CN113433594A - 一种基于磁力仪的水下auv寻缆系统 - Google Patents

一种基于磁力仪的水下auv寻缆系统 Download PDF

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CN113433594A CN202110537868.5A CN202110537868A CN113433594A CN 113433594 A CN113433594 A CN 113433594A CN 202110537868 A CN202110537868 A CN 202110537868A CN 113433594 A CN113433594 A CN 113433594A
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刘敬彪
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章雪挺
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Abstract

一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，包括AUV驱动模块，用于采集与AUV控制相关的传感器数据，带入AUV运动控制算法通过推进器模块来控制AUV的进退、转向和沉浮，检测到电压异常或者装置漏水，控制紧急上浮模块打开配重舱门抛弃重物，迅速上浮并及时发送定位信息；AUV算法模块，用于接收AUV驱动模块采集的传感器数据，将数据通过无线通信模块传送给上位机实时显示，接收上位机的控制指令并传达给相应模块进行处理，同时实时采集磁力仪的数据，将数据带入寻缆算法得出当前的目标航向，使用离底高度计得出目标深度，并传送给AUV驱动模块来执行，并根据磁力仪数据是否出现异常衰减来判断是否为海缆的故障点。

Description

一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统
技术领域
本发明属于海缆技术领域，具体涉及一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统。
背景技术
海缆工程作为跨海物联网工程的重要组成部分，在跨海通信、电能传输、海洋新能源开发等重要领域起着无可替代的作用，海缆敷设于一定深度的海底，因此使用海缆进行供电和通信具有抗干扰能力强、保密性能好等优点。但是，由于自然因素和人为因素的影响，海缆会受到一定程度损伤与破坏，并产生一系列安全问题，因此，海缆的维护成为工程技术中普遍受关注的问题，由于海底作业环境恶劣等原因造成海缆维护难度大、成本高、危险性高等特点，为了避免海缆系统的正常工作受到影响以及应对当代海缆敷设不断向深水领域发展的趋势，及时准确的探测海底电缆的路由走向、故障点位置、埋设深度等信息具有重要意义。
发明内容
针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，可以探测海缆的路由走向和故障点位置，在一定程度上减轻了人工搜索故障点的工作量，降低了维修人员的工作难度，对海缆的维护工作具有积极指导意义，而且能很大程度上保证了使用的安全性。
本发明采用的技术方案是：
一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：包括
AUV驱动模块，用于采集与AUV控制相关的传感器数据，带入AUV运动控制算法通过推进器模块来控制AUV的进退、转向和沉浮，检测到电压异常或者装置漏水，控制紧急上浮模块打开配重舱门抛弃重物，迅速上浮并及时发送定位信息；
AUV算法模块，用于接收AUV驱动模块采集的传感器数据，将数据通过无线通信模块传送给上位机实时显示，接收上位机的控制指令并传达给相应模块进行处理，同时实时采集磁力仪的数据，将数据带入寻缆算法得出当前的目标航向，使用离底高度计得出目标深度，并传送给AUV驱动模块来执行，并根据磁力仪数据是否出现异常衰减来判断是否为海缆的故障点；
传感器模块，用于采集相应传感器数据并传输给AUV驱动模块、AUV算法模块，包括与AUV控制相关的姿态传感器、深度传感器、磁力仪和离底高度计，以及与AUV保护措施相关的GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置；所述深度传感器、磁力仪和离底高度计设于舱外，所述姿态传感器、GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置设于舱内；
无线通信模块，用于AUV算法模块与上位机通信连接；
紧急上浮模块，用于在检测到电压异常、装置漏水或通信中断后采取应急策略，打开底部的配重仓，抛弃重物并迅速上浮，上浮后及时发送位置坐标；
推进器模块，用于根据AUV驱动模块的指令控制AUV的进退、转向和沉浮；
电源模块，用于给系统各模块供电。
