一种基于电缆段运动状态的水下机器人定位方法与流程

1.本发明涉及水下定位技术，具体涉及一种基于电缆段运动状态的水下机器人定位方法。


背景技术：

2.水下机器人的定位不管是对于深海探测还是河湖清淤都起到至关重要的作用，及时获取水下机器人在水中的具体位置有利于水下机器人高效完成水下任务。目前用于水下机器人的定位主要有基于gps的水下定位和水下声学定位，其中基于gps的水下定位会随着时间的增长产生较大的累计误差，影响水下机器人的定位精度，无法进行长时间定位。而水下声学定位需要提前在水下布置基线，操作复杂，设备成本较高，且受噪声、水流等其他外界因素的影响，会降低定位精度，这限制了水下机器人在有外界噪声等因素干扰的环境中的应用。而现有基于缆绳形变监测的水下载具定位方法虽然提出对水下机器人所带缆绳的形状进行精确的监测，达到对其末端运载器进行定位的目的，减少了定位成本，且不受噪声水流等其他外界因素的影响，但201610121698.1一种可用于水下载具定位的缆绳的形变监测系统中提到的圆弧法理论并不符合缆绳在实际过程中产生的变形，在经过一系列的测量之后获得的水下机器人的位置信息并不准确，降低了定位精度。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种水下定位方法，尤指一种基于电缆段运动状态的水下机器人定位方法。
4.本发明所采用的技术方案是：水下机器人与船体通过电缆进行连接，根据实际运动过程中电缆各部分变形的情况提前对电缆进行分段，并在各个电缆段两端布置角度传感器和深度传感器，通过传感器获取的信息对电缆段的运动状态进行判断，确定电缆段在局部坐标系中的位置，将各个电缆段在局部坐标系中的位置转换到全局坐标系中并进行叠加获得水下机器人的位置信息。
5.优选的步骤如下：一种基于电缆段运动状态的水下机器人定位方法，其特征在于：选取连接船体和水下机器人的电缆任意一段作为研究对象，以第i个电缆段为例，靠近船体一侧节点为局部坐标系原点，且电缆段在局部坐标系xoz平面内运动，通过电缆段两端布置的角度传感器和深度传感器获取局部坐标系下电缆段两端节点切向方向与竖直向下方向的夹角以及到水面的深度，规定节点夹角顺时针方向为正，逆时针方向为负，判断电缆段两端节点夹角符号是否相同，确定电缆段处于不同运动状态下在局部坐标系中的位置信息；
6.当第i个电缆段两端节点夹角符号相同时，电缆段在局部坐标系中发生移动、偏转和弯曲，将电缆段的运动过程分成两个阶段，第一阶段电缆段发生移动和偏转，为刚体运动，则在局部坐标系中的位置为：
[0007][0008]
其中：(x
i
',y
i
',z
i
')为第一阶段电缆段远离船体一侧节点在局部坐标系中的位置，l
i
为电缆段的长度；θ
i
为电缆段靠近船体一侧节点的夹角；
[0009]
第二阶段电缆段发生弯曲，由于电缆段弯曲产生的挠度由水流力q和电缆段远离船体一侧节点处受到的拖拽力f导致，且f与节点到水面的距离有关，节点到水面的距离越大，受到的拖拽力f越大，引入参数表示水流力q和拖拽力f对电缆段远离船体一侧节点因弯曲变形产生的挠度分配，式中h
i
为电缆段远离船体一侧节点到水面的深度，h为水下机器人到水面的深度；
[0010]
根据悬臂梁理论，并代入参数λ，则电缆段由q和f产生的挠度为：
[0011][0012]
其中，θ
bi
＝|θ
i 1
‑
θ
i
|为电缆段远离船体一端弯曲产生的偏转角，θ
i 1
为电缆段远离船体一侧节点的夹角；
[0013]
则第二阶段电缆段在局部坐标系中的位置为
[0014][0015]
其中：(x
i
,y
i
,z
i
)为第二阶段电缆段远离船体一侧节点在局部坐标系中的位置。
[0016]
当第i个电缆段两端节点夹角符号相反时，通过脊线法建立电缆段上任意一点切线方向和竖直向下方向夹角θ的函数方程为：
[0017]
θ(s)＝
‑
a1cosπs a2sinπs a3[0018]
其中s为弧长参数，a1,a2,a3为待定系数，满足以下条件：
[0019][0020]
确定a1,a2,a3的数值，并代入电缆段曲线方程组得到曲线方程为：
