一種自主式水下機器人組合導航方法和系統與流程
2023-12-02 15:38:46 1
【技術領域】
本發明涉及水下機器人技術領域，特別是涉及一種自主式水下機器人組合導航方法和系統。
背景技術：
目前智能水下機器人向小型化發展是其發展趨勢之一。小型水下機器人由於其體積小、機動靈活、成本低、搭載方便，在軍民用都有廣泛的應用前景。導航問題仍然是水下機器人設計所面臨的主要關鍵技術之一。
現在水下機器人導航常用方法有航位推算法、慣性導航及聲學方法等。慣導系統一般體積較大，價格昂貴，最重要的是純慣性導航系統導航在沒有其它傳感器數據信息進行補償的情況下其定位誤差將隨時間和航程累積和發散，聲學定位系統(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。航位推算導航是一種低成本的導航方法，是水下機器人重要的導航手段，其方法簡單、經濟，水下機器人除了配備測速儀、姿態、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成具有一定精度的實時、可靠的自主式導航系統。微小型水下機器人受限於體積、成本、能源等限制，這對導航系統提出了更高的要求，這對構造一種小型化組合導航系統增加了難度。導航系統一般由小型化、低成本傳感器構成，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境，幹擾噪聲信號大，各種水聲傳感器普遍存在精度低、野點率高的缺點，對傳感器數據進行較好的濾波剔出野點信息尤為重要。航位推算導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，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。同時現有的水下機器人導航系統普遍不存在路線仿真模擬操作，可視性差的同時，精確度低。
技術實現要素：
本發明實施例要解決的技術問題是克服現有自主式導航方式中，航位推算法所存在的定位誤差容易隨時間和航程累積和發散的問題。
本發明實施例採用如下技術方案：
第一方面，本發明實施例提供了一種自主式水下機器人組合導航方法，水下機器人向服務端發送攜帶預規劃航線的地理模塊請求消息；接收服務端返回的覆蓋所述預規劃航線的一個或者多個地理模塊，其中，所述地理模塊中包含現實環境中相應區域的標定信息，所述方法包括：
根據水下機器人配備的測速儀、姿態傳感器和深度傳感器採集的信息，以及初始位置信息，推算出航位導航信息；
在確認當前航位導航信息下，水下機器人處於地理模塊a中時，採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配；
根據匹配結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
可選的，所述標定信息為由圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項組成。
可選的，所述採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配，具體包括：
所述水下機器人採集周邊的圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項，並與相應地理模塊中的標定信息進行逐一匹配。
可選的，所述根據匹配結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率，還包括：
若匹配結果中連續與n個地理模塊所對應的標定信息匹配失敗，則浮出水面進行gps定位；
在gps定位矯正完成後，再繼續執行對應預規劃航線的任務。
可選的，服務端還發送所述預規劃航線上的一個或者多個浮標的相關信息，其中，所述相關信息包括浮標的定位信息和浮標的聲吶參數信息。
可選的，水下機器人根據其深度傳感器的監測參數和推算出航位導航信息，確定當前航位附近是否存在可交互的浮標，若存在可交互的浮標，則根據所述浮標的聲吶參數信息調整自身的接收模塊，
根據接收到聲吶信號結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
可選的，所述調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率，具體包括：
若匹配結果正確，則減少匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率；
