[发明专利]一种基于激光的水下机器人外部干扰力测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种基于激光的水下机器人外部干扰力测量系统，包括若干发射单束激光的激光发射装置、采集环境图像的图像采集装置、数据采集模块、数据处理模块，数据采集模块采集单束激光的发射距离、发射角，数据处理模块计算得出单束激光的预定落点和实际落点，并通过预定落点与实际落点的位置关系，得出外部干扰力的方向与大小。根据随机激光扫描，计算当前摄像采集的实际图像与真实图像的差异，然后根据差异值进行扭曲测算从而建立水流扰动力场模型，有助于后续选择最佳的行驶路径进行主动减振，因此没有控制时延，具有极好的动态响应性能，不严重依赖外部实时数据，具有极佳的不完全观测控制性能。

技术领域

本发明涉及水下机器人干扰力软测量，具体是涉及一种基于激光的水下机器人外部干扰力测量系统及测量方法。

背景技术

水下机器人作为人类探索、开发海洋的利器，已经引起世界各国的广泛关注。近年来，水下机器人广泛应用于科学、工业、商业和军事等领域，如海洋测绘、深海勘探、海上油气开发、管道维护、海上救援、水下目标跟踪与巡逻等。为执行上述任务，水下机器人需要携带各种高精度的传感器与惯性导航设备，然而海底复杂的水文情况所造成的水体晃动会干扰水下机器人的正常运行，如剧烈的水体晃动会造成陀螺仪漂移、重要设备的机械损伤等。因此水下机器人行驶时需要选择一条顺着水流的方向，尽量主动减小颠簸。现阶段，水下机器人主要依靠以下方法检测受到的外界干扰力。

(1)基于陀螺仪/MEMS传感器的外界干扰力感知

水下机器人通过安装的陀螺仪或者MEMS传感器感知船身在xyz轴下的加速度，用于计算船体姿势与外界干扰力。这种方法属于直接测量，陀螺仪或者MEMS传感器可以实际测量船身受到的干扰力，但是高精度的陀螺仪或者MEMS传感器价格昂贵，存在累积误差，并且这种方法只能检测到当前干扰力的数值。

(2)基于船身安装的压力传感器的外界干扰力感知

水下机器人通过安装在船身四周的压力传感器感知船身受到的水压力，再间接计算外界干扰力。这种方法属于间接测量，外界干扰力的测量精度受到安装在四周的压力传感器分布密度与精度影响。

(3)依赖洋流动态图/气候海洋信息实现的外界干扰力感知

实时观测得到的洋流动态图/气候海洋信息直接反映出洋流的干扰情况。这种方法属于直接测量，并且可以预测水下机器人未来航线中外界干扰力的情况。但是水下机器人潜航时，由于通信速率问题，这些信息很难实时更新。

综上所述，对水下机器人外部干扰力测量技术，尤其是预定航线中的外部干扰力测量是实现主动减振的前提。但是现有的外界干扰力感知方法，信息时延较大，对周围环境仅能实现部分观测，因此测量效果并不理想。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种根据定焦点随机激光扫描、基于视觉图像技术的扭曲测算干扰力的基于激光的水下机器人外部干扰力测量系统。

本发明还提供上述基于激光的水下机器人外部干扰力测量系统的测量方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于激光的水下机器人外部干扰力测量系统，包括若干激光发射装置、图像采集装置、数据采集模块、数据处理模块，每个所述激光发射装置随机发射单束激光，所述图像采集装置采集激光落点图像，所述数据采集模块采集若干激光发射装置随机发射的单束激光的发射距离、发射角，所述数据处理模块通过若干激光发射装置随机发射的单束激光的发射距离、发射角计算得出对应单束激光的预定落点，通过图像采集装置采集的激光落点图像得出单束激光的实际落点，所述数据处理模块通过对比单束激光预定落点与实际落点的位置关系，计算得出外部干扰力的方向与大小。