一種基于激光矩陣的水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人定位方法

秦 浩，楊仁友，楊 靚

(南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江)，廣東 湛江，524002)

近年來(lái)，中國(guó)海水漁業(yè)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，內(nèi)灣與近海水域分布共計(jì)有100多萬(wàn)只網(wǎng)箱[1-2]，為獲得更好的養(yǎng)殖質(zhì)量[3]，開(kāi)始嘗試將養(yǎng)殖水域向深遠(yuǎn)海拓展[4-6]。網(wǎng)衣作為深水網(wǎng)箱的重要組成部分，受污損生物的攀附影響，堵塞部分網(wǎng)孔，降低網(wǎng)箱內(nèi)溶氧含量[7-8]，增加環(huán)境載荷，降低網(wǎng)衣使用壽命[9]，破壞網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)，增加魚(yú)群逃逸風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。因此，網(wǎng)衣巡檢成為深海網(wǎng)箱的關(guān)鍵性技術(shù)和推廣中需要解決的重要難點(diǎn)之一[12]。目前，深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣巡檢依賴于專業(yè)潛水員下潛作業(yè)[13]。網(wǎng)衣受海浪等隨機(jī)性因素影響，會(huì)出現(xiàn)不可控的擺動(dòng)及變形[14-15]，而基于靜態(tài)參量設(shè)置的導(dǎo)航程序難以適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)衣情況，無(wú)法做到高精度定位與導(dǎo)航，可能造成機(jī)器人在巡檢過(guò)程中定位丟失、遺漏檢測(cè)區(qū)域等問(wèn)題，使得最終檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大誤差。因此面向隨機(jī)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)衣的動(dòng)態(tài)定位是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水下高精度巡檢作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

現(xiàn)有的水下定位技術(shù)，主要包括船位推算、慣性導(dǎo)航(INS)/聲學(xué)組合導(dǎo)航、INS/多普勒計(jì)程儀(DVL)組合導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、地球物理導(dǎo)航[16-17]等。航位推算[17-18]主要依賴測(cè)速儀、姿態(tài)儀及深度傳感器等，算法簡(jiǎn)單且實(shí)現(xiàn)方便，但其推算精度不高，養(yǎng)殖網(wǎng)箱中，網(wǎng)衣變形不易測(cè)量，故搭載機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)跟隨網(wǎng)衣的定位。慣導(dǎo)定位是一種根據(jù)載體的加速度和角速度值推算載體相對(duì)位置的導(dǎo)航方法[21]，自主性好、短時(shí)精度高，但是存在長(zhǎng)期累積誤差，常用超短基線設(shè)備或DVL抑制長(zhǎng)期漂移。超短基線等安裝位姿要沒(méi)入一定水深深度，難以獲取近水面的定位數(shù)據(jù)，且近水面受波浪背景噪聲及多途干擾，而且聲學(xué)設(shè)備對(duì)魚(yú)類養(yǎng)殖可能產(chǎn)生干擾，故養(yǎng)殖網(wǎng)箱不宜使用INS/聲學(xué)組合導(dǎo)航。類似地，DVL設(shè)備由于養(yǎng)殖魚(yú)群干擾會(huì)頻繁出現(xiàn)短時(shí)失效，同時(shí)受網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)干擾，很難獲取對(duì)底速度，無(wú)法消除慣導(dǎo)設(shè)備的累積誤差，因網(wǎng)衣變形難以測(cè)量，不適用于搭載機(jī)器人對(duì)網(wǎng)衣的相對(duì)定線航行和抵近檢測(cè)。在內(nèi)使用聲學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行水下機(jī)器人的定位。視覺(jué)系統(tǒng)[22-24]通常與激光或慣導(dǎo)結(jié)合使用，但由于光在水中傳播損耗較大，養(yǎng)殖網(wǎng)箱隨海浪周期性和隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，視覺(jué)里程計(jì)會(huì)引入背景誤差，以及網(wǎng)衣受流變形導(dǎo)致視覺(jué)里程計(jì)難以實(shí)現(xiàn)定位。地球物理導(dǎo)航[25-26]主要依靠自身攜帶的傳感器對(duì)地球物理參數(shù)，如地形匹配、重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)等，與預(yù)先勘探測(cè)繪的地球物理參考圖進(jìn)行對(duì)比獲得水下定位，其無(wú)源性，精度高，不受時(shí)間限制，隱蔽性強(qiáng)，在軍用中有著重要前景，但也因其傳感器精度要求高，技術(shù)尚不成熟，不適用于養(yǎng)殖網(wǎng)箱尺度的水下環(huán)境。