若匹配結果不正確，則增大匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
可選的，所述地理模塊由一個或者多個水下機器人在目標定位識別系統中工作得到，其中，系統中包括具有主動聲吶功能的母船、至少一個具有被動聲吶功能的浮標和所述水下機器人，
所述水下機器人用於獲取環境對象相對於水下機器人的第一位置信息和環境對象內容，並發送所述第一位置信息到母船；所述母船和浮標之間相差預設距離，母船用於獲取所述浮標的第二位置信息；浮標中記錄有母船聲吶信號的相關參數，並將採集到的來自水下機器人的聲吶反射信號反饋給母船；
所述母船還用於根據自身的第三位置信息、浮標的第二位置信息、母船和浮標採集到的水下機器人的聲吶反射信號，以及環境對象相對於水下機器人的第一位置信息，計算得到環境對象的定位信息；並根據所述環境對象的定位信息和環境對象，依據地理模塊大小的設定，生成一個或者多個地理模塊。
第二方面，本發明實施例提供了一種自主式水下機器人組合導航系統，系統中包括水下機器人和服務端，具體的：
所述水下機器人向服務端發送攜帶預規劃航線的地理模塊請求消息；
所述服務端匹配所述航線和維護的地理模塊，並向所述水下機器人返回覆蓋所述航線的一個或者多個地理模塊，其中，所述地理模塊中包含現實環境中相應區域的標定信息：
所述水下機器人還用於根據水下機器人配備的測速儀、姿態傳感器和深度傳感器採集的信息，以及初始位置信息，推算出航位導航信息；在確認當前航位導航信息下，水下機器人處於地理模塊a中時，採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配；根據匹配結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
可選的，所述標定信息為由圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項組成。
可選的，所述採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配，具體包括：
所述水下機器人採集周邊的圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項，並與相應地理模塊中的標定信息進行逐一匹配。
本發明實施例提出了一種結合航位推算法和地理模塊識別法的自主式水下機器人組合導航方法，相比較現有的單一的航位推算法容易隨時間和航程累積和發散的問題，利用地理模塊和航位推算法中的航位導航信息進行匹配(包括地理模塊的標定信息和具體航位下的環境信息)，根據匹配結果調整航位推算法和/或匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率，從而改善了單一航位推算法存在的定位誤差容易隨時間和航程累積和發散的問題。
另一方面，本實施例所述方法對於水下機器人的硬體成本要求不高，並且，結合本發明實施例所提出的地理模塊識別方法和與預規劃航線，進一步減少水下機器人的計算量，在提高其導航精準度的情況下，也提高了其續航能力。
【附圖說明】
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發明實施例提供的一種自主式水下機器人組合導航方法的流程示意圖；
圖2是本發明實施例提供的一種自主式水下機器人組合導航方法的流程示意圖；
圖3是本發明實施例提供的一種地理模塊生成的系統架構圖；
圖4是本發明實施例提供的一種地理模塊生成原理示意圖；
圖5是本發明實施例提供的另一種地理模塊生成的系統架構圖；
圖6是本發明實施例提供的另一種地理模塊生成的系統架構圖；
圖7是本發明實施例提供的一種自主式水下機器人組合導航系統架構圖；
圖8是本發明實施例提供的另一種自主式水下機器人組合導航系統架構圖。
【具體實施方式】
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
在本發明的描述中，術語「內」、「外」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「頂」、「底」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不應當理解為對本發明的限制。
此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
實施例1:
本發明實施例1提供了一種自主式水下機器人組合導航方法，其中，水下機器人向服務端發送攜帶預規劃航線的地理模塊請求消息；接收服務端返回的覆蓋所述預規劃航線的一個或者多個地理模塊，其中，所述地理模塊中包含現實環境中相應區域的標定信息，如圖1所示，所述方法包括：
