CN116880516A - 一种联合多水下机器人的水下环境监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种联合多水下机器人的水下环境监测方法及系统，包括：通过线缆连接调试水面USV与领航ROV，同时调试水下AUV集群；领航ROV通过线缆角度关系调整与水面USV的协同关系，使得领航ROV与水面USV协同运动；领航ROV将航行信息广播至水下AUV集群，每个AUV根据航行信息和集群内部控制策略调整自身航行状态；水下AUV集群将采集到的环境信息传递至水面USV，最终传递至地面基站。本发明系统在执行任务时，AUV集群能够从松散状态迅速自组织聚集形成稳定的集群，保持队形稳定航行，减少能源消耗，提高效率，为后续执行任务提供便利，同时在导航ROV的领导下顺利完成水下监测，导航ROV能够实时与USV保持联系，间接与地面基站进行交流，保证整个观测系统的安全稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体而言，尤其涉及一种联合多水下机器人的水下环境监测方法及系统。
背景技术
随着对大空间尺度上水资源监测的研究不断深入，其刺激了对新技术的需求。如生态系统垂直结构观测，垂直密度梯度测量，涡度和垂直循环观测等水下环境监测任务，希望能够在垂直和水平轴上以高空间分辨率测量物理水参数。在这种情况下，大空间尺度和高时空分辨率是观测的主要挑战。目前仅仅依靠载人船只或固定监测浮标的传统观测方法从准确性和成本两方面都远远不能满足要求。
近年来，包括远程操作水下机器人(ROV)，无人水面艇(USV)，自动水下机器人(AUV)在内的水面水上航行器已经显示出能够监视深度范围增加的水生环境的可能性。尽管如此，这些航行器都有各自的优点和缺点。ROV和AUV是两种具有良好机动性的水下海洋机器人。ROV的操作范围受到系绳长度的限制。AUV可用于水下采样，但耐用性和成本对其适用性构成了很大挑战，实时持续观察仍然是水下环境监测应用的挑战。对于USV，其较长寿命和较大负载能力的优点在表面采样和观察方面具有广阔的应用前景。
发明内容
为提高水下环境监测任务的质量，同时降低成本，本发明提供一种联合多水下机器人的水下环境监测方法及系统。本发明使得整个观测系统在执行任务时，AUV集群能够从松散状态迅速自组织聚集形成稳定的集群，保持队形稳定航行，减少能源消耗，提高效率，为后续执行任务提供便利，同时在导航ROV的领导下顺利完成水下监测，导航ROV能够实时与USV保持联系，间接与地面基站进行交流，保证整个观测系统的安全稳定性，具有积极意义。
本发明采用的技术手段如下：
一种联合多水下机器人的水下环境监测方法，包括：
在岸上通过线缆将水面USV与领航ROV进行连接调试，同时调试水下AUV集群；
领航ROV通过线缆角度关系调整与水面USV的协同关系，使得领航ROV与水面USV协同运动；
领航ROV将航行信息广播至水下AUV集群，每个AUV根据航行信息以及集群内部控制策略调整自身航行状态；
水下AUV集群将采集到的环境信息传递至水面USV，最终传递保存至地面基站。
进一步地，所述水下AUV包括机器人本体、推进器、传感器模块、信息获取模块以及速度更新模块；其中：
所述信息获取模块，用于获取水下机器人感知半径范围内的邻居传递给自己，判断自身与邻居间的距离，如果距离小于碰撞区，则调整自身位置，避免碰撞；如果距离超出碰撞区范围而小于吸引区，则靠近邻居，保持集群紧凑；
所述速度更新模块，用于调整自身下一时间步长的航行策略；调试成功后下水，将地面基站部署监测与导航信息传递给水面无人艇USV。
进一步地，所述领航ROV通过线缆角度关系调整与水面USV的协同关系，使得领航ROV与水面USV协同运动，具体包括：
水面USV通过线缆将信息传递给领航ROV，领航ROV接到指令进行准备动作；
若领航ROV与水面USV的航向不一致，则领航ROV以水面USV的航向为基准且依靠线缆的倾斜信息进行矫正，直至航向一致，最终实现水面USV和领航ROV的水面水下机器人协同运动。
进一步地，所述领航ROV将航行信息广播至水下AUV集群，每个AUV根据航行信息以及集群内部控制策略调整自身航行状态，具体包括：
