CN106527453A - 一种水下无人船定深航行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下无人船定深航行控制系统及方法，其中，控制系统包括，控制器、驱动模块、姿态获取模块和深度测量模块，控制器分别与驱动模块、姿态获取模块和深度测量模块相连，所述控制器接收到定深航行命令后，根据姿态获取模块获取的姿态数据，利用驱动模块将水下无人船航行至目标深度。利用姿态获取模块检测水下无人船当前的姿态数据，根据当前的姿态数据判断水下无人船的当前航行姿态，这样控制器就能够将当前航行姿态与用户发出的定深航行命令进行结合，经过计算得出相应的调整变量，并利用驱动模块根据调整变量驱动水下无人船在用户需要的深度进行定深航行。

Description

一种水下无人船定深航行控制系统及方法

技术领域

本发明属于水下机器人领域，具体地说，涉及一种水下无人船定深航行控制系统及方法。

背景技术

水下机器人也称无人水下潜水器，它是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置，在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的，水下机器人是将人工智能、探测识别信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工控制，或者人工进行半自动控制下，完成地质、地形等的探测。

目前的水下机器人能够实现水下航拍和地形、地质的探测等，民用方面的应用还很有限，目前除了作为娱乐用途的无人船之外，用于钓鱼的无人船在民用市场的需求越来越大，因此对于钓鱼无人船提出了越来越高的要求。

另外针对水下无人船如何根据获取的姿态数据通过驱动模块来完成对水下无人船定深航行，成为目前亟待解决的技术问题。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种水下无人船定深航行控制系统及方法，能够根据获取的姿态数据通过驱动模块来完成对水下无人船定深航行。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

本发明的第一方面提出了一种水下无人船定深航行控制系统，包括，控制器、驱动模块、姿态获取模块和深度测量模块，控制器分别与驱动模块、姿态获取模块和深度测量模块相连，所述控制器接收到定深航行命令后，根据姿态获取模块获取的姿态数据，利用驱动模块将水下无人船航行至目标深度。

优选地，所述定深航行命令包括：保持当前深度航行或按照设定深度航行，所述目标深度对应为，当前深度或设定深度。

优选地，所述深度测量模块为，能够将检测的水下无人船的实际深度实时传送给控制器的水压传感器。

优选地，所述控制器将实际深度与目标深度进行对比，计算出水下无人船的目标俯仰角，并将姿态传感器检测的实际俯仰角与目标俯仰角进行比较计算出目标俯仰转矩，控制驱动模块根据目标俯仰转矩进行航行调整。

优选地，根据目标俯仰转矩进行航行调整过程中，实时向控制器发送反馈深度和反馈俯仰角，控制器根据反馈深度与反馈俯仰角控制水下无人船保持目标深度航行。

优选地，所述控制器根据实际深度与目标深度的差值大小，调整驱动模块的加速度值。

优选地，所述驱动模块至少包括，设置在水下无人船重心前方的能够调节水下无人船深度的垂直推进器。

优选地，所述姿态获取模块设置在电路板上，包括，检测平衡数据的陀螺仪、检测水下无人船的加速度数据加速度计和检测方位数据的磁强计；所述电路板上设有至少两个磁强计，所述至少两个磁强计重合堆叠放置或以电路板为对称平面对称设置在电路板两侧。

本发明的第二方面提出了一种水下无人船定深航行控制方法，步骤包括：

S1，控制器接收到定深航行命令，确定目标深度；

S2，控制器将深度测量模块检测的水下无人船的实际深度目标深度进行对比，计算出水下无人船的目标俯仰角；

S3，控制器将姿态传感器检测的实际俯仰角与目标俯仰角进行比较计算出目标俯仰转矩，控制驱动模块根据目标俯仰转矩进行航行调整；

S4，根据目标俯仰转矩进行航行调整过程中，将形成的反馈深度和反馈俯仰角实时发送给控制器，控制器根据反馈深度与反馈俯仰角控制水下无人船保持目标深度航行。

优选地，步骤S4具体包括：

将反馈深度与目标深度进行比较，并再次计算相应目标俯仰角，将反馈俯仰角与再次计算的目标俯仰角进行比较，再次计算目标俯仰转矩，根据再次计算的目标俯仰转矩控制水下无人船保持目标深度航行。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

如果用户想要在特定深度的水域进行探测时，可以利用遥控器或者手机向水下无人船发送定深航行命令，这样，水下无人船就会利用姿态获取模块检测水下无人船当前的姿态数据，根据当前的姿态数据判断水下无人船的当前航行姿态，这样控制器就能够根据当前航行姿态与定深航行命令，经过计算得出相应的调整变量，并利用驱动模块根据调整变量驱动水下无人船在用户需要的深度进行定深航行。