在步驟201中，根據水下機器人配備的測速儀、姿態傳感器和深度傳感器採集的信息，以及初始位置信息，推算出航位導航信息。
該推導過程可以參考現有技術，在此不再贅述。
其中，步驟201的推算過程可以是按照預設周期進行的，也是可以在上述各傳感器檢測到參數改變量超過各自的預設閾值時，觸發推算過程。在此，不對於其觸發方式做特殊的限定，已有的其它觸發方式均可以適用於本發明實施例中。
在步驟202中，在確認當前航位導航信息下，水下機器人處於地理模塊a中時，採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配。
其中，所述標定信息為由圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項組成。對於所有的地理模塊，所述圖片、聲吶信息、溫度和海水流速，可以作為其共同設置的參數項，但是，不同的地理模塊其標定信息中實際擁有內容的參數項卻不一定都覆蓋上述5個參數項。例如：地理模塊b可能因為其所處海域較為常規，對應的海水流速沒有什麼異常，因此，其海水流速可能就為空；而地理模塊c會因為其所處海域為海底火山口附近，則相應的海水流速參數項或者溫度參數項會被賦值為某一特定值，用於標定該特殊地域。
其中，在進行步驟202中的採集動作時，通常可以將用於採集的各傳感器的工作功率相應調高，例如：若地理模塊相應的標定信息中包含圖片，則表明其環境信息中包含較為獨特的對象，此時，照明燈的工作功率則可以相應的調高，從而能夠保證所採集到的環境信息儘可能的全面，也為後續的匹配過程增加了準確度。
在步驟203中，根據匹配結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
所述補償係數根據計算得到的當前推算出航位導航信息和地理模塊標定信息之間相對於理論預規劃航線和地理模塊標定信息之間的誤差值，計算相對於經緯度的偏移量，並根據兩次校對的間隔距離，計算得到水下機器人單位移動距離的補償量。所述補償量將參與下一輪的推算出航位導航信息過程。
所述調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率的值和匹配的正確率成反比，即正確率越高則頻率越低、正確率越低則平率越高。兩者之間的比例關係可以根據經驗或者水下機器人的計算能設定，在此不做特殊限定。
本發明實施例提出了一種結合航位推算法和地理模塊識別法的自主式水下機器人組合導航方法，相比較現有的單一的航位推算法容易隨時間和航程累積和發散的問題，利用地理模塊和航位推算法中的航位導航信息進行匹配(包括地理模塊的標定信息和具體航位下的環境信息)，根據匹配結果調整航位推算法和/或匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率，從而改善了單一航位推算法存在的問題。
另一方面，本實施例所述方法對於水下機器人的硬體成本要求不高，並且，結合本發明實施例所提出的地理模塊識別方法和與預規劃航線，進一步減少水下機器人的計算量，在提高其導航精準度的情況下，也提高了其續航能力。
在本發明實施例中，處理模塊a的描述僅僅是為了便於理解當前航位導航信息下的限定條件，因此，標註內容a並沒有特殊的限定作用，在實際情況下也可以利用阿拉伯數字或者其它字母組合進行稱呼和標定。
在本發明實施例中，對於步驟202中執行的，所述採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配，具體實現的方式包括：
所述水下機器人採集周邊的圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項，並與相應地理模塊中的標定信息進行逐一匹配。若當中有一項或者多項是當前水下機器人所不具備的，則可跳過相應的參數項的匹配。
在本發明實施例中，對於步驟203中執行的根據匹配結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率，還存在一種實現的可能，即在步驟202中：
若匹配結果中連續與n個地理模塊所對應的標定信息匹配失敗，則浮出水面進行gps定位；其中，n為自然數。所述n的參數值的設定可以根據單一地理模塊所覆蓋的面積大小進行調整，若單一地理模塊所覆蓋的面積越大，則相應的n可以設置的較小，從而能夠保證經由相應個數的地理模塊匹配失敗後能夠儘快的矯正當前的航線。在gps定位矯正完成後，再繼續執行對應預規劃航線的任務。