[0021][0022]
其中s＝1；
[0023]
从而求出电缆段远离船体一侧的节点在局部坐标系中的位置(x
i
,0,z
i
)。
[0024]
本发明采用的技术方案所达到的有益效果是：本发明提出的水下机器人定位方法主要是基于电缆段运动状态的判定和计算方法，不会随时间的增长产生累计误差，不受噪
声、水流等其他环境因素的影响，布置简单，成本低，采用的辅助装置，如角度传感器和深度传感器，结构简单，测定效率高，使用环境友好，且对于电缆段运动状态的分析更符合实际情况，提高了水下机器人的定位精度。
附图说明
[0025]
图1为本发明的设备结构示意图。
[0026]
图2为本发明的工作方法步骤流程图。
[0027]
图3为本发明实施例中电缆段运动状态示意图一。
[0028]
图4为本发明实施例中电缆段运动状态示意图二。
[0029]
图5为本发明实施例中坐标转换示意图。
[0030]
附图标注说明：1
‑
第一曲线，2
‑
第二曲线，3
‑
第三曲线。
具体实施方式
[0031]
以下结合说明书附图，详细说明本实施例的具体实施方式：
[0032]
如图1
‑
5所示，一种水下机器人定位方法，所述的定位方法基于水下机器人和船体连接的电缆运动状态进行判定计算，理念是水下机器人与船体通过电缆进行连接，根据实际运动过程中电缆各部分变形的情况提前对电缆进行分段，并在各个电缆段两端布置角度传感器和深度传感器，通过传感器获取的信息对电缆段的运动状态进行判断，确定电缆段在局部坐标系中的位置，将各个电缆段在局部坐标系中的位置转换到全局坐标系中并进行叠加获得水下机器人的位置信息。
[0033]
如图2所示，采用一种水下机器人定位方法进行定位的方法具体包括以下步骤：
[0034]
s1、建立坐标系：以电缆与船体连接的点作为全局坐标系的原点建立坐标系；一种基于电缆段运动状态的水下机器人定位方法，以电缆与船体连接的点作为全局坐标系的原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，根据右手定则建立全局坐标系，且根据电缆实际运动状态将连接水下机器人和船体的电缆进行分段，其中靠近船体和水下机器人的电缆部分由于变形小划分长度大，而电缆中间部分由于变形大划分长度小，并提前在各个电缆段两端节点布置角度传感器和深度传感器，来获取电缆段两端节点切线方向和竖直向下方向的夹角以及节点到全局坐标系原点沿z轴方向的深度，则本发明所涉及的设备及全局坐标系如图1所示。
[0035]
s2、建立局部坐标系：选取连接船体和水下机器人的电缆任意一段作为研究对象；具体的是选取任意电缆段作为研究对象，该电缆段靠近船体一侧的节点作为局部坐标系原点，电缆段所在的平面作为局部坐标系xoz平面，且竖直向上为z轴正方向，电缆段弯曲的方向为x轴正方向，根据右手定则建立电缆段局部坐标系xyzo。
[0036]
s3、获取实时参数：采用角度传感器和深度传感器获取夹角和深度参数；具体的是通过电缆段两端布置的角度传感器和深度传感器获取实时局部坐标系下电缆段两端节点切向方向与竖直向下方向的夹角以及节点到全局坐标系原点沿z轴方向的深度，规定节点夹角顺时针方向为正，逆时针方向为负；判断电缆段两端节点夹角符号是否相同，通过分段法和脊线法确定电缆段处于不同运动状态下在局部坐标系中的位置信息。
[0037]
s4、确定位置信息：根据夹角符号异同，以及深度参数，通过函数方程计算得到具
体的坐标值信息，确定具体位置，具体的是将各个电缆段在局部坐标系下的位置信息转换到全局坐标系中并进行叠加获取水下机器人的位置信息。
[0038]
实施例：以第i个电缆段作为研究对象进行定位的方法
[0039]
如图1
‑
5所示，s2中，选取连接水下机器人和船体的电缆任意一段作为研究对象，以第i段电缆段为例，且以靠近船体一侧的节点作为局部坐标系原点，电缆段所在的平面作为xoz平面，竖直向上为z轴正方向，电缆段弯曲的方向为x轴正方向，根据右手定则建立电缆段局部坐标系xyzo。
[0040]
