CN109591966A - 一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其包括：一艘搭载系统功能模块的母艇和配有一种附加通信功能的子艇、总控制系统、动力与能源系统、水域监测系统、远程传输系统以及远程监测系统、子母艇协同系统，主艇由两个片体组成，呈对称分布，子艇为单体翼滑艇型，本发明的内河湖泊水域监测无人艇搭载监测功能装置，可监测pH值、水温、水位、风速、风向、水流速等，监测水环境，并对水污染进行预报；通过数传电台与岸机实现数据远程无线互通，利用专用监测软件显示监测内容。

Description

一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇

技术领域

本发明涉及内河湖泊水域监测无人艇及子艇，属于船舶工程与水域监测技术领域。

背景技术

近年来，随着工业化快速发展和城镇化进程加快等因素的影响，内河湖泊水质安全日益受到严重威肋，不少地区的内河湖泊已经受到不同程度的污染。作为生命之源、生产之要、生态之基的水与每个人的生命和生活息息相关，它不仅直接影响到人们的日常生活生产，而且影响到经济社会发展，甚至影响到社会的和谐稳定。为此，近年来国家不断加大对内河湖泊保护和水污染防治的力度，包括出台一系列内河湖泊保护法律法规，加大水污染防控力度，更为具体表现为对内河湖泊水质监测项目由原来的35项增加至106项，指标覆盖面更加广泛，更趋合理。其中一项重要指标就是水域水位信息，在水利工程中，水域水位测量一直是水文、水利部门的重点。如果没有提前进行有效的水位监测，则在遇到洪水、台风等异常天气状况下，因水位达到警戒线而造成江堤决口、大水冲毁堤坝等恶性事故时有发生，由此给国家和人民生命财产带来巨大的损失。因此，进行精确而有效的实时水位监测，对预防事故的发生以及水资源的有效利用有着重要意义！因此无人艇及其子艇的诞生符合了时代的需求，在民用辅助方面，多无人艇协同编队航行较单艘无人艇，具有更为宽广的观察和搜寻范围，能在各个空间区域内按照一个统一的时间进度获得想要的信息。并扩大信息传送范围，因此，通信在气象观测、水域测量、资源探测、环境监控等多方面具有良好的应用性。

协同通信技术的基本原理是在多用户环境下的单天线用户在传输自己数据信息的同时，也能传送其所接收和检测到的协同用户信息。该技术的实质是利用协同用户的天线与自身天线构成多发射天线，形成虚拟的MIMO系统来得到分集增益。

发明内容

发明目的：为了保证无人艇能准确、实时、有效地完成海洋环境监测的任务，得到有关海洋环境数据，本项目将一系列监测模块搭载于无人艇上，通过智能航行系统，实现多种模式下的环境监测任务，并通过创造性的协同子艇的设计，扩大监测范围，节约能源、时间、成本。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，包括：无人艇子艇、母艇、总控制系统、动力与能源系统、水域监测系统、远程传输系统以及远程监测系统，其中，母艇的主船体包括两个对称布置的片体和上层建筑，双推进电机分别布置于两片体之内与螺旋桨通过轴系连接，总控制系统主控器布置于连接桥上及上层建筑内部，且与动力与能源系统、水域监测系统、远程传输系统以及远程监测系统相连，水域监测系统设备布置于船体外侧、上层建筑顶部和船底，远程传输系统天线位于上层建筑尾部上侧，所述片体的两侧开门能够放出无人艇子艇和回收无人艇子艇，无人艇子艇和母艇在接收到命令时，开始分离，并分别到达指定位置对水域水质进行监测，在一定的时间后，再次达到规定的地方进行无人艇子艇回收，无人艇子艇和母艇协调作用，以便扩大监测水域的范围。

