CN115291615B - 一种自适应追涡观测系统及其控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应追涡观测系统及其控制方法、装置，属于海洋观测设备技术领域，方法包括：获取观测涡旋的位置信息；确定目标航路点；观测系统将接收到的涡旋位置信息作为帆船当前要追踪的目标航路点；确定期望航向向量；获取帆船的实时位置信息，并根据当前目标航路点相对于帆船的方位角以及真实风的风向信息确定期望的航向向量；跟踪期望航向向量，使帆船达到或者跟踪期望航向；追涡判断；判断观测系统是否到达目标航路点，若达到，则随涡漂流；随涡判断；判断观测系统是否在仍在涡旋内部，如是则返回随涡漂流步骤，如否则返回跟踪期望航向向量步骤，循环执行，直至观测结束。本发明有望实现海洋涡旋的全生命周期跟踪观测。

Description

一种自适应追涡观测系统及其控制方法、装置

技术领域

本发明属于海洋观测设备技术领域，特别涉及一种自适应追涡观测系统及其控制方法、装置。

背景技术

海洋涡旋在海洋中无处不在、无时不有、数以万计、大小不一，其水平尺度从几公里到几百公里、垂直尺度从几十米到上千米、时间尺度从几天到几年、每天传播速度在公里量级，并具有水平局部搅拌、垂直生化通量、区域裹挟传输和三维剖面结构特征，是研究物质循环、能量级联和圈层耦合的理想载体。

随着涡旋海洋学研究的日益深入，贯穿涡旋全生命周期的剖面多参数获取成为涡旋交叉学科研究的迫切需求。目前用于涡旋观测的主要手段包括卫星遥感和现场观测，其中，卫星遥感仅能获取海表参数信息，尚无法实现涡旋三维观测；现场观测手段主要包括潜标、Drifter、Argo、Glider等，这些常规现场观测设备在长时间跟涡性（如潜标、Argo）、多传感器搭载能力（如Argo、Glider）、连续快速剖面下的长续航能力（如Argo、Glider）等方面均存在一定程度的不足或限制。近年来，新出现的波浪能剖面浮标（如Wirewalker）虽然在多传感器搭载能力和连续快速剖面下的长续航能力方面有了显著提升，但随涡能力较差，因此有学者根据涡-流一致性原理，在波浪能剖面浮标原有构造基础上通过增加水帆结构并计算水帆尺寸与布放深度，提出了一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法（ZL202110423625.9），一定程度上较大地改进了波浪能剖面浮标的随涡性能，显著提高了其随涡概率和跟涡时间。然而，由于被测涡旋在移动过程中受地形、风场的瞬时影响而随机改变自身运动速度大小或方向，这将导致随涡系统在跟涡过程中将不可避免地被涡旋逐渐甩出，从而跟丢涡旋。也就是说，对于个例涡旋来说，基于涡-流一致性原理进行结构优化与方法改进的随涡观测系统由于其一次性的水帆尺寸设计和固定深度布放（中间过程无调节），这种被动随涡模式将无法保证被测涡旋在其全生命周期内被一直伴随。为此，发展一种在观测过程中具有（准）实时地自适应调节、运动补偿的主动追涡观测系统，将对真正实现海洋涡旋全生命周期的跟踪观测具有重要意义和研究价值。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明第一方面提供了一种自适应追涡观测系统，包括帆船的船体，所述船体的中心安装有可控制收展及角度旋转的风帆装置，所述船体的前端安装有可控制舵角的舵，所述风帆装置的顶端安装有风速风向仪，所述船体上安装有通信模块、GPS定位模块和用于获取帆船船体姿态角的惯导模块；所述船体的底部设置有用于观测涡旋剖面参数的观察组件；所述船体内安装有控制装置和电源，所述风帆装置、舵、风速风向仪、通信模块、GPS定位模块、惯导模块和观察组件均与控制装置电性连接，所述控制装置用于获取观测涡旋的位置信息、帆船的位置信息、风速风向信息和帆船姿态信息，并计算目标航路点和期望航向向量，同时判断帆船浮体是否在涡旋内部，控制帆船始终在接近涡心或随涡漂流，并将采集的涡旋剖面信息以及系统工作状态参数发送给岸基。