进一步，所述AUV驱动模块、AUV算法模块均通过数据采集模块与传感器模块的各传感器通信连接，所述数据采集模块用于提供与传感器模块之间的通信接口，包括RS232接口、RS485接口、TTL串行口、IIC接口、SPI接口和电压采集接口。
进一步，所述无线通信模块包括4G模块、无线电台模块和天线，所述4G模块用于当AUV紧急上浮且天线露出水面后发送当前坐标以供搜救，所述无线电台模块用于当AUV在水下运动时发送和接收数据。
进一步，所述电源模块由电池组、两级串行开关和转压模块组成。
进一步，设于舱外的传感器模块和推进器模块以及外部电源均通过密封舱盖接口模块与相应模块电性连接；所述密封舱盖接口模块包括电源充电接口、舱外传感器模块接口和推进器模块接口。
进一步，所述AUV算法模块上连接有数据存储模块，用于存储传感器模块采集的数据和系统报警日志。
进一步，所述推进器模块包括两个矢量推进器和一个舵机，所述矢量推进器通过差速控制AUV的进退和转向，所述舵机通过调节推进器的上下转向来控制AUV的沉浮。
进一步，所述AUV运动控制算法由PID控制器，执行机构和被控对象组成，其中PID控制器包括比例、积分和微分三项，执行机构是推进器模块，被控对象是当前航向和当前深度。
进一步，所述AUV寻缆算法包括①AUV海缆搜索模式，②AUV海缆巡检模式，③AUV海缆信号丢失处理；
启动AUV后，首先进行大范围海缆搜素模式，进入海缆探测范围后再进行巡检模式，AUV前进过程中通过探测的信息不断调整与缆线的垂直方向的夹角θ1和水平方向的夹角θ2，从而实现海缆跟踪；如果跟踪过程中磁力信号明显衰减或突变，则进行海缆信号丢失处理，并判断海缆出现故障还是AUV偏离航向，并作出相应处理；
AUV刚下水或出现海缆信号丢失时，需要进入海缆搜索模式。首先根据高度计设定好合适的高度，然后搜索本地存储的先前定位点，如果找到先前定位数据，就根据定位数据反向搜索海缆。如果反向搜索失败或没有先前定位点，则让AUV在海缆周围进行大范围螺旋式搜索。一旦磁力仪检测到目标频率的磁场信号，则判定海缆搜索成功，如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；
海缆巡检过程中，一旦出现海缆信号的丢失，设置AUV从海缆巡检模式进入海缆搜索模式，如果成功搜索到海缆，说明是外部因素导致，则继续进入海缆巡检模式；如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；同时，如果在单位时间内海缆信号丢失次数超过一定阈值，说明AUV在海缆的断点处反复巡航，则判定海缆出现故障。
进一步，所述AUV寻缆算法中AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1以及AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2的计算获取过程如下：
(1)通过磁力仪获取海缆附近变化的磁场信息，并使用傅里叶变换进行去噪，提取出特定频率的磁场幅值和相位；
(2)计算水下AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1，采样点与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1为当前时刻z轴的磁场幅值Mz和y轴的磁场幅值My的比值；
由磁力仪测得的采样点A与海缆垂线相对海缆垂直方向的夹角θ1为：
Figure BDA0003070452330000041
z轴和y轴的相位关系为：
Figure BDA0003070452330000042
(3)计算水下AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2，根据当前时刻x方向的磁场幅值Mx和y方向的磁场幅值My的比值算得AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角；
获得AUV中轴线与海缆路由的航向夹角θ2为：
Figure BDA0003070452330000051
x轴和y轴的相位关系为：
Figure BDA0003070452330000052
(4)获取AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1以及AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2后，开始海缆巡检；首先使用水平方向的夹角θ2将AUV调整至与海缆平行，将水平方向的夹角θ2作为相对航向角发送至AUV驱动模块，直至水平方向的夹角θ2为0度；调整至水平后，再使用垂直方向的夹角θ1将AUV调整至海缆正上方，将垂直方向的夹角θ1作为相对航向角发送至AUV驱动模块，直至垂直方向的夹角θ1为0度。
本发明的有益效果：可以探测海缆的路由走向和故障点位置，在一定程度上减轻了人工搜索故障点的工作量，降低了维修人员的工作难度，对海缆的维护工作具有积极指导意义。另外，该系统装配了应急处理方案，很大程度上保证了使用的安全性。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的硬件系统的结构示意图。
