CN105584599A - 一种基于无人艇编队运动的海洋环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人艇编队运动的海洋环境监测系统，其包括若干搭载有无人艇编队运动控制系统、海洋环境监测传感系统、无线ZigBee通信系统的无人艇以及远程海洋环境监测系统；各无人艇编队运动控制系统按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并按照各自对应的航行轨迹运动；各海洋环境监测传感系统实时将采集到的海洋环境监测数据向远程海洋环境监测系统发送；各无线ZigBee通信系统分别连接无人艇与远程海洋环境监测系统；远程海洋环境监测系统实时形成可视化界面并能够对各无人艇实施远程控制。本发明实现了一种针对海洋环境的突发性和不确定性等特点，能够进行环境移动监测、定位与显示综合监测的系统。

Description

一种基于无人艇编队运动的海洋环境监测系统

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术领域，具体的是涉及一种基于GPS信息与ZigBee通信，并通过对无人艇进行编队运动控制进行海洋环境监测的系统。

背景技术

现代海洋开发带来巨大经济效益的同时，也带来了一系列资源和生态环境问题，近年来大范围赤潮、海岸侵蚀、海上溢油污染等灾害频频发生，因此对于海洋环境监测的研究与开发显得尤为重要。海洋环境监测需要全面、及时、准确地掌握人类活动对海洋环境影响的水平和趋势，目前海洋环境监测仪器大体基于两种思路发展，一种是直接测量法，即利用传感器在水下直接测量污染参数；另一种是采样法，即在监测水域进行采样，并做出快速检测和分析。这两种方法在海洋环境监测领域各有优缺点，但这两种方法都需要进入监测水域才能完成。目前对于现场实际需要监测的水域大多采用浮标站的方法进行检测和采样。浮标站监测和采样的地点相对固定，不能很好的满足监测的全面性。并且，赤潮具有突发性和不确定性等特点，溢油会随着洋流、风浪等其他因素移动，浮标和移动浮标不具有针对性和跟踪性监测的特点。所以，研究一种能够在海面移动可控的监测平台就显得尤为重要。

无人艇作为一种无人操纵的水面舰艇，搭配上先进的控制系统、传感器和通信系统后，可以很好的完成海洋环境监测的任务。近十年来，单体无人艇运动控制受到了研究人员的高度关注，而海洋环境地域广阔，单体无人艇的监测区域小，大大降低了对海洋环境监测的效率。所以，研究一种无人艇编队运动控制，采用多只无人艇协同运动并搭载海洋环境监测的传感器完成海洋环境监测的系统具有很强的实际应用，能够实现高度自动化和高效率的海洋环境监测。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于无人艇编队运动的海洋环境监测系统，该海洋环境监测系统通过采用海上移动可控的监测手段，针对某一地点水域进行监测和采样，以提高海洋环境监测的效率，降低人力成本，提高自动化作业水平，从而达到全面、及时、准确的获取海洋环境信息(包括海洋水文气象参数、水质生物状态参数、物理化学参数)，并且能够获取海洋环境信息数据的时间、地点等信息的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于的无人艇编队运动的海洋环境监测系统，其特征在于：

包括若干搭载有无人艇编队运动控制系统、海洋环境监测传感系统、无线ZigBee通信系统的无人艇以及远程海洋环境监测系统；

各所述无人艇编队运动控制系统按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并按照各自对应的航行轨迹进行运动；所述设定无人艇编队运动模式的过程包括：通过远程海洋环境监测系统设定无人艇编队模型即首先选定作为主动艇的无人艇，并设定主动艇的航行轨迹；随后按照主动艇的航行轨迹以及预定的编队运动形式，选定作为从动艇的无人艇并生成与各从动艇一一对应的航行轨迹；同时各所述无人艇在航行过程中实时通过无线ZigBee通信系统向远程海洋环境监测系统发送位置信息；

各所述的海洋环境监测传感系统搭载在各无人艇上，并实时将采集到的海洋环境监测数据通过无线ZigBee通信系统向远程海洋环境监测系统发送，所述海洋环境监测数据包括海洋水文气象信息、水质生物状态信息、海洋物理化学参数；

