[發(fā)明專利]一種基于角錐器激光反射的水下機器人三維定位通信裝置及其方法

有效

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• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108680923B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設計）人: 楊燦軍;周璞哲;吳世軍;朱雨時
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S17/06
• 分類號: G01S17/06;G01S7/481;H04B10/50;H04B10/516;H04B10/54
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 褚超孚

1.一種基于角錐器激光反射的水下機器人三維定位通信裝置，其特征在于，包括位于海底的激光發(fā)射端基站和安裝在水下機器人上的激光反射端；

所述激光發(fā)射端基站包括帶窗口鏡的第一密封腔體以及設置在第一密封腔體內的：

激光發(fā)生器，用于發(fā)射加載有下行通信數據的激光；

振鏡系統(tǒng)，將激光反射至激光反射端并調整激光反射出去的角度；

電荷耦合攝像頭，接收從激光反射端反射回來的激光；

發(fā)射端處理器，根據所接收到的激光對應的振鏡系統(tǒng)的角度信息計算所述水下機器人的位置并從電荷耦合攝像頭接收到調制激光的圖像中解調出上行通信數據；

所述激光反射端包括：

光敏接收器，接收由所述激光發(fā)射端基站出射的加載有下行通信數據的激光；

定位角錐器陣列，由多個定位角錐器組成，用于反射由所述激光發(fā)射端基站出射的激光；

通信角錐器，反射由所述激光發(fā)射端基站出射的激光；

聚合物分散液晶，置于所述通信角錐器的外周，將所述上行通信數據調制入由所述通信角錐器反射的激光；

反射端處理器，處理由所述光敏接收器接收的激光，并控制聚合物分散液晶進行激光調制。

2.根據權利要求1所述的水下機器人三維定位通信裝置，其特征在于：

所述的第一密封腔體內設有位于所述激光發(fā)生器的發(fā)射端的擴束鏡，以及位于所述擴束鏡光路上的反射棱鏡，該反射棱鏡將經所述擴束鏡擴束后的激光反射至所述的振鏡系統(tǒng)，經振鏡系統(tǒng)調整后的激光從所述窗口鏡射出。

3.根據權利要求1所述的水下機器人三維定位通信裝置，其特征在于：

所述的定位角錐器陣列包括沿同軸布置的第一定位角錐器、第二定位角錐器和第三定位角錐器。

4.根據權利要求3所述的水下機器人三維定位通信裝置，其特征在于：

所述的激光反射端還包括第二密封腔體，所述的第二密封腔體的上端設有穿過腔體上端蓋的上固定桿，下端設有固定在腔體下端蓋上的下固定桿，所述上固定桿和下固定桿同軸設置；

所述的第一定位角錐器和第二定位角錐器間隔安裝在所述上固定桿上，且位于第二密封腔體外，所述的第三定位角錐器安裝在所述下固定桿上；

所述的光敏接收器和通信角錐器均安裝于所述上固定桿上，且位于所述第二密封腔體內。

5.根據權利要求4所述的水下機器人三維定位通信裝置，其特征在于：

所述的第二密封腔體為由亞克力材料制成的透明結構。

6.根據權利要求1所述的水下機器人三維定位通信裝置，其特征在于：

所述的光敏接收器為由繞中心軸均勻排布的12個光敏二極管組成的360°全向型光敏接收器。

7.根據權利要求1所述的水下機器人三維定位通信裝置，其特征在于：

所述的定位角錐器和通信角錐器均采用角錐棱鏡。

8.一種基于角錐器激光反射的水下機器人三維定位通信方法，基于權利要求1至4任一項權利要求所述的水下機器人三維定位通信裝置實現，其特征在于，包括以下步驟：

1)激光發(fā)生器向水下機器人所處區(qū)域發(fā)射激光，由電荷耦合攝像頭接收定位角錐器反射的激光，對所述水下機器人進行定位；

2)根據水下機器人的位置計算出位于水下機器人上的光敏接收器的位置，并將加載有控制指令的激光發(fā)送到該位置的光敏接收器，向所述水下機器人發(fā)送通信數據；

3)根據水下機器人的位置計算出位于水下機器人上的通信角錐器的位置，并發(fā)射激光至通信角錐器，通信角錐器對激光進行反射，并利用聚合物分散液晶對激光進行調制加載傳輸數據，并反射入激光發(fā)射端基站內，向所述激光發(fā)射端基站上傳通信數據。

9.根據權利要求8所述的水下機器人三維定位通信方法，其特征在于，步驟1)中，定位所述水下機器人的步驟包括：

1-1)建立水下機器人坐標系和激光發(fā)射端基站坐標系，設水下機器人坐標系原點O₂與基站窗口鏡在水平方向的距離為d_prf，利用定位角錐器獲得三組d_prf'的值，對三組d_prf'進行加權平均得到距離d_prf；

其中，d_prf'的獲取方法為：

設對準激光反射端上第一定位角錐器與第二定位角錐器的兩束激光在第一密封腔體內的俯仰角為θ_inq,1、θ_inq,2，兩束激光在水體里的角度為θ′_inq,1、θ′_inq,2，兩個定位角錐器原點在水下機器人坐標系下的位置為p_r,1＝(0,0,L_r,1)、p_r,2＝(0,0,L_r,2)，L_r,1為第一定位角錐器與水下機器人坐標系原點O₂的距離，L_r,2為第二定位角錐器與水下機器人坐標系原點O₂的距離，則d_prf'通過以下公式求解：

公式中d_itf表示激光發(fā)射端基站坐標系原點O₁與窗口鏡的距離，ψ_inq,1表示激光在第一密封腔體內的偏航角，n_w表示水的折射率；

1-2)設第i個激光光束在水體中的直線l_lsr,i由點P_lsr,i＝(P_lsr,x,i,P_lsr,y,i,P_lsr,z,i)和單位方向向量δ_lsr,i＝(δ_lsr,x,i,δ_lsr,y,i,δ_lsr,z,i)來描述，其中P_lsr,i是第i個激光光束與窗口鏡的交點，令cos(·)＝c(·)，sin(·)＝s(·)，則：

其中，T_refr表示原始零位激光光束到最終水體中激光光束的旋轉矩陣，T_refr,1,1、T_refr,2,1與T_refr,3,1分別表示旋轉矩陣T_refr的第1列第1～3行的元素，T₂表示經過窗口鏡折射前、后激光光束的旋轉矩陣，ψ_inq,i表示第i個激光光束在發(fā)射端第一密封腔體內的偏航角，θ_inq,i表示第i個激光光束在發(fā)射端第一密封腔體內的俯仰角，q是將激光從空氣中變換到水體中旋轉矩陣對應的四元數，是激光光線從空氣折射到水中偏轉過程對應的偏轉角度，n_refr是偏轉軸單位向量，則水下機器人的定位位置為：