进一步，作为优选，所述无人艇子艇配有通信和监测系统，以便使得所述无人艇子艇与岸边的岸基系统、母艇之间均双向信息无线传输，且所述岸基系统与母艇之间信息无线传输。

进一步，作为优选，所述总控制系统采用STM单片机为核心，所述动力与能源系统包括锂聚合物电池、太阳能电池板、双螺旋桨和直流有刷电机，其中，上层建筑顶部及壁面装有太阳能电池板，内部通过太阳能控制器与锂聚合物电池相连，所述锂聚合物电池为直流有刷电机供电；双螺旋桨分别装于两片体上，双螺旋桨采用直流有刷电机驱动，且直流有刷电机通过电机驱动器与主控器连接，以便接受总控制系统的单片机的控制。

进一步，作为优选，所述水域监测系统包括水环境监测装置传感器、水位水流速监测装置传感器、温度监测装置传感器、湿度监测装置、风速风向监测装置传感器和视频图像装置，其中，所述水环境监测装置传感器、水位水流速监测装置传感器和温度监测装置传感器均布置于主艇体尾部，温度监测装置传感器布置于主艇体尾部；湿度监测装置，布置于上层建筑顶部；风速风向监测装置传感器布置于上层建筑顶部；视频图像装置布置于上层建筑前部，所述水域监测系统将水域监测指标数字信息传输给主控制器，再通过数传电台以数字信号的形式上传到岸基，对水域进行实时监测。

进一步，作为优选，所述远程传输系统包括两部分别安装于母艇船体和岸基的远程收发一体式数传电台，数传电台的电台天线安装于上层建筑之上，数传电台与主控器连接，以便将各个传感器监测到的水域信息发送到岸基再通过岸基传送到用户端；所述远程监测系统与岸基实时共享数据的远程监测端通过互联网相连，并利用专用监测软件显示监测内容。

进一步，作为优选，所述母艇的主船体的两个片体呈对称布置，总体总长L＝1.2-2.4m，长宽比L/B＝1.94，宽深比B/D＝2.88，片体长L₁＝0.9-1.8m，片体长宽比L₁/B₁＝6，宽深比B₁/D₁为0.8～1，片体间间距d/d₁＝3，两个片体的片体剖面形式从首部向尾部方向，呈深V型到艇艏部1/3处呈浅V型，最后过渡到尾部呈U型。

进一步，作为优选，子艇总长L₀＝0.64m，长宽比L₀/B₀为3-6，宽深比B₀/D₀＝0.9-1.8，d₀/D₀＝0.45，从艇艏部向艉部方向，呈深V型到浅V型到中部呈U型，最后过渡到尾部浅U型。

进一步，作为优选，该双体体无人艇及信息协同艇各尺度比及各部分几何形状是基于性能综合优化计算得到，其性能综合优化计算包括同时兼顾多航态无人艇阻力及推进性能、适航性、操纵性、横稳性和纵稳性、绿色能源利用率及系统可靠性、总布置特性和环境监测功能综合最优的优化数学模型和新型并行遗传寻优算法。

进一步，本发明提供了一种基于性能综合优化计算双体体无人艇及信息协同艇的各尺度比及各部分几何形状的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)选取设计变量

共选取了16个设计变量，包括：船长L，船宽B，吃水T，片体长度L_h，片体宽D₁，浮心纵向位置L_cp，方形系数C_b，水线长L_w，水线面系数C_w，双体船片体间距C₀，重心高度Z_g，螺旋桨直径D_P，盘面比A_eo，螺距比P_DP，螺旋桨转速N，设计航速V_S；

(2)构建优化数学模型

根据幂指数乘积的形式构造水面无人艇的综合性能总目标函数：

F(x)＝f₁(x)^α1*f₂(x)^α2*f₃(x)^α3*f₄(x)^α4

式中：f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)、f₄(x)分别为快速性、操纵性、抗倾覆性和绿色能源系统的目标函数，α1,α2,α3,α4分别为四个系统的权重，且有α1*α2*α3*α4＝1。每个子目标函数的具体表达式如下；

f₁(x)为快速性目标函数，其表达式采用与海军系数形式相近的快速性衡准因子作为快速性优化目标函数，

f₂(x)为操纵性目标函数，采用相应单位舵角的首向角变化P作为操纵性的目标函数，指数P能比较恰当地反应出船舶是否容易改变航向。P值越大船的转首性越好，其表达式为，

f₃(x)为抗倾覆性目标函数，其表达式如下，

f₄(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，

(3)约束条件

约束条件包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、初稳性高约束、横摇周期约束、螺旋桨需满足空泡约束、绿色能源系统约束；