各所述的无线ZigBee通信系统分别连接无人艇与远程海洋环境监测系统，用于实现连接各无人艇与远程海洋环境监测系统双向数据通信；所述双向数据通信包括将各无人艇位置信息以及各无人艇采集到的海洋环境监测数据发送至远程海洋环境监测系统；并将远程海洋环境监测系统对各无人艇的控制命令发送至各无人艇；其中，所述各无人艇的控制命令包括与无人艇编队运动模式设定相关的控制命令；

所述的远程海洋环境监测系统接收各无人艇的位置信息以及各无人艇采集到的海洋环境监测数据，实时形成可视化界面进行显示；同时通过无线ZigBee通信系统对各无人艇实施远程控制。

进一步的，所述主动艇、从动艇均受控于所述远程海洋环境监测系统，并通过远程海洋环境监测系统完成无人艇编队身份互换的操作设定，便于用户随时重新选定主动艇，以防止当前所选定的主动艇出现故障，进而影响海洋环境监测采集工作；其中所述无人艇编队身份是指主动艇或者从动艇。

进一步的，所述无人艇编队运动控制系统在接收到所述无人艇的控制命令后，首先对所述控制命令进行命令解析，确认各自对应的无人艇编队身份后，驱动无人艇电机自动向与航行命令对应的航行轨迹上的第一个航行点运动，在到达航行轨迹上的开始位置点后，按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并开始循迹航行动作。

进一步的，所述的无人艇编队运动控制系统包括嵌入式控制子系统、GPS定位子系统、主动艇循迹航行控制子系统以及从动艇编队运动控制子系统；所述的无人艇编队运动控制系统以嵌入式控制子系统为控制核心，基于GPS定位子系统反馈的位置信息，按照设定的无人艇编队运动模式控制主动艇循迹航行控制子系统或者从动艇编队运动控制子系统驱动无人艇电机进行航行动作；所述主动艇循迹航行控制子系统以及从动艇编队运动控制子系统均受控于所述无人艇编队运动控制系统，并能够驱动无人艇电机按照各自对应的航行轨迹进行航行动作。

进一步的，所述的海洋环境监测传感系统包括能够采集相关海域对应的海洋水文气象信息的海洋水文气象监测传感器、能够采集相关海域对应的水质生物状态信息的海洋水质生物状态监测传感器以及能够采集相关海域对应的海洋物理化学参数的海洋物理化学参数监测传感器。

进一步的，所述的远程海洋环境监测系统包括无人艇航行控制界面、编队无人艇航迹显示界面以及海洋环境信息显示界面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将可移动的无人艇运用于海洋环境监测领域，实现了监测点的可移动性，进而增加了海洋环境监测的主动性，本发明对于赤潮这种突发性和不确定性的污染，具有高效的监测速度和精度，并且对于溢油污染能够实现可移动的跟踪监测；

2、采用编队形式的无人艇进行数据采集，客服了监测区域小，效率低的问题，且通过多只无人艇协同航行采集，实现了大范围水域的实时监测，同时本发明不仅适用于海洋环境监测，也对湖泊、水坝和一些人员不便进入的水域等也具有很好的适用性和兼容性。

附图说明

图1是本发明所述海洋环境监测系统结构框图；

图2是本发明所述海洋环境监测系统具体结构框图；

图3是无人艇运动控制原理框图；

图4是从动艇与主动艇对应的控制模型示意图；

图5是本发明所述的从动艇与主动艇对应的循迹航行动作示意图。

图中：1、无人艇编队运动控制系统，2、海洋环境监测传感系统，3、无线ZigBee通信系统，4、远程海洋环境监测系统；11、嵌入式控制子系统，12、GPS定位子系统，13、主动艇循迹航行控制子系统，14、从动艇编队运动控制子系统；21、海洋水文气象监测传感器，22、海洋水质生物状态监测传感器，23、海洋物理化学参数监测传感器；41、无人艇航行控制界面，42、编队无人艇航迹显示界面，43、海洋环境信息显示界面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的工作原理如下：