本研究利用相位式激光在水下近距離測(cè)距的高精度、低干擾優(yōu)勢(shì)，組成一套基于十字激光測(cè)距矩陣傳感器的水下機(jī)器人定位系統(tǒng)，并提出一種基于激光矩陣的水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人定位方法實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱系統(tǒng)內(nèi)的相對(duì)定位，以及巡航過(guò)程中的相對(duì)航行姿態(tài)計(jì)算。

1 基于激光矩陣的水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人定位系統(tǒng)

如圖1所示，該水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人的定位系統(tǒng)[27]包括：處理器1001，例如CPU，網(wǎng)絡(luò)接口1004，用戶接口1003，存儲(chǔ)器1005，通信總線1002。其中，通信總線1002用于實(shí)現(xiàn)這些組件之間的連接通信。用戶接口1003包括顯示屏(Display)、輸入單元比如鍵盤(Keyboard)，還包括標(biāo)準(zhǔn)的有線接口、無(wú)線接口。網(wǎng)絡(luò)接口1004包括標(biāo)準(zhǔn)的有線接口、無(wú)線接口(如WI-FI接口)。存儲(chǔ)器1005可以是高速RAM存儲(chǔ)器，也可以是穩(wěn)定的存儲(chǔ)器(non-volatile memory)，例如磁盤存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器1005可以是獨(dú)立于前述處理器1001的存儲(chǔ)裝置。

圖1 水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人硬件運(yùn)行環(huán)境的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，在水下巡檢機(jī)器人的航行過(guò)程中，使水下巡檢機(jī)器人上安裝的多個(gè)激光傳感器發(fā)射激光至目標(biāo)網(wǎng)衣上，并通過(guò)多個(gè)呈十字型排布的激光傳感器持續(xù)接收激光反射信號(hào)，以獲取初始回波信號(hào)圖。激光傳感器如圖2所示的方式間隔均勻排布并朝向目標(biāo)網(wǎng)衣表面，數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置；網(wǎng)衣由網(wǎng)線編織而成，其包括多個(gè)網(wǎng)目，激光傳感器發(fā)射的激光若打網(wǎng)線上，將被網(wǎng)線反射回同一激光傳感器上，而若打在網(wǎng)目位置，激光將穿過(guò)網(wǎng)目而不發(fā)生反射。激光傳感器接收到反射激光的時(shí)間點(diǎn)即為回波信號(hào)點(diǎn)，隨著水下巡檢機(jī)器人繞目標(biāo)網(wǎng)衣表面不斷航行，激光傳感器不斷接收到目標(biāo)網(wǎng)衣反射的反射激光。將每個(gè)激光傳感器的回波信號(hào)點(diǎn)在時(shí)間軸上逐一標(biāo)示出來(lái)，即形成了矩陣激光回波信號(hào)圖。通過(guò)計(jì)算分析信號(hào)圖，可以獲得水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人的相對(duì)定位。

圖2 激光傳感器的排布示意圖

2 水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人定位方法

如圖3所示，提出了一種基于激光測(cè)距矩陣的水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人定位方法，該方法包括以下步驟：基于網(wǎng)箱物理模型，利用地址編碼給網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)、網(wǎng)衣結(jié)點(diǎn)、網(wǎng)線、網(wǎng)孔建立編碼地址索引庫(kù)；水下巡檢機(jī)器人上安裝的多個(gè)激光傳感器發(fā)射激光至目標(biāo)網(wǎng)衣上并接收；通過(guò)激光信號(hào)接收器，獲取回波信號(hào)圖；通過(guò)回波信號(hào)圖得到機(jī)器人航行的網(wǎng)目位置；通過(guò)公式計(jì)算出航行距離、豎直偏移距離、橫向偏移距離和橫向偏移角度；從而確定水下巡檢機(jī)器人在水下網(wǎng)衣的定位地址。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱中，由于機(jī)器人在水下巡檢，水下環(huán)境的復(fù)雜，水體濁度對(duì)水下相位式激光測(cè)距儀精度影響較小，且在近距離測(cè)距中測(cè)量精度理想[28]，所以采用相位式激光傳感器的相位式激光進(jìn)行定位。

