CN107346036A - 一种水上水下协同探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水上水下协同探测系统，主要包括水上系统和水下系统，所述水上系统和水下系统分别被安装在无人艇和水下航行器上，所述水上系统由工控机、定位模块、通讯模块、探测器和回收装置组成；所述水下系统由STM32中央处理器、定位模块、通讯模块、探测器和照明设备组成，所述水上系统和水下系统采用水声通讯的方式进行无线通讯。本发明系统解决了对水上水下同时探测工作的难题，大大的提高了探测效率，降低了人工成本。另外，此系统可应用于对海洋小型岛屿的探测工作、以及对大型湖泊的水底地形的探测工作等。

Description

一种水上水下协同探测系统
技术领域
本发明涉及一种水上水下协同探测系统，属于无人技术中的自动化控制领域。
背景技术
当前，随着人类对海洋资源的开发和利用越来越重视，海洋资源勘探技术的发展尤为重要。目前，海洋探测技术正向着高效率低成本，大深度等方向发展。以无人艇、无人船技术为代表的水上无人自主探测系统已成为该领域的热点研究和发展方向。但无人艇、无人船作为海洋探测工具存在着先天的不足，其只能在水面及浅水的区域海况环境下进行探测和测绘，而对深水区域的情况一无所知。目前，对水下的探测大多采用AUV技术（即无缆水下航行器），所以可采用无人艇和水下航行器协同探测的方式可全方位自主的进行探测工作，实现对水上水下联合探测，可大大提高探测效率，降低成本。
发明内容
本发明的目的是设计一种水上水下协同探测系统，解决了对水上水下同时探测工作的难题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种水上水下协同探测系统，主要包括水上系统和水下系统，所述水上系统和水下系统分别被安装在无人艇和水下航行器上，所述水上系统由工控机、定位模块、通讯模块、探测器和回收装置组成；所述水下系统由STM32中央处理器、定位模块、通讯模块、探测器和照明设备组成，所述水上系统和水下系统采用水声通讯的方式进行无线通讯。
所述水上系统中的定位模块由北斗和GPS组成，采用RS232串口协议与工控机相连；通讯模块是由GPRS模块、北斗卫星和水声换能器组成，采用RS485通讯协议与工控机相连；探测器由激光、雷达、摄像头、多位一体水质传感器组成，采用TCP/IP通讯协议与工控机相连；所述回收装置通过RS232串口协议与工控机相连。
所述水下系统中的定位模块由惯导和深度计组成，采用RS232串口协议与STM32中央处理器相连；通讯模块由水声换能器组成，采用RS485通讯协议与STM32中央处理器相连；探测器是由摄像头、多普勒扫描仪、声纳、ADCP和CTD传感器组成，采用TCP/IP通讯协议与STM32中央处理相连；照明装置是由光照度传感器和LED灯组成，光照度传感器与STM32中央处理之间采用IIC协议进行通讯，并采用PWM方波信号调节控制LED灯的亮度。
所述水上系统中的回收装置具体结构包括控制板、步进电机、传动装置、卷盘、混合线缆、定滑轮、线圈、激光头、固定架和通孔；所述控制板由单片机、步进电机驱动板和信号触发器组成；所述混合线缆是由一根主要受力绳和在其上缠绕着的供电线和信号线组成；步进电机驱动板连接步进电机，驱动步进电机工作；步进电机连接传动装置，再由传动装置驱动卷盘旋转；所述卷盘通过固定架固定，所述混合线缆缠绕在卷盘上，并通过两个定滑轮来实现固定在混合线缆末端的线圈和激光头的上下升降；其中线圈连接混合线缆中的供电线，激光头连接混合线缆中的信号线，最终信号线通过通孔与控制板中的信号触发器相连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