姿态获取模块会在航行调整过程中实时获取相应的反馈深度和反馈俯仰角，并将其发送给控制器，这样控制器根据反馈深度和反馈俯仰角形成相应的闭环控制，进而让水下无人船能够保持目标深度进行航行。

通过多个磁强计对检测的方位信息进行校准，然后将校准结果作为磁强计检测的最终方位信息结果，并且由于电路板厚度较小，多个磁强计检测的方位信息的偏差较小，进而使通过多个磁强计进行校准后得到的最终方位信息更加准确。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明的实施例的水下无人船定深航行控制系统的结构框图；

图2是本发明的实施例的水下无人船定深航行控制系统的闭环控制信号传输图；

图3是本发明的实施例的水下无人船定深航行控制方法的流程图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下述实施例中，将水下水下无人船设计成平均密度与周围水域的密度相近似，水下无人船内设有密封腔，该密封腔具有防水效果，能够保护密封腔内的各个用电模块不会浸水，进而保证水下无人船的正常工作，并且通过该密封腔与水下无人船外壳体及各个部件之间的配合，来使水下无人船达到与周围水域密度相近似，进而在水域中实现零浮力的效果，通过零浮力的水下无人船能够更好的调整航行方向和航行姿态，另外，在没有动力驱动的情况下水下无人船能够静止悬停在水中。

实施例一

如图1所示，本发明的实施例提出了一种水下无人船定深航行控制系统，包括，控制器1、驱动模块2、姿态获取模块4和深度测量模块3，控制器1分别与驱动模块2、姿态获取模块4和深度测量模块3相连，所述控制器1接收到定深航行命令后，根据姿态获取模块4获取的姿态数据，利用驱动模块2将水下无人船航行至目标深度。

用户能够操控水下无人船进行钓鱼、捕鱼、寻鱼、水下环境探测、水下图像采集等，如果用户想要在特定深度的水域进行探测时，可以利用遥控器或者手机向水下无人船发送定深航行命令，这样，水下无人船就会利用姿态获取模块4检测水下无人船当前的姿态数据，根据当前的姿态数据判断水下无人船的当前航行姿态，这样控制器1就能够根据当前航行姿态与定深航行命令，经过计算得出相应的调整变量，并利用驱动模块2根据调整变量驱动水下无人船在用户需要的深度进行定深航行。

优选地，所述定深航行命令包括：保持当前深度航行或按照设定深度航行，所述目标深度对应为，当前深度或设定深度。

定深航行可以分为两种情况，一种是保持水下无人船当前深度进行定深航行，另一种是用户根据自己的实际需要利用遥控器或手机设置相应的深度例如5m、8m或者其他，可以利用对应的深度的增加(+)或减少(-)按键来设置。

例如，用户在利用水下无人船进行寻鱼过程中发现当前所处的5m深度的鱼的数量比较多，用户就触发保持当前深度航行按键向水下无人船发送定深航行命令，这样水下无人船就会在5m深的水域进行寻鱼探测；

又如，用户根据自己的经验得知在水下4m深的水域是某种鱼类活动最频繁的水域，因此，就会利用遥控器或手机向水下无人船发送在4m深的水域进行定深航行的命令，这样水下无人船如果当前所处的水深是4m则无需改变水深，保持4m水深进行探测，如果当前所处水深不是4m，则需要利用驱动器将水下无人船航行至4m水深后，再保持4m水深进行探测。

优选地，所述深度测量模块3为，能够将检测的水下无人船的实际深度实时传送给控制器1的水压传感器(如图2所示)。

优选地，所述控制器1将实际深度与目标深度进行对比，计算出水下无人船的目标俯仰角，并将姿态传感器检测的实际俯仰角与目标俯仰角进行比较计算出目标俯仰转矩，控制驱动模块2根据目标俯仰转矩进行航行调整。

本发明的水下无人船在调整深度的时候并不是直上直下调整的而是具有一定的俯仰角度，因此，当水压传感器将检测的水压转化为水深后将实际深度发送到控制器1，然后控制器1就会将将实际深度与目标深度进行对比，计算差值，并根据差值的大小计算目标俯仰角，再根据姿态传感器检测的实际俯仰角，来修正目标俯仰角，修正之后得出目标俯仰转矩，然后根据目标俯仰转矩得出驱动器对应驱动电机的调整变量，最后，驱动器根据调整变量驱动水下无人船进行定深航行。