圖3 水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人定位方法流程圖

2.1 相位式激光測(cè)距原理

相位式激光測(cè)距的基本原理是對(duì)激光強(qiáng)度進(jìn)行幅度正弦波調(diào)制，并將傳播后的飛行時(shí)間(Time of flight)轉(zhuǎn)換為相位差[29]?？梢酝ㄟ^(guò)式(1)得到相位差Δφ：

(1)

式中：ω為調(diào)制光的角頻率，rad/s；τ為激光傳輸時(shí)間，s；f0為調(diào)制光的頻率，Hz；d為激光發(fā)射器到目標(biāo)的距離，m；c為激光傳播速度，m/s。

采用基于光外差相位檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相位測(cè)量時(shí)，具有良好的分辨率是非常重要的[30]。利用光外差技術(shù)，相位差又可以寫成Δφ=2πTX/TIF，其中TIF為中頻信號(hào)的周期，Tx為相位檢測(cè)器電路輸出處得到的矩形波列高脈沖寬度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。所以激光發(fā)射器到目標(biāo)的距離d可以由式(2)計(jì)算得到:

(2)

式中：λ0為激光波長(zhǎng)，m；λ0=c/f0。

相位差測(cè)量的精度受到串?dāng)_效應(yīng)、激光二極管驅(qū)動(dòng)器信號(hào)頻率的精度和穩(wěn)定性、相位檢測(cè)器計(jì)數(shù)器的局部頻率和時(shí)鐘脈沖頻率等因素的影響。而在水下測(cè)量時(shí)，水的折射率決定了光波長(zhǎng)、密度、溫度以及水的壓力。同時(shí)，水的鹽分、溫度、壓力及速率分布會(huì)引起折射率的非均勻分布，這會(huì)很大程度上影響激光測(cè)距儀的結(jié)果。光的吸收損耗會(huì)導(dǎo)致光束能量的減少，也會(huì)導(dǎo)致傳輸距離的減少。光的散射作用會(huì)影響光束的方向，并且會(huì)極大地降低測(cè)距精度。而使用的相位式激光測(cè)距能一定程度上避免水體濁度對(duì)精度的影響，但測(cè)距動(dòng)態(tài)范圍隨著水體濁度的增大呈現(xiàn)指數(shù)衰減現(xiàn)象。經(jīng)定標(biāo)校正后，水下相位式激光測(cè)距儀在水下3.5 m范圍內(nèi)測(cè)距誤差平均值不超過(guò)3 mm，可用于水下目標(biāo)近距離的精確測(cè)距[28]，本研究中漁網(wǎng)巡檢機(jī)器人的貼網(wǎng)距離設(shè)定為0.5 m，理論測(cè)距誤差滿足定位需求。

2.2 激光測(cè)距傳感器網(wǎng)格計(jì)數(shù)方法

在理想狀況下，水下巡檢機(jī)器人始終平行于橫向網(wǎng)線航行(具體為呈十字型的激光傳感器始終平行于橫向網(wǎng)線)，由于每個(gè)網(wǎng)目的尺寸相同，因此每個(gè)激光傳感器接收到豎向網(wǎng)線反射的反射光的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是基本相同的，即此時(shí)回波信號(hào)圖中每個(gè)激光傳感器的每個(gè)回波信號(hào)點(diǎn)在時(shí)間軸上的位置是基本相同的，在此情況下，當(dāng)各個(gè)激光傳感器的回波信號(hào)點(diǎn)在某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上同時(shí)出現(xiàn)，且在下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上再次同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，則可認(rèn)為水下巡檢機(jī)器人在兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間走過(guò)了一個(gè)網(wǎng)目的距離，因此在已知網(wǎng)目尺寸的情況下，通過(guò)統(tǒng)計(jì)總共走過(guò)的網(wǎng)目數(shù)量，可方便地獲知水下巡檢機(jī)器人相對(duì)目標(biāo)網(wǎng)衣表面的總航行距離。