在具體實現時，除了可以採用實施例1所述的結合航位推算法和地理模塊識別法來完成自主導航矯正外，還可以進一步結合上述矯正失敗情況下進行浮出水面gps定位矯正的輔助手段進一步提高本發明實施例方法的在執行過程中的魯棒性。但是，將水下機器人浮出水面進行gps定位矯正的話，對於水下機器人的能源損耗是較大的，並且會影響預估的水下機器人完成任務的時間和水下機器人的續航能力。因此，結合本發明實施例，還存在一種可組合的導航方法，具體的，服務端除了返回實施例1中的一個或者多個地理模塊外，還返回所述預規劃航線上和與所述航線相鄰的一個後者多個浮標的相關信息，其中，所述相關信息包括浮標的定位信息和浮標的聲吶參數信息。在具體執行過程中，如圖2所示，所述方法還包括以下執行步驟：
在步驟301中，水下機器人根據其深度傳感器的監測參數和推算出航位導航信息，確定當前航位附近是否存在可交互的浮標，若存在可交互的浮標，則根據所述浮標的聲吶參數信息調整自身的接收模塊。
在步驟302中，根據接收到聲吶信號結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
其中，步驟301-步驟302的執行可以是和步驟202-步驟203組合實現，其組合方式可以是鬆耦合的形式，即步驟202-步驟203和步驟301-302並行執行，當滿足步驟202中條件「水下機器人處於地理模塊a中時」時，則執行完步驟202和步驟203；當滿足步驟301中條件確定當前航位附近存在可交互的浮標時，則執行完步驟301和步驟302。除此以外，本發明實施例還提供了另一種緊耦合的形式，即步驟202-203的執行過程與步驟301-步驟302的執行過程是互斥的，即在步驟202-203成功執行完畢時，則短時間內關閉步驟301中對於其當前航位附近是否存在可交互的浮標的判斷，從而可以避免導航信息的重複校對。
因此，結合上述步驟301-步驟302的實現方式，還存在一種優選的組合實現形式，即對於上述「若匹配結果中連續與n個地理模塊所對應的標定信息匹配失敗，則浮出水面進行gps定位」的實現過程，將因為所述步驟301-步驟302的組合實現而被調整為：
若匹配結果中連續與n個地理模塊所對應的標定信息匹配失敗，並且其間沒有執行所述步驟301-302，則浮出水面進行gps定位；
若匹配結果中連續與n個地理模塊所對應的標定信息匹配失敗，但是，其間執行所述步驟301-302，並且成功矯正了導航信息，則重置對應所述n的累計參數值。
結合本發明實施例，為了進一步的提高校準過程的動態性和靈活性，所述動態性和靈活性也針對不同硬體配置的水下機器人，例如：水下機器人b的配置比水下機器人a的配置高，那麼就可以相應的減少匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。另一方面，所述調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率，還可以通過計算正確度的高低進行適應性的調整，具體包括：
若匹配結果正確，則減少匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率；
若匹配結果不正確，則增大匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
結合本發明實施例，還提供了一種地理模塊的生成方法，具體的如圖所示，所述地理模塊由一個或者多個水下機器人在目標定位識別系統中工作得到，其中，系統中包括具有主動聲吶功能的母船、至少一個具有被動聲吶功能的浮標和所述水下機器人，
所述水下機器人用於獲取環境對象相對於水下機器人的第一位置信息和環境對象的內容，並發送所述第一位置信息到母船；所述母船和浮標之間相差預設距離，母船用於獲取所述浮標的第二位置信息；浮標中記錄有母船聲吶信號的相關參數，並將採集到的來自水下機器人的聲吶反射信號反饋給母船；
所述母船還用於根據自身的第三位置信息、浮標的第二位置信息、母船和浮標採集到的水下機器人的聲吶反射信號，以及環境對象相對於水下機器人的第一位置信息，計算得到環境對象的定位信息；並根據所述環境對象的定位信息和環境對象的內容，依據地理模塊大小的設定，生成一個或者多個地理模塊。
實施例2：
在實施例1中介紹了如何利用地理模塊進行導航信息矯正的方法，本發明實施例則是從如何建立服務端維護的地理模塊的方面進行闡述。在本發明實施例中所述地理模塊由一個或者多個水下機器人在目標定位識別系統中工作得到，如圖3所示，系統中包括具有主動聲吶功能的母船1、至少一個具有被動聲吶功能的浮標2和水下機器人3，所述水下機器人3可以是採用專業用於採集地理信息的設備，也可以是採用如實施例1中介紹的用於執行其它任務的設備，兩者的區別可能在於傳感器的檢測範圍和檢測精度上，但是，兩者存在的共性是均能完成自身的定位和環境對象的內容的獲取。但是，作為本發明實施例的水下機器人還需要其具備獲取環境對象(例如：海底山體結構)相對自身第一位置信息的能力。具體闡述如下：
