CN115167485A - 一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，涉及潜水器协同控制技术领域，水面控制装置用于获取母船的位置，并将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图以确定目标探测位置；水面控制装置用于获取并发送目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置至载人潜水器；载人潜水器用于根据载人潜水器的位置和目标探测位置进行路径规划，在目标探测位置处按照探测指令进行探测。本发明通过设置水面控制装置以及与载人潜水器和自主水下航行器总数相等的水下数字水声通信模块，能够完成自主水下航行器和载人潜水器协同作业，提高大范围深海探测的探测效率。

Description

一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统

技术领域

本发明涉及潜水器协同控制技术领域，特别是涉及一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统。

背景技术

潜水器是深海科学研究和考察作业必不可少的运载装备。潜水器可分为载人潜水器(HOV)和无人潜水器。无人潜水器包括遥控潜水器(ROV)、自主水下航行器(AUV)、自主遥控潜水器(ARV)和自主水下滑翔机(AUG)等。其中，载人潜水器在深海作业中可以充分发挥人类的智慧，能够快速、准确地将人类运送到海底，AUV则适合于海洋的大规模扫测，由自身携带的电池供电，并通过预先编程设置水下任务。然而，当面对大范围且时效性要求较高的任务时，单台潜水器或单一类型潜水器集群无法满足探测要求，往往需要同类或不同类潜水器相互协同作业才能完成。

发明内容

本发明的目的是提供一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，能够控制自主水下航行器和载人潜水器协同作业，提高大范围深海探测的探测效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，包括：

水面控制装置、母船、载人潜水器、多个自主水下航行器和多个水下数字水声通信模块；

所述载人潜水器和每个所述自主水下航行器上分别设置有一个所述水下数字水声通信模块；多个所述水下数字水声通信模块均与所述水面控制装置连接；所述水面控制装置设置在所述母船上；

所述自主水下航行器用于获取母船下预设范围内的海底数据，并将所述母船下预设范围内的海底数据通过所述水下数字水声通信模块传输至所述水面控制装置；

所述水面控制装置用于获取所述母船的位置，并将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图；所述海底地图用于确定目标探测位置；

所述水面控制装置用于获取并发送目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置至所述载人潜水器；

所述载人潜水器用于根据载人潜水器的位置和目标探测位置进行路径规划，在目标探测位置处按照探测指令进行探测。

可选的，所述自主水下航行器的数量为两个。

可选的，所述探测指令包括传感器放置指令和取样指令；

所述载人潜水器接收到传感器放置指令时根据传感器放置指令确定传感器的指定种类，并在目标探测位置处放置指定种类的传感器；

所述载人潜水器接收到取样指令时在目标探测位置处进行取样。

可选的，所述水面控制装置包括：

指令获取模块、目标探测位置获取模块、控制模块、水上数字水声通信模块和导航定位模块；

所述控制模块分别与所述指令获取模块、所述水上数字水声通信模块和所述导航定位模块连接；

所述述指令获取模块用于获取所述探测指令；

所述导航定位模块用于获取所述母船的位置、载人潜水器的位置以及每个所述自主水下航行器的位置；

所述水上数字水声通信模块用于接收多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据；

所述控制模块用于将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图；

所述目标探测位置获取模块用于目标探测位置；

所述水上数字水声通信模块还用于将目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置发送至所述载人潜水器；

所述水上数字水声通信模块还用于将每个自主水下航行器的位置发送给对应自主水下航行器；

所述自主水下航行器用于根据所述水上数字水声通信模块发送的自主水下航行器自身位置更新规划路径。

可选的，所述水面控制装置还包括：

显示模块；

所述显示模块与所述控制模块连接；所述显示模块用于显示母船位置处的海底地图、所述母船的位置、载人潜水器的位置以及每个所述自主水下航行器的位置。

可选的，所述导航定位模块包括：

全球差分定位单元和超短基线定位单元；

所述全球差分定位单元和所述超短基线定位单元均与所述控制模块连接；

所述全球差分定位单元用于获取所述母船的位置；

所述超短基线定位单元用于获取载人潜水器的位置和每个所述自主水下航行器的位置。

可选的，所述载人潜水器和每个所述自主水下航行器上均设置有应答器；

所述控制模块用于生成目标应答器的触发信号；所述目标应答器为多个应答器中的任一应答器；

所述目标应答器在接收到对应触发信号时启动发射声波信号；

所述超短基线定位单元用于接收目标应答器发射的声波信号，并确定生成触发信号至接收到目标应答器发射的声波信号所用的时间，并根据目标应答器发射的声波信号和所述时间确定目标应答器所在载人潜水器或自主水下航行器的位置。