图3是本发明的电源模块的结构示意图。
图4是本发明的AUV驱动模块的结构示意图。
图5是本发明的AUV算法模块的结构示意图。
图6是本发明的数据采集模块的结构示意图。
图7是本发明的传感器模块的结构示意图。
图8是本发明的无线通信模块的结构示意图。
图9是本发明的数据存储模块的结构示意图。
图10是本发明的紧急上浮模块的结构示意图。
图11是本发明的推进器模块的结构示意图。
图12是本发明的密封舱盖接口模块的结构示意图。
图13是本发明的AUV运动控制算法的框图。
图14是本发明的磁场采集框图。
图15是本发明的AUV寻缆算法垂直方向几何关系图。
图16是本发明的AUV寻缆算法水平方向几何关系图。
图17是本发明的海缆巡检算法流程图。
图18是本发明的海缆搜索算法流程图。
图19是本发明的海缆信号丢失算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1，本实施例提供了一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，硬件部分主要包括电源模块01、AUV驱动模块02、AUV算法模块03、数据采集模块04、传感器模块05、无线通信模块06、数据存储模块07，紧急上浮模块08，推进器模块09，密封舱盖接口模块10。软件控制算法部分包括AUV运动控制算法和AUV寻缆算法，分别搭载于AUV驱动模块02和AUV算法模块03中。
电源模块01包括电池组、开关和转压模块；AUV驱动模块02负责协调AUV算法模块03、数据采集模块04、推进器模块09和紧急上浮模块08之间的工作；AUV算法模块03负责协调数据存储模块07、无线通信模块06、数据采集模块04和AUV驱动模块02之间的工作。数据采集模块04提供RS232、RS485、TTL串行口、IIC、SPI和电压采集接口等，为传感器模块的连接提供外部接口；传感器模块05包括与AUV控制相关的姿态传感器、深度传感器、磁力仪和离底高度计，以及与AUV保护措施相关的GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置；无线通信模块06包括4G通信模块和无线电台模块，4G通信模块负责在水面上和远程终端建立会话连接，无线电台模块负责在潜水区域完成数据的传输和指令控制；数据存储模块07的存储对象包括两部分，传感器数据和系统报警日志，使用SD卡进行存储；紧急上浮模块08控制配重仓门的开关，紧急情况下及时打开配重舱门并抛弃重物，使AUV迅速上浮；推进器模块09分为矢量推进器和舵机，分别控制AUV的转向和沉浮；密封舱盖接口模块10用于舱内电池充电，并与舱外传感器模块和推进器模块进行连接。硬件系统结构框图如图2所示。
本实施例所述电源模块01，用于给系统供电，电池一部分给外部电机提供电能，另一部分经过电压转换模块给系统其余模块供电。控制系统电源的开关采用两级串行控制，可以做到小电流开关控制大电流设备。具体的，电源模块01由电池组、两级串行开关和转压模块组成。电池组使用4S航模锂电池，最高可输出14.8V的电压。两级开关采用AUV水密螺栓开关和固态继电器串行组合的方式，AUV水密螺栓开关只能控制小电流设备，在其后接入固态继电器，就能实现小电流开关控制大电流设备。转压芯片使用LM2596、TPS5430和AMS1117-3.3三款DC-DC芯片，为系统各个模块的稳定运行提供可靠保证。具体结构如图3所示。
本实施例所述AUV驱动模块02包含STM32F103RCT6芯片、远程无线调式电路和频闪灯，并为数据采集模块、推进器模块、紧急上浮模块和AUV算法模块提供通信接口，具体结构图如图4所示。远程无线调式模块用于在舱体密封后实现远程调试代码功能；频闪灯用于在AUV航行时闪烁以起到报警作用。AUV驱动模块使用数据采集模块采集与AUV控制相关的传感器数据，包括姿态和深度，并使用AUV运动控制算法来驱动推进器模块，控制AUV的进退、转向和沉浮，即实现AUV的自主定深和自主定航，一旦AUV算法模块发送目标航向和目标深度，AUV驱动模块能迅速控制AUV朝目标航行。此外AUV驱动模块使用数据采集模块采集与AUV保护措施相关的GPS定位信息、电压信息、漏水信息，一旦检测到装置漏水或者电压异常，紧急上浮模块打开配重舱门抛弃重物，迅速上浮并及时发送定位信息。
本实施例所述AUV算法模块03主要使用树莓派4B作为驱动控制板，使用板载的Wifi模块进行远程代码调式。并为数据存储模块、无线通信模块、数据采集模块和AUV驱动模块提供通信接口，具体结构图如图5所示。AUV算法模块接收AUV驱动模块采集的传感器数据，使用数据存储模块进行存储，然后将数据通过无线通信模块传送给上位机实时显示，同时接收上位机的控制指令并传达给相应模块进行处理。此外，AUV算法模块使用数据采集模块实时采集磁力仪的数据，将采集的磁力数据带入AUV寻缆算法得出当前的目标航向，根据离底高度计得出目标深度，并传送给AUV驱动模块来执行。此外，根据磁力仪数据是否出现异常衰减来判断是否为海缆的故障点。