s3中，通过第i个电缆段两端布置的角度传感器和深度传感器获取实时状态局部坐标系下电缆段两端节点切线方向与竖直向下方向的夹角以及节点到全局坐标系原点沿z轴方向的深度，其中第i个电缆段靠近船体一侧节点的夹角为θ
i
，深度为h
i
‑1，远离船体一侧节点的夹角为θ
i 1
，深度为h
i
，且规定夹角顺时针方向为正，逆时针方向为负。
[0041]
s4中，判断第i个电缆段两端节点夹角θ
i
和θ
i 1
符号是否相同，通过分段法和脊线法确定电缆段处于不同运动状态时在局部坐标系中的位置信息。
[0042]
当电缆段两端节点夹角θ
i
和θ
i 1
符号相同时，电缆段在局部坐标系中发生偏转、移动和弯曲，为了方便分析电缆段的运动状态，将其过程分成两个阶段，第一阶段电缆段发生偏转和移动，为刚体运动，第二阶段电缆段发生弯曲，则电缆段在局部坐标系中的运动状态如图3所示。
[0043]
电缆段从t1时刻运动到t2时刻，且在t1时刻的位置如图3中的第一曲线1所示，在t2时刻的位置如图3中的第三曲线3所示，根据电缆段运动状态的两个阶段，第一阶段电缆段到达如图3中的第二曲线2所示位置，则电缆段在局部坐标系中的位置为：
[0044][0045]
其中：(x
′
i
,y
′
i
,z
′
i
)为第一阶段电缆段远离船体一侧节点在局部坐标系中的位置，l
i
为电缆段的长度；θ
i
为电缆段靠近船体一侧节点的夹角。
[0046]
在第二阶段中，电缆段发生弯曲，从如图3中的第二曲线2所示位置到达第三曲线3所示位置，由于电缆段弯曲产生的挠度由水流力q和电缆段远离船体一侧节点处受到的拖拽力f导致，且f与节点到水面的距离有关，节点到水面的距离越大，受到的拖拽力f越大，引入参数表示水流力q和拖拽力f对电缆段远离船体一侧节点因弯曲变形产生的挠度分配，式中h
i
为第i个电缆段远离船体一侧节点到全局坐标系原点沿z轴方向的深度，h为水下机器人到全局坐标系原点沿z轴方向的深度；
[0047]
根据悬臂梁理论，并代入参数λ，则电缆段由q和f产生的挠度为：
[0048][0049]
其中：θ
bi
＝|θ
i 1
‑
θ
i
|为电缆段远离船体一端弯曲产生的偏转角，θ
i 1
为电缆段远离船体一侧节点的夹角；
[0050]
则第二阶段电缆段在局部坐标系中的位置为：
[0051][0052]
其中(x
i
,y
i
,z
i
)为第二阶段电缆段远离船体一侧节点在局部坐标系中的位置；
[0053]
电缆段两端节点夹角θ
i
和θ
i 1
符号相反时，建立电缆段上任意一点切线方向和竖直向下方向夹角θ的函数方程为：
[0054]
θ(s)＝
‑
a1cosπs a2sinπs a3[0055]
其中：s为弧长参数，a1,a2,a3为待定系数，满足以下条件：
[0056][0057]
确定a1,a2,a3的数值，并代入电缆段曲线方程组得到曲线方程为：
[0058][0059]
其中s＝1；
[0060]
从而求出电缆段远离船体一侧的节点在局部坐标系中的位置(x
i
,y
i
,z
i
)；
[0061]
其中y
i
＝0。
[0062]
将各个电缆段在局部坐标系下的位置信息转换到全局坐标系中，以第i个电缆段所在的局部坐标系为例，为了便于电缆段位置的转换，建立起以第i个电缆段靠近船体一侧的节点为坐标原点的坐标系x
i
y
i
z
i
o，且该坐标系的x
i
、y
i
、z
i
轴方向和全局坐标系的x、y、z轴的方向保持一致，则电缆段的位置坐标转换公式为；
[0063][0064]
其中α
i
为第i个电缆段所在的局部坐标系xyzo沿z轴方向逆时针旋转得到坐标系x
i
y
i
z
i
o所转过的角度；
[0065]
将各个电缆段远离船体一侧的节点在局部坐标系中的坐标转换到坐标系x
i
y
i
z
i
o后得到的位置信息在全局坐标系下进行叠加即可求得水下机器人在全局坐标系下的位置为：
[0066][0067]
其中(x,y,z)为水下机器人在全局坐标系下的坐标。
[0068]
上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。