一种水下机器人快速定位方法与流程

本发明涉及水下机器人定位，尤其是涉及一种水下机器人快速定位方法。

背景技术：

1、在水利水电行业中，水下机器人的应用尤为广泛且重要。大型水库、水电站的建设和运营过程中，定期对水下坝体、引水隧道、闸门等关键结构进行检查与维护是保障工程安全、延长使用寿命的必要措施。传统的人工潜水检查不仅效率低下，而且风险极高，特别是在深水、复杂水流或低能见度环境下。因此，具备高精度导航与快速定位能力的水下机器人成为了首选工具，它们能够在不危害人员安全的前提下，完成精准检测与维修作业。

2、在深入探讨水下机器人水下快速定位的技术需求时，我们不得不正视几个核心问题，这些挑战不仅关乎技术层面的局限，也直接影响到实际应用的经济性和操作便利性，特别是在水利水电行业这一特定领域内。

3、1）高成本与复杂性：

4、当前，实现水下高精度定位往往依赖于高端的定位设备，如声纳系统、水下lidar或是惯性导航系统（ins）等，这些设备不仅价格昂贵，而且通常需要与大型或专业级的水下机器人集成使用。这意味着，高昂的初始投资和后续维护成本成为行业普及的一大障碍。此外，这些复杂系统的操作和维护需要专业技术人员，无形中增加了学习成本和人力资源的投入，这对于许多中小型水电企业或项目而言，是一个难以跨越的门槛。

5、2）通用性与适应性局限：

6、尽管市面上的水下机器人在外观检查和缺陷检测等基础应用中已能满足多数需求，但在面对特定复杂环境时，其定位能力的局限性便显现出来。特别是在水文条件多变、水质浑浊或水下缺乏明显参照物的情况下，即便是装备有标准导航系统的机器人也可能因信号干扰、视觉识别困难而发生位置漂移。这种不确定性不仅降低了作业效率，还可能危及机器人本身的安全，增加任务失败的风险。

7、3）操作难度与安全性考量：

8、对于操作人员而言，当水下环境复杂多变，且缺乏有效的实时定位反馈时，很难确保机器人始终处于预设路径或目标区域，容易导致“迷失”现象。这种情况下，找回机器人的过程既耗时又费力，不仅影响任务进度，还可能因盲目搜寻增加意外风险，对人员安全构成威胁。

9、综上所述，开发一种成本效益高、易于操作且能在较复杂水下环境中稳定提供相对准确定位信息的方法，已成为水利水电行业及其他相关领域迫切需要解决的问题。

10、在水下机器人技术迅速发展的背景下，水下快速定位作为核心技术之一，已经吸引了众多科研机构和企业的广泛关注。为了克服水下环境带来的独特挑战，如信号传输障碍、能见度限制以及复杂水流条件等，多种定位技术应运而生，每种技术均试图以不同的原理和方法解决水下机器人的定位难题。以下是目前在水下机器人定位领域中较为成熟和广泛应用的一些技术手段，包括但不限于基于视觉的自主定位、卫星与水声联合定位系统、rsm定位法、中继浮标定位法、低频超短基线定位等。尽管这些技术在一定程度上推动了水下机器人的实用化进程，但仍面临成本、精度、适用范围等方面的局限，激励着科研人员不断探索更加高效、经济、普适的新型定位策略。以下是对这些现有技术的简要解析。

11、（1）基于视觉的自主定位方法：

12、该方法利用水下捕捉设备捕捉周围环境特征，通过图像匹配技术与预先构建的水下地图进行比对，实现自主定位。例如，slam（simultaneous localization and mapping）技术在水下机器人的应用，能够在未知环境中一边创建地图一边定位自身位置。然而，这种方法受限于水下能见度和特征重复性，复杂或浑浊水域中定位精度会大幅下降。

13、（2）基于卫星和水声定位系统组合：

14、考虑到gps在水下的不可用性，研究人员发展了将水面gps与水下声学信标相结合的定位方案，如lbl（long baseline）和lbl-acoustic modem系统。这些系统通过在水面部署gps定位的声学信标，水下机器人通过接收并分析声波到达时间差来确定自身位置。尽管定位精度较高，但设备成本高昂，且受水声传播条件影响较大。

15、（3）基于rsm（radio signal measurement）的水下机器人定位方法：

16、rsm方法利用水下无线电波传播特性进行定位，虽然无线电波在水中的传播距离有限，但结合多基站布置，可实现一定范围内的相对定位。此方法适用于近海或浅水区域，但深水或长距离定位能力有限。

17、（4）基于中继浮标的定位方法：

18、通过在水面上部署带有gps的中继浮标，并与水下机器人通过声学或无线通信链接，实现机器人位置的间接测定。这种方法灵活性高，适用于多种水下作业场景，但浮标的部署和维护成本及潜在的通讯干扰是其主要缺点。

19、（5）基于低频超短基线（usbl）的定位方法：

20、usbl技术利用低频声波在水中传播的特点，通过计算声波从基线两端发射到水下机器人再返回的时间差，确定其三维位置。该技术在深水作业中表现突出，定位精度较高，但对声波传播路径的直线性要求高，且在复杂海底地形中性能可能会下降。

21、（6）惯性导航系统与多传感器融合定位：

22、结合ins、陀螺仪、加速度计等惯性传感器与上述一种或多种外部定位技术，通过数据融合算法提高整体定位精度和鲁棒性。尤其在无自然或人工地标环境中，该方法能够提供持续的自我定位信息，尽管长期运行会有累积误差。