具體計(jì)數(shù)步驟如下：

①將與豎向部上的激光傳感器相對(duì)應(yīng)的校正回波時(shí)間軸篩選出來(lái)，以作為豎向回波時(shí)間軸；

②設(shè)定時(shí)間閾值Δt(s)，在目標(biāo)航行時(shí)間段內(nèi)，統(tǒng)計(jì)多個(gè)豎向回波時(shí)間軸在一個(gè)Δt范圍內(nèi)均出現(xiàn)回波信號(hào)點(diǎn)的總次數(shù)，以作為水下巡檢機(jī)器人在目標(biāo)航行時(shí)間段內(nèi)的經(jīng)歷網(wǎng)目數(shù)；

③基于經(jīng)歷網(wǎng)目數(shù)，計(jì)算出校正航行距離ΔY。

時(shí)間閾值Δt具體可根據(jù)式(3)計(jì)算：

Δt=l/2v

(3)

式中：l為目標(biāo)網(wǎng)衣上單個(gè)網(wǎng)目的邊長(zhǎng)，m；v為水下巡檢機(jī)器人的航行速度，m/s。

如圖4所示的情況，在目標(biāo)航行時(shí)間段內(nèi)，多個(gè)豎向回波時(shí)間軸在一個(gè)時(shí)間閾值范圍內(nèi)均出現(xiàn)回波信號(hào)點(diǎn)的總次數(shù)為5次，則可認(rèn)為水下巡檢機(jī)器人在目標(biāo)航行時(shí)間段內(nèi)等效走過(guò)了5個(gè)網(wǎng)目的距離。

圖4 矩陣激光傳感器信號(hào)接收示意圖

由此可根據(jù)公式(4)計(jì)算出水下巡檢機(jī)器人的航行網(wǎng)目距離Δy。

Δy=N×l

(4)

式中：N為水下巡檢機(jī)器人經(jīng)歷的網(wǎng)目數(shù)，個(gè)。

2.3 網(wǎng)目?jī)?nèi)相對(duì)定位方法

通過(guò)激光測(cè)距傳感器網(wǎng)格計(jì)數(shù)方法僅能得到水下巡檢機(jī)器人經(jīng)歷過(guò)的網(wǎng)衣格數(shù)以及精度為l的距離信息，巡檢機(jī)器人以“網(wǎng)目”為單位進(jìn)行的定位，即網(wǎng)衣格柵定位，不能確定具體的相對(duì)位置信息，故需通過(guò)以下方法對(duì)巡檢機(jī)器人再次定位，提高定位精度。

如圖5所示，巡檢機(jī)器人P在巡檢過(guò)程中某時(shí)刻，十字矩陣激光中心P’掃過(guò)網(wǎng)目?jī)?nèi)，通過(guò)第一激光線AB可以確定P在繞第二激光線OO’旋轉(zhuǎn)面上的旋轉(zhuǎn)角pitch(rad)，即γ，以及第一激光線AB上的相對(duì)位移ΔY，即AP’(BP’)。

圖5 水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人網(wǎng)目?jī)?nèi)定位方法示意圖

同理，通過(guò)第二激光線OO’可以確定P在繞第一激光線AB旋轉(zhuǎn)面上的旋轉(zhuǎn)角yaw(rad)，以及第二激光線AB上的相對(duì)位移ΔX。

根據(jù)示意圖中的結(jié)構(gòu)信息，可以根據(jù)式(5)、(6)計(jì)算出γ及AP’(BP’)。

(5)

(6)

由此可以計(jì)算出巡檢機(jī)器人相對(duì)網(wǎng)衣的航行位置X、Y，以及航向角pitch、yaw，從而提高巡檢機(jī)器人的相對(duì)定位精度。

