CN111897351A - 一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统及方法。该系统包括无人艇和仿生鱼，无人艇上配置有定位系统、声呐、控制中心、仿生鱼投放回收装置、数据整理模块、第一通信模块和第一存储模块，主要负责调查目标的测深和数据融合存储；仿生鱼配有惯性导航系统、高清相机、驱动系统、控制系统、数据分析模块、第二通信模块、第二存储模块，主要负责调查目标的检测和数据筛选；本发明以无人艇为载体，仿生鱼为水下考古调查目标检测主体，能够有效解决下沉深度和水下作业时间有限的问题，降低水下考古调查工作的风险和人员成本，增大调查范围提高调查效率。

Description

一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人艇应用领域，特别是涉及一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统及方法。

背景技术

水下考古是陆地田野考古向水域的延伸，它以人类水下文化遗产为研究对象，对淹没于江河湖海下面的古代遗迹和遗物进行调查、勘测和发掘。水下考古除发掘水下的古代遗址、打捞沉船和水下文物外，还研究古代造船术、航海术、海上交通和贸易等。水下考古的科学手段分为调查、挖掘、报告数据和研究分析四步，其中调查主要采用的技术方法分为人员潜水技术和物探设备技术。水下考古所用的物探设备，主要包括多波束水下声纳、浅地层剖面仪、旁侧声纳、短基线系统等，这些设备吊挂在船舷上，探头下放至水中，在船只行进的同时探测水下文物。采用物探设备技术进行调查，可以解决潜水员下沉深度和水下作业时间有限的问题，但是对于地形复杂和未知地形的特殊地形区域以及淤泥沉积厚的地方无法做到准确调查。因此有必要研究一套危险性低、工作效率高，调查范围广的水下考古控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统及方法，能够改善水下考古调查工作所面临的危险性高、效率低、调查范围有限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统，包括相互连接的无人艇和仿生鱼，所述仿生鱼用于辅助所述无人艇完成文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址的调查目标检测任务。

可选地，所述无人艇包括定位系统、声呐、控制中心、仿生鱼投放回收装置、数据整理模块、第一通信模块和第一存储模块；

所述定位系统用于提供无人艇实时位置信息；所述声呐用于测量调查目标的深度信息；所述控制中心用于根据所述无人艇实时位置信息和所述调查目标的深度信息控制无人艇抵达规定海域，并控制所述仿生鱼投放回收装置投放或者回收仿生鱼；所述仿生鱼投放回收装置用于投放和回收仿生鱼；所述第一通信模块用于与所述仿生鱼通信；所述第一通信模块与所述控制中心连接，所述控制中心用于通过所述第一通信模块获取从所述仿生鱼接收到的打包数据，以及融合仿生鱼所测得的文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的位置坐标、图像信息和声呐在对应位置测得的深度信息所述数据整理模块与所述控制中心连接，所述数据整理模块用于解析从所述仿生鱼接收到的打包数据，以及融合仿生鱼所测得的文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的位置坐标、图像信息和声呐在对应位置测得的深度信息，并生成电子图表；所述第一存储模块用于存储所述数据整理模块生成的电子图表以及所述仿生鱼在调查区域内的调查路径。

可选地，所述第一定位系统采用GPS定位系统。

可选地，所述仿生鱼包括惯性导航系统、高清相机、驱动系统、控制系统、数据分析模块、第二通信模块和第二存储模块；

所述惯性导航系统用于标定位置坐标；所述高清相机用于采集水下文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的图像信息；所述驱动系统为仿生鱼中控制电机的实际电路系统；所述控制系统用于根据所述位置坐标和所述图像信息对调查区进行遍历；所述数据分析模块用于对所述高清相机所采集到的图像信息与所述第二存储模块中的信息进行对比分析，根据匹配度来判断是否为水下文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标；所述第二通信模块和所述第一通信模块连接，所述第二通信模块用于将所述数据分析模块确认的调查目标的图像信息和对应位置坐标通过所述第一通信模块传输到所述控制中心；所述第二存储模块用于存储已有的水下文物、沉船、遗址的图像信息以便所述数据分析模块在所述高清相机采集到的图像信息中筛选出调查目标的图像信息。

