具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

在远海区域作业时，对目标船进行清洗需要作业母船携带水下机器人航行至待清洗船附近，控制水下机器人下潜至待清洗船的船底，利用水下机器人携带的清洗设备对船底进行清洗。由于海洋作业环境复杂，水下机器人在作业时可能受到各种外部因素的影响，对船舶清洗工作造成阻碍，因此需要实时确定水下机器人的准确位置。

目前，水下机器人主要是通过搭载定位设备，并结合算法的方式确定自己的位置，例如基于水声的定位方法、基于GPS的定位方法以及基于概率算法的定位方法等。

水下机器人在清洗船舶的过程中，可能遇到各种水上和水下环境，例如雾天或者浑浊水域，单靠肉眼和简单定位技术很难获得准确的水下机器人以及其相对被洗船的位置，技术人员需要及时获知水下机器人的位置和被洗船的位置，以便精准作业，保障水下机器人的正常作业。因此，如何准确高效地确定水下机器人的位置，以及其相对被洗船的位置是一个亟待解决的问题。

针对上述问题，发明人研究发现，由于作业母船和待清洗船均位于水面，且作业母船与水下机器人相连接，因此可以利用待清洗船上的检测装置和作业母船上的检测装置检测待清洗船与作业母船的位置关系，利用作业母船上的检测装置、下潜设备上的定位装置以及水下机器人上的定位装置确定水下机器人与作业母船的位置关系，最后通过待清洗船与作业母船的位置关系和水下机器人与作业母船的位置关系计算得到水下机器人与待清洗船的位置关系。

下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本公开实施例提供的一种水下机器人定位系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的水下机器人定位系统1包括：设置在待清洗船上的第一检测装置11、设置在作业母船上的第二检测装置12、设置在下潜设备上的第一水下定位装置13、设置在水下机器人上的第二水下定位装置14以及上位机15；

其中，所述第一检测装置11用于检测获得待清洗船的位姿数据，并将所述待清洗船的位姿数据上传至上位机15；

所述第二检测装置12用于检测获得作业母船的姿态数据，还用于扫描获得待清洗船相对于作业母船的艏向角，并将所述作业母船的姿态数据和所述艏向角上传至上位机15；

所述第一水下定位装置13用于检测获得下潜设备与作业母船的相对位置数据，并将所述下潜设备与作业母船的相对位置数据上传至上位机15；

所述第二水下定位装置14用于当水下机器人位于水面时，检测获得水下机器人的水面位置数据，并将所述水下机器人的水面位置数据上传至上位机15；还用于当机器人位于水下时，检测获得水下机器人的水下位置数据，并将所述水下机器人的水下位置数据通过第一水下定位装置13上传至上位机15；

所述上位机15用于接收待清洗船的位姿数据、所述作业母船的姿态数据以及所述艏向角、所述水下机器人的水面位置数据和水下位置数据以及所述下潜设备与作业母船的相对位置数据；还用于通过定位算法对接收的数据进行数据解析和计算，得到水下机器人与待清洗船的相对位置数据。

本公开实施例提供了一种水下机器人定位系统，通过图1所提供的的水下机器人定位系统1，利用待清洗船上的第一检测装置11和作业母船上的第二检测装置12检测得到待清洗船的位姿数据、作业母船的姿态数据和待清洗船相对于作业母船的艏向角，并上传至上位机15，利用上位机15计算得到待清洗船与作业母船的位置关系；利用作业母船上的第二检测装置12、下潜设备上的第一水下定位装置13以及水下机器人上的第二水下定位装置14检测得到下潜设备与作业母船的相对位置数据、水下机器人的水面位置数据以及水下机器人的水下位置数据，并上传至上位机15，利用上位机15计算得到水下机器人与作业母船的位置关系，最后利用上位机15根据待清洗船与作业母船的位置关系和水下机器人与作业母船的位置关系计算得到水下机器人与待清洗船的位置关系，解决了水下机器人作业过程中定位精度低、实时性差、信息采集难等问题，实现了水下机器人精准高效定位。

