CN114629568B - 基于声学通信的水下载体实时监控系统及方法 - Google Patents

基于声学通信的水下载体实时监控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水下机器人监控领域，具体地说是基于声学通信的多水下机器人水面监控系统及方法。包括：母船定向GPS模块，母船水声通信机、工控机、缆绳系统以及安装在水下载体上的载体水下通信机；母船定向GPS模块用于将母船的位置信息发送到工控机；母船水声通信机用于接收所有水下载体发送的导航信息和传感器信息，工控机用于解析载体水下通信机经母船水声通信机返回的数据，同时根据载体状态和观测数据发送控制指令至母船水声通信机；载体水下通信机用于周期广播自身信息，并接收母船发送的指令或其他载体发送的指令；缆绳系统，用于悬挂母船水声通信机，并对工控机数据传输；本发明依靠水声通信系统，获得每个载体在水下的实时位置和传感器数据。

Description

基于声学通信的水下载体实时监控系统及方法
技术领域
本发明涉及水下机器人监控领域，具体地说是基于声学通信的多水下载体水面监控系统及方法。
背景技术
自主水下机器人(也称“自主潜水器”、“自主水下航行器”、“UUV”等)广泛应用于海洋矿产资源勘探、海洋环境调查、海底目标搜索等领域。
对于“无缆”(即无实体线缆与母船或水面设备连接)的水下机器人，其一旦完全下潜到水下，无线电系统、网桥、铱星等水面通信手段就完全无效了，只能等待机器人完成使命上浮水面，才能发现其位置，再次下载使命或进行回收。然而水下环境充满了不确定性，机器人执行使命越长，发生意外情况的可能性越大。当发生一些机器人无法自主解决的意外情况(例如传感器故障、失控等)，只配备水面通信手段的水下机器人系统就无法及时发现并处理，这会导致任务失败甚至损失设备。若是多机器人同时执行使命，这种风险发生的可能性更高。此外，多机器人任务比单个机器人任务更加复杂，仅靠水下机器人目前的自主能力难以做出最佳的决策，若操作员能根据当前任务进行情况和载体采集的数据进行及时干预和调整，则能更加顺利并高效地完成任务。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供基于声学通信的多水下机器人水面监控系统及方法，以解决多机器人水下执行任务过程中与水面操作员完全失联、无法处理特殊危险、采集数据回传不及时、回收过程中搜索和锁定自主水下机器人困难、耗费大量时间和人力的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于声学通信的水下机器人实时监控系统，其特征在于，包括：母船定向GPS模块，母船水声通信机、工控机、缆绳系统以及安装在水下载体上的载体水下通信机；
所述母船定向GPS模块，设在母船上，且配置有双天线，与工控机通过线缆连接，用于将母船的位置信息发送到工控机；
所述母船水声通信机，通过缆绳系统悬挂在母船底部，且通过串口与工控机连接，用于接收所有水下载体发送的导航信息和传感器信息，并发送给工控机，并将工控机传回的母船位置信息以及指令发送至载体水下通信机；
所述工控机，用于解析载体水下通信机经母船水声通信机返回的数据，获取水下载体的导航信息和传感器信息，并绘制多水下载体航行实时轨迹以及队形图，显示所有载体的状态信息以及观测数据，同时根据载体状态和观测数据发送控制指令至母船水声通信机；
所述载体水下通信机，用于周期广播自身的导航信息和传感器信息，并接收母船发送的指令或其他水下载体发送的指令；
缆绳系统，用于悬挂母船水声通信机，使母船水声通信机通过自身对工控机进行数据传输。
所述工控机包括：数据接收模块、数据记录模块、数据处理模块以及数据发送模块；
数据接收模块，用于通过母船水声通信机接收到水下载体发送的数据包，并上传至数据记录模块和数据处理模块；
数据记录模块，用于记录当前数据接收模块上传的数据包；
数据处理模块，用于解析数据包，获取数据包信息，并得到水下载体实时轨迹图、实时状态以及实时队形图；
数据发送模块，用于将母船指令以及母船的导航数据发送至水下载体。
所述载体水下通信机包括：数据包接收模块、数据包记录模块以及数据包发送模块；
数据包接收模块，用于接收母船发送的母船指令以及母船的导航数据，根据母船指令以及母船的导航数据，操作人员执行相应指令，并上传至数据包记录模块；
数据包记录模块，用于记录当前数据接收模块上传的数据包；
数据包发送模块，用于周期性发送数据包至母船的母船水声通信机。
所述数据包包括：目标ID、源ID、路由、导航信息以及传感器信息。
所述缆绳系统，包括拉扯保护绳组；
所述拉扯保护绳组的外套内具有收放保护绳和通信缆，该拉车保护绳组的上端缠绕在母船上通信缆与工控机连接。
基于声学通信的水下机器人实时监控方法，包括以下步骤：
1)水下机器人队伍下潜到水下后，通过载体水下通信机向外周期性的广播自身的导航信息和传感器信息数据包，导航信息和传感器信息的数据包交替发送；
2)悬挂于母船底部的母船水声通机按照通信协议解析、处理收到的信息包，并立即上传给水面的工控机，工控机按照应用层协议将信息包中的导航信息和传感器信息提取出来，工控机进行处理；
3)母船操作人员根据工控机处理结果得到控制指令；
4)母船通过母船水声通机向水下载体队伍发送母船的位置信息和控制指令；
5)水下载体在收到母船发送给自身的指令后，立即执行，并在下次通信中进行命令反馈。
