CN101854390A

CN101854390A - 移动式水下观测网络模拟平台

Info

Publication number: CN101854390A
Application number: CN 201010181630
Authority: CN
Inventors: 冯正平; 尚桂杨; 蒲浩
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2010-10-06

Abstract

一种海洋探测技术领域的移动式水下观测网络模拟平台，包括：位于水面的控制模块、与控制模块相连接的无线路由器以及通过无线信号连接的若干个自治式水下机器人。其中的自治式水下机器人包括：壳体、定位部分、推进部分、传感部分和独立控制部分，其中：定位部分、推进部分、传感部分和独立控制部分分别置于水密壳体内，定位部分、推进部分和传感部分分别与独立控制部分相连接，并且定位部分、推进部分依次接收独立控制部分输出的脉宽调制信号，推进部分的输出端与定位部分和传感部分相连接并输出工作电压，传感部分输出传感信息至独立控制部分进行决策计算。本发明可以用于模拟移动式水下观测网络，从而可以对其关键技术加以试验验证。

Description

移动式水下观测网络模拟平台

技术领域

本发明涉及的是一种海洋探测技术领域的装置，具体是一种移动式水下观测网络模拟平台。

背景技术

海洋观测在认识海洋方面有特殊的重要性，长期以来世界海洋科学组织和海洋强国致力于发展海洋观测技术，建设全球或区域的海洋观测系统。进入21世纪之后，海底观测网络的竞争令人瞩目，海底观测网络用光/电缆将多个海底观测站连接成网络，并最终与全球网络相连，覆盖一块固定的海底区域，是一种固定式海洋观测网。但是这种海底观测网络需要进行网络布线，安装调试周期长，特别在监测区域比较大的时候，硬件的耗资很高，投资巨大，并且有线网络不利于监测网络的更改和迁移，而且对所覆盖的海底区域上方的海洋空间缺乏观测能力。

将固定式海底观测网络与一些特殊的海洋观测网络结合起来形成一种空间覆盖能力较强的综合性观测网络，是解决以上问题的有效途径。

经过对现有相关技术文献进行检索发现，中国专利文献号CN1744143A，公开日2006-3-8，记载了一种“海洋水域传感器网络监测系统”，该技术由计算机、基站和在线监测节点组成，在各自的程序控制协调下，通过无线收发接口互连组成。基站与监测节点之间和监测节点相互之间的互连路径，是通过节点互动的路由发现，实时实现自组织网络的形成。每一个节点都可自主的单独工作，也可以相互自组织成一个网络协同工作。根据该专利申请的自述，它的优点是基站和监测节点构成的网络是无线网络，不需要进行电缆的布线工作，既可以减少硬件的投资又可以实现较大范围的监测海洋水域的水质、温度、海浪等情况。

但是该发明也存在一些问题：(a)该海洋水域传感器网络监测系统的监测节点在空间上不连续且位置不可移动，在需要对局部突发事件进行抵近观测以获取高精度信息时，它缺乏聚焦能力与机动性。(b)当监测系统中的节点出现故障时候，该节点不能立即得到修理或更换，导致该节点的局部观测信息将为空白，使得覆盖区域出现较大的缝隙，因此该监测系统对节点故障缺乏容错能力。(c)该监测系统属于浅水固定式海洋观测网络，它对自身所覆盖的海洋水域下方仍然缺乏立体观测能力，而这块空间所蕴含的各种信息对于全面认识海洋是不可或缺的。

与固定式海洋观测网络更有效互补的是移动式水下观测网络。它由一群配备各式传感器且相互之间可以进行水声通信的水下机器人组成，适用于对特定区域进行连续移动探测。与浅水固定式海洋观测网络相比，移动式水下观测网络具备更好的机动性与观测效率、更高的观测精度、以及更强的对系统故障的容错能力。

但是由于水下环境的特殊性，作为一种全新的水下观测手段，与陆基和空中移动式传感网络相比移动式水下观测网络中的水下机器人在水声通讯、水下定位及水动力性能方面存在先天不足，这种不足导致诸多陆基和空中移动式传感网络中的研究成果不能直接应用到移动式水下观测网络中来。移动式水下观测网络涉及到的诸多关键技术，例如基于水声通信的多水下机器人队形控制和覆盖控制的理论已经被提出，但是这些协调控制理论却很少有人用实践来检验其可行性，究其原因主要有两点：1.构建一个真正的由多水下机器人组成的移动式水下观测网络成本相当高昂；2.即使移动式水下观测网络构建成功，在海洋中的相关技术验证试验仍需要大量的人力、物力、财力支持与协调，这种规模庞大的工程实施起来难度相当大。