在上述图1所示实施例的水下机器人定位系统基础上，在一种可能的实现方式中，参见图2，所述第一检测装置11包括第一无线载波模块111和第一姿态仪112；

所述第一无线载波模块111用于与所述第二检测装置12连接，通过接收所述第二检测装置12发射的超宽带脉冲信号确定待清洗船与作业母船的相对距离数据；

所述第一姿态仪112用于检测获得待清洗船的横滚角和俯仰角。

其中，无线模块载波是利用无线技术进行无线传输的一种模块，广泛地应用于电脑无线网络，无线通讯，无线控制等领域，无线模块主要由发射器、接收器和控制器组成，姿态仪在船舶姿态监测、声学测深姿态补偿以及海洋浮式平台监测等应用中，姿态仪都作为姿态监测系统的核心设备，姿态仪的本质是陀螺仪，加速度计及其数据融合的计算。

针对第一无线载波模块111，在具体实施时，第一无线载波模块111作为接收端，接收第二检测装置12发射的多个超宽带脉冲信号，测出待清洗船与作业母船之间的多个距离，由此可以计算出待清洗船与作业母船的的相对距离数据。

在上述图1所示实施例的水下机器人定位系统基础上，在一种可能的实现方式中，参见图3，所述第二检测装置12包括第二无线载波模块121、第二姿态仪122以及激光扫描模块123；

所述第二无线载波模121块用于与所述第一无线载波模块111连接，向所述第一无线载波模块111发射超宽带脉冲信号，以使所述第一无线载波模块111根据接收的超宽带脉冲信号确定待清洗船与作业母船的相对距离数据；还用于与所述第二水下定位装置14连接，通过接收所述第二水下定位装置14发射的超宽带脉冲信号确定水下机器人与作业母船的相对位置数据；

所述第二姿态仪122用于检测获得作业母船的横滚角和俯仰角；

所述激光扫描模块123用于对待清洗船进行扫描，获得待清洗船相对于作业母船的艏向角。

其中，激光扫描模块123为激光测距仪。

针对第二无线载波模块121，在具体实施时，第二无线载波模块121包括多个发射单元，向第一无线载波模块111发射多个超宽带脉冲信号，用以测出待清洗船与作业母船之间的多个距离，从而计算出待清洗船与作业母船的相对距离数据。

需要说明的是，激光扫描模块包含的激光测距仪的数量和激光测距仪的位置在这里不做限制，只要满足测量要求即可。

具体实施时，第二无线载波模块121设有3个发射单元，3个发射单元安装于特定位置，向第一无线载波模块111发射3个超宽带脉冲信号，测出第一无线载波模块111与第二无线载波模块121之间的3个距离，用以计算待清洗船与作业母船的相对位置数据。

在上述图1所示实施例的水下机器人定位系统基础上，在一种可能的实现方式中，参见图4，所述第一水下定位装置13包括压力传感器131、第三姿态仪132以及计算模块133；

所述压力传感器131用于检测获得下潜设备的水深数据；

所述第三姿态仪132用于检测获得下潜设备的姿态数据；

所述计算模块133用于根据所述下潜设备的水深数据、下潜设备的姿态数据以及下潜设备的下潜距离数据确定下潜设备与作业母船的相对位置数据。

本实施例中，压力传感器131检测获得下潜设备的水深数据，第三姿态仪132检测获得下潜设备的姿态数据，通过下潜设备的缆绳长度获得下潜设备的下潜距离数据，利用计算模块133计算得到下潜设备与作业母船的相对位置数据。

在上述图1所示实施例的水下机器人定位系统基础上，在一种可能的实现方式中，参见图5，所述第二水下定位装置14包括第三无线载波模块141和水下定位模块142；

所述第三无线载波模块141用于当水下机器人位于水面时，与所述第二无线载波模块121连接，向所述第二无线载波模块121发射超宽带脉冲信号，以使所述第二无线载波模块121根据接收的超宽带脉冲信号确定水下机器人与作业母船的相对位置数据；

所述水下定位模块142用于当水下机器人位于水下时，检测获得水下机器人与下潜设备的相对位置数据，并将所述水下机器人与下潜设备的相对位置数据通过所述第二水下定位装置上传至上位机15。

由于水下机器人可能位于水面、也可能位于水下，当水下机器人属于不同位置时，采用不同的设备来测量。

具体实施时，当水下机器人位于水面时，水下机器人上的第三无线载波模块141作为发射端，向第二无线载波模块121发射超宽带脉冲信号，第二无线载波模块121设有3个接收单元，3个接收单元安装于特定位置，测出第三无线载波模块141与第二无线载波模块121之间的3个距离，用以计算水下机器人与作业母船的相对位置数据；当水下机器人位于水下时，水下定位模块142与第一水下定位装置13建立连接，将水下机器人与下潜设备的相对位置数据发送至第一水下定位装置13，并由第一水下定位装置13上传至上位机15。