所述水下機器人3用於獲取環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息，並發送所述第一位置信息到母船1；所述母船1和浮標2之間相差預設距離，母船1用於獲取所述浮標2的第二位置信息；浮標2中記錄有母船1聲吶信號的相關參數，並將採集到的來自水下機器人3的聲吶反射信號反饋給母船1；
所述母船1還用於根據自身的第三位置信息、浮標2的第二位置信息、母船1和浮標2採集到的水下機器人3的聲吶反射信號，以及環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息，計算得到環境對象4的定位信息；並根據所述環境對象4的定位信息和環境對象4，依據地理模塊大小的設定，生成一個或者多個地理模塊。
在本發明各實施例中，所述環境對象包括巖石、海底山體、珊瑚和海溝等，若水下機器人不採取合理的避讓就會對水下機器人產生實質性破壞的對象。而對於其它水下生物的避讓則可以依託水下機器人自身安裝的傳感設備進行(例如聲吶設備和攝像頭設備等)。為了進一步簡化本發明實施例中使用地理模塊給傳輸通道帶來的帶寬壓力，可以將本實施例中水下機器人採集到沒有環境對象的區域(例如傳感器可檢測範圍內沒有上述環境對象，而只有海水的情況)所對應的地理模塊標註為空或者以簡單的標識符表明其對應區域無環境對象，從而極大程度上簡化實施例1中服務端與水下機器人之間的地理模塊傳輸所需的帶寬。
本發明實施例所述環境對象是較為原始的信息，它可能是環境對象的圖片、環境對象的聲吶反饋信號，也可能是環境對象的一小部分；相比較實施例1中描述的環境對象，則是服務端通過接收到的來自一個或者多個水下機器人反饋的環境對象和定位信息解析得到的。例如：服務端會根據接收到的多組對應於同一環境對象的定位信息和環境對象，通過建模的方式還原出完成的環境對象，並分析出環境對象的環境信息(包括環境對象的類型、環境對象的結構和環境對象的大小)，並將相應信息配置給構成搜索環境對象的多個地理模塊。
其中，所述地理模塊為預設形狀的單元，地理模塊內部包含現實環境中相應區域的環境對象。所述地理模塊大小的是根據所述水下機器人所具備的傳感設備在海中所能檢測到的範圍區域來設定的，其形狀可以是正六邊形、矩形或者是其它可以由所述檢測到的範圍區域裁剪出來，並可供完成拼接的圖形。例如圖4所示(圖中並未按照比例示出，實際探測距離可能遠大於水下機器人的尺寸)，其中，水下機器人的外形為圖中3所示，其傳感器所能檢測的範圍如圖中標註的31所示，而裁剪出的地理模型為圖中標註的32所示。實際情況中，因為水下機器人是處於運動狀態的(例如：水平運動)，因此，地理模型的長度理論上可以在一連續長度上任意的設定並完成截取。
實施例3：
本發明實施例是實施例2所述方案在具體實現場合下的一種系統組合形式，在本實施例中所述浮標2具體數量為一個，所述水下機器人3上設置有水深傳感器。如圖5所示在本實施中，所述系統包括具有主動聲吶功能的母船1、一個具有被動聲吶功能的浮標2和水下機器人3，其中，所述水深傳感器用於反饋水下機器人3到海面的垂直距離；水下機器人3將所述垂直距離反饋給母船1；
所述水下機器人3用於獲取環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息；並向母船1發送所述第一位置信息。
所述母船1和浮標2之間相差預設距離，母船1用於獲取所述浮標2的第二位置信息；
所述母船1和浮標2之間建立有第二通訊鏈路，其中，浮標2中記錄有母船1聲吶信號的相關參數，並將採集到的來自水下機器人3的聲吶反射信號通過所述第二通訊鏈路反饋給母船1；
所述母船1用於根據所述用於根據自身的第三位置信息、水下機器人3的垂直距離、浮標2的第二位置信息、母船1和浮標2採集到的水下機器人3的聲吶反射信號，以及環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息，計算得到環境對象的定位信息。
本發明實施例不僅利用了母船自身的續航能力，以及其配備的聲吶設備功能，而且利用了水下機器人中配備的水深傳感器，簡化了水下機器人和浮標的設計需求，以及浮標數量的配置需求(僅需要一個即可)。並利用由母船、浮標和水下機器人構建起來的第一定位子系統，以及由水下機器人和環境對象構建起來的第二定位子系統，由母船或者陸地伺服器計算得到環境對象的定位信息，所述定位信息包括經緯度信息、水深信息等等。相比較現有技術中採用的由水下機器人作為等價與所述第一定位子系統中的主動聲吶源，本發明實施例能夠提高水下機器人的續航能力，並且減少水下機器人的數據處理量，從側面降低了水下機器人的製造成本。
