专利名称：核电站水下机器人的导航系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及核电站水下机器人的导航系统，主要是利用多种传感器和微小型水下机器人的核电站工作环境信息，提供水下机器人的工作位置和状态。
背景技术：
现今，核电站的安全已经日益受到重视。核电站在大修期间，需要对核电站内多处场所进行监测、检修。因为核电站中存在核辐射的环境，所以机器人成为了任务的执行者。其中核电站微小型水下机器人就是在堆芯池、构件池内完成观测和简单作业的任务。水下机器人完成任务就需要实时知道水下机器人的工作位置和状态，即需具备导航系统。目前的水下机器人常用的导航系统有长/短基线定位声纳、GPS、惯导系统等。其中，长/短基线定位声纳系统需要安装固定的位置基阵，成本较高，而且不适合在核电站内安装；GPS在核电站内无法接收到信号，不能使用；高精度的惯导系统价格昂贵，且体积上也不适合微小型水下机器人的使用。针对核电站微小型水下机器人在核电站堆芯池和构件池的工作要求发明的导航系统，为微小型水下机器人在核电站工作提供的安全保障。

发明内容
本发明的目的是为核电站水下机器人在核电站的堆芯池和构件池内工作时提供
导航信息。本发明的目的是这样实现的核电站水下机器人导航系统包括导航传感器单元、传输和接收单元、数据处理单元、工作环境单元、显示单元。所述的导航传感器单元包括嵌入式航姿系统、深度计和扫描声纳；嵌入式航姿系统由三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪、三轴磁强计和DSP处理芯片组成，测量水下机器人的角速度和加速度，并能实时解算出水下机器人的三维姿态信息；深度计测量水下机器人的深度；扫描声纳测量水下机器人和池壁的距离。其中深度计的测量范围是0-40米，测量精度4cm。扫描声纳能进行360°范围的扫描，识别的分辨率有10cm。传输和接收单元，将嵌入式航姿系统解算的姿态信息传输到水下机器人的控制模块，然后通过控制模块将嵌入式航姿系统的测量数据和深度计的测量数据由一路RS485进行传输。扫描声纳的数据量大，通过单独的一路RS485通讯传输到岸上数据处理单元。数据处理单元，将导航传感器单元的测量数据进行滤波方法处理，包括如下将深度计数据进行均值滤波，将扫描声纳数据进行图像处理得到二维平面的位置和航向角，然后处理过的两个传感器数据和航姿系统的加速度数据、姿态数据通过联邦卡尔曼滤波处理，解算出微小型水下机器人在工作环境的位置数据。工作环境单元，包括核电站水下机器人工作的堆芯池和构件池的虚拟环境。通过对核电站内实际堆芯池和构件池的尺寸测量，利用软件画出两个池的虚拟环境。同时构造环境网格和坐标系，利用数据处理单元的结果可以将水下机器人的位置在环境中显示。并且，可以将水下机器人的作业路线也在虚拟环境中呈现。
显示单元，把核电站水下机器人的工作位置和状态通过界面实时显示出来。显示具备缩放功能，可以对水下机器人的定位情况放大，以便更清晰的显示状态。本发明的优点包括(I)应用于核电站水下机器人,基于的导航传感器体积较小、成本较低，实现较简单；(2)基于多传感器的数据预处理和联邦卡尔曼滤波，使得导航系统的结果稳定可靠，并能达到较高精度；(3)本发明能实时提供核电站水下机器人在堆芯池和构件池内工作的位置和状态，并显示水下机器人在工作路线。


图I为核电站水下机器人导航系统的原理图；图2为导航传感器单元的示意图；图3为数据处理单元的算法流程图；图4为工作环境单元示意具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明图I核电站水下机器人导航系统的原理图。整个系统包括导航传感器单元、传输和接收单元、数据处理单元、工作环境单元、显示单元。首先通过导航传感器单元的声纳、深度计和嵌入式航姿系统对核电站微小型水下机器人的状态进行测量，如图2所示，以此获得水下机器人的加速度、角速度、姿态信息、深度信息和距离池壁的距离。然后利用传输和接收单元将各类传感器的数据从水下传输到数据处理单元。导航传感器的信息通过两路RS485进行通讯传输。深度计和嵌入式航姿系统的传感器信息通过一路RS485通讯，声纳传感器信息通过单独一路RS485进行传输。数据处理单元是通过对各传感器的信息进行处理以获取水下机器人的位置和姿态。处理过程可以分为预处理和信息融合两步。预处理包括深度计量测信息的预处理、声纳信息的预处理、加速度信息的预处理。具体的过程如下。深度计量测信息的预处理，可以通过均值滤波器处理。深度计在测量时量测值存在噪声，为得到平缓数据，依据如下公式进行处理Dk= ((1^2+(1^+4)/3 (I)Dk为预处理后的深度值，dk为深度计测量的数据。声纳信息的预处理是为了将传输来的声纳数据转化为声纳图像，再进行图像处理获得水下机器人的平面位置和航向角信息。声纳每次发射的声波都是呈扇形放射性的对当前角度上的区域进行扫描，扫描的最大距离是30m，全方位进行扫描。通过对接收到的回波的各个参数的分析，可以正确的在该方向上绘制一次扫描的图像。通过连续的扫描，就得到了 360°范围的图像。其中返回强度值较大的，就是代表测量获得的池壁。然后通过灰度变化，提取出池壁的距离信息。通过平面几何的运算，以此得到水下机器人在平面内的位置和航向角。
加速度计的预处理通过陀螺仪信息融合，提高加速度值的精度，具体过程可以通过卡尔曼滤波器处理，下式为状态方程和量测方程