在获得水下机器人与待清洗船的相对位置数据的基础上，为了更直观的展示水下机器人与待清洗船的位置关系，可以利用显示设备显示水下机器人和待清洗船的位置，以使技术人员能够实时查看二者的相对位置，掌握水下机器人的动态。

在一种可能的实现方式中，参见图6，所述水下机器人定位系统1，还包括：与所述上位机15连接的显示组件16；

所述上位机15还用于将所述水下机器人与待清洗船的相对位置数据与预设的待清洗船三维模型数据进行关联，得到含有水下机器人的待清洗船三维模型数据。

所述显示组件16用于将所述含有水下机器人的待清洗船三维模型数据进行图形化展示。

具体实施时，将预设的待清洗船三维模型数据导入上位机15，上位机15将水下机器人与待清洗船的相对位置数据与预设的待清洗船三维模型数据进行关联，确定水下机器人映射至预设的待清洗船三维模型上的位置，得到含有水下机器人的待清洗船三维模型数据，通过与上位机15连接的显示组件16将含有水下机器人的待清洗船三维模型数据进行图形化展示，以直观地展示水下机器人与待清洗船的位置关系。

图7为本公开实施例提供的一种水下机器人定位方法的流程图，应用于如前述实施例所述的水下机器人定位系统，如图7所示，所述方法包括：

S1、利用待清洗船上的第一检测装置和作业母船上的第二检测装置进行检测获得待清洗船与作业母船的相对距离数据、待清洗船的姿态角、作业母船的姿态角以及待清洗船相对于作业母船的艏向角；

在一种可能的实施方式中，利用待清洗船上的第一检测装置和作业母船上的第二检测装置进行检测，获得待清洗船与作业母船的相对距离数据、待清洗船的姿态角、作业母船的姿态角以及待清洗船相对于作业母船的艏向角，具体包括：控制第一无线载波模块接收第二无线载波模块发射的超宽带脉冲信号，根据该超宽带脉冲信号确定待清洗船与作业母船的相对距离数据；利用第一姿态仪检测获得待清洗船的横滚角和俯仰角，并利用第二姿态仪检测获得作业母船的横滚角和俯仰角；利用激光扫描模块对待清洗船进行扫描，获得待清洗船相对于作业母船的艏向角。

S2、利用作业母船上的第二检测装置、下潜设备上的第一水下定位装置以及水下机器人上的第二水下定位装置进行检测，获得下潜设备与作业母船的相对位置数据和水下机器人与下潜设备的相对位置数据；

在一种可能的实施方式中，当水下机器人位于水面时，控制第二无线载波模块接收第三无线载波模块发射的超宽带脉冲信号，根据该超宽带脉冲信号确定水下机器人与作业母船的相对位置数据；当水下机器人位于水下时，利用水下定位模块检测获得水下机器人与下潜设备的相对位置数据，利用压力传感器检测获得下潜设备的水深数据，利用第三姿态仪检测获得下潜设备的姿态数据，利用计算模块根据下潜设备的水深数据、下潜设备的姿态数据以及下潜设备的下潜距离数据确定下潜设备与作业母船的相对位置数据。

S3、利用上位机对待清洗船与作业母船的相对位置数据、下潜设备与作业母船的相对位置数据和水下机器人与下潜设备的相对位置数据进行坐标系转换处理，确定水下机器人与待清洗船的相对位置数据。

本公开实施例提供了一种水下机器人定位方法，利用待清洗船上的第一检测装置和作业母船上的第二检测装置进行检测获得待清洗船与作业母船的相对距离数据、待清洗船的姿态角、作业母船的姿态角以及待清洗船相对于作业母船的艏向角；利用作业母船上的第二检测装置、下潜设备上的第一水下定位装置以及水下机器人上的第二水下定位装置进行检测，获得下潜设备与作业母船的相对位置数据和水下机器人与下潜设备的相对位置数据；利用上位机对待清洗船与作业母船的相对位置数据、下潜设备与作业母船的相对位置数据和水下机器人与下潜设备的相对位置数据进行坐标系转换处理，确定水下机器人与待清洗船的相对位置数据，解决了水下机器人作业过程中定位精度低、实时性差、信息采集难等问题，实现了水下机器人精准高效定位。