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：

本发明提供了一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，包括：水面控制装置、母船、载人潜水器、多个自主水下航行器和多个水下数字水声通信模块；载人潜水器和每个自主水下航行器上分别设置有一个水下数字水声通信模块；多个水下数字水声通信模块均与水面控制装置连接；水面控制装置设置在母船上；自主水下航行器用于获取母船下预设范围内的海底数据，并将母船下预设范围内的海底数据通过水下数字水声通信模块传输至水面控制装置；水面控制装置用于获取母船的位置，并将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图；海底地图用于确定目标探测位置；水面控制装置用于获取并发送目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置至载人潜水器；载人潜水器用于根据载人潜水器的位置和目标探测位置进行路径规划，在目标探测位置处按照探测指令进行探测。本发明通过设置水面控制装置以及与载人潜水器和自主水下航行器总数相等的水下数字水声通信模块，能够完成自主水下航行器和载人潜水器协同作业，提高大范围深海探测的探测效率。

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为本发明实施例中1自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统结构示意图；

图2为本发明实施例中1自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统模块示意图。

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自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，能够控制自主水下航行器和载人潜水器协同作业，提高大范围深海探测的探测效率。

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。

实施例1

如图1，本实施例提供了一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，包括：水面控制装置、母船、载人潜水器、多个自主水下航行器和多个水下数字水声通信模块；载人潜水器和每个自主水下航行器上分别设置有一个水下数字水声通信模块；多个水下数字水声通信模块均与水面控制装置连接；水面控制装置设置在母船上；自主水下航行器用于获取母船下预设范围内的海底数据，并将母船下预设范围内的海底数据通过水下数字水声通信模块传输至水面控制装置；水面控制装置用于获取母船的位置，并将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图；海底地图用于确定目标探测位置；水面控制装置用于获取并发送目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置至载人潜水器；载人潜水器用于根据载人潜水器的位置和目标探测位置进行路径规划，在目标探测位置处按照探测指令进行探测。其中，自主水下航行器的数量为两个。探测指令包括传感器放置指令和取样指令；载人潜水器接收到传感器放置指令时根据传感器放置指令确定传感器的指定种类，并在目标探测位置处放置指定种类的传感器；载人潜水器接收到取样指令时在目标探测位置处进行取样。

如图2，水面控制装置包括：指令获取模块、目标探测位置获取模块、控制模块、水上数字水声通信模块和导航定位模块；控制模块分别与指令获取模块、水上数字水声通信模块和导航定位模块连接；述指令获取模块用于获取探测指令；导航定位模块用于获取母船的位置、载人潜水器的位置以及每个自主水下航行器的位置；水上数字水声通信模块用于接收多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据；控制模块用于将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图；目标探测位置获取模块用于目标探测位置；水上数字水声通信模块还用于将目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置发送至载人潜水器；水上数字水声通信模块还用于将每个自主水下航行器的位置发送给对应自主水下航行器；自主水下航行器用于根据水上数字水声通信模块发送的自主水下航行器自身位置更新规划路径。此外，水面控制装置还包括：显示模块；显示模块与控制模块连接；显示模块用于显示母船位置处的海底地图、母船的位置、载人潜水器的位置以及每个自主水下航行器的位置。

具体的，导航定位模块包括：全球差分定位单元和超短基线定位单元；全球差分定位单元和超短基线定位单元均与控制模块连接；全球差分定位单元用于获取母船的位置；超短基线定位单元用于获取载人潜水器的位置和每个自主水下航行器的位置。

为了实现主水下航行器和载人潜水器的协同作业，本实施例还在载人潜水器和每个自主水下航行器上均设置了应答器；控制模块用于生成目标应答器的触发信号；目标应答器为多个应答器中的任一应答器；目标应答器在接收到对应触发信号时启动发射声波信号；超短基线定位单元用于接收目标应答器发射的声波信号，并确定生成触发信号至接收到目标应答器发射的声波信号所用的时间，并根据目标应答器发射的声波信号和时间确定目标应答器所在载人潜水器或自主水下航行器的位置。