通过结合该艇的艇型性能和绿色能源系统建立了优化目标函数，其最终的表现形式为优化适应度值；结合智能优化方法遗传算法和并行策略，将优化适应度值与优化方法接口实现算法及策略的综合优化计算，最终得出其尺度及各部分几何形状。

有益效果：

(1)受众面广

(2)经济效益高(试验效率高)

(3)实时性、协同性。

(4)互动的好处等。

附图说明

图1无人艇子艇主视图

图2无人艇子艇侧视图

图3.距艇艏1/3处剖面

图4主艇体正视图

图5船体剖面图

图6主艇体无上层建筑时的俯视图

图7信息传递及无人艇布置图；

图8是无人艇子艇和母艇俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-8所示，一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，包括：无人艇子艇1、母艇2、总控制系统、动力与能源系统、水域监测系统、远程传输系统以及远程监测系统，其中，母艇2的主船体包括两个对称布置的片体219和上层建筑，双推进电机222分别布置于两片体219之内与螺旋桨218通过轴系221连接，总控制系统主控器220布置于连接桥上及上层建筑内部，且与动力与能源系统、水域监测系统、远程传输系统以及远程监测系统相连，水域监测系统设备布置于船体外侧、上层建筑顶部和船底，远程传输系统天线213位于上层建筑尾部上侧，所述片体219的两侧开门能够放出无人艇子艇1和回收无人艇子艇1，子艇GPS装置415给子艇1定位，子艇摄像头模块417拍摄监测画面，太阳能电池板418吸收天阳能，最后子艇1的位子信息和所监测到的画面通过数传天线416发送到母艇2，无人艇子艇1和母艇2在接收到命令时，开始分离，并分别到达指定位置对水域水质进行监测，在一定的时间后，再次达到规定的地方进行无人艇子艇回收，无人艇子艇1和母艇2协调作用，以便扩大监测水域的范围。

在本实施例中，所述无人艇子艇1配有通信和监测系统，以便使得所述无人艇子艇1与岸边的岸基系统31、母艇2之间均双向信息无线传输，且所述岸基系统31与母艇2之间信息无线传输。

作为更佳的实施例，所述总控制系统采用STM32单片机为核心，所述动力与能源系统包括锂聚合物电池224、太阳能电池板232、双螺旋桨218和直流有刷电机222，其中，上层建筑顶部及壁面装有太阳能电池板232，内部通过太阳能控制器230与锂聚合物电池224相连，所述锂聚合物电池224为直流有刷电机222供电；双螺旋桨218分别装于两片体219上，双螺旋桨218采用直流有刷电机222驱动，且直流有刷电机222通过电机驱动器223与主控器连接，以便接受总控制系统的单片机的控制。

其中，所述水域监测系统包括水环境监测装置传感器226、水位水流速监测装置传感器227、温度监测装置传感器228、湿度监测装置229、风速风向监测装置传感器217和视频图像装置216，其中，所述水环境监测装置传感器226、水位水流速监测装置传感器227和温度监测装置传感器228均布置于主艇体尾部，温度监测装置传感器228布置于主艇体尾部；湿度监测装置229，布置于上层建筑顶部；风速风向监测装置传感器217布置于上层建筑顶部；视频图像装置216布置于上层建筑前部，所述水域监测系统将水域监测指标数字信息传输给主控制器220，再通过数传电台以数字信号的形式上传到岸基，对水域进行实时监测。