优选的，所述用于观测涡旋剖面参数的观察组件包括包塑钢缆、上阻尼块、升降平台、下阻尼块和张紧锤；所述包塑钢缆的顶端与帆船船体的底部转动连接，底端与张紧锤转动连接；所述上阻尼块固定设置在包塑钢缆上，所述升降平台与包塑钢缆单向耦合连接且位于上阻尼块与下阻尼块之间，所述下阻尼块固定设置在包塑钢缆上，所述张紧锤位于下阻尼块的下方；所述升降平台上搭载有多参数传感器，用于涡旋剖面的参数观测。

优选的，所述升降平台为圆柱形，所述张紧锤为饼状。

优选的，所述风帆装置包括帆布、桅杆、风帆收/展装置和滑轨，所述帆布底端与风帆收/展装置连接，所述风帆收/展装置可在滑轨上转动；所述风帆收/展装置包括转接套、转动轴、电机、空心支撑杆、弹簧、滑座、滚轮、牵引绳和定滑轮；所述电机安装在船体内部，所述电机通过转动轴与舱外转接套连接，所述转接套内固定有微型电机，所述转接套上面安装桅杆，所述转接套侧面设置有连接空心支撑杆的通孔，所述空心支撑杆两端安装有滑座，所述空心支撑杆表面套设有弹簧，所述弹簧与帆布底边相连接，所述弹簧一端固定在转接套侧壁上，另一端连接牵引绳，所述牵引绳通过所述滑座内部安装的定滑轮并穿过所述空心支撑杆缠绕到所述转接套内的微型电机轴上；所述滑座底端卡在所述滑轨上，所述滑座侧面的滚轮与所述滑轨相配合。

本发明第二方面提供了一种自适应追涡观测系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取观测涡旋的位置信息；

步骤2，确定目标航路点；观测系统将接收到的涡旋位置信息作为帆船当前要追踪的目标航路点；

步骤3，确定期望航向向量；获取帆船的实时位置信息，并根据当前目标航路点相对于帆船的方位角以及真实风的风向信息确定期望的航向向量；

步骤4，跟踪期望航向向量；根据相对风的风向信息和期望的航向向量控制帆船的风帆角度于最佳角度，同时在航行过程中，根据当前帆船的实际运动方向和期望的航向向量偏差，控制舵角以使帆船达到或者跟踪期望航向；

步骤5，追涡判断；判断观测系统是否到达目标航路点，若未到达，则返回步骤3，若到达，则执行步骤6；

其中，判断观测系统是否到达目标航路点，是通过计算帆船与目标航路点之间距离是否大于某一初设阈值进行判断；

步骤6，随涡漂流；收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

步骤7，随涡判断；判断观测系统是否在仍在涡旋内部，如是则返回步骤6，如否则返回步骤3，循环执行，直至观测结束。

优选的，所述步骤1的具体过程为：岸基上位机每天定时从AVISO官网自动下载海表面高度SSH卫星数据，利用海面拓扑法和相似度法，进行海洋中尺度涡旋的自动识别，然后将每天识别的涡旋位置信息定时发送给海上的观测系统。

优选的，所述步骤3的具体过程为：

获取帆船的实时位置信息；

根据实时位置信息，通过计算进一步获取帆船的实时速度大小和运动方向信息；

获取相对于帆船的相对风的实时风速和风向信息；

通过对所述帆船的实时速度大小、运动方向、相对风的实时风速以及风向信息进行矢量计算，获取相对于岸的真实风的实时风速和风向信息；

根据所述真实风的实时风向信息，以帆船为中心划分航向区，所述航向区包括顺风区、迎风区和侧风区；其中顺风区为沿风向向左右各偏转30°以内的范围，迎风区为沿逆风向左右各偏转45°以内的范围，剩余范围为侧风区；

根据所述目标航路点和帆船的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船的相对方位角；

根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；

根据所述目标航路点所处的航向区确定期望的航向向量：当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风区时，为达到最佳航行效果，需要将迎风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量A1和A2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量A1和A2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，为保持稳定性，需要避开顺风区航行，因此要将顺风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量B1和B2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量B1和B2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点。

