一种水下航行器导航系统及导航方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水下航行器导航系统及导航方法，导航系统包括海洋物联网感知体系、海洋模拟器、航线控制器和水下滑翔机，所述海洋物联网感知体系将海洋数据传输至海洋模拟器，海洋模拟器模拟海洋状态，并传输至航线控制器；航线控制器规划滑翔机航行路线并传输至水下滑翔机，并且输出水下滑翔机姿态调整程序至水下滑翔机。姿态调整时考虑洋流影响，根据具体海域的海况动态调整，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低海流对滑翔机航线的影响。

A Navigation System and Method for Underwater Vehicle

The invention discloses an underwater vehicle navigation system and a navigation method. The navigation system includes the ocean Internet of Things sensing system, ocean simulator, route controller and underwater glider. The ocean Internet of Things sensing system transmits ocean data to ocean simulator, ocean simulator simulates ocean state and transmits it to route controller; route controller plans glider navigation. The route is transmitted to the underwater glider, and the attitude adjustment program of the underwater glider is output to the underwater glider. Considering the influence of ocean currents when adjusting attitude, dynamic adjustment according to the specific sea conditions can not only save power, but also effectively reduce the impact of ocean currents on glider routes.

【技术实现步骤摘要】
一种水下航行器导航系统及导航方法
本专利技术属于水下航行器导航
，具体涉及一种水下航行器导航系统及导航方法。
技术介绍
为了开发海洋资源，寻找能源、矿产以及生物资源等，人类利用自治水下航行器进行海洋勘探。它是一种将浮标技术与水下机器人技术相结合、依靠自身净浮力驱动的新型水下机器人系统。水下滑翔机采用内置的姿态调整机构和无外挂的驱动装置，减少了载体的外置装置，避免了对载体线型的破坏，大大改善了系统的水动力特性。水下滑翔机作为一种新型的自治水下航行器(AUV)，具有成本低、航程远、下潜深、航行时间长、具有自主导航能力等特性，其设计目标是成为在大深度、大范围内运动的水下观测平台，通过挂载不同类型的传感器，成为海底观测平台中不可或缺的一部分。水下滑翔机航行的目的是对海洋环境进行采样，这就涉及两个问题：1.水下滑翔机的路径规划，使得水下滑翔机采集到的数据是实验人员所需区域的有效数据。2.水下滑翔机的航行状态，使得航行的能耗最低。对于问题1，目前滑翔机的航行路径解决方案一般采用固定路径的方法。即在投放滑翔机时已将航行路径输入到滑翔机控制系统，在海试过程中，滑翔机将根据存储在本机中的航行路径进行导航。对于问题2，目前滑翔机技术的解决方案是在航行时，采用电子罗盘、姿态和航向参考系统提供滑翔机在水下的姿态信息，通过姿态调整算法对自身的航位进行推算。为解决上述两个技术问题，目前水下滑翔机的航行导航方案主要为：用户设定航行起止点。AUV确定的航行任务后，通过GPS获得起始经纬度，根据给定目标点的经纬度，结合罗盘测得的偏航角，明确起始航向。滑翔机先做螺旋运动调整航向，然后在垂直纵剖面做锯齿形运动。每次下潜上浮后在水面通过GPS纠正航向，以逐渐纠偏的方式逼近目标点。但是，现有技术主要有以下不足：1.水下滑翔机只能在上浮获得GPS信息后，再规划下一次下潜的导航策略。由于水下滑翔机每次下潜时间较长，在下潜过程中，如果水下滑翔机航行偏离预定航线，不能得到及时纠正。2.在实际海况中，海流的流向和流速经常发生变化，洋流对于滑翔机的航行路线和水下姿态都有比较大的影响，而现有技术在航行设计时，并不能将航线上的海流影响纳入航线的设计因素中。如果在航线设计时不考虑水下滑翔机附近海域的海况情况，可能会加大滑翔机航行时的功耗。3.海洋的物理信息可通过浮标、潜标等观测网络获取，水下滑翔机的航线如果不考虑已获得的海况信息，很可能出现重复获取数据的情况。因此，需要设计一种新型的AUV导航系统，一方面能综合考虑已获取的海洋物理信息，规划航线，避免重复获取数据；一方面能达到节省功耗的效果，还能有效降低海流对AUV航线的影响。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于大数据分析和海洋模式模拟的智能水下航行器导航系统及导航方法，AUV每次上浮可通过导航系统获得新的航行路线规划，以及下一次下潜时需要完成的控制程序，根据预定动作调整AUV在水中的航行姿态。AUV得到的导航信息，在执行下一次下潜任务时，根据导航信息执行相应的航行动作和航行路线，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低海流对AUV航线的影响。