在图7所示的技术方案基础上，图8为本公开实施例提供的另一种水下机器人定位方法的流程图，包括：

S4、利用上位机将所述水下机器人与待清洗船的相对位置数据与预设的待清洗船三维模型数据进行关联，得到含有水下机器人的待清洗船三维模型数据。

S5、利用显示组件将所述含有水下机器人的待清洗船三维模型数据进行图形化展示。

本实施例中，为了直观地展示水下机器人与待清洗船的位置关系，将预先构建的待清洗船三维模型数据导入上位机15，上位机15将水下机器人与待清洗船的相对位置数据与预设的待清洗船三维模型数据进行关联，确定水下机器人映射至预设的待清洗船三维模型上的位置，得到含有水下机器人的待清洗船三维模型数据，通过与上位机15连接的显示组件16将含有水下机器人的待清洗船三维模型数据进行图形化展示。

结合上述任一实施例提出以下具体示例，可以理解地，以下具体示例仅对上述任一实施例的具体实施进行示例性阐述，并非对上述任一实施例的技术方案进行限定。

具体来说，预设的参数包括第二无线载波模块的3个发射单元(接收单元)的位置关系数据、缆绳滚轮在作业母船坐标系下的坐标、缆绳长度数据以及滚轮距离水面的高度数据，还设有4个预设坐标系，分别为以第一无线载波模块为坐标系原点的待清洗船坐标系、以第二无线载波模块的1个发射单元为坐标系原点的作业母船坐标系，以缆绳滚轮为坐标系原点的滚轮坐标系以及以下潜设备为坐标系原点的下潜设备坐标系，具体步骤为：(1)在确定待清洗船与作业母船的相对位置数据时，已知第一无线载波模块与第二无线载波模块的3个发射单元之间的3个距离(d1、d2、d3)、第二无线载波模块的3个发射单元的位置关系数据、待清洗船的横滚角和俯仰角、作业母船的横滚角和俯仰角以及待清洗船相对于作业母船的艏向角，根据d1、d2、d3以及第二无线载波模块的3个发射单元的位置关系数据计算得到待清洗船坐标系与作业母船坐标系的平移矩阵，并根据待清洗船的横滚角和俯仰角、作业母船的横滚角和俯仰角以及待清洗船相对于作业母船的艏向角计算待清洗船坐标系与作业母船坐标系的旋转矩阵，将待清洗船坐标系与作业母船坐标系的平移矩阵和旋转矩阵作为待清洗船与作业母船的相对位置关系；(2)在确定下潜设备与作业母船的相对位置数据时，已知缆绳长度数据、下潜设备的水深数据、下潜设备的姿态数据、作业母船的姿态数据、滚轮距离水面的高度数据以及滚轮与第二无线载波模块的1个发射单元的位置关系，根据缆绳长度数据、下潜设备的水深数据、下潜设备的姿态数据以及滚轮距离水面的高度数据计算下潜设备在大地坐标系下的坐标，根据作业母船的姿态数据计算作业母船坐标系与大地坐标系的旋转矩阵，根据滚轮与第二无线载波模块的1个发射单元的位置关系确定作业母船坐标系与大地坐标系的平移矩阵；(3)在确定水下机器人与待清洗船的相对位置数据时，当水下机器人位于水面，已知第三无线载波模块与第二无线载波模块的3个接收单元之间的3个距离(d4、d5、d6)和第二无线载波模块的3个接收单元的位置关系数据，根据d4、d5、d6和第二无线载波模块的3个接收单元的位置关系数据计算得到水下机器人在作业母船坐标系下的坐标，再根据水下机器人在作业母船坐标系下的坐标以及待清洗船坐标系与作业母船坐标系的平移矩阵和旋转矩阵计算水下机器人在待清洗船坐标系下的坐标；当水下机器人位于水下，下潜设备获取水下机器人上的水下定位模块测得的水下机器人与下潜设备的相对位置数据，从而确定水下机器人在下潜设备坐标系下的坐标，然后根据水下机器人在下潜设备坐标系下的坐标和下潜设备在大地坐标系下的坐标计算水下机器人在大地坐标系下的坐标，并根据水下机器人在大地坐标系下的坐标以及作业母船坐标系与大地坐标系的旋转矩阵和平移矩阵计算水下机器人在作业母船坐标系下的坐标，最后根据水下机器人在作业母船坐标系下的坐标以及待清洗船坐标系与作业母船坐标系的平移矩阵和旋转矩阵计算水下机器人在待清洗船坐标系下的坐标。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些端口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以本发明权利要求的保护范围为准。