所述工控机进行处理包括以下步骤：
根据数据包中源ID号确定水下载体，绘制该水下载体的航行曲线，并显示具体数值，将所有水下载体的航行轨迹绘制于同一图像中；
根据母船定向GPS模块上传的母船的位置和艏向信息，将母船的位置和艏向绘制也绘制于同一图像，并对多水下载体编队队形，显示水下载体间的相对位置关系和队形变换情况。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明依靠水声通信系统，可在水下机器人队伍潜入水中后，获得每个载体在水下的实时位置和传感器数据；
2.本发明能根据载体通过水声通信上传的导航信息和母船定向GPS模块的信息，绘制机器人队伍和母船的实时航行轨迹，提供记录和回放功能，方便监控和分析；
3.本发明为操纵员提供了在水面干预和控制水下机器人队伍的接口，提高了机器人队伍在水下的安全性和执行任务的复杂性。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的系统原理图；
其中，1为工控机，2为母船定向GPS模块，3为电源模块，4为缆绳系统，5为母船水声通信机，6为载体水下通信机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示为本发明的系统结构图。
系统组成部分包括母船水声通信机、工控机和配套的监控软件、电源模块、载体水声通信机、定向GPS模块、缆绳系统。其中母船水声通信机悬挂在母船下，载体通信机安装在各个载体上。载体通信机主要负责周期性发送载体的导航信息和传感器信息，母船声通机负责发送控制和调整机器人队伍的命令。定向GPS模块配有双接收天线，在母船低速航行和漂泊状态下仍可准确的获得母船的艏向信息和经纬度。
定向GPS模块，通过串行接口连接工控机，接收母船的位置和艏向信息，发送到工控机；
母船水声通信机，悬挂于母船下，通过缆线连接工控机，接收所有水下载体的导航信息(水平坐标、深度、速度、艏向角)和传感器信息，将操作员的控制命令通过换能器发送给单个或多个载体；载体水声通信机，安装在每个机器人上，周期性地发送自身导航信息和传感器信息并接收其他机器人或母船发送的消息。
工控机，根据协议解析水声通信机上传的信息，得到各个机器人实时的导航信息和传感器信息，直观显示各个载体的航行轨迹和相对与母船的位置，根据需要绘制机器人队形图；提供控制控制水下机器人队伍的命令接口，方便操作员及时调整干预作业任务。
缆线系统，为母船水声通信机供电、提供数据串口和调试串口，包括防拉拽保护绳，让一体机能悬挂于水下一定深度。
电源模块，为水面监控系统供电。
所述电源模块包括供电模块和电源控制模块，所述供电模块的输出端连接电源控制模块，电源控制模块连接定向GPS模块、水声通信一体机、和工控机为其供电。
所述供电模块包括外部电源输入到AC/DC变换模块，将外部输入的220V交流电变换为直流电，AC/DC变换模块的输出端连接电源控制模块，且在AC/DC变换模块的输出端设置电流表和电压表，用于采集输出电流值和输出电压值。
所述工控机集成触摸显示屏和串行接口。
工控机集成了触摸显示屏和串行通信接口，通过串行通信接口连接定向GPS模块和母船声通机，上面运行的多水下机器人声学监控软件负责接收、处理、分析和显示定向GPS模块和母船声通机的数据信息。
母船通信机通过缆绳系统连接到工控机，载体通信机直接连接载体核心控制板，负责水声通信数据传输，所有水声通信机使用相同的通信协议，保证整个多水下器人网络互联互通。
电源模块负责为声通一体机供电，通过专用的电源适配器将交流电变换为直流电供电，也可由锂电池组和电池组升压模块组成的内部电源供电。缆线系统将声通一体机的电源线和串口线封装在一起，其中的保护绳用以防止缆线被拉扯，此外缆线系统能方便收放缆绳，精确控制水声通信机处于水下特定深度。
如图2所示，为本发明的系统原理图，水面监控系统的监控方法如下所示：
水下机器人队伍下潜到水下后，通过水声通信分体机和换能器向外周期性的广播自身的导航信息和传感器信息，导航信息和传感器信息交替发送，两种信息的发送频率根据需求和节点数量确定。每个载体上的分体机具有唯一的ID号，发送的信息包含该ID，以便接收者确定信息来源。母船也可以通过母船声通机向机器人队伍发送母船的位置信息和控制命令。载体和母船发送的数据包具有特定的内容格式和编码方式，在减轻通信负载的同时方便接收方识别和解析。
悬挂于水下的声通机按照通信协议解析、处理收到的信息包，并立即上传给水面的工控机，工控机上的监控软件按照应用层协议将信息包中的导航信息和传感器信息提取出来，根据ID号分别绘制航行曲线，并直观显示具体数值。所有载体的航行轨迹绘制于同一图像中，此外软件同时根据定向GPS上传的母船的位置和艏向信息，将母船的位置和艏向绘制也绘制于同一图像。监控软件还具有记录和回放功能，能记录数值和图像，还能将选定时间范围内的轨迹图合成动态图进行回放。此外软件还提供多机器人编队队形图的绘制，能直观显示载体间的相对位置关系和队形变换情况。
所述的多水下机器人声学监控软件还提供了利用水声通信控制和干预水下多机器人队伍的接口。交互界面提供了多种应急命令的按钮，包括抛载、返航；还提供了任务参数调整的输入框和按钮，例如输入目标载体的ID和定深深度，命令该载体改变在水下的航行深度。载体在收到母船发送给自己的特殊命令后，立即执行，并在下次通信中进行命令反馈，水面操作员可及时了解命令的执行情况。