实施例2

本实施例中，整个协同过程以母船为核心展开，母船同时监控载人潜水器和2个AUV。载人潜水器和AUV之间、AUV和AUV之间不进行通信联系，各个潜水器和母船进行通信联系，由母船进行监控、定位和通信联系的。也就是各个信息都汇总到母船，由母船控制各个潜水器进行协同作业的。母船和潜水器通信联系依靠水声通信；母船超短基线对各个潜水器进行定位，然后通过水声通信将定位结果发送给潜水器。作业的时候，首先放AUV，然后放载人潜水器。AUV扫测获得目标点或异常点，告诉母船，母船判断价值后，告诉载人潜水器到目标点或异常点进行观察作业。

基于支持母船的协同作业模式，主要包括载人潜水器支持母船、载人潜水器和AUV等装备，母船安装有指挥控制系统、水声通信系统和超短基线定位系统。载人潜水器和每个AUV上都安装水声通信系统、超短基线应答器。

母船指挥控制系统与母船水声通信系统、母船超短基线定位系统相连，主要用于现场信息汇总、实时显示和数据存储，为水面作业现场指挥员提供决策支撑，指导水下载人潜水器、AUV水下协同作业。

母船水声通信系统与母船指挥控制系统相连，通过水声通信信号与载人潜水器/AUV上的水声通信系统进行通信，实现母船和各型潜水器之间的信息传递，各个潜水器向母船发送状态信息，同时母船向潜水器发送水面指挥员下达的控制指令和定位信息。

母船超短基线定位系统与指挥控制系统相连，通过水声定位信号与载人潜水器/AUV上的超短基线应答器进行交互，用于对各型潜水器的水下精确定位，将定位信息传递给指挥控制系统，通过水声通信系统将定位信息下发给每台潜水器。

AUV集群可用于海底微地形地貌测绘和关键水文数据的探测，载人潜水器主要用于热点区域的实地勘验，精确取样，精准探测。载人潜水器和AUV集群可以实现水下局部范围内(如10千米)的立体作业。AUV集群在距底80-120m的区域进行扫测作业，载人潜水器则在海底开展观察取样等定点作业。为了确保各潜水器实测数据的时间一致性，下潜作业前需要进行统一授时。在海底资源勘探领域，AUV集群探测数据经过在线处理后，提取目标点或异常点信息，并发送给母船，母船判断价值后及时传递给载人潜水器，探测数据可为载人潜水器提供水下指引，提高水下勘探效率。

如图2，水下协同作业时，载人潜水器和AUV集群通过水声通信系统按照一定的周期向母船发送潜水器状态信息。这些状态信息主要包括潜水器姿态信息、运动状态信息、能源信息、预警信息和生命支持系统信息(生命支持系统信息只有载人潜水器提供)。母船水声通信系统接收后，通过网络链路发送至母船指挥控制系统。在回馈通信中，母船水声通信系统将控制指令和超短基线定位信息下发至每个潜水器，从而实现对水下潜水器集群的指挥调度。受水声通信、定位作用距离的制约，采用该协同作业模式时，载人潜水器、AUV等潜水器相对距离较近，距离支持母船的距离不能超过10km。

协同作业指挥监控系统安装在支持母船上，可以接收船载综合定位声纳、船载罗经、船载GPS、水声通讯和船载视频服务器等设备的数据信息。协同作业指挥监控系统接入船域网，水面监控服务器为全船网络提供服务，可以接收来自船载网络的超短基线服务器、声学通讯服务器、GPS信号、卫星通信信号和电罗经传感器的数据，这些数据经过整合后由水面监控显示器矩阵对外显示，供水面指挥人员使用和分析，同时船上任何位置都可以得到水面综合显控系统的视频信息支持。当异构潜水器水下水下作业时，起到为水面指挥人员提供地图显示、数据支撑的作用。