本实施例所述数据采集模块04提供与传感器模块之间的通信接口，以适应各种输出类型的传感器，包括RS232接口、RS485接口、TTL串行口、IIC接口、SPI接口和电压采集接口等。位于舱外或舱内的传感器一旦接入数据采集模块，就能根据传感器的输出接口电平将数据传送给AUV算法模块或AUV驱动模块，数据采集模块提供的数据总线接口可以同时连接上百种传感器。数据采集模块结构图如图6所示。
本实施例所述传感器模块05包括与AUV控制相关的姿态传感器、深度传感器、磁力仪和离底高度计。以及与AUV保护措施相关的GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置，一旦检测到装置漏水或者电压异常，由紧急上浮模块采取应急措施，并及时发送定位信息。其中深度传感器、磁力仪和离底高度计位于舱外，其余传感器位于舱内。传感器模块结构图如图7所示。姿态传感器使用君悦智控科技有限公司生产的HWT905九轴陀螺仪，用于AUV的航向控制。深度传感器和离底高度计采用BLUEROBOTS公司生产的MS5837深度传感器和P30声纳高度计，用于AUV的深度控制。磁力仪采用西安华舜测量设备有限公司生产的三通道磁力仪，分辨率可达1uT，采样率最高500HZ，用于跟踪海缆的路由走向和故障点位置。GPS定位装置采用正点原子公司生产的ATK1218北斗GPS双定位模块，用于紧急上浮后的位置检测。漏水检测装置使用BLUEROBOTS公司生产的LD4漏水传感器，电压检测装置使用TI公司生产的ad1256高精度AD转换器，两者用于故障检测。
本实施例所述无线通信模块06包括4G模块、无线电台模块和天线，4G模块的通信频段位于高频段，无法在水中传播，而无线电台模块的通信频段较低，能在潜水区域进行传播。因此当AUV紧急上浮且天线露出水面后，使用4G模块在水面上和远程终端建立会话连接，发送当前坐标以供搜救，该会话使用TCP建立连接，无论AUV位于何地，都能将坐标信息发送到远程终端上。当AUV在水下运动时使用无线电台模块发送和接收数据，从而完成数据的传输和指令控制。无线通信模块结构图如图8所示。4G通信模块采用有人物联网技术有限公司生产的WH-LTE-7S4模块。无线电台模块使用深圳硅传科技有限公司生产的GC433无线透传模块。
本实施例所述数据存储模块07的存储对象分为两部分，传感器数据和系统报警日志，使用SD卡进行存储。当远程终端与无线通信模块无法建立会话连接时，用户可以通过数据存储模块中的记录来填补缺失数据，防止数据缺失，数据存储模块工作过程图如图9所示。
本实施例所述紧急上浮模块08在检测到电压异常、装置漏水或通信中断后采取应急策略，打开底部的配重仓，抛弃重物并迅速上浮，上浮后通过GPS定位装置采集当前坐标并及时上报坐标位置。紧急上浮模块工作过程图如图10所示。
本实施例所述推进器模块09包括两个矢量推进器和一个舵机，矢量推进器通过差速控制AUV的进退和转向，舵机通过调节推进器的上下转向控制AUV的沉浮。矢量推进器采用ROVMAKER公司生产的含电调式水下推进器，舵机采用策海科技水下机器人公司成产的D30水下舵机，推进器和舵机均采用PWM信号控制。紧急上浮模块工作过程图如图11所示。
本实施例密封舱盖接口模块10主要用于从外部给电池充电，以及提供舱外传感器模块和推进器模块的连接。具体的，所述密封舱盖接口模块10是连接装置内外的核心，该模块由三种不同类型的接口组成，分别是电源充电接口、舱外传感器模块接口和推进器模块接口，主要用于从外部给4S锂电池充电，连接舱外传感器模块和推进器模块，三组接口均采用水密螺栓进行连接。密封舱盖接口模块结构图如图12所示。
本实施例所述AUV运动控制算法主要由PID控制器，执行机构和被控对象组成，其中PID控制器包括比例、积分和微分三项，执行机构是推进器模块09，被控对象是当前航向和当前深度。AUV运动控制算法框图如图12所示。
本实施例的AUV寻缆算法如下：
(1)海缆中一般通有一定频率的交流电信号，交变的电流信号感应出交变的磁场信号，因此使用三轴磁力仪获取海缆附近变化的磁场信息。但是由于海缆周围的磁场还包含地磁场和其他频率分量的磁场，需要使用傅里叶变换进行去噪，提取出特定频率的磁场幅值和相位。提取过程如图14所示。
(2)计算水下AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1，采样点与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1为当前时刻z轴的磁场幅值Mz和y轴的磁场幅值My的比值；垂直方向几何关系如图15所示；
由磁力仪测得的采样点A与海缆垂线相对海缆垂直方向的夹角θ1为：
Figure BDA0003070452330000121
z轴和y轴的相位关系为：
Figure BDA0003070452330000122
(3)计算水下AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2，根据当前时刻x方向的磁场幅值Mx和y方向的磁场幅值My的比值算得AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角；水平方向的几何关系如图16所示。