发明内容

本发明针对现有大部分移动式水下观测网络理论技术与实践相脱节的不足，提供一种移动式水下观测网络模拟平台。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：水上控制模块、与水上控制模块相连接的无线路由器以及通过无线信号连接的若干个自治式水下机器人(AUV)，且水上控制模块内的无线网卡，无线路由器及AUV内的无线网卡可以构成一个无线局域网，其中：

所述的自治式水下机器人包括：壳体、定位部分、推进部分、传感部分和独立控制部分，其中：定位部分、推进部分、传感部分和独立控制部分分别设置于密封的壳体内，定位部分、推进部分和传感部分分别与独立控制部分相连接且定位部分、推进部分依次接收独立控制部分输出的脉宽调制信号，推进部分的输出端与定位部分和传感部分相连接并输出工作电压，传感部分输出传感信息至独立控制部分进行决策计算。

所述的壳体包括：圆筒形耐压壳、螺旋桨、垂直舵和水平舵，螺旋桨与推进部分的推进电机相连，垂直舵位于螺旋桨的后方，水平舵位于壳体首尾部，在AUV前进的过程中螺旋桨、垂直舵和水平舵互相配合从而使得AUV可以在水中自由地做三维空间运动。

所述的定位部分包括：分别与独立控制部分脉宽调制信号输出端相连接的水平舵机与垂直舵机，该定位部分根据脉宽调制信号的占空比来控制水平舵与垂直舵舵角的大小与转向，从而使AUV具备定位能力。

所述的推进部分包括：锂电池、速度控制器和推进电机，其中：速度控制器分别与锂电池和PC104嵌入式计算机相连并分别接收工作电压和脉宽调制信号，推进电机与速度控制器相连接并根据速度控制器输出的脉宽调制信号的占空比实现转速与转向，锂电池分别与独立控制部分、定位部分和传感部分相连接并输出工作电压。

所述的传感部分包括：分别与PC104嵌入式计算机相连接的集成GPS的惯性制导仪、罗盘、数传电台、压力传感器和无线网卡，其中：惯性制导仪向PC104嵌入式计算机输出AUV的位置与三轴运动速度，罗盘向PC104嵌入式计算机输出AUV的姿态角和航向角，数传电台向PC104嵌入式计算机输出其他AUV的位置信息，压力传感器向PC104嵌入式计算机输出AUV的下潜深度，无线网卡通过无线方式与水上控制模块相连接，接收操作人员的控制指令并输出AUV的运动状态信息。

所述的独立控制部分包括：PC104嵌入式计算机和与之通过堆栈方式相连接的PC104电压保护模块，其中：PC104电压保护模块的输入端与推进部分的锂电池相连接并对PC104嵌入式计算机进行电压过载和过热保护，PC104嵌入式计算机内部装有WindowsXP embedded操作系统并进行数据信息处理与输出脉宽调制信号。

在AUV自主运动的过程中，从运动传感器采集的AUV自身的姿态、航向、速度、位置等数据及从数传电台采集的其他邻近AUV的相关数据通过相应RS232串口通讯发给PC104嵌入式计算机，然后PC104嵌入式计算机就可以根据预先编写的内置程序进行存储处理，产生对AUV当前位置的相关计算。在此基础上AUV就与预定目标点产生位置信号偏差，这种偏差可进一步具体落实为航向、速度及深度偏差。AUV内的PC104嵌入式计算机基于上述偏差产生脉宽调制信号以分别驱动推进电机以及舵机从而控制螺旋桨的转速(正反向)、以及垂直舵与水平舵的偏转(正反向)，使得AUV能够保持自动定向、定速以及定深能力，并最终寻找到一条从起始状态到达目标状态的无碰路径。试验过程中AUV之间的无线电通讯经过降级处理(如通讯延迟等)可以模拟移动式水下观测网络中AUV之间的水声通讯。试验结束后所有AUV的试验数据都自动存储为txt纯文本文件，并可以通过无线局域网上传至水面计算机进行后处理。

本发明专利的有益效果是可以用该平台在水池中模拟移动式水下观测网络，从而可以对其关键技术加以试验验证。

附图说明

图1是本发明专利验证平台工作系统示意图。

图2为自治式水下机器人硬件结构连接示意图。

图3为实施例的数据曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：水上控制模块1、与水上控制模块1相连接的无线路由器2以及通过无线信号连接的若干个自治式水下机器人3(AUV)，该三者构成一个无线局域网0，其中：