23、（7）磁航迹推算定位：

24、利用地球磁场变化进行导航，虽不如其他方法精确，但在没有视觉或声学线索的极端环境下提供了一种备选方案。适用于特定地质结构较为明显的水下环境。

25、（8）水下激光雷达（lidar）定位：

26、虽然技术尚在发展中，但水下lidar通过发射激光脉冲并分析回波信息，能在高清晰度下进行三维扫描和定位，尤其适合复杂结构的精确定位，但成本和能量消耗较高。

27、综上所述，现有的水下机器人定位技术各有优劣，实际应用中往往需要根据具体作业环境和任务需求选择合适的定位方案。然而，这些技术大多存在成本高昂、环境适应性有限或操作复杂等问题，为满足更广泛的应用需求，探索更为高效、精准、经济的定位方法仍然是一项重要的研究课题。

技术实现思路

1、为解决当前存在技术问题，本发明的主要目的在于提供了一种成本效益高、定位精准、操作简便的水下机器人快速定位方法。

2、本发明所采用的技术方案是：一种水下机器人快速定位方法，包括以下步骤：

3、s1、在水中固定间距布设至少两根定位绳，定位绳上等间距布设有光源；

4、s2、水下机器人调整位姿，使水下机器人上的捕捉设备依次对正两根所述定位绳上的光源，记录当光源的光点位于捕捉设备画面正中心时水下机器人的俯仰角，同时水下机器人读取自身水深数据，通过建立坐标系从而计算相对空间坐标，定位模式期间，水下机器人保持水深不变。

5、两条定位绳平行布设，垂直向下伸入水中，定义为0号绳和一号绳，定位绳间距为w。

6、光源的数量则根据水深、能见度以及水文条件确定，从上到下可依次编号为0、1、2、3…n，其中编号0号光源位于水面，水深为0米，其余编号的光源等间距布设，间距为h。

7、以0号绳的0号光源为原点，建立直角坐标系，以0号绳的0号光源和一号绳的0号光源连线为x轴，方向为从0号绳向一号绳为正方向；以0号绳为y轴，方向为竖直向下为正方向；垂直于上述两轴为z轴，水下机器人下水一侧为正方向。

8、以o(i,j)表示i号绳的j号光源，其中i取值为0或1，j取值为0、1、2…n，在这个坐标系下，o(i,j)对应的坐标为(i×w, j×h, 0)。

9、水下机器人入水后需要定位时，将搭载的捕捉设备转向o(0,j)光源，使光源位于画面内，开启定位模式，机器人调整自身方位，使得光源位于画面正中心，记录此时的机器俯仰角α，然后调整机器人对准o(1,j)光源，重复上述操作，记录俯仰角β，水下机器人保持水深h。

10、通过俯仰角α、β以及水深h数据，在建立的坐标系内确定水下机器人坐标。

11、在坐标系内确定水下机器人坐标的方法如下：

12、将水下机器人标记为a，a在平面xy上的垂足为e，过e做平行于x轴的直线，分别交两条定位绳于b、c；过a做o(0,j)o(1,j)的垂线，交o(0,j)o(1,j)于d，连接ed，其中∠o(0,j)ab = α，∠o(1,j)ac = β，a点到xz平面的垂直距离为h；

13、o(0,j)b = o(1,j) c = ed = h –j×h，在直角三角形o(0,j)ba中，利用三角函数关系可得；

14、同理可得：

15、；

16、已知bc = w，在三角形abc中，利用海伦公式计算面积s：

17、；（1）

18、其中，；

19、又有三角形abc的面积；（2）

20、联立公式（1）、（2），带入已知条件即可求解ae，即为a的z轴坐标值；

21、在直角三角形aeb中，利用勾股定理计算求得be，即为a的x轴坐标值；

22、

23、a的y轴坐标值为h。

24、水下机器人自动根据设定的间隔时间δt进入定位模式并记录坐标系内的坐标数据；将各点坐标值在坐标系中绘制并显示出来，生成水下机器人的行进路径；当水下机器人迷失方位时，调用方位迷失前的坐标，并与当前的坐标进行对比计算，得到目标点位相对于当前点位的方向和距离，并据此回到目标点位。

25、定位绳设置有多根，每根定位绳上的光源具有不同的光源信息，形成一个或多个互为参考的坐标网格。

26、本发明有如下有益效果：

27、1. 定位精度与稳定性提升：通过设置固定的定位绳和等间距布设的光源，结合水下机器人的捕捉设备和简单的几何计算，实现了水下环境中的快速且高精度自我定位。这种方法减少了环境因素造成的定位误差和迷失，显著提高了水下作业的可靠性和效率。

28、2. 成本降低与性价比提高：本发明提供了一种经济的定位解决方案，无需依赖昂贵的专业定位设备，如高端声纳系统、水下lidar或复杂的惯性导航系统。这不仅降低了初期投资成本，同时也减轻了后续的维护开销，使得更多的水利水电及其他行业的用户能够负担得起水下机器人的应用，加速了技术的普及和行业的发展。

29、3. 增强的操作便捷性与安全性：发明设计的控制系统和界面直观易用，使得操作人员能够轻松掌握水下机器人的精确位置，降低了操作的复杂度，提升了整个作业过程的安全性。通过自动化的定位模式和即时的坐标显示，避免了机器人迷失后的人工搜索，减少了潜在的人身安全风险。

30、4. 提高作业效率与可重复性：通过自动记录坐标数据并生成行进路径，水下机器人能够沿着原路径进行重复检查，即使迷失方向也能迅速根据历史坐标回到目标位置，极大地提高了作业的连续性和效率，减少了不必要的重复工序。

31、5. 灵活的扩展与应用潜力：本发明的技术框架简单、灵活，易于根据不同的水下作业需求进行调整和优化，如增加定位绳的数量或结合固定点水下声纳等，进一步拓宽了其在不同应用场景中的适用范围。