水下机器人及其镜头去污方法与流程

本申请涉及水下勘测领域，具体而言，涉及一种水下机器人，能够在不干扰自身的水声设备、保持位置和姿态稳定的条件下实现镜头自动去污。

背景技术：

水下机器人执行观测任务时通常使用光学相机进行拍摄，由于水中存在泥沙、动植物碎屑等大量悬浮物，水下相机的镜头极易沾染污渍，降低成像质量。然而由于水下机器人的工作环境往往十分危险，工作人员不可进入，因此需要使用自动化的方法实现镜头去污。

现有水下相机镜头去污方法有机械擦拭、超声波清洗以及水泵喷水清洗的方法。机械擦拭的方法依赖于可运动的机械结构，其缺点一是机械结构的运动会引起水下机器人重心的变化，并对水下机器人产生作用力，从而干扰水下机器人的姿态控制，影响相机拍摄画面的稳定性，二是机械擦拭会导致镜头镜片磨损。超声波清洗方法的明显缺点是超声波会严重干扰声呐等水下声学设备，制约了其在水下机器人上的应用。水泵喷水的方法因为喷射水流的反作用力，也会干扰水下机器人的姿态控制，影响相机拍摄画面的稳定性。

由于对水下目标进行精细观察时，为使拍摄画面稳定，要求水下机器人处于悬停状态。此时外力和自身重心的变化都会使其位置或姿态发生改变，进而影响到相机拍摄画面的稳定性。因此，镜头去污方法不应影响水下机器人的原有位姿。

针对上述问题，需要一种能够在不干扰自身的水声设备、保持位置和姿态稳定的条件下实现镜头自动去污的水下机器人。

在所述背景技术部分，公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术信息。

技术实现要素：

本申请旨在提供一种水下机器人，能够在不干扰自身的水声设备、保持位置和姿态稳定的条件下实现镜头自动去污。

本申请提出一种水下机器人，包括机器人本体、相机和动力定位系统，所述相机设置于所述机器人本体；所述动力定位系统包括：至少一个去污推进器，相邻设置于所述相机，所述至少一个去污推进器的出水方向朝向所述相机的镜头；运动推进器，设置于所述机器人本体；位姿测量分系统，收集所述水下机器人的位姿信息，并收集每个去污推进器和所述运动推进器的推进器状态信息；位姿控制器，连接每个去污推进器和所述运动推进器。

根据一些实施例，所述水下机器人还包括主控系统，所述主控系统连接所述动力定位系统，所述主控系统向所述动力定位系统发出指令。

根据一些实施例，所述位姿测量分系统是惯性导航系统、多普勒测速仪和超短基线水声定位系统中的一种或多种。

根据一些实施例，所述去污推进器的数量为偶数。

根据一些实施例，每个所述去污推进器的尺寸、质量一致，所述去污推进器对称地设置在所述镜头的两侧。

根据一些实施例，本申请还提出所述水下机器人的镜头去污方法，所述方法包括：所述水下机器人接收镜头去污指令；每个去污推进器逐渐增加推力；所述位姿测量分系统收集所述水下机器人的位姿信息；所述位姿测量分系统收集每个去污推进器和所述运动推进器的推进器状态信息；所述位姿控制器根据所述位姿信息和所述推进器状态信息计算维持所述水下机器人位姿稳定所需的推进器推力大小，并发出推力控制指令；每个去污推进器和所述运动推进器根据所述推力控制指令调整推力大小。

根据本申请的一些实施例，位姿测量分系统主要通过惯性导航系统、多普勒测速仪和超短基线水声定位系统等传感器测量设备的位置和姿态；位姿控制器根据测量到的位姿变化向执行机构发出能够维持位姿稳定的控制指令；水下推进器作为执行机构，接收控制指令，调整推力大小和工作时长，最终实现自主悬停定位。

根据本申请的一些实施例，由于水下机器人的动力定位系统中已包含水下推进器，新增的用于镜头去污的水下推进器可直接接入动力定位系统，从而将镜头去污操作纳入到水下机器人的位姿控制中统一管理。这样，在进行镜头去污时，去污推进器和其他推进器的推力和工作时间由动力定位系统统一自动调节，使水下机器人的位姿基本保持不变，从而确保了相机拍摄画面的稳定性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1示出根据本申请示例实施例的水下机器人的结构示意图。

图2示出根据本申请一些实施例的水下机器人的结构示意图。

图3示出根据本申请示例实施例的水下机器人的镜头去污方法流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本申请提出一种水下机器人，能够在不干扰自身的水声设备、保持位置和姿态稳定的条件下实现镜头自动去污。

根据本申请的技术构思，使用水下推进器对镜头进行去污，水下推进器是水下机器人的基本部件，为水下机器人的运动提供动力来源，其产生水流的大小和时间长度都可以精确控制，为实现在复杂水流环境下实现精准自主悬停定位。

下面将参照附图，对根据本申请的水下机器人进行详细说明。

图1示出根据本申请示例实施例的水下机器人的结构示意图。

参见图1，示例实施例的水下机器人包括机器人本体101、相机103和动力定位系统105。

如图1所示，相机103设置于机器人本体101；动力定位系统105包括去污推进器1051、运动推进器1053、位姿测量分系统1055和位姿控制器1057；去污推进器1051相邻设置于相机103，去污推进器1051的出水方向朝向相机103的镜头，运动推进器1053设置于机器人本体101，位姿测量分系统1055收集水下机器人的位姿信息，并收集去污推进器1051和运动推进器1053的推进器状态信息，位姿控制器1057连接去污推进器1051和运动推进器1053。