多水下AUV集群中的AUV航向任意且距离较为接近，启动AUV后，集群系统依据AUV的航向对齐策略，使多AUV的航行状态一致；
如果集群AUV的方向不一致，则不接受ROV的指令，继续调整直到形成稳定集群航行状态；
集群AUV与领航ROV完成对接进行协同海底环境监测。
进一步地，所述水下AUV集群将采集到的环境信息传递至水面USV，最终传递保存至地面基站，具体包括：
AUV集群系统将采集到的水下环境信息通过水下通信传递给领航ROV；
领航ROV通过线缆将水下AUV集群采集到的信息传递给水面USV；
水面USV将联合多水下机器人采集到的信息返回给地面基站。
本发明还提供了一种基于上述联合多水下机器人的水下环境监测方法的联合多水下机器人的水下环境监测系统，包括：AUV集群、领航ROV以及水面USV，通过协作进行持续大范围的海底勘探，其中：
所述AUV集群，用于水下采样和观测；
所述领航ROV，用于对所述AUV集群进行导航，领航ROV传递任务信息领导AUV集群进行海底监测任务；
所述水面USV，用于作为所述领航ROV的载体，领航ROV将与水面USV利用线缆充电和上传数据并下载指令。
进一步地，在所述AUV集群中，每个AUV可以获取以自己为中心的感知半径范围内的其他AUV的状态信息，根据自身与邻居机器人的关系来决定下一时刻的航行方向和速度大小，进而快速形成集群，保持航行稳定。
进一步地，所述AUV在确定下一时刻的航行状态的同时，还要考虑是否会与其他邻居AUV发生碰撞，当感知出距离小于等于碰撞区半径时，该AUV进入避免碰撞状态，调整航行方向为远离其他AUV的方向，最终避免碰撞；与此同时判断邻居机器人是否处于感知半径范围之内，如果因距离过远导致集群松散，AUV及时调整航行方向为靠近其他AUV方向，最终保持集群紧凑，最后使得所有AUV能够跟随导航ROV进行航行。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的联合多水下机器人的水下环境监测系统，其水面USV和领航ROV的协作主要形式是USV拖拽ROV，缆绳既可以作为数据传输和供电的媒介，又可以具有张力反馈控制的作用，因此可以依据张力控制系统来实现协同系统的稳定。另外，能够将ROV探测到的数据稳定传输到USV，再由USV实时传输到终端基站。
2、本发明结合了水面USV、水下ROV和水下AUV的观测系统，极大地提高了获取水下环境信息的速度和范围，同时在一定程度上降低了成本和工作量。
3、本发明可以实现监测数据的实时传输，集群AUV的作用不仅仅增大了监测区域，以ROV为领导者的形式也不需要AUV反复上浮到水面进行位置和航向的矫正，更不需要AUV采集到的数据进行下线处理。
基于上述理由本发明可在水下机器人等领域广泛推广。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明联合多水下机器人的海底环境监测方法场景示意图。
图2为本发明联合多水下机器人的海底环境监测方法流程图。
图3为本发明领航ROV与水面USV协同调整航向示意图。
图4为本发明水下AUV集群控制流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种联合多种水下机器人对水下环境监测方法，通过水面USV、领航ROV和水下AUV三种机器人构建水下环境监测方法。如图1所示为联合多水下机器人的海底环境监测方法场景示意图，本发明所描述的联合多种水下机器人对水下环境监测方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、在岸上通过线缆将水面USV与领航ROV进行连接调试，同时调试水下AUV集群；所述水下AUV包括机器人本体、推进器、传感器模块、信息获取模块以及速度更新模块；其中：所述信息获取模块，用于获取水下机器人感知半径范围内的邻居传递给自己，判断自身与邻居间的距离，如果距离小于碰撞区，则调整自身位置，避免碰撞；如果距离超出碰撞区范围而小于吸引区，则靠近邻居，保持集群紧凑；所述速度更新模块，用于调整自身下一时间步长的航行策略；调试成功后下水，将水下AUV部署相同的水下深度，位置较为接近，且姿态任意摆放。启动避碰策略，等待领航ROV的导航指令；将地面基站部署监测与导航信息传递给水面无人艇USV。