在實(shí)際中激光傳感單元的排列、角度、傳感噪聲、機(jī)器運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致誤差量Δl1、Δl2、Δα、Δβ的產(chǎn)生，下面通過(guò)誤差計(jì)算來(lái)分析誤差量對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響。

(7)

(8)

由于在每次試驗(yàn)在定標(biāo)矯正后才開(kāi)始試驗(yàn)，故Δα→0、Δβ→0，在仿真試驗(yàn)中Δα=0、Δβ=0，只有距離測(cè)量值會(huì)在傳感器噪聲以及運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生誤差值Δl1、Δl2。

故式(7)、(8)，可化簡(jiǎn)成：

(9)

(10)

式中：l′=l1/l2，Δl′=(l1+Δl1)/(l2+Δl2)。

由式(9)、(10)可見(jiàn)，Δγ～Δ(tanγ)～Δl′，計(jì)算中航向角誤差主要來(lái)源于測(cè)量值的比值Δl′，而航行位置誤差主要由各自的測(cè)量值Δl1、Δl2產(chǎn)生。

2.4 仿真環(huán)境搭建

2.4.1 養(yǎng)殖網(wǎng)箱編碼先驗(yàn)地圖建立

根據(jù)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱建立網(wǎng)箱的物理模型，如圖6所示?；诰W(wǎng)箱物理模型，利用地址編碼給網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)、網(wǎng)衣結(jié)點(diǎn)、網(wǎng)線、網(wǎng)孔建立編碼地址索引庫(kù)。網(wǎng)衣結(jié)點(diǎn)定義點(diǎn)編碼地址索引庫(kù)，網(wǎng)線定義線編碼地址索引庫(kù)，網(wǎng)孔(網(wǎng)目)建立面編碼地址索引庫(kù)，同時(shí)利用網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)定義編碼地址邊界條件。例如，某一網(wǎng)目編碼如圖7所示。

圖6 深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱物理模型

圖7 基于網(wǎng)箱模型的編碼示意圖

圖7編碼L0203H0102X06Y20中L后接數(shù)字表示結(jié)構(gòu)立柱02與03，H后接數(shù)字表示結(jié)構(gòu)桁架01與02，X、Y后接數(shù)字表示在該結(jié)構(gòu)立柱與結(jié)構(gòu)桁架為邊界條件的情況下，該平面區(qū)域中，網(wǎng)目的二維編碼位置。

2.4.2 仿真模型構(gòu)建

通過(guò)Gazebo仿真建模，利用水下機(jī)器人搭載本研究提出的十字矩陣激光傳感器，進(jìn)行該區(qū)域水下網(wǎng)衣巡檢的仿真試驗(yàn)，仿真主機(jī)的硬件配置如表1所示。

表1 仿真試驗(yàn)環(huán)境

仿真過(guò)程中，某時(shí)刻Gazebo的顯示界面如圖8所示。

圖8 Gazebo仿真環(huán)境中水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人作業(yè)圖

如圖9所示，十字激光矩陣激光傳感器在橫向及豎向上分別設(shè)置了32個(gè)激光器，激光器間隔角度為0.033 45 rad，從帶編碼標(biāo)記立柱的確定位置開(kāi)始，通過(guò)控制仿真機(jī)器人在規(guī)劃路徑上進(jìn)行適網(wǎng)航行巡檢作業(yè)，水下環(huán)境有水霧設(shè)定以模擬光在水下的衰減情況，以及通過(guò)給矩陣激光傳感器加入高斯噪聲達(dá)到傳感器的噪聲模擬，噪聲參數(shù)基于公布的Hokuyo激光器規(guī)范，在小于10 m的范圍內(nèi)達(dá)到“+30mm”的精度。本研究中設(shè)置均值為0.0 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01 m。

圖9 水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人巡航定位示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 激光矩陣信號(hào)分析

如圖10、圖11所示，水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人從基準(zhǔn)點(diǎn)開(kāi)始，依照規(guī)劃路徑作業(yè)巡航17.5 s，采集到的激光矩陣回波信號(hào)圖。其中圖10為豎向部上部分激光信號(hào)回波圖，圖11為橫向部上部分激光信號(hào)回波圖。