所述的水上控制模块1为内置无线网卡的水面计算机。

所述的无线局域网0中每个AUV的IP地址独立且固定，水上控制模块1根据IP地址以远程桌面的形式进入每个AUV内的PC104嵌入式计算机，启动操控软件向AUV发送操控指令并接收和显示AUV的运动状态信息。

所述的自治式水下机器人3包括：壳体4、定位部分5、推进部分6、传感部分7和独立控制部分8，其中：定位部分5、推进部分6、传感部分7和独立控制部分8分别设置于密封的壳体4内，定位部分5、推进部分6和传感部分7分别与独立控制部分8相连接且定位部分5、推进部分6依次接收独立控制部分8输出的脉宽调制信号，推进部分6的输出端与定位部分5和传感部分6相连接并输出工作电压，传感部分7输出传感信息至独立控制部分8进行决策计算。

所述的壳体4包括：圆筒形耐压壳9、螺旋桨10、垂直舵11和水平舵12，螺旋桨10与推进部分6的推进电机17相连，垂直舵11位于螺旋桨10的后方，水平舵12位于壳体4首尾部，在AUV前进的过程中螺旋桨10、垂直舵11和水平舵12互相配合从而使得AUV可以在水中自由地做三维空间运动。

所述的定位部分5包括：分别与独立控制部分脉宽调制信号输出端相连接的水平舵机14与垂直舵机13，该定位部分5根据脉宽调制信号的占空比来控制水平舵12与垂直舵11舵角的大小与转向，从而使AUV具备定位能力。

所述的推进部分6包括：锂电池15、速度控制器16和推进电机17，其中：速度控制器16分别与锂电池15和PC104嵌入式计算机23相连并分别接收工作电压和脉宽调制信号，推进电机17与速度控制器16相连接并根据速度控制器16输出的脉宽调制信号的占空比实现转速与转向，锂电池15分别与独立控制部分8、定位部分5和传感部分7相连接并输出工作电压。

所述的传感部分7包括：分别与PC104嵌入式计算机23相连接的集成GPS的惯性制导仪18、罗盘19、数传电台20、压力传感器21和无线网卡22，其中：惯性制导仪18向PC104嵌入式计算机23输出AUV的位置与三轴运动速度，罗盘19向PC104嵌入式计算机23输出AUV的姿态角和航向角，数传电台20向PC104嵌入式计算机23输出AUV的相对位置信息，压力传感器21向PC104嵌入式计算机23输出AUV的下潜深度，无线网卡22通过无线方式与水上控制模块1，接收操作人员的控制指令并输出AUV的运动状态信息。

所述的AUV的位置包括：经度、纬度和海拔高度；

所述的姿态角包括：横倾角和纵倾角；

所述的独立控制部分8包括：PC104嵌入式计算机23和与之通过堆栈方式相连接的PC104电压保护模块24，其中：PC104电压保护模块24的输入端与推进部分的锂电池15相连接并对PC104嵌入式计算机23进行电压过载和过热保护，PC104嵌入式计算机23内部装有WindowsXPembedded操作系统并进行数据信息处理与输出脉宽调制信号。

本实施例通过以下方式进行工作：

用本验证平台在水池中模拟移动式水下观测网络在一定深度的水平面内进行定向移动探测。在打开每个AUV的通电总开关给其所有硬件通电之后，将AUV放入露天水池中。无线路由器、AUV内的无线网卡及水面计算机内的无线网卡之间可以构成一个无线局域网，在这个局域网中每个AUV都有自己独立的IP地址：AUV1为192.168.0.2，AUV2为192.168.0.3，AUV3为192.168.0.4，水面计算机以远程桌面的形式分别进入每个AUV的PC104嵌入式计算机，启动MATLAB6.5编写的GUI程序，在Control manner(控制方式)下拉列表框中选择closed-loop(闭环控制)，然后在Demands(期待值命令)区的speed(速度)、heading(艏向角)及depth(深度)滑条设定每个AUV的期望速度为0.3m/s，期望航向角为272°，期望深度为0.5m，接着在Autopilot(自动导航)下拉框中选择PD(比例微分)控制方式开动AUV并实时显示AUV的运动状况。AUV在自主运动过程中惯性制导仪不断实时反馈AUV的三轴运动速度，经度纬度及海拔高度，罗盘不断实时反馈AUV的横倾角，纵倾角及航向角，压力传感器不断实时反馈AUV的深度，AUV的数传电台在经过通讯延迟处理后向邻近的AUV互相传递自身位置信息数据，所有的这些运动数据都经过相应硬件的RS232串口发送给AUV内部的PC104嵌入式计算机，PC104嵌入式计算机根据预置的PD控制程序计算出航向、速度及深度偏差后，产生如图2中所示的三路脉宽调制信号分别控制推进电机以及舵机从而控制螺旋桨的转速(正反向)、以及垂直舵与水平舵的偏转(正反向)，从而使每个AUV保持0.3m/s的速度，下潜深度保持0.5m，并获得如图3所示的自动定向(航向角272°)能力。从图3中可以看出AUV航向角运动具有振荡收敛特性，调整时间较快，稳态误差在2°范围之内，这样最终在水池中就实现了水下机器人有协调的定向编队技术可行性验证。