本发明第三方面提供了一种自适应追涡观测系统的控制装置，所述装置包括：

获取模块，用于获取观测涡旋的位置信息；

确定目标航路点模块，用于观测系统将接收到的涡旋位置信息作为帆船当前要追踪的目标航路点；

确定期望航向向量模块，用于获取帆船的实时位置信息，并根据当前目标航路点相对于帆船的方位角以及真实风的风向信息确定期望的航向向量；

跟踪期望航向向量模块，包括风帆角度控制单元和舵角控制单元；所述风帆角度控制单元用于根据相对风的风向信息和期望的航向向量控制帆船的风帆角度于最佳角度，所述舵角控制单元用于在航行过程中，根据当前帆船的实际运动方向和期望的航向向量偏差，控制舵角以使帆船达到或者跟踪期望航向；

第一判断模块，用于判断观测系统是否到达目标航路点，若未到达，则继续通过跟踪期望航向向量模块，控制帆船达到或者跟踪期望航向；若达到，则控制收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

其中，判断观测系统是否到达目标航路点，是通过计算帆船与目标航路点之间距离是否大于某一初设阈值进行判断；

随涡漂流控制模块，用于收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

第二判断模块，用于判断观测系统是否在仍在涡旋内部，如是则控制收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流，如否则通过跟踪期望航向向量模块，控制帆船达到或者跟踪期望航向；循环执行，直至观测结束。

优选的，所述确定期望航向向量模块包括：

第一获取单元，用于获取帆船的实时位置信息；

第一计算单元，用于通过计算进一步获取帆船的实时速度大小和运动方向信息；

第二获取单元，用于获取相对于帆船的相对风的实时风速和风向信息；

第二计算单元，用于通过对所述帆船的实时速度大小、运动方向、相对风的实时风速以及风向信息进行矢量计算，获取相对于岸的真实风的实时风速和风向信息；

划分单元，用于根据所述真实风的实时风向信息，以帆船为中心划分航向区，所述航向区包括顺风区、迎风区和侧风区；其中顺风区为沿风向向左右各偏转30°以内的范围，迎风区为沿逆风向左右各偏转45°以内的范围，剩余范围为侧风区；

第三计算单元，用于根据所述目标航路点和帆船的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船的相对方位角；

第一确定单元，用于根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；

第二确定单元，用于根据所述目标航路点所处的航向区确定期望的航向向量：当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风区时，为达到最佳航行效果，需要将迎风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量A1和A2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量A1和A2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，为保持稳定性，需要避开顺风区航行，因此要将顺风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量B1和B2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量B1和B2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点。

本发明第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时可以使处理器执行如第二方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明中提供了了一种自适应追涡观测系统的控制方法，该观测系统在波浪能剖面浮标结构基础上通过增加风速风向仪、风帆系统和控制系统，利用每日获取的海洋涡旋位置信息和实时获取的观测系统位置信息，并结合风向、涡旋与观测系统间距离，控制风帆工作状态（工作角度、启停等），从而实现对海洋涡旋的自适应运动补偿与全生命周期跟踪，相比于现有技术中定点监测的潜标、只受表层流驱动的Drifter、不具备跟流性的Argo、连续快速剖面条件下续航能力有限的Glider等常规移动设备，以及基于涡-流一致性原理在波浪能剖面浮标结构基础上进行改进设计的随涡观测系统，本发明可真正意义上有望实现海洋涡旋的全生命周期跟踪观测，可为其它主动追涡观测系统设计提供理论基础、方法依据和技术参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明中追涡观测系统的总体结构示意图。

图2为帆船浮体结构示意图。

图3为风帆装置结构示意图。

图4为风帆收/展装置收起和展开状态结构示意图。

图5为自适应追涡观测系统的控制方法的整体流程图。

图6为航向区划分的示意图。

图7为自适应追涡观测系统的控制装置结构框图。

图中：1.船体；2.风帆装置；3.舵；4.风速风向仪；5.通信模块；6.GPS定位模块；7.惯导模块；10.包塑钢缆；11.上阻尼块；12.升降平台；13.下阻尼块；14.张紧锤；21.帆布；22.桅杆；23.风帆收/展装置；24.滑轨；231.转接套；232.转动轴；233.电机；234.空心支撑杆；235.弹簧；236.滑座；237.滚轮；238.牵引绳；239.定滑轮。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