在本實施例中，將結合圖5所示布局圖，闡述如何根據自身的第三位置信息、水下機器人3的垂直距離、浮標2的第二位置信息、母船1和浮標2採集到的水下機器人3的聲吶反射信號，以及環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息，計算得到環境對象的定位信息。
如圖5所示，假設水下機器人所在位置(圖5中以字母c標註)投影到海平面的位置為o，則所示水下機器人3的垂直距離為oc，母船1採集到的水下機器人3的聲吶反射信號可以計算得到母船1與水下機器人3之間距離ac，而浮標2採集到的水下機器人3的聲吶反射信號可以計算得到浮標2與水下機器人3之間的距離bc，其中，位置a和位置b是初始狀態下已經獲取位置信息，為已知量。此時，可以通過ac和oc計算得到ao，通過bc和oc計算得到bo，在三角形三邊ab、ao和bo都已知情況下，便可以計算得到∠bao。於是便可得到根據a點定位信息得到o點定位信息，並根據垂直距離oc，得到第一定位子系統中水下機器人的第四位置信息。其中，第二定位子系統中環境對象相對於水下機器人的第一位置信息可以通過雙目識別原理，配合第二聲吶收發器32檢測到的環境對象相對於水下機器人的相對距離，利用透視算法計算得到。綜合上述水下機器人的第四位置信息和環境對象相對於水下機器人的第一位置信息，便可以計算得到環境對象的定位信息。
在本發明實施例中，預設距離優選的根據水下機器人所要工作的水深深度、水下機器人工作的區域範圍，以及母船1和浮標2上聲吶設備的最佳工作距離計算得到。
實施例4：
本發明實施例是實施例1所述方案在具體實現場合下的一種系統組合形式，在本實施例中所述浮標2具體數量為兩個或者兩個以上(在本實施例中以兩個為例進行闡述)。本實施例突出的適用於水下機器人中沒有配置水深傳感器的情況，或者浮標2數量比較充足希望能夠更準確的計算得到目標對象定位信息的場合。在本實施例中所述浮標2具體數量為兩個或者兩個以上，以所述兩個或者兩個以上的浮標2和母船1的聲吶設備作為參考點，其中，各參考點在水面上構成等邊圖形。如圖6所示在本實施中，所述系統包括具有主動聲吶功能的母船1、兩個具有被動聲吶功能的浮標2和水下機器人3，
所述水下機器人3用於獲取環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息；並向所述母船1發送所述第一位置信息。
所述母船1和浮標2之間相差預設距離，母船1用於獲取所述浮標2的第二位置信息；
所述母船1和浮標2之間建立有第二通訊鏈路，其中，浮標2中記錄有母船1聲吶信號的相關參數，並將採集到的來自水下機器人3的聲吶反射信號通過所述第二通訊鏈路反饋給母船1；
所述母船1用於根據所述用於根據自身的第三位置信息、浮標的第二位置信息(包括浮標2和浮標21)、母船1和各浮標採集到的水下機器人3的聲吶反射信號，以及環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息，計算得到目標對象的定位信息。
本發明實施例充分利用了母船自身的續航能力，以及其配備的聲吶設備功能，簡化了水下機器人和浮標的設計需求，並利用由母船、浮標和水下機器人構建起來的第一定位子系統，以及由水下機器人和目標對象構建起來的第二定位子系統，由母船或者陸地伺服器計算得到目標對象的定位信息，所述定位信息包括經緯度信息、水深信息等等。相比較現有技術中採用的由水下機器人作為等價與所述第一定位子系統中的主動聲吶源，本發明實施例能夠提高水下機器人的續航能力，並且減少水下機器人的數據處理量，從側面降低了水下機器人的製造成本。另一方面，還能通過多浮標構成的檢測系統，進一步提高最終計算得到的目標對象的定位信息。
在本實施例中，將結合圖6所示結構示意圖，闡述如何根據所述用於根據自身的第三位置信息、浮標的第二位置信息(包括浮標2和浮標21)、母船1和各浮標採集到的水下機器人3的聲吶反射信號，以及環境對象4相對於水下機器人3的第一位置信息，計算得到目標對象的定位信息。
