一种水下爬壁机器人定位方法及其定位装置

技术领域

本发明涉及水下爬壁机器人技术领域，尤其是涉及一种水下爬壁机器人定位方法及其定位装置。

背景技术

水下爬壁机器人的精确定位是其能够可靠、精确地执行水下任务的信息保障与技术前提，也是水下机器人控制的难点。

现有的水下机器人定位方法主要是水声定位和视觉定位两种。水声定位系统是一种比较有效的水下定位方法，但是结构复杂、设备昂贵；而对于视觉定位，虽然陆地环境中的视觉定位系统相对已经比较成熟，但是水下环境中的视觉定位系统受到水体浑浊程度等因素的限制，没有达到预期效果。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种水下爬壁机器人定位方法，实现低成本的同时，保证水下爬壁机器人定位的精准性。并提供了其定位装置。

技术方案：一种水下爬壁机器人定位方法，

当机器人需在三维曲面上进行定位时，包括以下步骤：

步骤一：在机器人上设置一个圆环形的轨道，轨道上设置多个在其上滚动的滚轮，通过滚轮支架安装在轨道上，在滚轮支架上设置六个拉线固定孔，分别为a、b、c、d、e、f；

步骤二：将轨道圆心记为O，六个拉线固定孔的依次连线构成了一个圆形，其半径为R，相邻的拉线固定孔与轨道圆心O形成的连线的夹角分别为α、β、φ、

步骤三：设机器人的实时位置为对应于轨道圆心O在船舶表面的投影，即为过轨道的圆心沿着垂直于轨道面的直线与船舶表面的交点P；

步骤四：考虑到船舶表面的几何构型是确定的，设船舶表面的位置坐标满足整体坐标系下的已知方程：

f(x,y,z)＝0；

将整体坐标系oxyz平移到轨道圆心O(x

步骤五：根据坐标变换关系，空间中任意一点Q的位置坐标在整体坐标系oxyz下的位置坐标(x,y,z)和在局部坐标系Ox′y′z′下的位置坐标(x′,y′,z′)之间满足如下关系：

其中，a

步骤六：设e

e′

直角坐标系下的单位矢量满足如下关系：

由此可以建立6个独立的方程：

步骤七：不失一般性，设拉线固定孔a恰好在局部坐标系Ox′y′z′的x′轴上，拉线固定孔a在局部坐标系位置坐标为(R,0,0)，在整体坐标系下的位置坐标为：

则通过位移编码器可监测拉线固定孔a与相应船舶壁面固定点A之间的距离为l

由于拉线固定孔b与圆心O的连线Ob与拉线固定孔a与圆心O的连线Oa之间的夹角为α，拉线固定孔b在局部坐标系Ox′y′z′位置坐标为(Rcosα,Rsinα,0)，在整体坐标系下的位置坐标为：

通过位移编码器可监测拉线固定孔b与相应船舶壁面固定点B之间的距离为l

同理，可以针对其它四个拉线固定孔建立四个独立的方程，由此建立了12个独立的方程来确定12个未知的位置参数x

步骤八：根据圆形轨道的圆心O沿着垂直于轨道面的直线与船舶表面的交点为点P，OP的大小可视为已知量，假设为s，由于点P位于局部坐标系Oz′轴的负半轴上，则点P在局部坐标系下的位置坐标为(0,0,-s)，根据整体坐标和局部坐标之间的变换关系，点P在整体坐标系下的位置坐标为：

其位置坐标也应满足船舶表面坐标的已知方程：

f(x,y,z)＝0；

由此确定位置参数s＝s

进一步的，当机器人需在二维平面上进行定位时，包括以下步骤：

第一步：将三维坐标系改为二维坐标系oxy，将拉线固定孔的数量由六个减为三个，分别为a、b、c，它们分别与船舶壁面上的位置已知的三个点A、B、C通过位移编码器连接，以实时监测对应拉线固定孔与壁面固定点之间的距离，相邻的拉线固定孔之间的相对夹角减为三个，分别为α、β、φ；