协同作业指挥监控系统硬件部分主要包括水面控制箱和水面综合显控器矩阵，水面控制箱为水面监控单元的核心单元，作为水面监控软件的运行载体，负责对船载数据、水声数据、示位数据和卫星通信数据等多源数据进行综合处理，水面综合显示器矩阵负责直观显示潜水器及船舶的综合信息。水面监控软件主要通过船域网对母船上提供的数据如GPS(Global Positioning System，全球定位系统)数据、超短基线数据和电罗经数据等进行收集，通过水声通讯获取不同的潜水器数据如潜水器本体数据、生命支持系统数据和探测载荷数据。所有这些收集到的数据经水面监控软件的汇总、分析、融合，然后以直观的地图及图文形式显示出来，同时，水面指挥监控软件对所得到的数据进行全程数据存储。

需要发送的图像数据首先进行图像压缩，语音数据进行语音编码，然后与数据一起组织成数据包，这些数据包被信道编码和调制，再叠加潜水器引导码和同步信号，通过DA转换变成模拟信号，经过功率放大器放大后驱动水声通信机换能器发射到水中。声波在水中传播到母船上的接收端的换能器，经过接收端信号滤波放大电路的处理后进行AD转换、数字信号滤波、信号同步处理和解调和自适应均衡解码，以及信道解码后得到数据包，数据包拆分后获得数据、图像和语音，图像经过解压缩还原成图像，语音经过语音合成还原成语音。这样数据、图像和语音就从发送端传送到了接收端。

水声通信系统工作时，潜水器端以发射周期T向母船发送数据，当通信主机接收到来自声学主控计算机发出的触发脉冲信号时，通信主机将压缩好的数据转换成声波信号发射出去，支持母船的水声通信系统接收并解算出来自某一个潜水器的信息后，将数据包发送至水面指挥监控系统，同时将水面指挥监控系统发出的数据包下发至该潜水器，从而实现了潜水器和母船的通信系统数据交互。

导航定位系统主要包括超短基线定位系统和水下自主导航系统，其中超短基线定位系统的基阵长度一般在几厘米到几十厘米的量级，它利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。定位模式分为内同步模式和外同步模式，内同步模式使用系统内部时间基准，外同步使用外接触发信号作为定位时间基准，在潜水器协同作业模式下，为了对潜水器集群通信和定位统一分配，需要使用外同步模式。外同步定位模式下，水面信号处理单元和水下应答器同时接受外部触发信号，应答器接收到触发信号后发出应答信号，水面基阵接收到应答信号并经过信号处理单元结算出应答器的水下方位。

水下自主导航系统主要由捷联惯性导航系统和多普勒测速仪构成的SINS/DVL组合导航系统，是目前AUV应用较多的一种水下导航系统，捷联惯导系统(SINS)是一种自主式导航系统，其特点是隐蔽性好、抗干扰能力强且短期精度高，但其导航误差会随着时间逐渐累积。多普勒测速仪(DVL)是一种常用的水下速度测量设备，能够在水下环境中提供较高精度的速度信息，将二者结合而形成的SINS/DVL组合导航系统，利用DVL速度信息对SINS导航误差进行抑制，可以发挥出两种导航设备的优点，获得较高的导航精度，在实际的SINS/DVL组合导航系统中，由于导航器件的误差漂移、运载体机动产生的动态误差以及水中复杂环境的影响，系统模型很难完全准确，噪声的统计特性也具有不确定性。需要使用先进的自适应滤波算法，对噪声的统计特性进行实时估计修正，实现AUV集群在水下上时间航行。超短基线定位系统属于比较成熟的商业化产品，分为两大部分：一部分安装在母船上，包括发射和接收换能器阵列、信号处理单元，另一部分安装在水下潜水器上，成为应答器或者信标。

具体作业流程如下：

(1)母船搭载载人潜水器和AUV航行到作业区域，依次布放2台AUV，并通过母船超短基线定位系统实时跟踪AUV下降至海底，并通过水声通信系统建立通信链路使2台AUV均与母船连接。