优选地，根据目标俯仰转矩进行航行调整过程中，实时向控制器1发送反馈深度和反馈俯仰角，控制器1根据反馈深度与反馈俯仰角控制水下无人船保持目标深度航行。

姿态获取模块4会在航行调整过程中实时获取相应的反馈深度和反馈俯仰角，并将其发送给控制器1，这样控制器1根据反馈深度和反馈俯仰角形成相应的闭环控制，进而让水下无人船能够保持目标深度进行航行。

优选地，所述控制器1根据实际深度与目标深度的差值大小，调整驱动模块2的加速度值。

这样，当差值比较大时，加速度值也会比较大，进而能够快速将水下无人船调整至目标深度。当差值较小时，加速度值就会比较小，并且加速度值的大小可以随着差值的变化而改变。

优选地，所述驱动模块2至少包括，设置在水下无人船重心前方的能够调节水下无人船深度的垂直推进器。驱动模块2还包括，分别设置在水下无人船尾部两侧的水平推进器，两个水平推进器控制水下无人船的前进、后退和转弯。

该水下无人船定深航行控制系统还包括智能跟随模块，所述智能跟随模块与所述控制器1相连，所述控制器1根据对移动目标的跟随命令获取移动目标的位置信息，并利用智能跟随模块控制驱动模块2对移动目标进行跟随；

所述控制器1获取移动目标与水下无人船的当前距离，并利用智能跟随模块控制驱动模块2保持当前距离对移动目标进行跟踪。在上述技术方案中，当用户通过遥控器或者手机或其他控制端向无人船发出对某移动目标(可以是鱼、人、水下潜艇或者其他能够移动的物体)的跟随命令后，首先获取移动目标的位置信息，对移动目标进行锁定，然后启动智能跟随模块，控制水下无人船对移动目标进行跟随，其中，移动目标还可以是鱼群。这样，当用户想要观察某个鱼或鱼群的生活状态时，或者想要跟踪一些其他水下移动目标时，就可以利用该智能跟随模块对移动目标进行跟随了，进而方便了用户的使用。

所述控制器1获取移动目标与水下无人船的当前距离，并利用智能跟随模块保持当前距离对移动目标进行跟踪；所述智能跟随模块接收到一键跟随命令后，对距离水下无人船最近的移动生物进行跟随。

优选地，述姿态获取模块4设置在电路板上，包括，陀螺仪41、加速度计42和磁强计43，所述姿态数据包括，所述陀螺仪41检测的平衡数据、所述加速度计42检测的水下无人船的加速度数据和磁强计43检测的方位数据；

所述电路板上设有至少两个磁强计43，所述至少两个磁强计43重合堆叠放置或以电路板为对称平面对称设置在电路板两侧。

这样通过两个磁强计43对检测的方位信息进行校准，然后将校准结果作为磁强计43检测的最终方位信息结果，并且由于电路板厚度较小，两个磁强计43检测的方位信息的偏差较小，进而使通过两个磁强计43进行校准后得到的最终方位信息更加准确。并且由于两个磁强计43只是在垂直方向上有偏差这样控制器在进行校准计算时只要针对垂直方向进行相应计算校准就可以，能够减少控制器的计算量，进而加快了计算速率，并且还能够提高水下无人船方位检测的准确性。

并且，还可以将两个磁强计43整合成一体，进而使两个磁强计43检测的偏差进一步减小，使整个校准算法能够更加准确，这样就能提高水下无人船的工作性能。

也可以在电路板上设置两个以上的磁强计43，这样就可以利用多个磁强计43的相互校准来使水下无人船方位检测的准确性得到更加有效的提高。

另外，在电路板上还可以设置两个加速度计42，这样就可以利用两个加速度计42进行互补校正，这样经过校正后得到的加速度值能够更加准确，进而提高水下无人船的工作性能。

在上述技术方案中，由于陀螺仪41会受到水下无人船上的各个结构或组件的影响，或者其他情况，陀螺仪41检测的平衡数据会有偏差，因此需要首先将陀螺仪41进行零偏校正，进而保证陀螺仪41的检测精度，零偏校正完成后，陀螺仪41就会获取相应的平衡数据；

然后将该平衡数据与加速度计42检测的俯仰速度&滚转速度进行结合，确定水下无人船当前的俯仰姿态(即，水下无人船偏移水平面的姿态)和滚转姿态(即，水下无人船偏移)，例如，能够确定水下无人船在向前、后、左、右、上、下六个方位中的偏移航行姿态。

另外，受环境因素和磁强计43自身因素的影响，磁强计43常存在较大的航向角误差，为了保证磁强计43的精度，首先要对磁强计43进行零偏校正和椭圆校正，然后再利用校正后的磁强计43获取水下无人船的方位数据(即，获取水下无人船在东、南、西、北四个方向中所处的方位)，并将该方位数据与上述方案中利用陀螺仪41和加速度计42获得的俯仰速度&滚转角速度进行结合，能够进一步确定出水下无人船的当前航行方向。

