CN107576328B - 一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，包括岸基显控中心、无线网络通信系统、无人船跟踪平台、水声定位系统。所述岸基显控中心与所述无人船平台通过无线网路进行双向通信。所述无人船通过超短基线水声定位系统得到自主水下航行器的相对位置，并运行控制器实现对其的跟踪，同时将水下航行器的状态信息发送给岸上显控中心，实现对自主水下航行器的跟踪式监控。本发明是一种联合利用无线网络通信、超短基线定位系统、卫星定位系统来实现无人船对水下航行器的定位及跟踪控制，并将跟踪数据传给岸上工作者，来实现对其高精度的实时跟踪及岸上远程监控。

Description

一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统

技术领域

本发明涉及水下航行器水面自动跟踪技术领域，具体为一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统。

背景技术

自主水下航行器作为一种海洋开发高技术工具，可以依靠自身携带能源，完成赋予的各种使命任务，具有活动范围广、体积小、重量轻、噪音低、隐蔽性好等特点，无论在军用还是民用领域都有着广阔的应用前景。

水下是个复杂的工作环境，自主水下航行器进行水下作业时，其自身的环境感知能力和外部对其监控能力的技术和手段与陆上、空间机器人相比都有很大不足。受水体的限制，电磁波在水下环境衰减很快；如果采用视觉传感器，只有在很短的距离内才能获得视觉图像，而且经常由于水体浑浊而无法工作；激光传感器可以测到100m的范围，而且距离和方位的测量都很准确，但价格昂贵并受到测量距离的限制；推算导航以航速的变化为依据来进行积分推算位置，误差较大，且随时间积累；因此水下航行器的位置测量和通信最好选用水声技术来完成。水声定位系统有长基线系统、短基线系统和超短基线系统三种，长基线系统需要长时间布设和收回海底声基阵；短基线系统、超短基线系统定位精度随着水的深度和工作距离的增加而降低。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，联合利用无线网络通信、超短基线定位系统和卫星定位系统来实现无人船对水下航行器的定位及跟踪控制，并将定位数据通过网络及时传给岸上工作者，从而实现对其高精度的实时跟踪及岸上远程监控。

所述一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，其特征在于：包括岸基显控中心、无线网络通信系统、无人船跟踪平台和水声定位系统；

所述无人船跟踪平台利用水声定位系统得到水下航行器的相对位置，结合无人船跟踪平台上的卫星定位系统获得的无人船跟踪平台自身位置，确定水下航行器的位置，并通过无线网络通信系统将无人船跟踪平台自身位置和水下航行器的位置发送给岸基显控中心；

所述无人船跟踪平台根据自身姿态传感器获得自身的姿态信息，并根据水声定位系统得到水下航行器的相对位置，控制无人船跟踪平台自身前向速度和航向角速度，实现对水下航行器的跟踪；同时无人船跟踪平台将自身的姿态信息通过无线网络通信系统发送给岸基显控中心。

进一步的优选方案，所述一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，其特征在于：所述无线网络通信系统包括岸基无线网络电台、岸基无线通信天线、船载无线网络电台、船载无线通信天线；所述无线网络通信系统采用TCP/IP无线网络通信协议。

进一步的优选方案，所述一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，其特征在于：所述水声定位系统包括USBL收发器和USBL应答器；所述USBL收发器固定在无人船跟踪平台底部，所述USBL应答器固连在水下航行器上。

进一步的优选方案，所述一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，其特征在于：所述无人船跟踪平台包括船体以及安装在船体上的无人船动力系统、卫星定位系统、惯性导航系统、处理计算机；

所述卫星定位系统将无人船跟踪平台自身的位置信息发送给处理计算机；所述水声定位系统中的USBL收发器将水下航行器的相对位置发送给处理计算机；所述惯性导航系统将无人船跟踪平台的姿态信息发送给处理计算机；

所述处理计算机根据无人船跟踪平台自身的位置信息以及水下航行器的相对位置，解算出水下航行器的位置信息，并通过无线网络通信系统发送给岸基显控中心；

所述处理计算机根据水下航行器的相对位置和无人船跟踪平台自身的姿态信息，计算出无人船跟踪平台的前向速度控制量和航向角速度控制量，并转换为无人船动力系统的推力指令来控制无人船动力系统。

有益效果

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益结果有：

(1)与现有技术相比，本发明通过超短基线水声定位与卫星定位相结合，提高了定位的精度。在水下，搭载USBL收发器的无人船平台跟踪在搭载USBL应答器的自主水下航行器上边，既保证了USBL系统的定位范围又提高了定位精度；水面上，采用的是高精度的卫星定位；