(2)母船航行至载人潜水器下潜点布放载人潜水器，通过母船超短基线定位系统实时跟踪载人潜水器下降至海底，并通过水声通信系统建立通信链路使载人潜水器与母船连接。

(1)AUV根据预定规划路线进行扫测，并在线处理探测结果，如果发现目标点或异常点，及时通过水声通信系统告知母船。

(4)母船收到后，水面指挥员综合分析，如果AUV发现的目标点或异常点有价值，则会通过水声通信系统向载人潜水器下达指令，并将目标点或异常点坐标发送给载人潜水器。

(5)载人潜水器收到后，根据当前作业任务情况，适时前往目标点或异常点进行详细调查。

(6)载人潜水器水下作业时间为10个小时左右，潜次任务完成后，需要及时回收载人潜水器进行维护保养。

(7)AUV作业时间在40多个小时左右，根据载人潜水器技术状态在AUV下潜过程中，执行2～3个载人潜水器下潜。

(8)待AUV水下作业任务完成后，依次回收AUV。

(9)上述任务完成后，执行下一次下潜任务。

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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (7)

1.一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，其特征在于，包括：

水面控制装置、母船、载人潜水器、多个自主水下航行器和多个水下数字水声通信模块；

所述载人潜水器和每个所述自主水下航行器上分别设置有一个所述水下数字水声通信模块；多个所述水下数字水声通信模块均与所述水面控制装置连接；所述水面控制装置设置在所述母船上；

所述自主水下航行器用于获取母船下预设范围内的海底数据，并将所述母船下预设范围内的海底数据通过所述水下数字水声通信模块传输至所述水面控制装置；

所述水面控制装置用于获取所述母船的位置，并将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图；所述海底地图用于确定目标探测位置；

所述水面控制装置用于获取并发送目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置至所述载人潜水器；

所述载人潜水器用于根据载人潜水器的位置和目标探测位置进行路径规划，在目标探测位置处按照探测指令进行探测。

2.根据权利要求1所述的一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，其特征在于，所述自主水下航行器的数量为两个。

3.根据权利要求1所述的一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，其特征在于，所述探测指令包括传感器放置指令和取样指令；

所述载人潜水器接收到传感器放置指令时根据传感器放置指令确定传感器的指定种类，并在目标探测位置处放置指定种类的传感器；

所述载人潜水器接收到取样指令时在目标探测位置处进行取样。

4.根据权利要求1所述的一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，其特征在于，所述水面控制装置包括：

指令获取模块、目标探测位置获取模块、控制模块、水上数字水声通信模块和导航定位模块；

所述控制模块分别与所述指令获取模块、所述水上数字水声通信模块和所述导航定位模块连接；

所述述指令获取模块用于获取所述探测指令；

所述导航定位模块用于获取所述母船的位置、载人潜水器的位置以及每个所述自主水下航行器的位置；

所述水上数字水声通信模块用于接收多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据；

所述控制模块用于将多个自主水下航行器获取的母船下预设范围内的海底数据进行融合，得到母船位置处的海底地图；

所述目标探测位置获取模块用于目标探测位置；

所述水上数字水声通信模块还用于将目标探测位置、探测指令和载人潜水器的位置发送至所述载人潜水器；

所述水上数字水声通信模块还用于将每个自主水下航行器的位置发送给对应自主水下航行器；

所述自主水下航行器用于根据所述水上数字水声通信模块发送的自主水下航行器自身位置更新规划路径。

5.据权利要求4所述的一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，其特征在于，所述水面控制装置还包括：

显示模块；

所述显示模块与所述控制模块连接；所述显示模块用于显示母船位置处的海底地图、所述母船的位置、载人潜水器的位置以及每个所述自主水下航行器的位置。

6.据权利要求4所述的一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，其特征在于，所述导航定位模块包括：

全球差分定位单元和超短基线定位单元；

所述全球差分定位单元和所述超短基线定位单元均与所述控制模块连接；

所述全球差分定位单元用于获取所述母船的位置；

所述超短基线定位单元用于获取载人潜水器的位置和每个所述自主水下航行器的位置。

7.据权利要求6所述的一种自主水下航行器和载人潜水器的协同作业系统，其特征在于，所述载人潜水器和每个所述自主水下航行器上均设置有应答器；

所述控制模块用于生成目标应答器的触发信号；所述目标应答器为多个应答器中的任一应答器；

所述目标应答器在接收到对应触发信号时启动发射声波信号；

所述超短基线定位单元用于接收目标应答器发射的声波信号，并确定生成触发信号至接收到目标应答器发射的声波信号所用的时间，并根据目标应答器发射的声波信号和所述时间确定目标应答器所在载人潜水器或自主水下航行器的位置。

Images