[发明专利]一种实现水下机器人精细导航的方法

说明书

本发明涉及水下机器人导航技术，旨在提供一种实现水下机器人精细导航的方法。包括：获得AUV的初始位姿；计算AUV在行进过程中的姿态、速度和位置；利用摄像机采集的水下图像信息，计算AUV的姿态和位置，并初始化AUV地图；对九轴传感器和摄像机采集的信息进行传感器信息融合，获得AUV最优位姿信息；根据AUV的最优位姿对地图进行更新；本发明利用九轴传感器的数据高更新率的特点，提高导航信息数据量；利用基于九轴的惯性导航提供每时刻的运动数据，为视觉导航提供尺度信息，同时解决视觉导航在水下匹配失真问题；利用视觉导航解决惯性导航的累积误差问题。本方法通过对AUV的位姿进行误差补偿，可以使AUV的位置误差，提高导航精度。

技术领域

本发明属于水下机器人导航技术领域，特别涉及一种针对自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)的精细导航方法。

背景技术

在近几年，人类开始广泛应用水下机器人对海底环境进行探索，采集深海海底生物、海底地形图像信息。水下机器人能够保证其自身安全并且正常完成一切任务的基础是：知道其自身的位置，即保证可靠的导航定位。随着深海科学调查的快速发展，海底调查任务需要构建小尺度的水下环境地图，因此对水下精细导航技术提出了迫切的需求。由于这些任务往往是利用水下机器人在某小片区域进行工作，相对于水下机器人整体活动区域尺度而言，工作区域是很小的，因此称为小微尺度。同时在工作区域中，AUV需要完成一系列操作，与特定位置环境进行互动，这就要求AUV的位置误差尽可能的小，数据更新率尽可能高，意味着需要对AUV进行高精度导航，这种高精度导航也被称为精细导航。目前水下导航过程中存在以下问题：1)在水下GPS设备无法使用；2)水下声学设备成本高、水听器布设麻烦等。

为了解决以上难题，研究人员提出利用水下地形作为参考，利用地形匹配系统与惯性导航系统结合为AUV提供导航，但这种水下导航仅使用于AUV大尺度航行，其误差为米级，不适用于小范围工作导航；同时研究人员针对部分水下作业(如水下装置充电、对准等)，提出利用单目摄像机寻找已知特征的水下标志物对AUV进行导航。这种导航方式的精度一般在厘米级，但极其依赖于水下先验的环境知识，而AUV在大部分工作时面对的是未知的水下环境。同时目前的水下导航方式均采用含有惯性导航方式的组合导航方式，受惯性导航平台所限，其数据更新率一般在秒级，数据刷新率低，难以精确地对AUV进行控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种实现水下机器人精细导航的方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种实现水下机器人精细导航的方法，该方法是利用九轴传感器获取AUV的运动信息，同时利用光学摄像机采集水底环境特征；在AUV运行时拍摄水底图像，通过环境图像建立水下环境地图，并通过传感器信息融合获得水下机器人自身位置以用于精细导航；具体包括以下步骤：

步骤一：获得AUV的初始位姿；

(1)利用陀螺仪和加速度计获取运动信息，利用磁力计测量周围磁场状态；

(2)利用加速度测量值计算静止状态下AUV的部分姿态：

由于在AUV静止时只受重力状态，静止状态有重力加速度，本发明通过静止状态下AUV的加速度来确定AUV的部分姿态。

假设AUV由加速度计测量所得的加速度测量值为其中表示AUV在x、y、z方向的加速度，下标代表轴方向；上标b表示载体坐标系，载体坐标系以载体朝向为y轴，右手方为x轴，上方为z轴，T表示矩阵转置。

通过向量关系得到AUV的俯仰角和横滚角：

其中，θ为俯仰角，以东方向为旋转轴的右手螺旋方向为正；γ为横滚角，以北方向为旋转轴的右手螺旋方向为正，|f^b|表示载体加速度值；