一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统的控制方法，包括：

S01：无人艇控制中心控制无人艇到达规定的水下考古调查海域；

S02：无人艇到达规定调查海域后，通过第一通信模块将存储在第一存储模块的调查路径发送到仿生鱼，并通过控制中心控制仿生鱼投放回收装置投放仿生鱼；

S03：仿生鱼控制系统控制驱动系统实现仿生鱼对给定调查路径的循迹；

S04：仿生鱼惯性导航系统实时标定位置，并且由高清相机实时采集水下图像信息；

S05：仿生鱼数据分析模块将高清相机采集的图像信息与第二存储模块存储的文物、沉船、遗址信息进行对比，以确认是否为调查目标；

S06：仿生鱼控制系统将数据分析模块确认的调查目标图像信息和惯性导航系统标定的相应位置坐标打包通过第二通信模块和第一通信模块发送到无人艇；

S07：无人艇数据整理模块从打包数据中解析出位置坐标信息和图像信息，并将位置坐标发送到无人艇控制中心；

S08：无人艇控制中心控制无人艇到达位置坐标处，并开启声呐测量对应坐标下的深度，并将测得的深度值发送到数据整理模块；

S09：数据整理模块融合坐标信息、深度信息、图像信息，生成电子表格并存储在第一存储模块中，以便任务结束返航后水下考古研究人员进行调取分析；

S10：重复执行S05-S09，直到仿生鱼实现对所有规定路径的遍历，完成规定海域的水下考古任务；

S11：任务完成后，仿生鱼上浮，无人艇控制中心控制仿生鱼投放回收装置回收仿生鱼，无人艇返航。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明应用无人艇水下考古的基于仿生鱼的控制系统，较传统的人员潜水技术相比可以解决潜水员下沉深度和水下作业时间有限的问题，降低水下考古工作的危险性和人员成本、提高水下考古工作的调查效率；较物探设备技术相比可以脱离船体独立进行水下调查，因此调查范围更广；无人艇上的声呐只在仿生鱼确认调查目标后才处于工作状态，使系统具有节能的优点；仿生鱼的数据分析模块使得该控制系统具有一定的数据筛选能力，此外仿生鱼较其他水下机器人相比具有以下特点：

1)高效性，鱼类游动的推进效率高达90％以上，这使得鱼类能够在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度并具有持久的耐力。

2)机动性，主要表现在两点：加速特性和转向特性，鱼类通过胸鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统一。

3)低噪性，鱼类的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统组成结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统及方法，能够改善水下考古调查工作所面临的危险性高、效率低、调查范围有限的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明以无人艇为载体，仿生鱼为水下考古调查目标检测主体，能够有效解决下沉深度和水下作业时间有限的问题，降低水下考古调查工作的风险和人员成本，增大调查范围提高调查效率。如图1所示，一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统包括相互连接的无人艇1和仿生鱼2，所述仿生鱼2用于辅助所述无人艇1完成文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址的调查目标检测任务。

所述无人艇1包括定位系统11、声呐12、控制中心13、仿生鱼投放回收装置14、数据整理模块15、第一通信模块16和第一存储模块17。所述定位系统11用于提供无人艇实时位置信息；所述声呐12用于测量调查目标的深度信息；所述控制中心13用于根据所述无人艇实时位置信息和所述调查目标的深度信息控制无人艇抵达规定海域，并控制所述仿生鱼投放回收装置14投放或者回收仿生鱼；所述仿生鱼投放回收装置14用于投放和回收仿生鱼；所述第一通信模块16用于与所述仿生鱼通信；所述第一通信模块16与所述控制中心13连接，所述控制中心13用于通过所述第一通信模块16获取从所述仿生鱼接收到的打包数据，以及融合仿生鱼所测得的文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的位置坐标、图像信息和声呐12在对应位置测得的深度信息所述数据整理模块15与所述控制中心13连接，所述数据整理模块15用于解析从所述仿生鱼接收到的打包数据，以及融合仿生鱼所测得的文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的位置坐标、图像信息和声呐12在对应位置测得的深度信息，并生成电子图表；所述第一存储模块17用于存储所述数据整理模块15生成的电子图表以及所述仿生鱼在调查区域内的调查路径。所述第一定位系统11包括但不限于GPS定位系统。

