CN107226186A - Auv多功能综合服务平台及编队运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种AUV多功能综合服务平台及编队运行控制方法，综合服务平台包括双体船，所述双体船内部设置波浪能发电装置，双体船上部设置有服务平台；所述服务平台上部设置有信号基站与惯性定位系统，所述信号基站左右两侧设置有太阳能板，信号基站上下两侧设置有机械手，所述平台板的边角处设置有风力发电装置，所述平台板边缘设置有定位雷达和无限充电线圈。本发明通过服务平台可以自动实现多个AUV的自动充电、数据交换、指令下达以及回收等服务，通过不同波段的声纳解决了AUV与平台的对接问题。
Description
技术领域
本发明涉及AUV多功能综合服务平台，更具体地说，涉及一种AUV多功能综合服务平台及编队运行控制方法。
背景技术
自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)已经广泛用于海洋环境监测，海洋资源勘探等众多领域。AUV对接技术可用于AUV的回收，定时定点布放，进而可以实现采样信息的回馈和分析，更新任务，能源补给等操作。AUV编队技术能够使多个AUV相互协调完成复杂、大范围的海洋任务。
为了更好地发挥其自主灵活的优势，AUV执行探测、导航、攻击等特定任务时，对自身体积和续航力提出了更高的要求。然而AUV多用蓄电池类化学式动力源，或热能和核能类的物理式动力源。选择能源时，必须充分考虑机型的体积、任务使命、活动水域特点和其他方面的设计情况，受制于多种条件。AUV续航力、航速和负载能力均受制于电能，而电能受限于可用能源，而可用能源又取决于类型、容许的质量和空间等。目前，多数AUV采用电动力，电能来自所携带的电池组，考虑成本、寿命、安全性等因素，电池尤其是一次电池和可充电电池(如锂电池)在较长时期内仍将占据主导地位。以上种种原因制约了AUV的性能发挥，所以，为使得AUV的相关研究取得更大进展，研究可以海上对接与编队的多功能综合服务平台很有必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种AUV多功能综合服务平台，包括双体船，所述双体船内部设置波浪能发电装置，双体船上部设置有服务平台；所述服务平台上部设置有信号基站与惯性定位系统，所述信号基站左右两侧设置有太阳能板，信号基站上下两侧设置有机械手，所述平台板的边角处设置有风力发电装置，所述平台板边缘设置有定位雷达和无限充电线圈。
按上述方案，所述信号基站设置有局域网，所述定位雷达设置有红外线/超声波。
按上述方案，所述双体船包括船体和连接装置，船体设置为两个，互相平行，两个船体通过连接装置相互连接，所述波浪发电装置设置在连接装置内部。
按上述方案，所述船体的尾部设置有平台推动装置，所述平台推动装置包括螺旋桨。
按上述方案，信号基站左右两侧设置的太阳能板的数量相同，分别为四个。
按上述方案，所述平台板为正方形，所述风力发电装置设置有四个，分别设置在平台板的边角处。
按上述方案，所述机械手通过机械臂与平台板连接，在信号基站的上下两侧分别设置一个机械手。
一种所述的AUV多功能综合服务平台的编队运行控制方法，A、当AUV与服务平台之间的距离大于1千米的时候，应用惯性导航系统进行导航，确保AUV能够进入定位雷达的红外线/超声波定位区，进行下一阶段定位对接。B、当AUV与服务平台之间的距离在1千米-10米之间的时候，所述信号基站的局域网对AUV进行定位。C、当AUV与服务平台之间的距离小于10米的时候，应用定位雷达上的红外线/超声波定位，引导AUV精准对接。
实施本发明的AUV多功能无人服务平台及编队运行控制方法，具有以下有益效果：
通过该服务平台可以自动实现多个AUV的自动充电、数据交换、指令下达以及回收等服务。通过不同波段的声纳解决了了AUV与平台的对接问题。以此平台为基准，通过平台运动，结合AUV的运动性能以及领域性能，结合多物标协同运动的原理，解决了AUV服务平台中途断电的问题，减少成本，提高了使用寿命，安全性也得到了大大的提高，提高了海上对接与编队的多功能综合服务平台。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明AUV多功能无人服务平台的主视图；
图2是本发明AUV多功能无人服务平台的立体结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，本发明的AUV多功能无人服务平台3包括双体船1。