实施例1：

如图1至图4所示，本发明提供了一种自适应追涡观测系统，包括帆船的船体1，船体1的中心安装有可控制收展及角度旋转的风帆装置2，船体1的前端安装有可控制舵角的舵3，风帆装置2的顶端安装有风速风向仪4，用于相对风的风速风向信息采集；船体1上安装有通信模块5、GPS定位模块6和用于获取帆船船体姿态角的惯导模块7，通信模块5可以为铱星通信模块，用于帆船浮体与岸基的实时双向通讯，通过铱星通讯模块，帆船浮体一方面接收岸基指令，另一方面向岸基发送其状态信息（位置、运动、电气指标等）和采集数据（剖面环境参数与海表风场），惯导模块7获取帆船浮体的姿态角，包括航向角、俯仰角和横滚角，GPS定位模块6用于帆船的实时定位；船体1的底部设置有用于观测涡旋剖面参数的观察组件；用于观测涡旋剖面参数的观察组件包括包塑钢缆10、上阻尼块11、升降平台12、下阻尼块13和张紧锤14；包塑钢缆10的顶端与帆船船体1的底部转动连接，底端与张紧锤14转动连接；上阻尼块11固定设置在包塑钢缆10上，升降平台12与包塑钢缆10单向耦合连接且位于上阻尼块11与下阻尼块13之间，下阻尼块13固定设置在包塑钢缆10上，张紧锤14位于下阻尼块13的下方；升降平台12上搭载有多参数传感器，用于涡旋剖面的物理、化学、生物、光学等参数观测。相比于专利ZL202110423625.9的结构优化还在于，升降平台12由长方体型优化为圆柱形，利于减少水下阻力；张紧锤14由圆柱形优化为饼状，以减少转动，保持观测系统在水下的稳定性；结构优化还在于去除原来的水帆部分，以减少系统的水下阻力，提高风帆驱动下主动追涡效能。

关于风帆装置2可控制收展及角度旋转，可以实现的一种结构为：包括帆布21、桅杆22、风帆收/展装置23和滑轨24，所述帆布21底端与风帆收/展装置23连接，风帆收/展装置23可在滑轨24上转动；所述风帆收/展装置23包括转接套231、转动轴232、电机233、空心支撑杆234、弹簧235、滑座236、滚轮237、牵引绳238和定滑轮239；电机233安装在船体1内部，电机233通过转动轴232与舱外转接套231连接，转接套231内固定有微型电机，转接套231上面安装桅杆22，转接套231侧面设置有连接空心支撑杆234的通孔，空心支撑杆234两端安装有滑座236，空心支撑杆234表面套设有弹簧235，弹簧235与帆布21底边相连接，弹簧235一端固定在转接套231侧壁上，另一端连接牵引绳238，牵引绳238通过所述滑座236内部安装的定滑轮239并穿过所述空心支撑杆234缠绕到所述转接套231内的微型电机轴上；滑座236底端卡在所述滑轨24上，滑座236侧面的滚轮237与所述滑轨24相配合。

船体1内安装有控制装置和电源，控制装置可以为PC104工控机。风帆装置2、舵3、风速风向仪4、通信模块5、GPS定位模块6、惯导模块7和观察组件均与控制装置电性连接，控制装置用于获取观测涡旋的位置信息、帆船的位置信息、风速风向信息和帆船姿态信息，并计算目标航路点和期望航向向量，同时判断帆船浮体是否在涡旋内部，控制帆船始终在接近涡心或随涡漂流，并将采集的涡旋剖面信息以及系统工作状态参数发送给岸基。

本发明自适应追涡观测系统的具体工作原理，可参考实施例2中的方法。

实施例2：

如图5所示，本发明同时还提供了一种自适应追涡观测系统的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，获取观测涡旋的位置信息；岸基上位机每天定时从AVISO官网（https://www.aviso.altimetry.fr）自动下载海表面高度（SSH）卫星数据，利用海面拓扑法和相似度法，进行海洋中尺度涡旋的自动识别，然后将每天识别的涡旋位置信息指令定时发送给海上的观测系统；