式中X= [a]为处理后的加速度计值；z = [am]为加速度计测量的加速度值；Φ (t) = -S[ m(t)]为由陀螺仪量测值组成的转移矩阵；H(t) = I为单元阵。预处理后的加速度值经过一次积分可以获得水下机器人的速度，如下面式子表示，Vk = Vk-JakAt (3)式中At为计算周期。计算得到速度再经过一次积分可以获得水下机器人的位置，如下面式子表示，pk = Pk-Avk Δ t (4)而通过加速度积分获得的位置为水下机器人的相对位置，它需要已知前一刻的绝对位置。通过这样递推的方式，来实时得到水下机器人的绝对位置。这样的方式会得到较大的误差。而由深度计和声纳解算出来的位置信息为水下机器人在水池内的绝对位置。因此，通过信息融合来实现最优的导航信息。将两种处理后的数据一起通过联邦卡尔曼滤波器处理，解算得到水下机器人的位置和状态，如图3所示。接着构建工作环境单元，如图4所示，对核电站实际的堆芯池和构件池进行虚拟环境的建模。同时在虚拟环境中建立绝对坐标系和网格，通过数据处理单元的位置和姿态信息就可以在虚拟环境中显示出来。最后通过VC开发界面，将水下机器人的模型和工作环境单元结合，利用显示单元将核电站微小型水下机器人的工作位置和状态实时的显示出来。此系统针对核电站水下机器人系统而开发。它可以为核电站水下机器人提供可靠的导航信息，为微小型水下机器人在核电站安全工作提供了保障。
权利要求
1.核电站水下机器人的导航系统，其特征是包括导航传感器单元、传输和接收单元、数据处理单元、工作环境单元、显示单元；导航传感器单元利用嵌入式航姿系统测量水下机器人的加速度、姿态和航向，深度计测量水下机器人的深度，扫描声纳测量水下机器人的二维平面位置；传输和接收单元把多种传感器的信息从水下传输到岸上的数据处理单元；数据处理单元将导航传感器的数据进行滤波融合，得到水下机器人的工作位置；工作环境单元是把核电站水下机器人的实际工作环境进行了虚拟仿真处理；显示单元是将核电站水下机器人的工作位置和状态实时的显示。
2.如权利要求书I所述的核电站水下机器人的导航系统，其特征是所述导航传感器单元包括嵌入式航姿系统、深度计和扫描声纳；嵌入式航姿系统由三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪、三轴磁强计和DSP处理芯片组成，测量水下机器人的角速度和加速度，并能实时解算出水下机器人的三维姿态信息；深度计测量水下机器人的深度；扫描声纳测量水下机器人和池壁的距离。
3.如权利要求书I所述的核电站水下机器人的导航系统，其特征是所述传输和接收单元，将嵌入式航姿系统解算的姿态信息传输到水下机器人的控制模块，将嵌入式航姿系统的测量数据、深度计的测量数据和扫描声纳的测量数据通过RS485通讯传输到岸上数据处理单元。
4.如权利要求书I所述的核电站水下机器人的导航系统，其特征是所述数据处理单元，将导航传感器单元的测量数据进行滤波方法处理，包括如下将深度计数据进行均值滤波，将扫描声纳数据进行图像处理得到二维平面的位置和航向角，然后处理过的两个传感器数据和航姿系统的加速度数据、姿态数据通过联邦卡尔曼滤波处理，解算出微小型水下机器人在工作环境的位置数据。
5.如权利要求书I所述的核电站水下机器人的导航系统，其特征是所述工作环境单元，包括核电站水下机器人工作的堆芯池和构件池的虚拟环境。
6.如权利要求书I所述的核电站水下机器人的导航系统，其特征是所述显示单元，把核电站水下机器人的工作位置和状态通过界面实时显示出来。
全文摘要
核电站水下机器人的导航系统，包括扫描声纳、深度计、嵌入式航姿系统组成的导航传感器单元、传输传感器数据并在岸上实时接收单元、对多种传感器数据处理单元、核电站微小型水下机器人的工作环境单元、实时显示核电站微小型作业潜艇导航信息单元。本发明利用多种传感器的信息和水下机器人在核电站堆芯池、构件池工作环境的信息，提供水下机器人的工作位置和状态。
文档编号G01S15/06GK102944233SQ20121044295
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者丑武胜, 方斌, 马鑫, 郭晓旗 申请人:北京航空航天大学