双体船1内部设置有波浪能发电装置2，双体船1上部设置有服务平台3，服务台上部设置有信号基站5和惯性定位系统。信号基站5左右两侧设置有太阳能板7，信号基站5上下两侧设置有机械手8。服务平台3的端部设置有风力发电装置9，服务平台3的边缘设置有定位雷达10和无限充电线圈。信号基站5设置有局域网，定位雷达10设置有红外线/超声波发生装置。双体船1包括船体12和连接装置13，船体12设置为两个，互相平行，两个船体12通过连接装置13相互连接，所述波浪发电装置设置在连接装置13内部。船体12的尾部设置有平台推动装置，所述平台推动装置包括螺旋桨。信号基站5左右两侧设置的太阳能板7的数量相同，分别为四个。平台板为正方形，所述风力发电装置9设置有四个，分别设置在平台板的边角处。机械手8通过机械臂与平台板连接，在信号基站5的上下两侧分别设置一个机械手8。
当AUV与服务平台3之间的距离大于1千米的时候，应用惯性导航系统进行导航，确保AUV能够进入定位雷达10的红外线/超声波定位区，进行下一阶段定位对接。B、当AUV与服务平台3之间的距离在1千米-10米之间的时候，所述信号基站5的局域网对AUV进行定位。C、当AUV与服务平台3之间的距离小于10米的时候，应用定位雷达10上的红外线/超声波定位，引导AUV精准对接。
其工作过程如下：
AUV多功能无人服务平台3在海上航行，航行时风力发电机利用风力带动风车叶片旋转，产生电能储存在平台内部；波浪能发电装置2将波浪能转换成电能储存在平台内部；太阳能板7吸收太阳能转化为电能储存在平台内部。
AUV多功能无人服务平台3运行中始终与AUV保持一种领航-跟随的队形进行作业，同时利用信号基站5内局域网实时发射信号对自己覆盖范围的AUV进行扫描，发射不同射频信号，对进入局域网的AUV进行中距离定位以及数据传输与导航。AUV通过惯性导航进行定位，通过对电量信息以及距离平台位置的预算进行定期的上浮接受北斗卫星定位信号，以修正与平台的相对位置。比较准确的实现AUV的航路跟踪和队形保持，所以基本可以避免出现AUV远离平台，数据和设备丢失的情况。
一段时间之后，AUV电能即将耗尽，AUV浮出水面接受卫星信号进行定位，修正自己惯性导航与服务平台3的相对位置信息。然后，通过远距离导航，AUV向服务平台3靠拢。当AUV进入服务平台3的局域网覆盖范围时，自动开启数据交换模式，把自己搜集到的信息传输给平台，然后通过平台上的大功率基站传到岸上的控制台。同时，通过中距离导航，AUV通过局域网进行定位导航不断向平台靠拢。当平台上的雷达定位装置检测到，AUV的进入与平台的距离在10米之内时，开启近距离导航的雷达精确定位模式，同时利用定位雷达104上的红外线/超声波定位装置让AUV继续靠近平台。当无线充电系统连接成功时，AUV利用无线充电磁圈通过平台上的无线充电系统进行充电，并且对AUV收集到的信息进行回收，同时清空AUV内存。
当充电结束并且数据传输结束后。平台通过局域网给AUV下达下一步的行动指令，然后AUV继续出去执行任务。当所有的任务执行完毕后，AUV运动到机械手8可以抓取的位置，靠近后控制机械臂链接的机械手8对AUV实施抓取，将其放到平台上。
通信功能采用Wifi通信，由ATKATK-ESP8266模块实现，其采用串口(LVTTL)与MCU通信，也可以采用其它的串口设备，内置或其他串口设备通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换。通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络(WIFI)传输自己的数据。
ATK-ESP8266模块支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V单片机系统，可以很方便的与产品进行连接。模块支持串口转WIFI STA、串口转AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，从而快速构建串口-WIFI数据传输方案，方便设备使用互联网传输数据。
1、服务平台3与岸上控制中心的通信
服务平台3与岸上控制中心的通信采用长波通信。大数据的传输需要大功率的发射基站，在AUV上无法安装基站，所以在服务平台3上装有大功率的发射基站。发射基站将数据通过高频率的射频器加密成无线电波，由于在海上远距离传输，所以采用长波通信。接收端采用相应的解码算法就可实现数据的读取。
2、服务平台3与AUV的通信
服务平台3与岸上控制中心的通信采用ATK-ESP8266模块，将服务平台3作为服务器，AUV作为客户端，从而实现服务平台3与AUV的信息传输。将服务平台3的ATK-ESP8266模块设置为串口无线AP模式，AUV的ATK-ESP8266模块设置为串口无线STA模式。
串口无线STA(COM-STA)模式，模块作为无线WIFI STA，用于连接到无线网络，实现串口与其他设备之间的无线(WIFI)数据转换互传。该模式下，根据应用场景的不同，可以设置3个子模式：TCP服务器、TCP客户端，UDP。我们将AUV的ATK-ESP8266模块设为TCP客户端的子模式。平台的模式设置不变，即实现了服务平台3与AUV的通信。
3、AUV与岸上控制中心的通信