S2、领航ROV通过线缆角度关系调整与水面USV的协同关系，使得领航ROV与水面USV协同运动；具体包括：
S21、基站发送导航与监测任务信息，通过卫星通信将遥感数据传递给搭载GPS、避碰和水面水下视觉系统的水面无人艇USV；水面USV通过线缆将遥感信息传递给领航ROV，领航ROV接到指令进行准备动作；两者通过缆绳实现USV和ROV航向的协同矫正。如图3为领航ROV与水面USV协同调整航向示意图。ROV配有深度传感器、高精度的定位和导航传感器。
S22、若领航ROV与水面USV的航向不一致，则领航ROV以水面USV的航向为基准且依靠线缆的倾斜信息进行矫正，直至航向一致，最终实现水面USV和领航ROV的水面水下机器人协同运动，否则返回步骤S21；
S3、领航ROV将航行信息广播至水下AUV集群，每个AUV根据航行信息以及集群内部控制策略调整自身航行状态；具体包括：
S31、如图4所示，为水下AUV集群控制流程图，多水下AUV集群中的AUV航向任意且距离较为接近，启动AUV后，集群系统依据AUV的航向对齐策略，使多AUV的航行状态一致；
S32、如果集群AUV的方向不一致，则不接受ROV的指令，继续调整直到形成稳定集群航行状态；
S33、集群AUV与领航ROV完成对接进行协同海底环境监测。
S4、水下AUV集群将采集到的环境信息传递至水面USV，最终传递保存至地面基站。具体包括：
每个AUV上搭载了高清晰度的照相机和高精度的信息采集传感器，AUV集群系统将采集到的水下环境信息通过水下通信传递给领航ROV；领航ROV通过线缆将水下AUV集群采集到的信息传递给水面USV；水面USV作为信息传递中介，将联合多水下机器人采集到的信息返回给地面基站，这些信息由特定的应用程序管理，将图像和采集到的其他信息实时显示在终端。
本发明还提供了一种基于上述联合多水下机器人的水下环境监测方法的联合多水下机器人的水下环境监测系统，包括：AUV集群、领航ROV以及水面USV，通过协作进行持续大范围的海底勘探，其中：
所述AUV集群，用于水下采样和观测；
所述领航ROV，用于对所述AUV集群进行导航，领航ROV传递任务信息领导AUV集群进行海底监测任务；
所述水面USV，用于作为所述领航ROV的载体，领航ROV将与水面USV利用线缆充电和上传数据并下载指令。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，在所述AUV集群中，每个AUV可以获取以自己为中心的感知半径范围内的其他AUV的状态信息，根据自身与邻居机器人的关系来决定下一时刻的航行方向和速度大小，进而快速形成集群，保持航行稳定。所述AUV在确定下一时刻的航行状态的同时，还要考虑是否会与其他邻居AUV发生碰撞，当感知出距离小于等于碰撞区半径时，该AUV进入避免碰撞状态，调整航行方向为远离其他AUV的方向，最终避免碰撞；与此同时判断邻居机器人是否处于感知半径范围之内，如果因距离过远导致集群松散，AUV及时调整航行方向为靠近其他AUV方向，最终保持集群紧凑，最后使得所有AUV能够跟随导航ROV进行航行，实现稳定集群效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种联合多水下机器人的水下环境监测方法，其特征在于，包括：
在岸上通过线缆将水面USV与领航ROV进行连接调试，同时调试水下AUV集群；
领航ROV通过线缆角度关系调整与水面USV的协同关系，使得领航ROV与水面USV协同运动；
领航ROV将航行信息广播至水下AUV集群，每个AUV根据航行信息以及集群内部控制策略调整自身航行状态；
水下AUV集群将采集到的环境信息传递至水面USV，最终传递保存至地面基站。
2.根据权利要求1所述的联合多水下机器人的水下环境监测方法，其特征在于，所述水下AUV包括机器人本体、推进器、传感器模块、信息获取模块以及速度更新模块；其中：
所述信息获取模块，用于获取水下机器人感知半径范围内的邻居传递给自己，判断自身与邻居间的距离，如果距离小于碰撞区，则调整自身位置，避免碰撞；如果距离超出碰撞区范围而小于吸引区，则靠近邻居，保持集群紧凑；
所述速度更新模块，用于调整自身下一时间步长的航行策略；调试成功后下水，将地面基站部署监测与导航信息传递给水面无人艇USV。