A、本发明的海洋环境监测系统，由搭载人艇编队运动控制系统、海洋环境监测传感系统、无线ZigBee通信系统的无人艇和远程海洋环境信息监测系统组成，并通过ZigBee无线通信连接，实现海洋环境信息数据与控制信息的传输；

B、前端无人艇编队运动控制由无人艇编队运动控制系统实现，该无人艇编队运动控制系统基于GPS位置信息与电子罗盘的航向信息形成闭环控制，首先远程海洋环境信息监测系统设定编队无人艇中的主动艇及其运动轨迹，并将该轨迹信息划分为逐个点信息，通过ZigBee无线通信系统将主动艇航行的点信息传输到主动艇的嵌入式控制子系统上；嵌入式控制子系统通过控制无人艇的驱动电机和舵机从而实现主动艇逐个趋近轨迹上的每个位置点，从而实现主动艇的循迹航行；

C、其余的无人艇默认为从动艇，从动艇的航行基于主动艇的航行轨迹以及预定的编队运动形式，生成与各从动艇一一对应的航行轨迹；

D、编队无人艇上搭载多种测量海洋环境信息的传感器，实时对航行区域进行检测，并将检测数据通过ZigBee无线通信传输到上位机远程海洋环境监测系统的显示界面上；

E、远程海洋环境监测系统可设立在近岸区域，在系统界面上设计编队无人艇的航行轨迹和监测范围；查看无人艇的实际航行轨迹；实时观测海洋环境信息等。

本发明能够根据无人艇的航行点与传输得到的海洋环境信息进行匹配，可以高效确定海洋环境信息异常点的大致地理位置。

基于上述原理，如图1-图2所示，所述基于的无人艇编队运动的海洋环境监测系统，其特征在于：

包括若干搭载有无人艇编队运动控制系统1、海洋环境监测传感系统2、无线ZigBee通信系统3的无人艇以及远程海洋环境监测系统4；

各所述无人艇编队运动控制系统1按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并按照各自对应的航行轨迹进行运动；所述设定无人艇编队运动模式的过程包括：通过远程海洋环境监测系统4设定无人艇编队模型即首先选定作为主动艇的无人艇，并设定主动艇的航行轨迹；随后按照主动艇的航行轨迹以及预定的编队运动形式，选定作为从动艇的无人艇并生成与各从动艇一一对应的航行轨迹；同时各所述无人艇在航行过程中实时通过无线ZigBee通信系统向远程海洋环境监测系统发送位置信息；

各所述的海洋环境监测传感系统2搭载在各无人艇上，并实时将采集到的海洋环境监测数据通过无线ZigBee通信系统3向远程海洋环境监测系统发送，所述海洋环境监测数据包括海洋水文气象信息、水质生物状态信息、海洋物理化学参数；

各所述的无线ZigBee通信系统3分别连接各无人艇与远程海洋环境监测系统4，用于实现连接各无人艇与远程海洋环境监测系统双向数据通信；所述双向数据通信包括将各无人艇位置信息以及各无人艇采集到的海洋环境监测数据发送至远程海洋环境监测系统；并将远程海洋环境监测系统对各无人艇的控制命令发送至各无人艇；其中，所述各无人艇的控制命令包括与无人艇编队运动模式设定相关的控制命令；

所述的远程海洋环境监测系统4接收各无人艇的位置信息以及各无人艇采集到的海洋环境监测数据，实时形成可视化界面进行显示；同时通过无线ZigBee通信系统3对各无人艇实施远程控制。

所述主动艇、从动艇受控于所述远程海洋环境监测系统，并通过远程海洋环境监测系统完成无人艇编队身份互换的操作设定，便于用户随时重新选定主动艇，以防止当前所选定的主动艇出现故障，进而影响海洋环境监测采集工作；其中所述无人艇编队身份是指主动艇或者从动艇。