将AUV及服务平台3按上述进行设置，若需岸上控制中心与AUV的通信，则令服务平台3作为控制中转来实现，由服务平台3接收岸上控制中心所发出的数据再将其发送给AUV。因将ATK-ESP8266模块设置为透传模式，数据接收后即发送，故将岸上控制中心向平台发送数据进行区分，AUV对所接收到的数据进行判断，从而识别AUV与岸上控制中心的通信内容。同理，AUV将数据通过平台传回岸上控制中心进行显示、分析与处理。
定位功能采用ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块，模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部FLASH，使用方便。双摸定位，加快了启动时间和更新速度，使定位更加准确。默认采用NMEA-0183协议输出GPS/北斗定位数据，并可以通过SkyTraq协议对模块进行配置。
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。
中国北斗卫星导航系统由35颗卫星在离地面2万多千米的高空上，以固定的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
NMEA-0183协议解析部分，利用简单的数逗号方法来解析。NMEA-0183协议均是以类似$GPGSV的开头，固定输出格式，不论是否有数据输出，逗号一定存在，且以‘*’作为有效数据的结尾，故通过数逗号的方法来解析数据。实现对NMEA-0183协议的$GNGGA、$GPGSA、$GNGSV、$BDGSV、$GNRMC和$GNVTG等6类帧的解析，结果存放在结构体内。
SkyTraq协议控制部分，实现SkyTraF8-BD模组的3个配置：串口波特率设置、PPS输出脉冲宽度设置、输出频率设置，从而控制数据传输速度。部分程序如下：
通过AUV惯性导航系统和编队系统计算AUV剩余电量能否返回服务平台3，若AUV显示电量过低，则自动排水浮出水面进行定位，同时与服务平台3传输的自身定位比较，从而驶向服务平台3，进行数据交换与充电。
远距离时，通过ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块进行双模定位，AUV快速驶向服务平台3；若经过计算，剩余电量无法到达服务平台3位置，则服务平台3与AUV相互靠拢。
中距离时，AUV进入服务平台3的定位雷达10与局域网覆盖范围，采用雷达进行定位，同时将收集到的数据传输给服务平台3，服务平台3利用通信基站将数据发送给控制中心。
近距离时，采用超声波定位模块，调整机身与服务平台3的相对位置。进入无线充电位。利用服务平台3上的无线充电磁圈对AUV进行充电，同时通过局域网与AUV通信，清空AUV内存，下达下一阶段任务指令。充电完毕AUV开启下一轮工作。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种AUV多功能综合服务平台，其特征在于，包括双体船，所述双体船内部设置波浪能发电装置，双体船上部设置有服务平台；所述服务平台上部设置有信号基站与惯性定位系统，所述信号基站左右两侧设置有太阳能板，信号基站上下两侧设置有机械手，所述平台板的边角处设置有风力发电装置，所述平台板边缘设置有定位雷达和无限充电线圈。
2.根据权利要求1所述的AUV多功能综合服务平台，其特征在于，所述信号基站设置有局域网，所述定位雷达设置有红外线或超声波发生装置。
3.根据权利要求1所述的AUV多功能综合服务平台，其特征在于，所述双体船包括船体和连接装置，船体设置为两个，互相平行，两个船体通过连接装置相互连接，所述波浪发电装置设置在连接装置内部。
4.根据权利要求2所述的AUV多功能综合服务平台，其特征在于，所述船体的尾部设置有平台推动装置，所述平台推动装置包括螺旋桨。
5.根据权利要求1所述的AUV多功能综合服务平台，其特征在于，信号基站左右两侧设置的太阳能板的数量相同，分别为四个。
6.根据权利要求1所述的AUV多功能综合服务平台，其特征在于，所述平台板为正方形，所述风力发电装置设置有四个，分别设置在平台板的边角处。
7.根据权利要求1所述的AUV多功能综合服务平台，其特征在于，所述机械手通过机械臂与平台板连接，在信号基站的上下两侧分别设置一个机械手。
8.一种权利要求2所述的AUV多功能综合服务平台的编队运行控制方法控制方法，其特征在于，
A、当AUV与服务平台之间的距离大于1千米的时候，应用惯性导航系统进行导航，确保AUV能够进入定位雷达的红外线/超声波定位区，进行下一阶段定位对接；
B、当AUV与服务平台之间的距离在1千米-10米之间的时候，所述信号基站的局域网对AUV进行定位；
C、当AUV与服务平台之间的距离小于10米的时候，应用定位雷达上的红外线或超声波定位，引导AUV精准对接。
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