在试验过程中，水面计算机起到显控台的作用，若想停止AUV运行只需点击GUI界面中的Stop test and shut down the vehicle(停止数据记录与AUV运行)按钮即可。待实验结束后可以在Playback(数据回放)区点击Plot closed loop(绘制闭环数据曲线)按钮画出每个AUV的数据曲线(包括三路脉宽调制信号输出曲线，定速、定向及定深曲线)，而且所有数据都以txt纯文本的形式存储在PC104的电子盘上，并可以通过无线局域网上传至水面计算机存储以备日后分析。

Claims

1.一种移动式水下观测网络模拟平台，其特征在于，包括：水上控制模块、与水上控制模块相连接的无线路由器以及通过无线信号连接的若干个自治式水下机器人，且水上控制模块内的无线网卡，无线路由器及自治式水下机器人内的无线网卡可以构成一个无线局域网，其中：

所述的无线局域网中每个自治式水下机器人的IP地址独立且固定，水上控制模块根据IP地址以远程桌面的形式发送操控指令并接收运动状态信息。

2.根据权利要求1所述的移动式水下观测网络模拟平台，其特征是，所述的自治式水下机器人包括：壳体、定位部分、推进部分、传感部分和独立控制部分，其中：定位部分、推进部分、传感部分和独立控制部分分别设置于密封的壳体内，定位部分、推进部分和传感部分分别与独立控制部分相连接且定位部分、推进部分依次接收独立控制部分输出的脉宽调制信号，推进部分的输出端与定位部分和传感部分相连接并输出工作电压，传感部分输出传感信息至独立控制部分进行决策计算。

3.根据权利要求2所述的移动式水下观测网络模拟平台，其特征是，所述的壳体包括：圆筒形耐压壳、螺旋桨、垂直舵和水平舵，螺旋桨与推进部分的推进电机相连，垂直舵位于螺旋桨的后方，水平舵位于壳体首尾部，在自治式水下机器人前进的过程中螺旋桨、垂直舵和水平舵互相配合从而使得自治式水下机器人在水中自由地做三维空间运动。

4.根据权利要求2所述的移动式水下观测网络模拟平台，其特征是，所述的定位部分包括：分别与独立控制部分脉宽调制信号输出端相连接的水平舵机与垂直舵机，该定位部分根据脉宽调制信号的占空比来控制水平舵与垂直舵舵角的大小与转向，从而使自治式水下机器人具备定位能力。

5.根据权利要求2所述的移动式水下观测网络模拟平台，其特征是，所述的推进部分包括：锂电池、速度控制器和推进电机，其中：速度控制器分别与锂电池和PC104嵌入式计算机相连并分别接收工作电压和脉宽调制信号，推进电机与速度控制器相连接并根据速度控制器输出的脉宽调制信号的占空比实现转速与转向，锂电池分别与独立控制部分、定位部分和传感部分相连接并输出工作电压。

6.根据权利要求2所述的移动式水下观测网络模拟平台，其特征是，所述的传感部分包括：分别与PC104嵌入式计算机相连接的集成GPS的惯性制导仪、罗盘、数传电台、压力传感器和无线网卡，其中：惯性制导仪向PC104嵌入式计算机输出自治式水下机器人的位置与三轴运动速度，罗盘向PC104嵌入式计算机输出自治式水下机器人的姿态角和航向角，数传电台向PC104嵌入式计算机输出其他自治式水下机器人的相对位置信息，压力传感器向PC104嵌入式计算机输出自治式水下机器人的下潜深度，无线网卡通过无线方式与水上控制模块相连接，接收操作人员的控制指令并输出自治式水下机器人的运动状态信息。

7.根据权利要求2所述的移动式水下观测网络模拟平台，其特征是，所述的独立控制部分包括：PC104嵌入式计算机和与之通过堆栈方式相连接的PC104电压保护模块，其中：PC104电压保护模块的输入端与推进部分的锂电池相连接并对PC104嵌入式计算机进行电压过载和过热保护，PC104嵌入式计算机内部装有Windows XP embedded操作系统并进行数据信息处理与输出脉宽调制信号。