Claims (4)

1.基于声学通信的水下载体实时监控系统，其特征在于，包括：母船定向GPS模块，母船水声通信机、工控机、缆绳系统以及安装在水下载体上的载体水下通信机；
所述母船定向GPS模块，设在母船上，且配置有双天线，与工控机通过线缆连接，用于将母船的位置信息发送到工控机；
所述母船水声通信机，通过缆绳系统悬挂在母船底部，且通过串口与工控机连接，用于接收所有水下载体发送的导航信息和传感器信息，并发送给工控机，并将工控机传回的母船位置信息以及指令发送至载体水下通信机；
所述工控机，用于解析载体水下通信机经母船水声通信机返回的数据，获取水下载体的导航信息和传感器信息，并绘制多水下载体航行实时轨迹以及队形图，显示所有载体的状态信息以及观测数据，同时根据载体状态和观测数据发送控制指令至母船水声通信机；
所述载体水下通信机，用于周期广播自身的导航信息和传感器信息，并接收母船发送的指令或其他水下载体发送的指令；
缆绳系统，用于悬挂母船水声通信机，使母船水声通信机通过自身对工控机进行数据传输；
所述工控机包括：数据接收模块、数据记录模块、数据处理模块以及数据发送模块；
数据接收模块，用于通过母船水声通信机接收到水下载体发送的数据包，并上传至数据记录模块和数据处理模块；
数据记录模块，用于记录当前数据接收模块上传的数据包；
数据处理模块，用于解析数据包，获取数据包信息，并得到水下载体实时轨迹图、实时状态以及实时队形图；
数据发送模块，用于将母船指令以及母船的导航数据发送至水下载体；
所述载体水下通信机包括：数据包接收模块、数据包记录模块以及数据包发送模块；
数据包接收模块，用于接收母船发送的母船指令以及母船的导航数据，根据母船指令以及母船的导航数据，操作人员执行相应指令，并上传至数据包记录模块；
数据包记录模块，用于记录当前数据包接收模块上传的数据包；
数据包发送模块，用于周期性发送数据包至母船的母船水声通信机。
2.根据权利要求1所述的基于声学通信的水下载体实时监控系统，其特征在于，所述数据包包括：目标ID、源ID、路由、导航信息以及传感器信息。
3.根据权利要求1所述的基于声学通信的水下载体实时监控系统，其特征在于，所述缆绳系统，包括拉扯保护绳组；
所述拉扯保护绳组的外套内具有收放保护绳和通信缆，该拉扯保护绳组的上端缠绕在母船上，通信缆与工控机连接。
4.根据权利要求1所述的基于声学通信的水下载体实时监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）水下载体编队下潜到水下后，通过载体水下通信机向外周期性的广播自身的导航信息和传感器信息数据包，导航信息和传感器信息数据包交替发送；
2）悬挂于母船底部的母船水声通信机按照通信协议解析、处理收到的数据包，并立即上传给水面的工控机，工控机按照应用层协议将数据包中的导航信息和传感器信息提取出来，工控机进行处理；
所述工控机进行处理包括以下步骤：
根据数据包中源ID号确定水下载体，绘制该水下载体的航行曲线，并显示具体数值，将所有水下载体的航行轨迹绘制于同一图像中；
根据母船定向GPS模块上传的母船的位置和艏向信息，将母船的位置和艏向信息也绘制于同一图像，并对多个水下载体编队队形，显示水下载体间的相对位置关系和队形变换情况；
3）母船操作人员根据工控机处理结果得到控制指令；
4）母船通过母船水声通信机向水下载体编队发送母船的位置信息和控制指令；
5）水下载体在收到母船发送给自身的指令后，立即执行，并在下次通信中进行命令反馈。
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