行至接驳站开口方向。第三阶段为近程搜索，在此阶段主要是根据接驳站的位置，保持航行，进行对接接驳。三个阶段的对接示意图如图1。
[0032]
远程搜索阶段搜索算法
[0033]
远程搜索主要是水下仿生机器人自主水下航行到a点后开始搜寻接驳站usbl发射的脉冲信号，由于水下仿生机器人惯导系统航向推算出的位置与实际位置存在一定的误差，算法流程如图2所示。水下仿生机器人到达a点时，由于惯导系统的误差，实际到达了a点附近的a1点。在收到usbl信号后，根据信号信息进行水下仿生机器人航位修正。若联系5个脉冲信号周期内没有搜索到usbl信号时，则需要在a点的东、南、西、北四个方向50m处进行回旋航行来搜索usbl信号，直至在其中一个方向搜索到信号，再根据信号修正因惯导系统产生的误差。
[0034]
已知接驳站的安装角度为α(正北方向为0，顺时针为负)，接驳站m绝对位置经纬度为(long m，lat m),水下仿生机器人与接驳站的水平方位角为β，两者距离为l，弧度制转化为角度制时，180/π弧度≈57.3
°
。根据惯导系统产生的误差的修正算法，在根据接收到的usbl信号修正后的水下仿生机器人n经纬度为：
[0035][0036][0037]
东南西北四个方向进行回旋航行来搜索usbl信号，只要有一个方向能够搜到信号，就在这个方向上进行修正。
[0038]
中程搜索阶段搜索算法
[0039]
在接驳站中心线上距离接驳站100m、200m、300m处设置3个航向调整点，水下仿生机器人在接到接驳站上usbl的脉冲信号后，对航向采用进行修正。经调整后，水下仿生机器人的航向与接驳站的中心线在一个水平面上。参考图3，修正算法流程如下：
[0040]
已知接驳站的安装角度为α(正北方向为0，顺时针为负)，接驳站m绝对位置经纬度为(long m，lat m)，水下仿生机器人与接驳站的水平方位角为β，两者距离为l，弧度制转化为角度制时，180/π弧度≈57.3
°
。根据惯导系统产生的误差的修正算法，在根据接收到的usbl信号修正后的水下仿生机器人n经纬度为：
[0041][0042][0043][0044][0045]
其中h为水下仿生机器人与接驳站的高度差，v
x
为水下仿生机器人水平方向速度，vy为水下仿生机器人垂直方向速度。通过中程三个点的位置进行修正，提高了接驳路线的精度，为后续近程搜索打下基础，近程接驳只需保持航线直行即可。
[0046]
近程搜索阶段搜索算法
[0047]
当水下仿生机器人在距离接驳站100m时，保持航线直行，在距离接驳站2m时，水下仿生机器人关闭动力装置，利用自身的惯性进行与接驳站的对接接驳，接驳站将驱动插拔装置升起插销锁住水下仿生机器人。部分水下仿生机器人因自身体积重量较小，在对接过程中有一定的概率受海流的影响，使之与接驳站对接的时候产生一定的误差，接驳站中心管理系统需要进行修正，计算修正后的水下仿生机器人的位置并驱动插拔装置。
[0048]
插拔装置与水下仿生机器人接驳的位置计算如下：
[0049][0050]
ξ为海水阻力系数，s为水下仿生机器人尾舵横截面积，t为驱动插拔装置的时间与接驳成功时间之差，l
joint
为插拔装置与水下仿生机器人接驳的位置，m0为水下仿生机器人的质量，g为重力，ρ为海水密度，v
water
为海水流速。
[0051]
接驳站与水下仿生机器人接驳后，使用水下电连接器对水下仿生机器人进行能源补充、数据下载、和任务更新。水下电连接器可为有线充电方式或无线充电方式。接驳站通过近距离通信从水下仿生机器人下载采集的数据，并对水下仿生机器人进行数据配置或软件升级、任务更新等任务。
[0052]
本发明的有益效果如下：
[0053]
现有水下仿生机器人因技术问题，在完成一段工作任务后需要其自动返航或人工回收，然后对其进行能源补充、数据下载、和任务更新。由于其自动返航或人工回收需要消耗较多时间，浪费了一定的工作任务时间。本发明针对包容式接驳站，不需要水下仿生机器人通过自动返航或人工回收来实现能源补充、数据下载、和任务更新，可以直接在水下通过对接接驳站来实现，节约了工作任务时间，同时通过远中近三个阶段的搜索，不断修正水下仿生机器人的接驳路线，提高了接驳成功率。