所述仿生鱼包括惯性导航系统21、高清相机22、驱动系统23、控制系统24、数据分析模块25、第二通信模块26和第二存储模块27。所述惯性导航系统21用于标定位置坐标；所述高清相机22用于采集水下文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的图像信息；所述驱动系统23为仿生鱼中控制电机的实际电路系统；所述控制系统24用于根据所述位置坐标和所述图像信息对调查区进行遍历；所述数据分析模块25用于对所述高清相机22所采集到的图像信息与所述第二存储模块27中的信息进行对比分析，根据匹配度来判断是否为水下文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标；所述第二通信模块26和所述第一通信模块16连接，所述第二通信模块26用于将所述数据分析模块25确认的调查目标的图像信息和对应位置坐标通过所述第一通信模块16传输到所述控制中心13；所述第二存储模块27用于存储已有的水下文物、沉船、遗址的图像信息以便所述数据分析模块25在所述高清相机22采集到的图像信息中筛选出调查目标的图像信息。

本发明中通过无人艇与仿生鱼协作实现对规定海域的水下考古工作，该发明可以对成功匹配的文物、沉船位置进行标定，也可以对疑似的文物和遗址进行图像采集。本发明设计的应用于无人艇水下考古控制系统具有工作效率高、可操作性强、危险性低、调查范围广等特点。

本发明化提供一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

S01：无人艇控制中心控制无人艇到达规定的水下考古调查海域。

S02：无人艇到达规定调查海域后，通过第一通信模块将存储在第一存储模块的调查路径发送到仿生鱼，并通过控制中心控制仿生鱼投放回收装置投放仿生鱼。

S03：仿生鱼控制系统控制驱动系统实现仿生鱼对给定调查路径的循迹。

S04：仿生鱼惯性导航系统实时标定位置，并且由高清相机实时采集水下图像信息。

S05：仿生鱼数据分析模块将高清相机采集的图像信息与第二存储模块存储的文物、沉船、遗址信息进行对比，以确认是否为调查目标。

S06：仿生鱼控制系统将数据分析模块确认的调查目标图像信息和惯性导航系统标定的相应位置坐标打包通过第二通信模块和第一通信模块发送到无人艇。

S07：无人艇数据整理模块从打包数据中解析出位置坐标信息和图像信息，并将位置坐标发送到无人艇控制中心。

S08：无人艇控制中心控制无人艇到达位置坐标处，并开启声呐测量对应坐标下的深度，并将测得的深度值发送到数据整理模块。

S09：数据整理模块融合坐标信息、深度信息、图像信息，生成电子表格并存储在第一存储模块中，以便任务结束返航后水下考古研究人员进行调取分析。

S10：重复执行S05-S09，直到仿生鱼实现对所有规定路径的遍历，完成规定海域的水下考古任务。

S11：任务完成后，仿生鱼上浮，无人艇控制中心控制仿生鱼投放回收装置回收仿生鱼，无人艇返航。

本发明应用无人艇水下考古的基于仿生鱼的控制系统，较传统的人员潜水技术相比可以解决潜水员下沉深度和水下作业时间有限的问题，降低水下考古工作的危险性和人员成本、提高水下考古工作的调查效率；较物探设备技术相比可以脱离船体独立进行水下调查，因此调查范围更广；无人艇上的声呐只在仿生鱼确认调查目标后才处于工作状态，使系统具有节能的优点；仿生鱼的数据分析模块使得该控制系统具有一定的数据筛选能力，此外仿生鱼较其他水下机器人相比具有以下特点：

1)高效性，鱼类游动的推进效率高达90％以上，这使得鱼类能够在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度并具有持久的耐力。

2)机动性，主要表现在两点：加速特性和转向特性，鱼类通过胸鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统一。

3)低噪性，鱼类摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统，其特征在于，包括相互连接的无人艇和仿生鱼，所述仿生鱼用于辅助所述无人艇完成文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址的调查目标检测任务。