本发明系统解决了对水上水下同时探测工作的难题，大大的提高了探测效率，降低了人工成本。另外，此系统可应用于对海洋小型岛屿的探测工作、以及对大型湖泊的水底地形的探测工作等。
附图说明
图1为本发明的水上水下协同探测整体系统结构示意图。
图2为本发明的水上系统结构示意图。
图3为本发明的水下系统结构示意图。
图4为本发明的水上水下工作示意图。
图5为本发明的回收装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，一种水上水下协同探测系统，主要包括水上系统和水下系统，所述水上系统和水下系统分别被安装在无人艇和水下航行器上，所述水上系统由工控机、定位模块、通讯模块、探测器和回收装置组成；所述水下系统由STM32中央处理器、定位模块、通讯模块、探测器和照明设备组成，所述水上系统和水下系统采用水声通讯的方式进行无线通讯。
如图2所示，所述水上系统中的定位模块由北斗和GPS组成，采用RS232串口协议与工控机相连；通讯模块是由GPRS模块、北斗卫星和水声换能器组成，采用RS485通讯协议与工控机相连；其中GPRS模块和北斗卫星的作用是分别通过4G网络和卫星传输的方式与岸基远程监控端进行连接通讯；水声换能器通过水声通讯的方式与水下系统进行数据的交换和定位。探测器由激光、雷达、摄像头、多位一体水质传感器组成，采用TCP/IP通讯协议与工控机相连；其中多位一体传感器由温度传感器、pH传感器、溶解氧传感器、电导率以及浊度等集成的一套水质检测传感器，其作用是对无人艇体周围环境的感知及数据的采集。所述回收装置通过RS232串口协议与工控机相连，工控机与回收装置中的控制板相连。而控制板是由51单片机、步进电机驱动板和信号发生器组成，51单片机与步进电机驱动板之间采用PWM方波信号进行控制，与信号触发器之间采用TTL电平进行引脚触发。
如图3所示，所述水下系统中的定位模块由惯导和深度计组成，采用RS232串口协议与STM32中央处理器相连；用来提供航行器在水中于初始的相对位置。通讯模块由水声换能器组成，采用RS485通讯协议与STM32中央处理器相连；除了与水面无人艇数据上的交互，还可以通过信号传输的时间来确定航行器位于无人艇的相对位置。探测器是由摄像头、多普勒扫描仪、声纳、ADCP和CTD传感器组成，采用TCP/IP通讯协议与STM32中央处理相连；摄像头是用来拍摄水底的环境，多普勒扫描仪和声呐是用来对水底地形的探测，ADCP和CTD传感器是用来对水质参数的采集。照明装置是由光照度传感器和LED灯组成，光照度传感器与STM32中央处理之间采用IIC协议进行通讯，用来检测水底的光亮强度，并采用PWM方波信号调节控制LED灯的亮度。
如图5所示，所述水上系统中的回收装置具体结构包括控制板9、步进电机10、传动装置11、卷盘12、混合线缆13、定滑轮14、线圈15、激光头16、固定架17和通孔18；所述控制板9由单片机、步进电机驱动板和信号触发器组成；所述混合线缆13是由一根主要受力绳和在其上缠绕着的供电线和信号线组成；步进电机驱动板连接步进电机10，驱动步进电机10工作；步进电机10连接传动装置11，再由传动装置11驱动卷盘12旋转；所述卷盘12通过固定架17固定，所述混合线缆13缠绕在卷盘12上，并通过两个定滑轮14来实现固定在混合线缆13末端的线圈15和激光头16的上下升降；其中线圈15连接混合线缆13中的供电线，激光头16连接混合线缆13中的信号线，最终信号线通过通孔18与控制板9中的信号触发器相连接。
回收装置的工作过程为：