作为更佳的实施例，所述远程传输系统包括两部分别安装于母艇2船体和岸基的远程收发一体式数传电台，数传电台的电台天线213安装于上层建筑之上，数传电台与主控器连接，以便将各个传感器监测到的水域信息发送到岸基再通过岸基传送到用户端；所述远程监测系统与岸基实时共享数据的远程监测端通过互联网相连，并利用专用监测软件显示监测内容。

此外，本发明提供了一种基于性能综合优化计算双体体无人艇及信息协同艇的各尺度比及各部分几何形状的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)选取设计变量

共选取了16个设计变量，包括：船长L，船宽B，吃水T，片体长度L_h，片体宽D₁，浮心纵向位置L_cp，方形系数C_b，水线长L_w，水线面系数C_w，双体船片体间距C₀，重心高度Z_g，螺旋桨直径D_P，盘面比A_eo，螺距比P_DP，螺旋桨转速N，设计航速V_S；

(2)构建优化数学模型

根据幂指数乘积的形式构造水面无人艇的综合性能总目标函数：

F(x)＝f₁(x)^α1*f₂(x)^α2*f₃(x)^α3*f₄(x)^α4

式中：f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)、f₄(x)分别为快速性、操纵性、抗倾覆性和绿色能源系统的目标函数，α1,α2,α3,α4分别为四个系统的权重，且有α1*α2*α3*α4＝1。每个子目标函数的具体表达式如下；

f₁(x)为快速性目标函数，其表达式采用与海军系数形式相近的快速性衡准因子作为快速性优化目标函数，

f₂(x)为操纵性目标函数，采用相应单位舵角的首向角变化P作为操纵性的目标函数，指数P能比较恰当地反应出船舶是否容易改变航向。P值越大船的转首性越好，其表达式为，

f₃(x)为抗倾覆性目标函数，其表达式如下，

f₄(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，

(3)约束条件

约束条件包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、初稳性高约束、横摇周期约束、螺旋桨需满足空泡约束、绿色能源系统约束；

通过结合该艇的艇型性能和绿色能源系统建立了优化目标函数，其最终的表现形式为优化适应度值；结合智能优化方法遗传算法和并行策略，将优化适应度值与优化方法接口实现算法及策略的综合优化计算，最终得出其尺度及各部分几何形状。

本发明该双体体无人艇及信息协同艇各尺度比及各部分几何形状是基于性能综合优化计算得到，其性能综合优化计算包括同时兼顾多航态无人艇阻力及推进性能、适航性、操纵性、横稳性和纵稳性、绿色能源利用率及系统可靠性、总布置特性和环境监测功能综合最优的优化数学模型和新型并行遗传寻优算法。

基于以上的优化计算方法，计算得到的本发明的尺寸以及形状具体如下：所述母艇2的主船体的两个片体呈对称布置，总体总长L＝1.2-2.4m，长宽比L/B＝1.94，宽深比B/D＝2.88，片体长L₁＝0.9-1.8m，片体长宽比L₁/B₁＝6，宽深比B₁/D₁为0.8～1，片体间间距d/d₁＝3，两个片体的片体剖面形式从首部向尾部方向，呈深V型到艇艏部1/3处呈浅V型，最后过渡到尾部呈U型。

子艇总长L₀＝0.64m，长宽比L₀/B₀为3-6，宽深比B₀/D₀＝0.9-1.8，d₀/D₀＝0.45，从艇艏部向艉部方向，呈深V型到浅V型到中部呈U型，最后过渡到尾部浅U型。

本发明考虑到无人艇自身的型宽较大，在很多复杂的水域中不能展开全面探测，便采用协同艇辅助无人艇进行探测。在无人艇两侧片体219处放置有协同艇，如遇复杂水域，则可放出协同艇进行侦测，协同艇将得到的信息传输给无人艇，具体传输方式见图6(传输方式11代表信息从岸基系统31至子艇1再至母艇2双向传输；12代表信息直接是岸基31与母艇2间的相互传输)。