所述无人艇编队运动控制系统在接收到所述无人艇的控制命令后，首先对所述控制命令进行命令解析，确认各自对应的无人艇编队身份后，驱动无人艇电机自动向与航行命令对应的航行轨迹上的第一个航行点运动，在到达航行轨迹上的开始位置点后，按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并开始循迹航行动作。

所述的无人艇编队运动控制系统包括嵌入式控制子系统11、GPS定位子系统12、主动艇循迹航行控制子系统13以及从动艇编队运动控制子系统14；所述的嵌入式控制子系统11是指嵌入式STM32单片机，其基于GPS定位子系统12反馈的位置信息，按照设定的无人艇编队运动模式控制主动艇循迹航行控制子系统或者从动艇编队运动控制子系统驱动无人艇电机进行航行动作；所述主动艇循迹航行控制子系统13以及从动艇编队运动控制子系统14均受控于所述无人艇编队运动控制系统，并能够驱动无人艇电机按照各自对应的航行轨迹进行航行动作。其中，所述的航行轨迹是一条设定好的航行线，可以按照需要将航行线分解成间隔0.5米或者1m的位置点，使得无人艇编队依次趋近航行线上的各个点，从而实现航迹的可循航行，各个位置点按照设定航线的经纬度进行解析。

如图3所示，通过远程上位机即远程海洋环境监测系统设定主动艇及其航行轨迹，航行轨迹信息输入后，将航行轨迹解析成各个位置点信息，无人艇编队运动控制系统的嵌入式控制子系统根据设定的位置点信息和无人艇实际所处的位置，发送控制信号到无人艇的电机对应的驱动单元，通过驱动单元驱动无人艇的主推动电机和舵机等执行单元完成无人艇的定点航行；当各无人艇编队到达设定位置后，各嵌入式控制子系统驱动各自对应的驱动无人艇向下一指定点航行，从而完成无人艇的循迹航行；在无人艇的航行中会受到风和浪等因素的扰动，同时嵌入式控制子系统还采用GPS的位置信息与电子罗盘的航向信息作为运动控制的负反馈环节，保证无人艇的准确、稳定航行。

同时所述从动艇还能够根据按照预设的编队运动形式，基于主动艇的航迹信息，各从动艇自动根据主动艇即将航行的下一位置信息，计算出从动艇航行的位置信息，并在航行中实时分析从动艇与主动艇的空间距离和航向角度，以增加编队无人艇的稳定性；主动艇、从动艇的位置信息通过无线ZigBee通信系统连接进行传输。

具体的，所述无人艇编队运动模式可按照使用需求进行设计，可如图4所示，首先建立主动艇与从动艇编队模型，两者空间距离ρ₀，航向偏角θ₀。在设定编队运动形式时，如图5，在无人艇编队运动中，选择参考点后建立笛卡尔坐标体系；假定主动艇航行的点坐标为(x_a，y_a)，从动艇的点坐标为(x_b，y_b)；主动艇与从动艇在运动过程中的相对位置关系可用空间距离ρ_ab和航向偏角θ_ab表示，定义如下：

${\mathrm{\ρ}}_{ab}=\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2}$

${\mathrm{\θ}}_{ab}={\tan }^{-1}\left(\frac{x_a-x_b}{y_a-y_b}\right)$

则从动艇上的嵌入式控制子系统通过分析空间距离ρ_ab与ρ₀、航向偏角θ_ab与0₀的变化，来控制从动艇与主动艇保持编队航行。

所述的海洋环境监测传感系统搭载在各个无人艇上，通过各个传感器采集相关海域的海洋水文气象信息、水质生物状态信息、海洋物理化学参数等数据，并将得到的信息数据连接到无线ZigBee通信系统的数据发射端，具体的各个传感器包括能够采集相关海域对应的海洋水文气象信息的海洋水文气象监测传感器31、能够采集相关海域对应的水质生物状态信息的海洋水质生物状态监测传感器32以及能够采集相关海域对应的海洋物理化学参数的海洋物理化学参数监测传感器33；其中所述的海洋物理化学参数包括但不限于水温，盐度，PH值，溶氧量。