获得AUV中轴线与海缆路由的航向夹角θ2为：
Figure BDA0003070452330000123
x轴和y轴的相位关系为：
Figure BDA0003070452330000124
(4)获取AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1以及AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2后，开始海缆巡检；首先使用水平方向的夹角θ2将AUV调整至与海缆平行，将水平方向的夹角θ2作为相对航向角发送至AUV驱动模块，直至水平方向的夹角θ2为0度；调整至水平后，再使用垂直方向的夹角θ1将AUV调整至海缆正上方，将垂直方向的夹角θ1作为相对航向角发送至AUV驱动模块，直至垂直方向的夹角θ1为0度。
AUV的寻缆系统主要分为三部分：①AUV海缆搜索模式，②AUV海缆巡检模式，③AUV海缆信号丢失处理。
启动AUV后，首先进行大范围海缆搜素模式，进入海缆探测范围后再进行巡检模式，AUV前进过程中通过探测的信息不断调整与缆线的垂直方向的夹角θ1和水平方向的夹角θ2，从而实现海缆跟踪；如果跟踪过程中磁力信号明显衰减或突变，则进行海缆信号丢失处理，并判断海缆出现故障还是AUV偏离航向，并作出相应处理；AUV巡检算法流程图如图17所示。
AUV刚下水或出现海缆信号丢失时，需要进入海缆搜索模式。首先根据高度计设定好合适的高度，然后搜索本地存储的先前定位点，如果找到先前定位数据，就根据定位数据反向搜索海缆。如果反向搜索失败或没有先前定位点，则让AUV在海缆周围进行大范围螺旋式搜索。一旦磁力仪检测到目标频率的磁场信号，则判定海缆搜索成功，如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；AUV海缆搜索算法流程图如图18所示。
海缆巡检过程中，一旦出现海缆信号的丢失，设置AUV从海缆巡检模式进入海缆搜索模式，如果成功搜索到海缆，说明是外部因素导致，则继续进入海缆巡检模式；如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；同时，如果在单位时间内海缆信号丢失次数超过一定阈值，说明AUV在海缆的断点处反复巡航，则判定海缆出现故障。AUV海缆信号丢失处理算法流程图如图19所示。
本发明可以探测海缆的路由走向和故障点位置，在一定程度上减轻了人工搜索故障点的工作量，降低了维修人员的工作难度，对海缆的维护工作具有积极指导意义。另外，该系统装配了应急处理方案，很大程度上保证了使用的安全性。

Claims (10)

1.一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：包括
AUV驱动模块，用于采集与AUV控制相关的传感器数据，带入AUV运动控制算法通过推进器模块来控制AUV的进退、转向和沉浮，检测到电压异常或者装置漏水，控制紧急上浮模块打开配重舱门抛弃重物，迅速上浮并及时发送定位信息；
AUV算法模块，用于接收AUV驱动模块采集的传感器数据，将数据通过无线通信模块传送给上位机实时显示，接收上位机的控制指令并传达给相应模块进行处理，同时实时采集磁力仪的数据，将数据带入寻缆算法得出当前的目标航向，使用离底高度计得出目标深度，并传送给AUV驱动模块来执行，并根据磁力仪数据是否出现异常衰减来判断是否为海缆的故障点；
传感器模块，用于采集相应传感器数据并传输给AUV驱动模块、AUV算法模块，包括与AUV控制相关的姿态传感器、深度传感器、磁力仪和离底高度计，以及与AUV保护措施相关的GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置；所述深度传感器、磁力仪和离底高度计设于舱外，所述姿态传感器、GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置设于舱内；
无线通信模块，用于AUV算法模块与上位机通信连接；
紧急上浮模块，用于在检测到电压异常、装置漏水或通信中断后采取应急策略，打开底部的配重仓，抛弃重物并迅速上浮，上浮后及时发送位置坐标；
推进器模块，用于根据AUV驱动模块的指令控制AUV的进退、转向和沉浮；
电源模块，用于给系统各模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV驱动模块、AUV算法模块均通过数据采集模块与传感器模块的各传感器通信连接，所述数据采集模块用于提供与传感器模块之间的通信接口，包括RS232接口、RS485接口、TTL串行口、IIC接口、SPI接口和电压采集接口。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述无线通信模块包括4G模块、无线电台模块和天线，所述4G模块用于当AUV紧急上浮且天线露出水面后发送当前坐标以供搜救，所述无线电台模块用于当AUV在水下运动时发送和接收数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述电源模块由电池组、两级串行开关和转压模块组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：设于舱外的传感器模块和推进器模块以及外部电源均通过密封舱盖接口模块与相应模块电性连接；所述密封舱盖接口模块包括电源充电接口、舱外传感器模块接口和推进器模块接口。