同时，本发明为了便于更好的远程控制无人艇及协同艇，在船甲板216处装置有摄像头，实时观测周围环境，在船甲板尾部装置有风速风向装置217，若风速超过一定级别，可智能规避，预防因风力过大而导致的翻船。

本发明为保证无人艇的续航性，船体采用锂电池作为主要能源，而在上层建筑甲板上232处铺设有大面积的太阳能电池板，为无人艇2辅助功能，并储存一部分转化的能源作为备用电源，如遇紧急情况，可驶回岸边修理。母艇2的主船体采用双体舰型，降低的无人艇的整体能耗。子母艇协同系统的特征在于：子艇1和母艇2在接收到命令时，

开始分离，并分别到达指定位置进行对水域水质的监测，在一定的时间后，再次达到规定的地方进行子母合并，两者协调作用，扩大监测水域的范围。

本发明在接收上位机发送过来的指令，通过已烧录好的内部程序算法，给电机驱动223发送指令使电机222开始转动，通过GPS 214、三维电子罗盘215给出航迹航向偏差反馈给单片机核心控制器220，单片机核心控制器220通过烧录好的程序算法，重新计算后下达指令，使其减小偏差；各个模块通过下达的指令执行工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，包括：无人艇子艇(1)、母艇(2)、总控制系统、动力与能源系统、水域监测系统、远程传输系统以及远程监测系统，其中，母艇(2)的主船体包括两个对称布置的片体(219)和上层建筑，双推进电机(222)分别布置于两片体(219)之内与螺旋桨(218)通过轴系(221)连接，总控制系统主控器(220)布置于连接桥上及上层建筑内部，且与动力与能源系统、水域监测系统、远程传输系统以及远程监测系统相连，水域监测系统设备布置于船体外侧、上层建筑顶部和船底，远程传输系统天线(213)位于上层建筑尾部上侧，所述片体(219)的两侧开门能够放出无人艇子艇(1)和回收无人艇子艇(1)，无人艇子艇(1)和母艇(2)在接收到命令时，开始分离，并分别到达指定位置对水域水质进行监测，在一定的时间后，再次达到规定的地方进行无人艇子艇回收，无人艇子艇(1)和母艇(2)协调作用，以便扩大监测水域的范围。

2.根据权利要求1所述的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其特征在于，所述无人艇子艇(1)配有通信和监测系统，以便使得所述无人艇子艇(1)与岸边的岸基系统(31)、母艇(2)之间均双向信息无线传输，且所述岸基系统(31)与母艇(2)之间信息无线传输。

3.根据权利要求1所述的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其特征在于，所述总控制系统采用STM32单片机为核心，所述动力与能源系统包括锂聚合物电池(224)、太阳能电池板(232)、双螺旋桨(218)和直流有刷电机(222)，其中，上层建筑顶部及壁面装有太阳能电池板(232)，内部通过太阳能控制器(230)与锂聚合物电池(224)相连，所述锂聚合物电池(224)为直流有刷电机(222)供电；双螺旋桨(218)分别装于两片体(219)上，双螺旋桨(218)采用直流有刷电机(222)驱动，且直流有刷电机(222)通过电机驱动器(223)与主控器连接，以便接受总控制系统的单片机的控制。

4.根据权利要求1所述的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其特征在于，所述水域监测系统包括水环境监测装置传感器(226)、水位水流速监测装置传感器(227)、温度监测装置传感器(228)、湿度监测装置(229)、风速风向监测装置传感器(217)和视频图像装置(216)，其中，所述水环境监测装置传感器(226)、水位水流速监测装置传感器(227)和温度监测装置传感器(228)均布置于主艇体尾部，温度监测装置传感器(228)布置于主艇体尾部；湿度监测装置(229)，布置于上层建筑顶部；风速风向监测装置传感器(217)布置于上层建筑顶部；视频图像装置(216)布置于上层建筑前部，所述水域监测系统将水域监测指标数字信息传输给主控制器(220)，再通过数传电台以数字信号的形式上传到岸基，对水域进行实时监测。