第二步：将整体坐标系oxy平移到轨道圆心O(x

第三步：根据坐标变换关系，空间中任意一点Q的位置坐标在整体坐标系oxy下的位置坐标(x,y)和在局部坐标系Ox′y′下的位置坐标(x′,y′)之间满足如下关系：

其中，a

第四步：设e

整体坐标系下的单位矢量与局部坐标系下的单位矢量满足如下关系：

e′

直角坐标系下的单位矢量满足如下关系：

由此可以建立3个独立的方程：

第五步：不失一般性，假设拉线固定孔a恰好在局部坐标系Ox′y′的x′轴上，拉线固定孔a在局部坐标系位置坐标为(R,0)，在整体坐标系下的位置坐标为：

通过位移编码器可监测拉线固定孔a与相应固定点A之间的距离为l

由于拉线固定孔b与圆心O的连线Ob与拉线固定孔a与圆心O的连线Oa之间的夹角为α，拉线固定孔b在局部坐标系Ox′y′位置坐标为(Rcosα,Rsinα)，在整体坐标系下的位置坐标为：

通过位移编码器可监测拉线固定孔b与相应固定点B之间的距离为l

同理，可以针对拉线固定孔c可建立类似方程。由此建立了6个独立的方程来确定6个未知的位置参数x

第六步：圆形轨道的圆心O沿着垂直于轨道面的直线与船舶表面的交点P在局部坐标系下的位置坐标为(x

进一步的，当船舶、海洋结构物的壁面为平面时，采用建立二维坐标的二维平面定位方法进行定位。三维曲面定位方法适用于其余情况。

最佳的，船舶上已知的六个点A、B、C、D、E、F的依次连线形成的多边形是覆盖机器人任务范围的最小多边形。为提高监测精度，船舶、海洋结构物等壁面上六个位移编码器布置点A、B、C、D、E、F可以根据任务范围优化布置，使这六个点依次连线形成的多边形是覆盖任务范围的最小多边形即可。

一种使用上述的水下爬壁机器人定位方法的定位装置，包括轨道、滚轮、滚轮支架、拉线固定孔、拉线式位移编码器，轨道为圆环形，滚轮设有多个，沿滚轮支架周向间隔分布并分别通过一个滚轮轴与滚轮支架活动连接，滚轮支架与轨道配合安装使滚轮在轨道上滚动，滚轮支架上间隔设有六个拉线固定孔，拉线式位移编码器设有六个，安装于船舶或海洋结构物的壁面的六个布置点上，每个拉线式位移编码器的拉线分别与对应的一个拉线固定孔连接。

进一步的，所述装置安装于机器人上，通过机器人带动滚轮在轨道上滚动。机器人执行任务时，带动各位移编码器的拉线变化，同时带动滚轮在轨道上滚动自动调节滚轮支架与机器人之间的相对位置，在一定程度上防止各位移编码器的绕线之间相互缠绕。

最佳的，轨道安装于机器人的上部。轨道安装于机器人的上部位置，确保轨道中心有足够的高度，防止位移编码器的拉线于船舶、海洋结构物等壁面形成干扰。

位移编码器为拉线式位移编码器，根据执行任务需要，拉线式位移编码器应有足够的量程。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：通过设置拉线式的位移编码器，建立三维模型或二维模型实现机器人的有效定位，该定位方法相比水声定位具有结构简单，成本低廉的优势；与视觉定位相比不易受水环境影响。

附图说明

图1为轨道的结构示意图；

图2为滚轮及滚轮支架的结构示意图；

图3为定位装置的结构示意图；

图4为机器人在三维曲面上的定位原理图；

图5为机器人在二维曲面上的定位原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种水下爬壁机器人定位方法，其中，水下机器人在三维曲面上的定位方法包括以下步骤：

步骤一：如图1所示，在机器人上设置一个圆环形的轨道，轨道上设置多个在其上滚动的滚轮，如图2、3所示，这些滚轮都安装在滚轮支架上，滚轮支架与轨道配合，在滚轮支架上设置六个拉线固定孔，分别为a、b、c、d、e、f。

步骤二：如图4所示，将轨道圆心记为O，六个拉线固定孔构成了一个圆形，其半径为R，相邻的拉线固定孔与轨道圆心O形成的连线的夹角分别为α、β、φ、

步骤三：考虑到水下机器人在清扫船舶外表面时有可能会进行转弯、掉头等操作，上述机构设置可以在一定程度上避免水下机器人在转弯时位移编码器的拉线发生相互缠绕。为了使水下清扫机器人能够执行特定的任务，需要实时对水下机器人所在位置进行预报。这个位置可以认为对应于上述轨道圆心O在船舶表面的投影，也就是过圆形轨道的圆心沿着垂直于轨道面的直线与船舶表面的交点P。