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV算法模块上连接有数据存储模块，用于存储传感器模块采集的数据和系统报警日志。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述推进器模块包括两个矢量推进器和一个舵机，所述矢量推进器通过差速控制AUV的进退和转向，所述舵机通过调节推进器的上下转向来控制AUV的沉浮。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV运动控制算法由PID控制器，执行机构和被控对象组成，其中PID控制器包括比例、积分和微分三项，执行机构是推进器模块，被控对象是当前航向和当前深度。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV寻缆算法包括①AUV海缆搜索模式，②AUV海缆巡检模式，③AUV海缆信号丢失处理；
启动AUV后，首先进行大范围海缆搜素模式，进入海缆探测范围后再进行巡检模式，AUV前进过程中通过探测的信息不断调整与缆线的垂直方向的夹角θ1和水平方向的夹角θ2，从而实现海缆跟踪；如果跟踪过程中磁力信号明显衰减或突变，则进行海缆信号丢失处理，并判断海缆出现故障还是AUV偏离航向，并作出相应处理；
AUV刚下水或出现海缆信号丢失时，需要进入海缆搜索模式，首先根据高度计设定好合适的高度，然后搜索本地存储的先前定位点，如果找到先前定位数据，就根据定位数据反向搜索海缆。如果反向搜索失败或没有先前定位点，则让AUV在海缆周围进行大范围螺旋式搜索。一旦磁力仪检测到目标频率的磁场信号，则判定海缆搜索成功，如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；
海缆巡检过程中，一旦出现海缆信号的丢失，设置AUV从海缆巡检模式进入海缆搜索模式，如果成功搜索到海缆，说明是外部因素导致，则继续进入海缆巡检模式；如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；同时，如果在单位时间内海缆信号丢失次数超过一定阈值，说明AUV在海缆的断点处反复巡航，则判定海缆出现故障。
10.根据权利要求9所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV寻缆算法中AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1以及AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2的计算获取过程如下：
(1)通过磁力仪获取海缆附近变化的磁场信息，并使用傅里叶变换进行去噪，提取出特定频率的磁场幅值和相位；
(2)计算水下AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1，采样点与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1为当前时刻z轴的磁场幅值Mz和y轴的磁场幅值My的比值；
由磁力仪测得的采样点A与海缆垂线相对海缆垂直方向的夹角θ1为：
Figure FDA0003070452320000041
z轴和y轴的相位关系为：
Figure FDA0003070452320000042
(3)计算水下AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2，根据当前时刻x方向的磁场幅值Mx和y方向的磁场幅值My的比值算得AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角；
获得AUV中轴线与海缆路由的航向夹角θ2为：
Figure FDA0003070452320000043
x轴和y轴的相位关系为：
Figure FDA0003070452320000044
(4)获取AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1以及AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2后，开始海缆巡检；首先使用水平方向的夹角θ2将AUV调整至与海缆平行，将水平方向的夹角θ2作为相对航向角发送至AUV驱动模块，直至水平方向的夹角θ2为0度；调整至水平后，再使用垂直方向的夹角θ1将AUV调整至海缆正上方，将垂直方向的夹角θ1作为相对航向角发送至AUV驱动模块，直至垂直方向的夹角θ1为0度。
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