根据示例实施例，位姿测量分系统1055是惯性导航系统、多普勒测速仪和超短基线水声定位系统中的一个或多个，位姿测量分系统1055用于收集水下机器人的位姿信息，并收集去污推进器1051和运动推进器1053的推进器状态信息；位姿控制器1057用于根据位姿信息和推进器状态信息计算维持水下机器人位姿稳定所需的推进器推力大小，并发出推力控制指令。

根据一些实施例，去污推进器1051的数量是偶数。

根据本申请的示例实施例，位姿测量分系统主要通过惯性导航系统、多普勒测速仪和超短基线水声定位系统等传感器测量设备的位置和姿态；位姿控制器根据测量到的位姿变化向执行机构发出能够维持位姿稳定的控制指令；水下推进器作为执行机构，接收控制指令，调整推力大小和工作时长，最终实现自主悬停定位。

图2示出根据本申请一些实施例的水下机器人的结构示意图。

参见图2，一些实施例的水下机器人包括机器人本体201、相机203、动力定位系统205和主控系统（图中未示出）。

如图2所示，相机203设置于机器人本体201；动力定位系统205包括第一去污推进器2051、第二去污推进器2053、运动推进器2055、位姿测量分系统2057和位姿控制器2059；第一去污推进器2051和第二去污推进器2053相对于相机203的镜头对称设置，第一去污推进器2051和第二去污推进器2053的出水方向朝向相机203的镜头，运动推进器2055设置于机器人本体201，位姿测量分系统2057收集水下机器人的位姿信息，并收集第一去污推进器2051、第二去污推进器2053和运动推进器2055的推进器状态信息，位姿控制器2059连接第一去污推进器2051、第二去污推进器2053和运动推进器2055。主控系统连接动力定位系统205。

根据一些实施例，第一去污推进器2051和第二去污推进器2053的尺寸、质量一致。

图3示出根据本申请示例实施例的水下机器人的镜头去污方法流程图。

参见图3，在s301，接收镜头去污指令。

通过接收水下机器人的主控系统发出的镜头去污控制指令,水下机器人进入镜头去污状态，其中，水下机器人包括机器人本体、设置于机器人本体的相机、动力定位系统和主控单元。动力定位系统包括至少一个去污推进器、运动推进器、位姿测量分系统和位姿控制器。所述至少一个去污推进器的出水方向朝向相机的镜头。

在s303，逐渐增加去污推进器推力。

每个去污推进器逐渐增加推力，利用每个去污推进器逐渐增加推力产生的水流对镜头进行去污。

在s305，收集位姿信息。

位姿测量分系统收集水下机器人的位置和姿态信息。

根据一些实施例，位姿测量分系统是惯性导航系统、多普勒测速仪和超短基线水声定位系统中的一个或多个，位姿测量分系统主要通过惯性导航系统、多普勒测速仪和超短基线水声定位系统等传感器测量设备的位置和姿态信息。

在s307，收集推进器状态信息。

位姿测量分系统收集每个去污推进器和运动推进器的推进器状态信息。

在s309，发出推力控制指令。

位姿控制器根据位姿信息和推进器状态信息计算维持水下机器人位姿稳定所需的推进器推力大小，并发出推力控制指令。

在s311，调整推进器推力大小。

每个去污推进器和运动推进器根据推力控制指令调整推力大小。同时主控系统根据是否接到去污完成的指令执行下一步操作，如果去污完成，主控系统停止每个去污推进器的工作，并调节运动推进器的推力以维持水下机器人的位姿稳定；如果去污未完成，则重复平缓增加每个去污推进器的推力，同时调整运动推进器的推力以维持水下机器人的位姿稳定，直至完成去污工作。

根据本申请的技术构思，当水下机器人处在悬停定位状态，使用本申请的方法进行镜头去污与不进行镜头去污相比，相机画面最大漂移量的增加量不超过1%，有此可见，本申请提出的方法不会影响拍摄稳定性。

以上对本申请实施例进行了详细描述和解释。应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

通过对示例实施例的描述，本领域技术人员易于理解，根据本申请实施例的技术方案至少具有以下优点中的一个或多个。

根据本申请的示例实施例，水下推进器是水下机器人的基本部件，为水下机器人的运动提供动力来源，其产生水流的大小和时间长度都可以精确控制。为实现在复杂水流环境下实现精准自主悬停定位。

根据本申请的示例实施例，位姿测量分系统主要通过惯性导航系统、多普勒测速仪和超短基线水声定位系统等传感器测量设备的位置和姿态；位姿控制器根据测量到的位姿变化向执行机构发出能够维持位姿稳定的控制指令；水下推进器作为执行机构，接收控制指令，调整推力大小和工作时长，最终实现自主悬停定位。

根据本申请的示例实施例，本申请的去污方法不产生超声波，因此不会干扰水下机器人携带的声学设备。去污水流大小由去污推进器的推力决定，可根据污渍类型灵活调整，从而节省能耗。

根据一些实施例，由于水下机器人的动力定位系统中已包含水下推进器，新增的用于镜头去污的水下推进器可直接接入动力定位系统，从而将镜头去污操作纳入到水下机器人的位姿控制中统一管理。这样，在进行镜头去污时，去污推进器和其他推进器的推力和工作时间由动力定位系统统一自动调节，使水下机器人的位姿基本保持不变，从而确保了相机拍摄画面的稳定性。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。