卷盘12带动混合缆线13，通过定滑轮14使得线圈15能够进行升降，通电后线圈15产生磁力，使得线圈15紧紧的吸附航行器顶上的铁板，从而将航行器回收。当发出回收指令时，启动回收装置，由航行器通过定位模块运行至线圈15正下方，当激光头16接收到由航行器反馈回的信号时，线圈15开始下降，直至线圈15接触到航行器顶部的铁板进行吸合，然后进行航行器回收。
如图4所示，本发明系统工作过程为：
当无人艇1接收通过GPRS或北斗卫星远程发来的探测指令时，安装在无人艇1上的水上系统的探测器4开始工作，同时无人艇1后端舱门8被打开，回收装置3释放航行器2至水中。在释放航行器2的同时，航行器2上的水下系统开始工作，并且水上系统和水下系统的水声换能器5被打开。水声换能器5进行数据的交互和实时确定它们两者间的相对位置，航行器2通过自身的定位模块来确定自己与初始位置的相对位置。在整个协同探测的过程中，航行器2需要实时的尾随着无人艇1进行探测活动，所以通过水声换能器5的信号在水下划分了三角锥形的跟随区域7。在探测过程中航行器2实时的在这个跟随区域7内活动，并实时的跟随无人艇1的方向进行协同探测。无人艇1的整个路径轨迹是通过远程岸基用户所设定的轨迹进行运动的。当整个探测活动完成时，航行器2通过回收装置3的线圈15通过吸附航行器2顶上的铁板6进行回收。回收后无人艇1进行返航，完成整个探测过程。

Claims (4)

1.一种水上水下协同探测系统，主要包括水上系统和水下系统，所述水上系统和水下系统分别被安装在无人艇和水下航行器上，其特征在于：所述水上系统由工控机、定位模块、通讯模块、探测器和回收装置组成；所述水下系统由STM32中央处理器、定位模块、通讯模块、探测器和照明设备组成，所述水上系统和水下系统采用水声通讯的方式进行无线通讯。
2.根据权利要求1所述的水上水下协同探测系统，其特征在于：所述水上系统中的定位模块由北斗和GPS组成，采用RS232串口协议与工控机相连；通讯模块是由GPRS模块、北斗卫星和水声换能器组成，采用RS485通讯协议与工控机相连；探测器由激光、雷达、摄像头、多位一体水质传感器组成，采用TCP/IP通讯协议与工控机相连；所述回收装置通过RS232串口协议与工控机相连。
3.根据权利要求1所述的水上水下协同探测系统，其特征在于：所述水下系统中的定位模块由惯导和深度计组成，采用RS232串口协议与STM32中央处理器相连；通讯模块由水声换能器组成，采用RS485通讯协议与STM32中央处理器相连；探测器是由摄像头、多普勒扫描仪、声纳、ADCP和CTD传感器组成，采用TCP/IP通讯协议与STM32中央处理相连；照明装置是由光照度传感器和LED灯组成，光照度传感器与STM32中央处理之间采用IIC协议进行通讯，并采用PWM方波信号调节控制LED灯的亮度。
4.根据权利要求1或2所述的水上水下协同探测系统，其特征在于：所述水上系统中的回收装置具体结构包括控制板（9）、步进电机（10）、传动装置（11）、卷盘（12）、混合线缆（13）、定滑轮（14）、线圈（15）、激光头（16）、固定架（17）和通孔（18）；所述控制板（9）由单片机、步进电机驱动板和信号触发器组成；所述混合线缆（13）是由一根主要受力绳和在其上缠绕着的供电线和信号线组成；步进电机驱动板连接步进电机（10），驱动步进电机（10）工作；步进电机（10）连接传动装置（11），再由传动装置（11）驱动卷盘（12）旋转；所述卷盘（12）通过固定架（17）固定，所述混合线缆（13）缠绕在卷盘（12）上，并通过两个定滑轮（14）来实现固定在混合线缆（13）末端的线圈（15）和激光头（16）的上下升降；其中线圈（15）连接混合线缆（13）中的供电线，激光头（16）连接混合线缆（13）中的信号线，最终信号线通过通孔（18）与控制板（9）中的信号触发器相连接。
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