[发明专利]水下机器人缆系信标长距离光学导航系统及方法

说明书

本发明公开一种水下缆系信标长距离光学导航系统及方法，包括：蓝绿信标阵列与控制舱内电源控制相连，组成缆系光学导航节点；控制舱与光学导航节点挂载于缆系分支上，形成地图导航路标；海底电缆与岸上、水下基站相连；水下相机与水下机器人舱内视觉识别模块组成水下视觉识别系统，视觉识别模块接收相机视频信号，输出导航信息至水下机器人控制器；还包括基于光学导航节点的光学长距离导航算法，通过节点光源特征提取、航向计算、数据融合，获得用于SLAM定位的导航信息。本发明满足水下机器人大尺度长距离导航要求、适应力强、稳定性好，适用于水下机器人在缆系系统中长期工作导航定位。

技术领域

本发明公开一种基于神经网络的水下机器人缆系信标长距离光学导航方法，适合水下机器人在缆系环境下长期作业移动导航。

技术背景

电缆和管道是海洋工程建设中重要的基础设施，它们主要用于输送电能、天然气和油气等物质。随着海洋工程建设的不断发展，电缆和管道的数量也在增加，这就需要对它们进行定期的检测和维护。然而，由于海底环境的复杂性和恶劣性，传统的检测方法(如人工潜水)存在一定的风险和局限性。

AUV检测技术可以有效地解决这些问题。它利用AUV作为检测平台，通过预先编程的航迹和传感器系统进行检测。能够在水下环境中快速、准确、安全地执行检测任务，并且可以在复杂的海底地形中进行精确的定位和导航。这种技术的出现为海洋工程领域带来了重大突破，因为它能够提供一种安全、高效、经济的检测方法。随着技术的发展，AUV检测电缆和管道的应用范围也在不断扩大。目前，AUV检测技术已经成为海底基础设施检测的首选方法，并被广泛应用于海洋工程、海洋能源开发和海洋环境监测等领域。

在AUV检测电缆和管道技术中，通常会搭载多种传感器系统，包括声学传感器、电磁传感器和视觉传感器等。然而，在水下航行时，受到水流和海浪的影响，会出现航线偏差，对导航系统提出了较高的要求。AUV导航研究的主要目的是开发出一种有效的导航系统，能够在水下环境中自主运行。水下环境具有复杂的光学特性和信号传输限制，而且水下机器人的运动学和动力学特性也相对复杂，这需要解决许多技术难题，如水下信标定位、潜水器姿态测量和水下地图构建等。

开发水下长距离大尺度导航技术，可以通过结合多种传感器信息，实现AUV的高精度定位，从而提高AUV的导航能力。然而，利用缆系信标节点与匹配的神经网络导航算法进行大尺度长距离定位方法目前还尚未见报道。

发明内容

本发明公开一种水下缆系信标长距离光学导航系统及方法，针对水下缆系信标设计蓝绿信标阵列，提出了基于神经网络的长距离缆系节点导航技术。

为了实现上述目的，本发明技术解决方案如下：水下机器人缆系信标长距离光学导航系统，包括：

光学导航节点，包括多个不同颜色光源，设于缆系外表面，

相机，用于采集光学导航节点的光斑图像；

视觉识别模块，用于对光斑图像进行识别，得到水下机器人的相对航向；

机器人控制模块，用于根据识别的相对航向控制水下机器人前进方向。

所述光学导航节点包括两个光源，两光源中心的连线为水平方向。

第一光源发光的波长为450nm，第二光源发光的波长为510nm～550nm；第二光源、第一光源沿水下机器人前进方向依次排列。

第一光源为蓝色光源，第二光源为绿色光源；绿色光源、蓝色光源沿水下机器人前进方向依次排列。

水下机器人缆系信标长距离光学导航方法，包括以下步骤：

通过相机采集光学导航节点的光斑图像；

视觉识别模块对光斑图像进行识别，得到水下机器人的相对航向；

机器人控制模块根据识别的相对航向控制水下机器人前进方向。