如圖6所示，根據母船的第三位置信息和浮標的第二位置信息(包括圖中浮標2和浮標21)計算得到三角形abd各邊的長度，根據母船1和各浮標採集到的水下機器人3的聲吶反射信號分別計算得到ab、bc和dc的長度，此時，便可以構建錐形c-abd模型，並根據錐形模型計算得到水下機器人3相對於母船1所在位置a的位置偏移量，從而得到所述第四位置信息。其中，第二定位子系統中目標對象相對於水下機器人的第一位置信息可以通過雙目識別原理，配合第二聲吶收發器32檢測到的目標對象相對於水下機器人的相對距離，利用透視算法計算得到。綜合上述水下機器人的第四位置信息和目標對象相對於水下機器人的第一位置信息，便可以計算得到目標對象的定位信息。
在本發明實施例中，預設距離優選的根據水下機器人所要工作的水深深度、水下機器人工作的區域範圍，以及母船1和浮標2上聲吶設備的最佳工作距離計算得到。
實施例5：
本發明實施例提供還提供了一種自主式水下機器人組合導航系統，如圖7所示，系統中包括水下機器人3和服務端5。所述服務端5可以是位於地面上的伺服器5(如圖7所示)，也可以採用水面上的母船5作為服務端5(如圖8所示)，因具體的場合可以採用上述不同的組合方式，具體的：
所述水下機器人向服務端發送攜帶預規劃航線的地理模塊請求消息。
其中，所述預規劃航線可以是1)操作人員直接在水下機器人操作界面上設置，或者是2)通過數據線經由與水下機器人連接的個人pc導入，還可以是3)由服務端操作人員直接遠程進行設置。
所述服務端匹配所述航線和維護的地理模塊，並向所述水下機器人返回覆蓋所述航線的一個或者多個地理模塊，其中，所述地理模塊中包含現實環境中相應區域的標定信息。本發明實施例所述水下機器人的操作方式，適合於上述第1)種和第2)種情況，而對於第3中情況服務端可以直接向水下機器人發送航線信息和對應所述航線的一個或者多個地理模塊。
所述水下機器人還用於根據水下機器人配備的測速儀、姿態傳感器和深度傳感器採集的信息，以及初始位置信息，推算出航位導航信息；在確認當前航位導航信息下，水下機器人處於地理模塊a中時，採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配；根據匹配結果調整用於計算航位導航信息的補償參數和/或調整匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率。
在本發明實施例中，處理模塊a的描述僅僅是為了便於理解當前航位導航信息下的限定條件，因此，標註內容a並沒有特殊的限定作用，在實際情況下也可以利用阿拉伯數字或者其它字母組合進行稱呼和標定。
本發明實施例提出了一種結合航位推算法和地理模塊識別法的自主式水下機器人組合導航方法，相比較現有的單一的航位推算法容易隨時間和航程累積和發散的問題，利用地理模塊和航位推算法中的航位導航信息進行匹配(包括地理模塊的標定信息和具體航位下的環境信息)，根據匹配結果調整航位推算法和/或匹配計算航位導航信息和地理模塊中標定信息的頻率，從而改善了單一航位推算法存在的問題。
另一方面，本實施例所述方法對於水下機器人的硬體成本要求不高，並且，結合本發明實施例所提出的地理模塊識別方法和與預規劃航線，進一步減少水下機器人的計算量，在提高其導航精準度的情況下，也提高了其續航能力。
在本發明實施例中，所述標定信息為由圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項組成。
在本發明實施例中，所述採集周邊的環境信息，並與所述地理模塊a中的標定信息進行匹配，具體包括：
所述水下機器人採集周邊的圖片、聲吶信息、溫度、海水流速中的一項或者多項，並與相應地理模塊中的標定信息進行逐一匹配。其中具體匹配方式可以參考實施例1中展開描述內容，在此不一一贅述。
值得說明的是，上述裝置和系統內的模塊、單元之間的信息交互、執行過程等內容，由於與本發明的處理方法實施例1基於同一構思，具體內容可參見本發明方法實施例1中的敘述，此處不再贅述。
在本發明實施例中，為了應對更為複雜的環境，所述服務端還可以具備更強大的分析能力。例如：當一個地理模塊中具備的標定信息為多個和/或多種時，服務端還會接收到當前進行任務的水下機器人的性能參數，並根據當前進行任務的水下機器人所具備的、可供匹配的標定信息參數項，對所述地理模塊中的多個標定信息進行篩選，將適合與當前進行任務的水下機器人的標定信息發送給所述水下機器人。
本領域普通技術人員可以理解實施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體來完成，該程序可以存儲於一計算機可讀存儲介質中，存儲介質可以包括：只讀存儲器(rom，readonlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或光碟等。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。