步骤2，确定目标航路点；观测系统将接收到的涡旋位置信息作为帆船当前要追踪的目标航路点；

步骤3，确定期望航向向量；获取帆船的实时位置信息，并根据当前目标航路点相对于帆船的方位角以及真实风的风向信息确定期望的航向向量；

具体包括：

获取帆船浮体的实时位置信息（根据帆船浮体上的GPS装置）；

根据所述帆船浮体的实时位置信息，通过计算进一步获取帆船浮体的实时速度大小和运动方向等运动信息；

获取相对于帆船的相对风的实时风速和风向信息（根据帆船浮体上的风速风向仪）；

通过对所述帆船浮体的实时速度大小、运动方向、相对风的实时风速以及风向进行矢量计算，获取相对于岸的真实风的实时风速和风向信息；

根据所述真实风的实时风向信息，以帆船浮体为中心划分航向区，如图6所示，航向区包括顺风区、迎风区、侧风区；其中顺风区为沿风向向左右各偏转30°以内的范围，迎风区为沿逆风向左右各偏转45°以内的范围，剩余范围为侧风区；

根据所述目标航路点和帆船浮体的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船浮体的相对方位角；

根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；

根据所述目标航路点所处的航向区获取期望的航向向量：当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船浮体的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风区时，为达到最佳航行效果，需要将迎风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量A1和A2，在帆船浮体实际航行时，不断切换航向向量A1和A2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，为保持稳定性，需要帆船避开顺风区航行，因此要将顺风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量B1和B2，在帆船浮体实际航行时，不断切换航向向量B1和B2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；

步骤4，跟踪期望航向向量；按照现代风帆航行理论，根据相对风的风向信息和期望的航向向量控制帆船的风帆角度于一最佳角度；同时在航行过程中，根据当前帆船浮体的实际运动方向和期望的航向向量偏差，控制舵角以使帆船浮体达到或者跟踪期望航向，具体做法是当航向向量在帆船浮体实际航向右边时，控制舵角向右，反之，当航向向量在帆船浮体实际航向左边时，控制舵角向左，以使帆船浮体最大程度地达到或跟踪期望航向向量；

步骤5，追涡判断；判断观测系统是否到达目标航路点，若未到达，则返回步骤3，若到达，则执行步骤6；

其中，判断观测系统是否到达目标航路点，是通过计算帆船与目标航路点之间距离是否大于某一初设阈值（如5 km）进行判断；

步骤6，随涡漂流；收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

步骤7，随涡判断；判断观测系统是否在仍在涡旋内部，如是则返回步骤6，如否则返回步骤3，循环执行，直至观测结束，涡旋寿命结束（即本次追涡任务完成）或开启新的追涡任务。

同时，时刻监测帆船浮体的状态信息，包括真实风的风速大小、当风速大小超过第一预设危险值时，将收起风帆，停止工作，直至风速大小降到第一预设危险值以下；

当帆船浮体与目标航路点之间距离小于某一初设阈值时，控制装置发出指令使微型电机反转，释放牵引绳，使弹簧回缩，帆布收起，此时观测系统开始从风驱动下的主动追涡模式切换为海流驱动下的被动随涡模式；当帆船浮体与目标航路点之间距离大于某一初设阈值时，控制系统使微型电机正转，拉紧牵引绳，使弹簧伸长，帆布展开，观测系统再由海流驱动下的被动随涡模式切换为风驱动下的主动追涡模式，如此往复循环。

本方法真正意义上有望实现海洋涡旋的全生命周期跟踪观测，可以依据实施例1中的系统结构来实现，但不局限于实施例1中的系统结构。

实施例3：

如图7所示，本发明还提供了一种自适应追涡观测系统的控制装置，

装置包括：

获取模块，用于获取观测涡旋的位置信息；岸基上位机每天定时从AVISO官网自动下载海表面高度SSH卫星数据，利用海面拓扑法和相似度法，进行海洋中尺度涡旋的自动识别，然后将每天识别的涡旋位置信息定时发送给海上的观测系统。