2.根据权利要求1所述的基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统，其特征在于，所述无人艇包括定位系统、声呐、控制中心、仿生鱼投放回收装置、数据整理模块、第一通信模块和第一存储模块；

所述定位系统用于提供无人艇实时位置信息；所述声呐用于测量调查目标的深度信息；所述控制中心用于根据所述无人艇实时位置信息和所述调查目标的深度信息控制无人艇抵达规定海域，并控制所述仿生鱼投放回收装置投放或者回收仿生鱼；所述仿生鱼投放回收装置用于投放和回收仿生鱼；所述第一通信模块用于与所述仿生鱼通信；所述第一通信模块与所述控制中心连接，所述控制中心用于通过所述第一通信模块获取从所述仿生鱼接收到的打包数据，以及融合仿生鱼所测得的文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的位置坐标、图像信息和声呐在对应位置测得的深度信息所述数据整理模块与所述控制中心连接，所述数据整理模块用于解析从所述仿生鱼接收到的打包数据，以及融合仿生鱼所测得的文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的位置坐标、图像信息和声呐在对应位置测得的深度信息，并生成电子图表；所述第一存储模块用于存储所述数据整理模块生成的电子图表以及所述仿生鱼在调查区域内的调查路径。

3.根据权利要求2所述的基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统，其特征在于，所述第一定位系统采用GPS定位系统。

4.根据权利要求2所述的基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统，其特征在于，所述仿生鱼包括惯性导航系统、高清相机、驱动系统、控制系统、数据分析模块、第二通信模块和第二存储模块；

所述惯性导航系统用于标定位置坐标；所述高清相机用于采集水下文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标的图像信息；所述驱动系统为仿生鱼中控制电机的实际电路系统；所述控制系统用于根据所述位置坐标和所述图像信息对调查区进行遍历；所述数据分析模块用于对所述高清相机所采集到的图像信息与所述第二存储模块中的信息进行对比分析，根据匹配度来判断是否为水下文物、沉船、遗址和疑似文物、遗址调查目标；所述第二通信模块和所述第一通信模块连接，所述第二通信模块用于将所述数据分析模块确认的调查目标的图像信息和对应位置坐标通过所述第一通信模块传输到所述控制中心；所述第二存储模块用于存储已有的水下文物、沉船、遗址的图像信息以便所述数据分析模块在所述高清相机采集到的图像信息中筛选出调查目标的图像信息。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的基于仿生鱼的无人艇水下考古控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

S01：无人艇控制中心控制无人艇到达规定的水下考古调查海域；

S02：无人艇到达规定调查海域后，通过第一通信模块将存储在第一存储模块的调查路径发送到仿生鱼，并通过控制中心控制仿生鱼投放回收装置投放仿生鱼；

S03：仿生鱼控制系统控制驱动系统实现仿生鱼对给定调查路径的循迹；

S04：仿生鱼惯性导航系统实时标定位置，并且由高清相机实时采集水下图像信息；

S05：仿生鱼数据分析模块将高清相机采集的图像信息与第二存储模块存储的文物、沉船、遗址信息进行对比，以确认是否为调查目标；

S06：仿生鱼控制系统将数据分析模块确认的调查目标图像信息和惯性导航系统标定的相应位置坐标打包通过第二通信模块和第一通信模块发送到无人艇；

S07：无人艇数据整理模块从打包数据中解析出位置坐标信息和图像信息，并将位置坐标发送到无人艇控制中心；

S08：无人艇控制中心控制无人艇到达位置坐标处，并开启声呐测量对应坐标下的深度，并将测得的深度值发送到数据整理模块；

S09：数据整理模块融合坐标信息、深度信息、图像信息，生成电子表格并存储在第一存储模块中，以便任务结束返航后水下考古研究人员进行调取分析；

S10：重复执行S05-S09，直到仿生鱼实现对所有规定路径的遍历，完成规定海域的水下考古任务；

S11：任务完成后，仿生鱼上浮，无人艇控制中心控制仿生鱼投放回收装置回收仿生鱼，无人艇返航。

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