3.根据权利要求1所述的联合多水下机器人的水下环境监测方法，其特征在于，所述领航ROV通过线缆角度关系调整与水面USV的协同关系，使得领航ROV与水面USV协同运动，具体包括：
水面USV通过线缆将信息传递给领航ROV，领航ROV接到指令进行准备动作；
若领航ROV与水面USV的航向不一致，则领航ROV以水面USV的航向为基准且依靠线缆的倾斜信息进行矫正，直至航向一致，最终实现水面USV和领航ROV的水面水下机器人协同运动。
4.根据权利要求1所述的联合多水下机器人的水下环境监测方法，其特征在于，所述领航ROV将航行信息广播至水下AUV集群，每个AUV根据航行信息以及集群内部控制策略调整自身航行状态，具体包括：
多水下AUV集群中的AUV航向任意且距离较为接近，启动AUV后，集群系统依据AUV的航向对齐策略，使多AUV的航行状态一致；
如果集群AUV的方向不一致，则不接受ROV的指令，继续调整直到形成稳定集群航行状态；
集群AUV与领航ROV完成对接进行协同海底环境监测。
5.根据权利要求1所述的联合多水下机器人的水下环境监测方法，其特征在于，所述水下AUV集群将采集到的环境信息传递至水面USV，最终传递保存至地面基站，具体包括：
AUV集群系统将采集到的水下环境信息通过水下通信传递给领航ROV；
领航ROV通过线缆将水下AUV集群采集到的信息传递给水面USV；
水面USV将联合多水下机器人采集到的信息返回给地面基站。
6.一种基于权利要求1-5任意一项权利要求所述联合多水下机器人的水下环境监测方法的联合多水下机器人的水下环境监测系统，其特征在于，包括：AUV集群、领航ROV以及水面USV，通过协作进行持续大范围的海底勘探，其中：
所述AUV集群，用于水下采样和观测；
所述领航ROV，用于对所述AUV集群进行导航，领航ROV传递任务信息领导AUV集群进行海底监测任务；
所述水面USV，用于作为所述领航ROV的载体，领航ROV将与水面USV利用线缆充电和上传数据并下载指令。
7.根据权利要求6所述的联合多水下机器人的水下环境监测系统，其特征在于，在所述AUV集群中，每个AUV可以获取以自己为中心的感知半径范围内的其他AUV的状态信息，根据自身与邻居机器人的关系来决定下一时刻的航行方向和速度大小，进而快速形成集群，保持航行稳定。
8.根据权利要求7所述的联合多水下机器人的水下环境监测系统，其特征在于，所述AUV在确定下一时刻的航行状态的同时，还要考虑是否会与其他邻居AUV发生碰撞，当感知出距离小于等于碰撞区半径时，该AUV进入避免碰撞状态，调整航行方向为远离其他AUV的方向，最终避免碰撞；与此同时判断邻居机器人是否处于感知半径范围之内，如果因距离过远导致集群松散，AUV及时调整航行方向为靠近其他AUV方向，最终保持集群紧凑，最后使得所有AUV能够跟随导航ROV进行航行。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117590751A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-02-23 | 深圳市德威胜潜水工程有限公司 | 基于水下机器人的水下环境监测方法及系统 |
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2023
- 2023-07-18 CN CN202310882155.1A patent/CN116880516A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117590751A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-02-23 | 深圳市德威胜潜水工程有限公司 | 基于水下机器人的水下环境监测方法及系统 |
| CN117590751B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-22 | 深圳市德威胜潜水工程有限公司 | 基于水下机器人的水下环境监测方法及系统 |
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