确定目标航路点模块，用于观测系统将接收到的涡旋位置信息作为帆船当前要追踪的目标航路点；

确定期望航向向量模块，用于获取帆船的实时位置信息，并根据当前目标航路点相对于帆船的方位角以及真实风的风向信息确定期望的航向向量；具体包括：

第一获取单元，用于获取帆船的实时位置信息；

第一计算单元，用于通过计算进一步获取帆船的实时速度大小和运动方向信息；

第二获取单元，用于获取相对于帆船的相对风的实时风速和风向信息；

第二计算单元，用于通过对所述帆船的实时速度大小、运动方向、相对风的实时风速以及风向信息进行矢量计算，获取相对于岸的真实风的实时风速和风向信息；

划分单元，用于根据所述真实风的实时风向信息，以帆船为中心划分航向区，所述航向区包括顺风区、迎风区和侧风区；其中顺风区为沿风向向左右各偏转30°以内的范围，迎风区为沿逆风向左右各偏转45°以内的范围，剩余范围为侧风区；

第三计算单元，用于根据所述目标航路点和帆船的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船的相对方位角；

第一确定单元，用于根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；

第二确定单元，用于根据所述目标航路点所处的航向区确定期望的航向向量：当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风区时，为达到最佳航行效果，需要将迎风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量A1和A2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量A1和A2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，为保持稳定性，需要避开顺风区航行，因此要将顺风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量B1和B2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量B1和B2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点。

跟踪期望航向向量模块，包括风帆角度控制单元和舵角控制单元；风帆角度控制单元用于根据相对风的风向信息和期望的航向向量控制帆船的风帆角度于最佳角度，舵角控制单元用于在航行过程中，根据当前帆船的实际运动方向和期望的航向向量偏差，控制舵角以使帆船达到或者跟踪期望航向；

第一判断模块，用于判断观测系统是否到达目标航路点，若未到达，则继续通过跟踪期望航向向量模块，控制帆船达到或者跟踪期望航向；若达到，则控制收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

其中，判断观测系统是否到达目标航路点，是通过计算帆船与目标航路点之间距离是否大于某一初设阈值（比如5KM）进行判断；

随涡漂流控制模块，用于收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

第二判断模块，用于判断观测系统是否在仍在涡旋内部，如是则控制收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流，如否则通过跟踪期望航向向量模块，控制帆船达到或者跟踪期望航向；循环执行，直至观测结束。

实施例3：

本发明还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，计算机执行程序或指令被处理器执行时使处理器执行如实施例2所述的方法。

具体地，可以提供配有可读存储介质的系统、装置或设备，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统、装置或设备的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。

上述存储介质可以是由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘（如 CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD- 20 ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW）、磁带等。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

应理解，上述处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit，简称：ASIC)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

应理解存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，简称：ASIC)中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于终端或服务器中。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种自适应追涡观测系统，其特征在于：包括帆船的船体（1），所述船体（1）的中心安装有可控制收展及角度旋转的风帆装置（2），所述船体（1）的前端安装有可控制舵角的舵（3），所述风帆装置（2）的顶端安装有风速风向仪（4），所述船体（1）上安装有通信模块（5）、GPS定位模块（6）和用于获取帆船船体姿态角的惯导模块（7）；所述船体（1）的底部设置有用于观测涡旋剖面参数的观察组件；所述船体（1）内安装有控制装置和电源，所述风帆装置（2）、舵（3）、风速风向仪（4）、通信模块（5）、GPS定位模块（6）、惯导模块（7）和观察组件均与控制装置电性连接，所述控制装置用于获取观测涡旋的位置信息、帆船的位置信息、风速风向信息和帆船姿态信息，并计算目标航路点和期望航向向量，具体过程为：

获取帆船的实时位置信息；

根据实时位置信息，通过计算进一步获取帆船的实时速度大小和运动方向信息；

获取相对于帆船的相对风的实时风速和风向信息；

通过对所述帆船的实时速度大小、运动方向、相对风的实时风速以及风向信息进行矢量计算，获取相对于岸的真实风的实时风速和风向信息；

根据所述真实风的实时风向信息，以帆船为中心划分航向区，所述航向区包括顺风区、迎风区和侧风区；其中顺风区为沿风向向左右各偏转30°以内的范围，迎风区为沿逆风向左右各偏转45°以内的范围，剩余范围为侧风区；