圖10 豎向部激光傳感器部分信號(hào)回波圖

圖11 橫向部激光傳感器部分信號(hào)回波圖

根據(jù)網(wǎng)目統(tǒng)計(jì)方法，從豎向部激光信號(hào)回波圖可以統(tǒng)計(jì)得到在17.5 s內(nèi)，巡檢機(jī)器人沿X方向經(jīng)歷了8個(gè)網(wǎng)目；從橫向部激光信號(hào)回波圖統(tǒng)計(jì)，時(shí)間閾值Δt內(nèi)并未同時(shí)出現(xiàn)回波信號(hào)，而是依序出現(xiàn)，故巡檢機(jī)器人沿Y方向經(jīng)歷了0個(gè)網(wǎng)目。值得注意的是，從豎向部激光信號(hào)回波圖中的第六激光器回波圖中，可以觀察到一段連續(xù)的回波點(diǎn)，這是因?yàn)檠矙z機(jī)器人在巡航過(guò)程中，路徑偏離了規(guī)劃路徑，激光發(fā)射器發(fā)射的激光正好打在了網(wǎng)衣的網(wǎng)線上。

3.2 定位計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)激光器的回波信號(hào)圖中數(shù)據(jù)的處理，依據(jù)上文計(jì)算方法，可以計(jì)算得到巡檢機(jī)器人的具體偏航信息，如圖12所示為巡檢機(jī)器人在17.5 s內(nèi)，XY方向上位移計(jì)算值與實(shí)際位移的對(duì)比。由圖12可見(jiàn)，本研究提出的算法計(jì)算出的位移，基本符合實(shí)際移動(dòng)趨勢(shì)以及位移量，可以分析出，巡檢機(jī)器人在網(wǎng)衣巡檢作業(yè)過(guò)程中，在y方向上偏離了約0.008 m。

圖12 XY方向位移計(jì)算值與實(shí)際位移值對(duì)比圖

依據(jù)本研究提出的偏航角γ值計(jì)算pitch以及yaw的值，實(shí)際計(jì)算中，由于巡檢機(jī)器人在pitch上偏轉(zhuǎn)較小，數(shù)值趨近于0，如圖14所示，且由于yaw上變化量依舊很小，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的均值濾波處理后，得到了如圖13的yaw實(shí)際值與真實(shí)值的對(duì)比圖。

由圖13可見(jiàn)，yaw上計(jì)算值的變化趨勢(shì)較符合yaw的真實(shí)值，經(jīng)過(guò)17.5 s后巡檢機(jī)器人在yaw方向上偏轉(zhuǎn)了約0.14 rad。

圖13 計(jì)算偏航角度與實(shí)際值對(duì)比圖

在具有網(wǎng)衣編碼的先驗(yàn)地圖中模擬一組定位試驗(yàn)，如圖14所示。

圖14 仿真試驗(yàn)下水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人巡檢路徑

本次仿真試驗(yàn)在8×6網(wǎng)格中進(jìn)行網(wǎng)目計(jì)數(shù)定位算法驗(yàn)證，網(wǎng)目大小為250 mm×250 mm，由定位結(jié)果可見(jiàn)，格柵定位路徑能準(zhǔn)確反映了巡檢機(jī)器人在網(wǎng)目中的相對(duì)巡檢路徑， 即在該巡檢時(shí)段中，巡檢機(jī)器人貼網(wǎng)航行的方向，以及航行的網(wǎng)格數(shù)目，且在開(kāi)始一段定線巡檢中，激光矩陣中心傳感器如圖10中第6傳感器所示，維持了較長(zhǎng)一段定線巡航穩(wěn)定性。

在穿越網(wǎng)線時(shí)也能檢測(cè)出巡線路徑的改變，在本研究方法中，只有當(dāng)網(wǎng)目計(jì)數(shù)偏離半個(gè)網(wǎng)目，才會(huì)出現(xiàn)偏航計(jì)數(shù)誤差，故本次仿真網(wǎng)衣格柵定位誤差為0個(gè)網(wǎng)目。如表2所示，依照基于編碼地址的先驗(yàn)地圖信息，巡檢路徑能以編碼信息輸出，在巡線航行中，編碼以兩面編碼表示面-面相交處網(wǎng)線編碼，在編碼信息中同時(shí)記錄養(yǎng)殖網(wǎng)箱系統(tǒng)中網(wǎng)衣的實(shí)際情況。