(2)无人船对水下航行器的实时跟踪，在水面显示其运动特性，岸基显控计算机与无人船平台通过无线网络交互通信，在岸上实时显示无人船和水下航行器的定位及速度等运动信息，实现对水下航行器实时监控。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统的系统结构图；

其中：1-岸基通信天线，2-岸基显控计算机，3-船载无线通信天线，4-自主水下航行器，5-处理计算机，6-无人船跟踪平台，7-USBL收发器，8-USBL应答器

图2是本发明一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统的主控系统图；

图3是本发明一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统的控制示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，包括岸基显控中心、无线网络通信系统、无人船跟踪平台和水声定位系统。

所述无人船跟踪平台利用水声定位系统得到水下航行器的相对位置，结合无人船跟踪平台上的卫星定位系统获得的无人船跟踪平台自身位置，确定水下航行器的位置，并通过无线网络通信系统将无人船跟踪平台自身位置和水下航行器的位置发送给岸基显控中心；

所述无人船跟踪平台根据自身姿态传感器获得自身的姿态信息，并根据水声定位系统得到水下航行器的相对位置，控制无人船跟踪平台自身前向速度和航向角速度，实现对水下航行器的跟踪；同时无人船跟踪平台将自身的姿态信息通过无线网络通信系统发送给岸基显控中心。

所述岸基显控中心包括显控计算机，所述显控计算机包括显示屏和处理器。

所述无线网络通信系统实现无人船平台和岸基显控中心的双向通信，包括岸基无线网络电台、岸基无线通信天线、船载无线网络电台、船载无线通信天线；所述无线网络通信系统采用TCP/IP无线网络通信协议，TCP是面向连接的协议，程序运行后，服务器一直处于监听状态，客户端与服务器通信之前必须首先发起连接请求，由服务器接收请求并建立连接后才可以互通信息，而UDP是面向非连接的协议，任何一个进程，只要创建了数据报套接字并与自身绑定后，就可以向任何正在运行中的其他同样创建和绑定了数据报套接字的进程发消息，双方无须建立连接；因此，与UDP相比TCP具有更高的可靠性。无线网络电台采用INET300，INET300是GE MDS针对工业以太网应用而设计的一款长距离、高速率、工业级的无线网络电台，它工作在336－344MHz，传输距离在视距情况下最大可达100公里，支持512Kbps的空中通信速率，客户可以通过以太网关或串口网关轻松的从基础网络上得到信息。

所述水声定位系统为超短基线定位系统，包括USBL收发器和USBL应答器；所述USBL收发器固定在无人船跟踪平台底部，所述USBL应答器固连在水下航行器上。

所述无人船跟踪平台包括船体以及安装在船体上的无人船动力系统、卫星定位系统、惯性导航系统、处理计算机。

所述处理计算机为PC-104工控机，PC-104工控机具有低功耗、灵活的I/O配置、超强扩展性能的优点，可以依据需求对PC-104模块进行外部扩展、平台搭建，选择基于PC-104总线的工控机为主控单元的嵌入式平台，在PC-104模块上外扩固态硬盘、多串口卡、数字IO卡和继电器板，以分别完成主控单元数据存储、数据接口和电源管理的模块设计。

所述卫星定位系统通过串口将无人船跟踪平台自身的位置信息发送给处理计算机；所述水声定位系统中的USBL收发器通过串口将水下航行器的相对位置发送给处理计算机；所述惯性导航系统通过串口将无人船跟踪平台的姿态信息发送给处理计算机。

所述处理计算机根据无人船跟踪平台自身的位置信息x、y以及水下航行器相对于无人船的相对位置Δx，Δy，解算出水下航行器的位置信息，并通过无线网络通信系统发送给岸基显控中心；所述处理计算机根据水下航行器的相对位置和无人船跟踪平台自身的姿态信息，计算出无人船跟踪平台的前向速度控制量和航向角速度控制量，并转换为无人船动力系统的推力指令来控制无人船动力系统，实现对自主水下航行器的跟踪。

具体使用时，岸基显控计算机通过无线天线发射状态查询命令；无人船处理计算机通过无线天线接收到查询信号；无人船处理计算机通过USBL收发器向自主水下航行器发射问询信号；自主水下航行器载的USBL应答器接收到问询信号后进行应答，并在应答信号中携带水下航行器的状态参数，包含在北东地坐标系下自主水下航行器相对于无人船的相对位置Δx，Δy。