根据所述目标航路点和帆船的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船的相对方位角；

根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；

根据所述目标航路点所处的航向区确定期望的航向向量：当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风区时，为达到最佳航行效果，需要将迎风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量A1和A2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量A1和A2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，为保持稳定性，需要避开顺风区航行，因此要将顺风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量B1和B2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量B1和B2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；

所述控制装置同时用于判断帆船浮体是否在涡旋内部，控制帆船始终在接近涡心或随涡漂流，并将采集的涡旋剖面信息以及系统工作状态参数发送给岸基。

2.如权利要求1所述的一种自适应追涡观测系统，其特征在于：所述用于观测涡旋剖面参数的观察组件包括包塑钢缆（10）、上阻尼块（11）、升降平台（12）、下阻尼块（13）和张紧锤（14）；所述包塑钢缆（10）的顶端与帆船船体（1）的底部转动连接，底端与张紧锤（14）转动连接；所述上阻尼块（11）固定设置在包塑钢缆（10）上，所述升降平台（12）与包塑钢缆（10）单向耦合连接且位于上阻尼块（11）与下阻尼块（13）之间，所述下阻尼块（13）固定设置在包塑钢缆（10）上，所述张紧锤（14）位于下阻尼块（13）的下方；所述升降平台（12）上搭载有多参数传感器，用于涡旋剖面的参数观测。

3.如权利要求2所述的一种自适应追涡观测系统，其特征在于：所述升降平台（12）为圆柱形，所述张紧锤（14）为饼状。

4.如权利要求1所述的一种自适应追涡观测系统，其特征在于：所述风帆装置（2）包括帆布（21）、桅杆（22）、风帆收/展装置（23）和滑轨（24），所述帆布（21）底端与风帆收/展装置（23）连接，所述风帆收/展装置（23）可在滑轨（24）上转动；所述风帆收/展装置（23）包括转接套（231）、转动轴（232）、电机（233）、空心支撑杆（234）、弹簧（235）、滑座（236）、滚轮（237）、牵引绳（238）和定滑轮（239）；所述电机（233）安装在船体（1）内部，所述电机（233）通过转动轴（232）与舱外转接套（231）连接，所述转接套（231）内固定有微型电机，所述转接套（231）上面安装桅杆（22），所述转接套（231）侧面设置有连接空心支撑杆（234）的通孔，所述空心支撑杆（234）两端安装有滑座（236），所述空心支撑杆（234）表面套设有弹簧（235），所述弹簧（235）与帆布（21）底边相连接，所述弹簧（235）一端固定在转接套（231）侧壁上，另一端连接牵引绳（238），所述牵引绳（238）通过所述滑座（236）内部安装的定滑轮（239）并穿过所述空心支撑杆（234）缠绕到所述转接套（231）内的微型电机轴上；所述滑座（236）底端卡在所述滑轨（24）上，所述滑座（236）侧面的滚轮（237）与所述滑轨（24）相配合。

5.一种自适应追涡观测系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取观测涡旋的位置信息；

步骤2，确定目标航路点；观测系统将接收到的涡旋位置信息作为帆船当前要追踪的目标航路点；

步骤3，确定期望航向向量；获取帆船的实时位置信息，并根据当前目标航路点相对于帆船的方位角以及真实风的风向信息确定期望的航向向量；具体过程为：

获取帆船的实时位置信息；

根据实时位置信息，通过计算进一步获取帆船的实时速度大小和运动方向信息；

获取相对于帆船的相对风的实时风速和风向信息；

通过对所述帆船的实时速度大小、运动方向、相对风的实时风速以及风向信息进行矢量计算，获取相对于岸的真实风的实时风速和风向信息；

根据所述真实风的实时风向信息，以帆船为中心划分航向区，所述航向区包括顺风区、迎风区和侧风区；其中顺风区为沿风向向左右各偏转30°以内的范围，迎风区为沿逆风向左右各偏转45°以内的范围，剩余范围为侧风区；