[0054]
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本技术中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“x使用a或b”意指自然包括排列的任意一个。即，如果x使用a；x使用b；或x使用a和b二者，则“x使用a或b”在前述任一示例中得到满足。
[0055]
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
[0056]
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
[0057]
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于usbl的水下仿生机器人接驳方法，应用于水下仿生机器人和接驳站，其特征在于，包括以下步骤：水下仿生机器人自主水下航行到接驳起始点a点后，开始搜寻接驳站usbl发射的脉冲信号，水下仿生机器人收到usbl信号后，根据信号信息进行水下仿生机器人航位修正，若没有搜索到usbl信号时，则在a点的东南西北四个方向50m处进行回旋航行来搜索usbl信号，直至在其中一个方向搜索到信号，再根据第一航向修正算法修正航向；在接驳站中心线上距离接驳站100m、200m、300m处设置3个航向调整点，水下仿生机器人在接到接驳站上usbl的脉冲信号后，对航向根据第二航向修正算法进行修正；当水下仿生机器人在距离接驳站100m时，保持航线直行，在距离接驳站2m时，水下仿生机器人关闭动力装置，利用自身的惯性与接驳站对接接驳，接驳站驱动插拔装置升起插销，锁住水下仿生机器人。2.根据权利要求1所述的基于usbl的水下仿生机器人接驳方法，其特征在于，所述第一航向修正算法如下：航向修正算法如下：其中，α为接驳站的安装角度，long m和lat m为接驳站m绝对位置经纬度，long m和lat m为水下仿生机器人n的绝对位置经纬度，β为水下仿生机器人与接驳站的水平方位角，l为接驳站与水下仿生机器人的距离。3.根据权利要求1所述的基于usbl的水下仿生机器人接驳方法，其特征在于，所述第二航向修正算法如下：航向修正算法如下：航向修正算法如下：航向修正算法如下：其中，α为接驳站的安装角度，long m和lat m为接驳站m绝对位置经纬度，long m和lat m为水下仿生机器人n的绝对位置经纬度，β为水下仿生机器人与接驳站的水平方位角，l为接驳站与水下仿生机器人的距离，h为水下仿生机器人与接驳站的高度差，v
x
为水下仿生机器人水平方向速度，v
y
为水下仿生机器人垂直方向速度。4.根据权利要求1所述的基于usbl的水下仿生机器人接驳方法，其特征在于，插拔装置与水下仿生机器人接驳的位置计算如下：
ξ为海水阻力系数，s为水下仿生机器人尾舵横截面积，t为驱动插拔装置的时间与接驳成功时间之差，l
joint
为插拔装置与水下仿生机器人接驳的位置，m0为水下仿生机器人的质量，g为重力，ρ为海水密度，v
water
为海水流速。5.根据权利要求1所述的基于usbl的水下仿生机器人接驳方法，其特征在于，接驳站与水下仿生机器人接驳后，使用水下电连接器对水下仿生机器人进行能源补充、数据下载和任务更新。6.根据权利要求1所述的基于usbl的水下仿生机器人接驳方法，其特征在于，所述接驳起始点a点距离接驳站500m。

技术总结

本发明公开了基于USBL的水下仿生机器人接驳方法，水下仿生机器人航行到接驳起始点后，若没有搜索到USBL信号时，则在A点的东南西北四个方向50m处进行回旋航行来搜索USBL信号，直至在其中一个方向搜索到信号，根据第一航向修正算法修正航向；在距离接驳站100m、200m、300m处设置3个航向调整点，水下仿生机器人在接到USBL信号后，对航向根据第二航向修正算法进行修正；当水下仿生机器人在距离接驳站100m时，保持航线直行，在距离接驳站2m时，水下仿生机器人关闭动力装置，利用自身的惯性进行对接接驳。本发明通过远中近三个阶段的搜索，不断修正水下仿生机器人的接驳路线，提高了接驳成功率。驳成功率。驳成功率。