步骤四：由于船舶表面的几何构型是确定的，假设船舶表面的位置坐标满足整体坐标系下的已知方程：

f(x,y,z)＝0；

将整体坐标系oxyz平移到轨道圆心O(x

步骤五：根据坐标变换关系，空间中任意一点Q的位置坐标在整体坐标系oxyz下的位置坐标(x,y,z)和在局部坐标系Ox′y′z′下的位置坐标(x′,y′,z′)之间满足如下关系：

其中，a

步骤六：设e

e′

直角坐标系下的单位矢量满足如下关系：

由此可以建立六个独立的方程组：

步骤七：不失一般性，假设拉线固定孔a恰好在局部坐标系Ox′y′z′的x′轴上，拉线固定孔a在局部坐标系位置坐标为(R,0,0)，在整体坐标系下的位置坐标为：

通过位移编码器可监测拉线固定孔a与相应固定点A之间的距离为l

由于拉线固定孔b与圆心O的连线Ob与拉线固定孔a与圆心O的连线Oa之间的夹角为α，拉线固定孔b在局部坐标系Ox′y′z′位置坐标为(Rcosα,Rsinα,0)，在整体坐标系下的位置坐标为：

通过位移编码器可监测拉线固定孔b与相应固定点B之间的距离为l

同理，可以针对其它四个拉线固定孔建立四个独立的方程。由此建立了12个独立的方程来确定12个未知的位置参数x

步骤八：根据圆形轨道的圆心O沿着垂直于轨道面的直线与船舶表面的交点为点P，OP的大小可视为已知量，假设为s，由于点P位于局部坐标系Oz′轴的负半轴上，则点P在局部坐标系下的位置坐标为(0,0,-s)，根据整体坐标和局部坐标之间的变换关系，点P在整体坐标系下的位置坐标为：

其位置坐标应满足船舶表面坐标的已知方程：

f(x,y,z)＝0；

由此确定位置参数s＝s

水下机器人在二维平面上的定位方法包括以下步骤：

第一步：当船舶表面比较平整时可视可为二维平面时，由于维数的降低此时只需要三个拉线固定孔即可实现水下机器人的定位问题。如图5所示，在这个二维平面上建立整体坐标系oxy，三个拉线固定孔分别为a、b、c，它们分别与船舶表面上的位置已知的三个点A、B、C通过位移编码器连接，以实时监测对应滚轮与固定点之间的距离，相邻的滚轮之间的相对夹角分别为α、β、φ。

第二步：将整体坐标系oxy平移到轨道圆心O(x

其中，a

第三步：设e

整体坐标系下的单位矢量与局部坐标系下的单位矢量满足如下关系：

e′

直角坐标系下的单位矢量满足如下关系：

由此可以建立3个独立的方程组：

第四步：不失一般性，假设拉线固定孔a恰好在局部坐标系Ox′y′的x′轴上，拉线固定孔a在局部坐标系位置坐标为(R,0)，在整体坐标系下的位置坐标为：

通过位移编码器可监测拉线固定孔a与相应固定点A之间的距离为l

由于拉线固定孔b与圆心O的连线Ob与拉线固定孔a与圆心O的连线Oa之间的夹角为α，拉线固定孔b在局部坐标系Ox′y′位置坐标为(Rcosα,Rsinα)，在整体坐标系下的位置坐标为：

x

y

z

通过位移编码器可监测拉线固定孔b与相应固定点B之间的距离为l

同理，可以针对拉线固定孔c可建立类似方程。由此建立了6个独立的方程来确定6个未知的位置参数x

第五步：圆形轨道的圆心O沿着垂直于轨道面的直线与船舶表面的交点P在局部坐标系下的位置坐标为(x

使用上述的水下爬壁机器人定位方法的定位装置，包括轨道1、滚轮2、滚轮支架3、拉线固定孔4、位移编码器5，位移编码器5为拉线式位移编码器。轨道1为圆环形，轨道1上设有滚轮支架3，多个滚轮2有序的排列在滚轮支架3上，滚轮2和滚轮支架3的组合体可以顺畅的在轨道1内滚动，在滚轮支架3上设置多个拉线固定孔4，将位移编码器5固定在壁面的选定点上，位移编码器5的拉线连接到滚轮支架3对应的拉线固定孔4上，以监测拉线固定孔4与壁面选定点之间的距离，通过上述的算法可以预报水下爬壁机器人所在位置。

所述装置安装于机器人上，通过机器人带动滚轮在轨道上滚动。轨道安装于机器人的上部。