5.根据权利要求1所述的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其特征在于，所述远程传输系统包括两部分别安装于母艇(2)船体和岸基的远程收发一体式数传电台，数传电台的电台天线(213)安装于上层建筑之上，数传电台与主控器连接，以便将各个传感器监测到的水域信息发送到岸基再通过岸基传送到用户端；所述远程监测系统与岸基实时共享数据的远程监测端通过互联网相连，并利用专用监测软件显示监测内容。

6.根据权利要求1所述的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其特征在于，所述母艇(2)的主船体的两个片体呈对称布置，总体总长L＝1.2-2.4m，长宽比L/B＝1.94，宽深比B/D＝2.88，片体长L₁＝0.9-1.8m，片体长宽比L₁/B₁＝6，宽深比B₁/D₁为0.8～1，片体间间距d/d₁＝3，两个片体的片体剖面形式从首部向尾部方向，呈深V型到艇艏部1/3处呈浅V型，最后过渡到尾部呈U型。

7.根据权利要求6所述的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其特征在于，子艇总长L₀＝0.64m，长宽比L₀/B₀为3-6，宽深比B₀/D₀＝0.9-1.8，d₀/D₀＝0.45，从艇艏部向艉部方向，呈深V型到浅V型到中部呈U型，最后过渡到尾部浅U型。

8.根据权利要求1所述的一种内河湖泊水域监测双体体无人艇及信息协同艇，其特征在于，该双体体无人艇及信息协同艇各尺度比及各部分几何形状是基于性能综合优化计算得到，其性能综合优化计算包括同时兼顾多航态无人艇阻力及推进性能、适航性、操纵性、横稳性和纵稳性、绿色能源利用率及系统可靠性、总布置特性和环境监测功能综合最优的优化数学模型和新型并行遗传寻优算法。

9.一种基于性能综合优化计算双体体无人艇及信息协同艇的各尺度比及各部分几何形状的方法，其特征在于，其用于权利要求1-8任意一项所述的双体体无人艇及信息协同艇的计算优化，其包括以下步骤：

(1)选取设计变量

共选取了16个设计变量，包括：船长L，船宽B，吃水T，片体长度L_h，片体宽D₁，浮心纵向位置L_cp，方形系数C_b，水线长L_w，水线面系数C_w，双体船片体间距C₀，重心高度Z_g，螺旋桨直径D_P，盘面比A_eo，螺距比P_DP，螺旋桨转速N，设计航速V_S；

(2)构建优化数学模型

根据幂指数乘积的形式构造水面无人艇的综合性能总目标函数：

F(x)＝f₁(x)^α1*f₂(x)^α2*f₃(x)^α3*f₄(x)^α4

式中：f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)、f₄(x)分别为快速性、操纵性、抗倾覆性和绿色能源系统的目标函数，α1,α2,α3,α4分别为四个系统的权重，且有α1*α2*α3*α4＝1。每个子目标函数的具体表达式如下；

f₁(x)为快速性目标函数，其表达式采用与海军系数形式相近的快速性衡准因子作为快速性优化目标函数，

f₂(x)为操纵性目标函数，采用相应单位舵角的首向角变化P作为操纵性的目标函数，指数P能比较恰当地反应出船舶是否容易改变航向。P值越大船的转首性越好，其表达式为，

f₃(x)为抗倾覆性目标函数，其表达式如下，

f₄(x)为绿色能源系统目标函数，其表达式如下，

(3)约束条件

约束条件包括：静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、初稳性高约束、横摇周期约束、螺旋桨需满足空泡约束、绿色能源系统约束；

通过结合该艇的艇型性能和绿色能源系统建立了优化目标函数，其最终的表现形式为优化适应度值；结合智能优化方法遗传算法和并行策略，将优化适应度值与优化方法接口实现算法及策略的综合优化计算，最终得出其尺度及各部分几何形状。