陀螺仪41检测的平衡数据是水下无人船参考坐标系与水下无人船本体坐标系的旋转矩阵，所述加速度计42的测量值是基于水下无人船本体坐标系的，将本体坐标系分为三个坐标轴即x轴、y轴、z轴，测量值本身就是三轴的；

然后，利用该加速度计42获取相应的三轴加速度数据，姿态补偿就是把三轴加速度数据转换到参考坐标系中，由于获取的加速度数据中会有重力加速度，因此，需要将重力加速度进行去除，最后对经过姿态补偿和去除重力项之后获得的三轴的加速度值分别进行积分，就知道水下无人船在三个方向上的当前航行速度。

实施例二

本发明的实施例提出了一种水下无人船定深航行控制方法，步骤包括：

S1，控制器接收到定深航行命令，确定目标深度；

S2，控制器将深度测量模块检测的水下无人船的实际深度目标深度进行对比，计算出水下无人船的目标俯仰角；

S3，控制器将姿态传感器检测的实际俯仰角与目标俯仰角进行比较计算出目标俯仰转矩，控制驱动模块根据目标俯仰转矩进行航行调整；

S4，根据目标俯仰转矩完成一次航行调整之后，将形成的反馈深度和反馈俯仰角发送给控制器，控制器根据反馈深度与反馈俯仰角控制水下无人船保持目标深度航行。

其中，定深航行命令包括：保持当前深度航行或按照设定深度航行，所述目标深度对应为，当前深度或设定深度。

优选地，步骤S4具体包括：

将反馈深度与目标深度进行比较，并再次计算相应目标俯仰角，将反馈俯仰角与再次计算的目标俯仰角进行比较，再次计算目标俯仰转矩，根据再次计算的目标俯仰转矩控制水下无人船保持目标深度航行。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，包括，控制器、驱动模块、姿态获取模块和深度测量模块，控制器分别与驱动模块、姿态获取模块和深度测量模块相连，所述控制器接收到定深航行命令后，根据姿态获取模块获取的姿态数据，利用驱动模块将水下无人船航行至目标深度。

2.根据权利要求1所述的水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，所述定深航行命令包括：保持当前深度航行或按照设定深度航行，所述目标深度对应为，当前深度或设定深度。

3.根据权利要求2所述的水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，所述深度测量模块为，能够将检测的水下无人船的实际深度实时传送给控制器的水压传感器。

4.根据权利要求3所述的水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，所述控制器将实际深度与目标深度进行对比，计算出水下无人船的目标俯仰角，并将姿态传感器检测的实际俯仰角与目标俯仰角进行比较计算出目标俯仰转矩，控制驱动模块根据目标俯仰转矩进行航行调整。

5.根据权利要求4所述的水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，根据目标俯仰转矩进行航行调整过程中，实时向控制器发送反馈深度和反馈俯仰角，控制器根据反馈深度与反馈俯仰角控制水下无人船保持目标深度航行。

6.根据权利要求4所述的水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，所述控制器根据实际深度与目标深度的差值大小，调整驱动模块的加速度值。

7.根据权利要求1-6任一项所述的水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，所述驱动模块至少包括，设置在水下无人船重心前方的能够调节水下无人船深度的垂直推进器。

8.根据权利要求1所述的水下无人船定深航行控制系统，其特征在于，所述姿态获取模块设置在电路板上，包括，检测平衡数据的陀螺仪、检测水下无人船的加速度数据加速度计和检测方位数据的磁强计；所述电路板上设有至少两个磁强计，所述至少两个磁强计重合堆叠放置或以电路板为对称平面对称设置在电路板两侧。

9.一种水下无人船定深航行控制方法，其特征在于，步骤包括：

S1，控制器接收到定深航行命令，确定目标深度；

S2，控制器将深度测量模块检测的水下无人船的实际深度目标深度进行对比，计算出水下无人船的目标俯仰角；

S3，控制器将姿态传感器检测的实际俯仰角与目标俯仰角进行比较计算出目标俯仰转矩，控制驱动模块根据目标俯仰转矩进行航行调整；

S4，根据目标俯仰转矩每完成一次航行调整之后，将形成的反馈深度和反馈俯仰角发送给控制器，控制器根据反馈深度与反馈俯仰角控制水下无人船保持目标深度航行。

10.根据权利要求9所述的水下无人船定深航行控制方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

将反馈深度与目标深度进行比较，并再次计算相应目标俯仰角，将反馈俯仰角与再次计算的目标俯仰角进行比较，再次计算目标俯仰转矩，根据再次计算的目标俯仰转矩控制水下无人船保持目标深度航行。