所述的无线ZigBee通信系统连接无人艇与远端的远程海洋环境监测系统的监测界面，接收前端无人艇的航迹信息和海洋环境信息并在监测界面上形成可视化界面；用以实现无人艇位置信息和海洋环境信息传输到，同时可通该过无线ZigBee通信系统发送控制信号，以实现对无人艇航行运动进行控制，如运动航迹控制。

所述的远程海洋环境监测系统包括无人艇航行控制界面41、编队无人艇航迹显示界面42以及海洋环境信息显示界面43。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于的无人艇编队运动的海洋环境监测系统，其特征在于：

包括若干搭载有无人艇编队运动控制系统、海洋环境监测传感系统、无线ZigBee通信系统的无人艇以及远程海洋环境监测系统；

各所述无人艇编队运动控制系统按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并按照各自对应的航行轨迹进行运动；上述设定无人艇编队运动模式的过程包括：通过远程海洋环境监测系统设定无人艇编队模型即首先选定作为主动艇的无人艇，并设定主动艇的航行轨迹；随后按照主动艇的航行轨迹以及预定的编队运动形式，选定作为从动艇的无人艇并生成与各从动艇一一对应的航行轨迹；同时各所述无人艇在航行过程中实时通过无线ZigBee通信系统向远程海洋环境监测系统发送位置信息；

各所述的海洋环境监测传感系统搭载在各无人艇上，并实时将采集到的海洋环境监测数据通过无线ZigBee通信系统向远程海洋环境监测系统发送；

各所述的无线ZigBee通信系统分别连接无人艇与远程海洋环境监测系统，用于实现连接各无人艇与远程海洋环境监测系统双向数据通信；

所述的远程海洋环境监测系统接收各无人艇的位置信息以及各无人艇采集到的海洋环境监测数据，实时形成可视化界面进行显示；同时通过无线ZigBee通信系统对各无人艇实施远程控制。

2.根据权利要求1所述的海洋环境监测系统，其特征在于：

所述主动艇、从动艇均受控于所述远程海洋环境监测系统，并能够通过远程海洋环境监测系统完成无人艇编队身份互换的操作设定。

3.根据权利要求2所述的海洋环境监测系统，其特征在于：

所述无人艇编队运动控制系统在接收到所述无人艇的控制命令后，首先对所述控制命令进行命令解析，确认各自对应的无人艇编队身份后，驱动无人艇电机自动向与航行命令对应的航行轨迹上的第一个航行点运动，在到达航行轨迹上的开始位置点后，按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并开始循迹航行动作。

4.根据权利要求1所述的海洋环境监测系统，其特征在于：

所述的无人艇编队运动控制系统包括嵌入式控制子系统、GPS定位子系统、主动艇循迹航行控制子系统以及从动艇编队运动控制子系统；所述的无人艇编队运动控制系统以嵌入式控制子系统为控制核心，基于GPS定位子系统反馈的位置信息，按照设定的无人艇编队运动模式控制主动艇循迹航行控制子系统或者从动艇编队运动控制子系统驱动无人艇电机进行航行动作；所述主动艇循迹航行控制子系统以及从动艇编队运动控制子系统均受控于所述无人艇编队运动控制系统，并能够驱动无人艇电机按照各自对应的航行轨迹进行航行动作。

5.根据权利要求1所述的海洋环境监测系统，其特征在于：

所述的海洋环境监测传感系统包括能够采集相关海域对应的海洋水文气象信息的海洋水文气象监测传感器、能够采集相关海域对应的水质生物状态信息的海洋水质生物状态监测传感器以及能够采集相关海域对应的海洋物理化学参数的海洋物理化学参数监测传感器。

6.根据权利要求1所述的海洋环境监测系统，其特征在于：

所述的远程海洋环境监测系统包括无人艇航行控制界面、编队无人艇航迹显示界面以及海洋环境信息显示界面。