根据所述目标航路点和帆船的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船的相对方位角；

根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；

根据所述目标航路点所处的航向区确定期望的航向向量：当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风区时，为达到最佳航行效果，需要将迎风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量A1和A2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量A1和A2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，为保持稳定性，需要避开顺风区航行，因此要将顺风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量B1和B2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量B1和B2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；

步骤4，跟踪期望航向向量；根据相对风的风向信息和期望的航向向量控制帆船的风帆角度于最佳角度，同时在航行过程中，根据当前帆船的实际运动方向和期望的航向向量偏差，控制舵角以使帆船达到或者跟踪期望航向；

步骤5，追涡判断；判断观测系统是否到达目标航路点，若未到达，则返回步骤3，若到达，则执行步骤6；

其中，判断观测系统是否到达目标航路点，是通过计算帆船与目标航路点之间距离是否大于某一初设阈值进行判断；

步骤6，随涡漂流；收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

步骤7，随涡判断；判断观测系统是否在仍在涡旋内部，如是则返回步骤6，如否则返回步骤3，循环执行，直至观测结束。

6.如权利要求5所述的一种自适应追涡观测系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：岸基上位机每天定时从AVISO官网自动下载海表面高度SSH卫星数据，利用海面拓扑法和相似度法，进行海洋中尺度涡旋的自动识别，然后将每天识别的涡旋位置信息定时发送给海上的观测系统。

7.一种自适应追涡观测系统的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取观测涡旋的位置信息；

确定目标航路点模块，用于观测系统将接收到的涡旋位置信息作为帆船当前要追踪的目标航路点；

确定期望航向向量模块，用于获取帆船的实时位置信息，并根据当前目标航路点相对于帆船的方位角以及真实风的风向信息确定期望的航向向量；所述确定期望航向向量模块包括：

第一获取单元，用于获取帆船的实时位置信息；

第一计算单元，用于通过计算进一步获取帆船的实时速度大小和运动方向信息；

第二获取单元，用于获取相对于帆船的相对风的实时风速和风向信息；

第二计算单元，用于通过对所述帆船的实时速度大小、运动方向、相对风的实时风速以及风向信息进行矢量计算，获取相对于岸的真实风的实时风速和风向信息；

划分单元，用于根据所述真实风的实时风向信息，以帆船为中心划分航向区，所述航向区包括顺风区、迎风区和侧风区；其中顺风区为沿风向向左右各偏转30°以内的范围，迎风区为沿逆风向左右各偏转45°以内的范围，剩余范围为侧风区；

第三计算单元，用于根据所述目标航路点和帆船的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船的相对方位角；

第一确定单元，用于根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；

第二确定单元，用于根据所述目标航路点所处的航向区确定期望的航向向量：当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风区时，为达到最佳航行效果，需要将迎风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量A1和A2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量A1和A2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，为保持稳定性，需要避开顺风区航行，因此要将顺风区与侧风区的两个交界方向分别设定为航向向量B1和B2，在帆船实际航行时，不断切换航向向量B1和B2,以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；

跟踪期望航向向量模块，包括风帆角度控制单元和舵角控制单元；所述风帆角度控制单元用于根据相对风的风向信息和期望的航向向量控制帆船的风帆角度于最佳角度，所述舵角控制单元用于在航行过程中，根据当前帆船的实际运动方向和期望的航向向量偏差，控制舵角以使帆船达到或者跟踪期望航向；

第一判断模块，用于判断观测系统是否到达目标航路点，若未到达，则继续通过跟踪期望航向向量模块，控制帆船达到或者跟踪期望航向；若达到，则控制收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

其中，判断观测系统是否到达目标航路点，是通过计算帆船与目标航路点之间距离是否大于某一初设阈值进行判断；

随涡漂流控制模块，用于收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流；

第二判断模块，用于判断观测系统是否在仍在涡旋内部，如是则控制收起风帆，使观测系统在涡旋内部流场作用下随涡漂流，如否则通过跟踪期望航向向量模块，控制帆船达到或者跟踪期望航向；循环执行，直至观测结束。

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