表2 巡檢路徑編碼

3.3 誤差分析

本仿真試驗(yàn)中，誤差主要來(lái)源為由于水下環(huán)境造成的建模網(wǎng)衣的輕微振動(dòng)以及巡檢機(jī)器人在航行過(guò)程中運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性受環(huán)境干擾，導(dǎo)致的激光矩陣在測(cè)距上出現(xiàn)的測(cè)量誤差，以及人為設(shè)定的傳感器高斯噪聲產(chǎn)生的誤差。由圖15可見(jiàn)，在X位移上誤差較小，而在Y位移上誤差較大，誤差均呈現(xiàn)由大到小的分布趨勢(shì)，X位移上由初始的0～2 s內(nèi)平均誤差7.52%提高到14.5～16.5 s內(nèi)的3.72%，Y位移上0～2 s內(nèi)平均誤差由51.35%提高到14.5～16.5 s內(nèi)的8.15%，這是因?yàn)樵诜抡嬖囼?yàn)中，矩陣激光傳感器中加入了高斯噪聲以及機(jī)器人在水環(huán)境中運(yùn)動(dòng)測(cè)量的干擾，在位移量較小時(shí)，高斯噪聲造成的傳感器測(cè)量誤差遠(yuǎn)大于運(yùn)動(dòng)造成的誤差，隨著位移量的增加，傳感器測(cè)量誤差占比逐漸小于運(yùn)動(dòng)誤差，而本研究提出的計(jì)算方法計(jì)算出的相對(duì)定位值在運(yùn)動(dòng)誤差影響下符合理想預(yù)期，故整體位移誤差均隨位移量增加呈下降趨勢(shì)，其中X方向上位移量增加比Y方向上要大，X位移誤差下降比Y方向快。

圖15 XY方向位移計(jì)算誤差圖

如圖16所示，通過(guò)計(jì)算誤差進(jìn)行進(jìn)一步分析。由yaw誤差曲線圖可見(jiàn)，yaw初始時(shí)段2～4 s內(nèi)平均誤差由62.48%提高到14.5～16.5 s內(nèi)的19.18%，yaw的誤差如前文所述，在偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，受傳感器噪聲誤差影響較大，故誤差異常偏高，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，誤差影響逐漸變小，主要呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誤差，而計(jì)算的轉(zhuǎn)角值符合理想情況，運(yùn)動(dòng)誤差遠(yuǎn)小于傳感器噪聲誤差，所以總誤差隨著偏轉(zhuǎn)角的增大而出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖16 yaw上計(jì)算偏航角度誤差圖

4 結(jié)論

提出的水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人定位方法能夠準(zhǔn)確定位出巡檢機(jī)器人相對(duì)網(wǎng)衣巡航的網(wǎng)目定位，并根據(jù)網(wǎng)目?jī)?nèi)相對(duì)定位算法計(jì)算出的巡檢機(jī)器人相對(duì)位移值與相對(duì)偏航角度，0.4 m距離處計(jì)算平均誤差3.72%，0.08 m距離處計(jì)算平均誤差8.15%，0.14 rad偏轉(zhuǎn)計(jì)算平均誤差19.18%，并在位移量及偏轉(zhuǎn)量增大時(shí)誤差逐步降低，符合實(shí)際位移及偏轉(zhuǎn)情況，在網(wǎng)衣格柵定位中誤差為0個(gè)網(wǎng)目，達(dá)到了水下巡檢機(jī)器人在非聲非慣性系下相對(duì)養(yǎng)殖網(wǎng)箱定位要求，巡檢路徑以編碼信息輸出，并記錄養(yǎng)殖網(wǎng)箱巡檢情況。本研究下一步將探索多源異構(gòu)傳感器在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱系統(tǒng)中的定位，并實(shí)現(xiàn)水下網(wǎng)衣巡檢機(jī)器人的污損網(wǎng)衣識(shí)別檢測(cè)與定位。