[发明专利]一种基于角锥器激光反射的水下机器人三维定位通信装置及其方法

权利要求书

1.一种基于角锥器激光反射的水下机器人三维定位通信装置，其特征在于，包括位于海底的激光发射端基站和安装在水下机器人上的激光反射端；

所述激光发射端基站包括带窗口镜的第一密封腔体以及设置在第一密封腔体内的：

激光发生器，用于发射加载有下行通信数据的激光；

振镜系统，将激光反射至激光反射端并调整激光反射出去的角度；

电荷耦合摄像头，接收从激光反射端反射回来的激光；

发射端处理器，根据所接收到的激光对应的振镜系统的角度信息计算所述水下机器人的位置并从电荷耦合摄像头接收到调制激光的图像中解调出上行通信数据；

所述激光反射端包括：

光敏接收器，接收由所述激光发射端基站出射的加载有下行通信数据的激光；

定位角锥器阵列，由多个定位角锥器组成，用于反射由所述激光发射端基站出射的激光；

通信角锥器，反射由所述激光发射端基站出射的激光；

聚合物分散液晶，置于所述通信角锥器的外周，将所述上行通信数据调制入由所述通信角锥器反射的激光；

反射端处理器，处理由所述光敏接收器接收的激光，并控制聚合物分散液晶进行激光调制。

2.根据权利要求1所述的水下机器人三维定位通信装置，其特征在于：

所述的第一密封腔体内设有位于所述激光发生器的发射端的扩束镜，以及位于所述扩束镜光路上的反射棱镜，该反射棱镜将经所述扩束镜扩束后的激光反射至所述的振镜系统，经振镜系统调整后的激光从所述窗口镜射出。

3.根据权利要求1所述的水下机器人三维定位通信装置，其特征在于：

所述的定位角锥器阵列包括沿同轴布置的第一定位角锥器、第二定位角锥器和第三定位角锥器。

4.根据权利要求3所述的水下机器人三维定位通信装置，其特征在于：

所述的激光反射端还包括第二密封腔体，所述的第二密封腔体的上端设有穿过腔体上端盖的上固定杆，下端设有固定在腔体下端盖上的下固定杆，所述上固定杆和下固定杆同轴设置；

所述的第一定位角锥器和第二定位角锥器间隔安装在所述上固定杆上，且位于第二密封腔体外，所述的第三定位角锥器安装在所述下固定杆上；

所述的光敏接收器和通信角锥器均安装于所述上固定杆上，且位于所述第二密封腔体内。

5.根据权利要求4所述的水下机器人三维定位通信装置，其特征在于：

所述的第二密封腔体为由亚克力材料制成的透明结构。

6.根据权利要求1所述的水下机器人三维定位通信装置，其特征在于：

所述的光敏接收器为由绕中心轴均匀排布的12个光敏二极管组成的360°全向型光敏接收器。

7.根据权利要求1所述的水下机器人三维定位通信装置，其特征在于：

所述的定位角锥器和通信角锥器均采用角锥棱镜。

8.一种基于角锥器激光反射的水下机器人三维定位通信方法，基于权利要求1至4任一项权利要求所述的水下机器人三维定位通信装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光发生器向水下机器人所处区域发射激光，由电荷耦合摄像头接收定位角锥器反射的激光，对所述水下机器人进行定位；

2)根据水下机器人的位置计算出位于水下机器人上的光敏接收器的位置，并将加载有控制指令的激光发送到该位置的光敏接收器，向所述水下机器人发送通信数据；

3)根据水下机器人的位置计算出位于水下机器人上的通信角锥器的位置，并发射激光至通信角锥器，通信角锥器对激光进行反射，并利用聚合物分散液晶对激光进行调制加载传输数据，并反射入激光发射端基站内，向所述激光发射端基站上传通信数据。

9.根据权利要求8所述的水下机器人三维定位通信方法，其特征在于，步骤1)中，定位所述水下机器人的步骤包括：

1-1)建立水下机器人坐标系和激光发射端基站坐标系，设水下机器人坐标系原点O₂与基站窗口镜在水平方向的距离为d_prf，利用定位角锥器获得三组d_prf'的值，对三组d_prf'进行加权平均得到距离d_prf；

其中，d_prf'的获取方法为：

设对准激光反射端上第一定位角锥器与第二定位角锥器的两束激光在第一密封腔体内的俯仰角为θ_inq,1、θ_inq,2，两束激光在水体里的角度为θ′_inq,1、θ′_inq,2，两个定位角锥器原点在水下机器人坐标系下的位置为p_r,1＝(0,0,L_r,1)、p_r,2＝(0,0,L_r,2)，L_r,1为第一定位角锥器与水下机器人坐标系原点O₂的距离，L_r,2为第二定位角锥器与水下机器人坐标系原点O₂的距离，则d_prf'通过以下公式求解：

公式中d_itf表示激光发射端基站坐标系原点O₁与窗口镜的距离，ψ_inq,1表示激光在第一密封腔体内的偏航角，n_w表示水的折射率；

1-2)设第i个激光光束在水体中的直线l_lsr,i由点P_lsr,i＝(P_lsr,x,i,P_lsr,y,i,P_lsr,z,i)和单位方向向量δ_lsr,i＝(δ_lsr,x,i,δ_lsr,y,i,δ_lsr,z,i)来描述，其中P_lsr,i是第i个激光光束与窗口镜的交点，令cos(·)＝c(·)，sin(·)＝s(·)，则：

其中，T_refr表示原始零位激光光束到最终水体中激光光束的旋转矩阵，T_refr,1,1、T_refr,2,1与T_refr,3,1分别表示旋转矩阵T_refr的第1列第1～3行的元素，T₂表示经过窗口镜折射前、后激光光束的旋转矩阵，ψ_inq,i表示第i个激光光束在发射端第一密封腔体内的偏航角，θ_inq,i表示第i个激光光束在发射端第一密封腔体内的俯仰角，q是将激光从空气中变换到水体中旋转矩阵对应的四元数，是激光光线从空气折射到水中偏转过程对应的偏转角度，n_refr是偏转轴单位向量，则水下机器人的定位位置为：