水下航向器的位置x_t，y_t可以表示为

x_t＝x+Δx，

y_t＝y+Δy，

采用基于视线导引的领航-跟随法对自主水下航行器进行跟踪，如图3所示，自主水下航行器为参考节点，无人船为跟随者，当跟随者落后跟踪点时，会加速到达跟踪点，当跟随者超前跟踪点时，会减速到达跟踪点。

θ＝arctan(Δx/Δy)，

其中

为自主水下航行器与无人船的距离，θ为自主水下航行器与无人船连线的航向偏角；

我们的控制目标可以描述为

式中

为无人船的航向角，由惯性导航系统可以测得。

在欠驱动无人船中，侧向速度不能直接控制。因此对期望控制解耦为前向速度控制器和角速度控制器，前向速度控制器控制无人船速度的大小，角速度控制器控制无人船速度的方向；设计前向速度和角速度的PD控制器，使得

式中F、N为输出前向推力和转矩，，k_p1、k_b1、k_p2、k_b2为PD控制器的控制参数，u_d、w_z为无人船前向速度、航向角速度，由惯性导航系统可以测得。

所述无人船为后方两推进器驱动，依据输出F、N得出推进器的推力T₁、T₂

F＝T₁+T₂，

N＝k(T₁-T₂)，

式中k为与质量相关的常数；控制无人船动力系统以推力T₁、T₂运动，使无人船平台保持在水下航行器的上方，实现对水下航行器-4的跟踪。

无人船平台通过无线天线发射出水下航行器的状态信息包括经纬度、深度、航速等；岸基显控计算机通过无线天线接收信息；岸基显控计算机对最终状态信息进行解析、显示，从而实现对水下航行器的监控。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，其特征在于：包括岸基显控中心、无线网络通信系统、无人船跟踪平台和水声定位系统；

所述无人船跟踪平台利用水声定位系统得到水下航行器的相对位置，结合无人船跟踪平台上的卫星定位系统获得的无人船跟踪平台自身位置，确定水下航行器的位置，并通过无线网络通信系统将无人船跟踪平台自身位置和水下航行器的位置发送给岸基显控中心；

所述无人船跟踪平台根据自身姿态传感器获得自身的姿态信息，并根据水声定位系统得到水下航行器的相对位置，控制无人船跟踪平台自身前向速度和航向角速度，实现对水下航行器的跟踪；同时无人船跟踪平台将自身的姿态信息通过无线网络通信系统发送给岸基显控中心；

所述水声定位系统包括USBL收发器和USBL应答器；所述USBL收发器固定在无人船跟踪平台底部，所述USBL应答器固连在水下航行器上；

所述无人船跟踪平台包括船体以及安装在船体上的无人船动力系统、卫星定位系统、惯性导航系统、处理计算机；

所述卫星定位系统将无人船跟踪平台自身的位置信息发送给处理计算机；所述水声定位系统中的USBL收发器将水下航行器的相对位置发送给处理计算机；所述惯性导航系统将无人船跟踪平台的姿态信息发送给处理计算机；

所述处理计算机根据无人船跟踪平台自身的位置信息以及水下航行器的相对位置，解算出水下航行器的位置信息，并通过无线网络通信系统发送给岸基显控中心；

所述处理计算机根据水下航行器的相对位置和无人船跟踪平台自身的姿态信息，计算出无人船跟踪平台的前向速度控制量和航向角速度控制量，并转换为无人船动力系统的推力指令来控制无人船动力系统；

根据水下航行器的相对位置和无人船跟踪平台自身的姿态信息，计算出无人船跟踪平台的前向速度控制量和航向角速度控制量的具体过程为：

采用基于视线导引的领航-跟随法对自主水下航行器进行跟踪，控制目标描述为

其中

为自主水下航行器与无人船的距离，θ为自主水下航行器与无人船连线的航向偏角；

θ＝arctan(Δx/Δy)，

Δx，Δy为自主水下航行器相对于无人船的相对位置，

为由惯性导航系统测得的无人船航向角；

设计无人船跟踪平台的前向速度和航向角速度的PD控制器，使得

其中F、N为输出前向推力和转矩，u_d、w_z为由惯性导航系统测得的无人船前向速度、航向角速度，k_p1、k_b1、k_p2、k_b2为PD控制器的控制参数。

2.根据权利要求1所述一种用于水下航行器的水面自动跟踪监控系统，其特征在于：所述无线网络通信系统包括岸基无线网络电台、岸基无线通信天线、船载无线网络电台、船载无线通信天线；所述无线网络通信系统采用TCP/IP无线网络通信协议。

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