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种水下航行器导航系统，包括海洋物联网感知体系、海洋模拟器、航线控制器和水下滑翔机；所述海洋物联网感知体系，用于收集海洋物理及化学信息，并将海洋数据传输至海洋模拟器；所述水下滑翔机，将自身状态信息和位置信息传输至航线控制器，并接受航线控制器发送的控制指令信息；所述海洋模拟器，是以超级计算机为基础的大型计算机集群，根据接收的海洋数据模拟海洋状态并存储，还可以通过航线控制器获取水下滑翔机的数据，海洋模拟器将模拟计算得到的洋流信息发送至航线控制器；所述航线控制器，根据接收的水下滑翔机的位置信息及洋流信息，得到滑翔机所处位置的洋流情况，输出水下滑翔机姿态调整程序至水下滑翔机；并规划滑翔机航行路线、传输至水下滑翔机。进一步的，所述海洋物联网感知体系包括布放在海域的、设有用于采集海洋物理及化学信息的传感器的浮标、潜标、科考船和海洋遥感卫星，还包括用于存储海洋数据的云存储端。进一步的，所述海洋模拟器还包括海洋实时数据获取模块、数据处理模块、存储模块、数据传输模块，海洋实时数据获取模块获取海洋物联网感知体系的云存储端存储的海洋数据，通过数据处理模块模拟仿真海洋状态，存储在存储模块，并传输至航线控制器，包括但不限于洋流信息、天气状况、风场。进一步的，所述水下滑翔机设有通讯模块和导航模块，还设有姿态调节单元，姿态调节单元包括滚转姿态调节单元和俯仰姿态调节单元；导航模块通过通讯模块接收航线控制器发送的水下滑翔机姿态调整程序和航行路线，并传输至姿态调节单元。优选的是，所述水下滑翔机与航线控制器之间通过卫星通信系统通信连接。本专利技术还提供一种水下航行器导航方法，利用前述的水下航行器导航系统进行，包括以下步骤：(1)搭建海洋物联网感知体系：在海域上布放浮标、潜标、科考船和海洋遥感卫星，并在各设备上安装传感器，实时采集海洋数据，存储在云存储端；(2)海洋状态模拟仿真：通过海洋模拟器模拟仿真海洋状态，包括但不限于洋流信息、天气状况、风场，并将模拟仿真计算的洋流信息发送至航线控制器；(3)航线规划：根据已知海域的海况信息和水下滑翔机的位置信息，确定目前最需要采集数据的海域，将目标海域的位置信息纳入航线设计中，重新规划滑翔机航行路线，使得水下滑翔机收集到的海洋数据更符合整个海洋观测系统的需要；(4)水下滑翔机姿态动态调整：根据水下滑翔机的位置信息和洋流信息，计算得出水下滑翔机所处位置的洋流信息；将洋流影响纳入滑翔机姿态调整算法、确定滑翔机姿态调整程序，发送至水下滑翔机，动态调整水下滑翔机的姿态。进一步的，步骤(2)中，海洋模拟器通过获取海洋数据，建立海洋大数据库；基于超级计算机集群的计算能力，通过模拟仿真的方法对海洋状态进行模拟和预测，将仿真模拟得到洋流信息传输至航线控制器；同时可实时从航线控制器获取水下滑翔机的数据。进一步的，步骤(3)中，航线控制器获取水下滑翔机的位置信息，并根据已经通过海洋物联网感知体系获得的海况信息，判断当前尚缺少海洋信息的数据盲点，确定需要采集海洋信息的目标位置，重新规划航线，使得水下滑翔机航行到需要采集海洋信息的目标位置进行信息的采集，达到对海洋数据盲点的信息采集。进一步的，步骤(4)中，根据滑翔机姿态调整算法和洋流情况，计算出最优化姿态调整程序，并通过卫星通信系统传输至水下滑翔机；水下滑翔机通过姿态调节单元动态调整水下滑翔机的姿态，降低功耗。与现有技术相比，本专利技术优点在于：(1)滑翔机每次上浮可获得新的航线方案，以及下一次下潜时需要完成的控制程序，滑翔机再次下潜时，一方面结合海洋数据采集的应用需求，根据导航信息执行相应的航行路线，可通过导航系统将滑翔机派往最需要采集数据的目标位置海域，进行数据采集，达到对海洋数据盲点的信息采集；(2)另一方面，根据预定动作调整在水中的航行姿态，执行相应的航行动作，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低洋流对滑翔机航线的影响，及时纠正，避免滑翔机偏离预定航线，达到航线优化的目的。(3)在设计水下航行姿态控制程序时不再是简单的固定方法，而是根据具体海域的海况条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下航行器导航系统，其特征在于：包括海洋物联网感知体系、海洋模拟器、航线控制器和水下滑翔机；所述海洋物联网感知体系，用于收集海洋物理及化学信息，并将海洋数据传输至海洋模拟器；所述水下滑翔机，将自身状态信息和位置信息传输至航线控制器，并接受航线控制器发送的控制指令信息；所述海洋模拟器，是以超级计算机为基础的大型计算机集群，根据接收的海洋数据模拟海洋状态并存储，还可以通过航线控制器获取水下滑翔机的数据，海洋模拟器将模拟计算得到的洋流信息发送至航线控制器；所述航线控制器，根据接收的水下滑翔机的位置信息及洋流信息，得到滑翔机所处位置的洋流情况，输出水下滑翔机姿态调整程序至水下滑翔机；并规划滑翔机航行路线、传输至水下滑翔机。

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器导航系统，其特征在于：包括海洋物联网感知体系、海洋模拟器、航线控制器和水下滑翔机；所述海洋物联网感知体系，用于收集海洋物理及化学信息，并将海洋数据传输至海洋模拟器；所述水下滑翔机，将自身状态信息和位置信息传输至航线控制器，并接受航线控制器发送的控制指令信息；所述海洋模拟器，是以超级计算机为基础的大型计算机集群，根据接收的海洋数据模拟海洋状态并存储，还可以通过航线控制器获取水下滑翔机的数据，海洋模拟器将模拟计算得到的洋流信息发送至航线控制器；所述航线控制器，根据接收的水下滑翔机的位置信息及洋流信息，得到滑翔机所处位置的洋流情况，输出水下滑翔机姿态调整程序至水下滑翔机；并规划滑翔机航行路线、传输至水下滑翔机。2.根据权利要求1所述的水下航行器导航系统，其特征在于：所述海洋物联网感知体系包括布放在海域的、设有用于采集海洋物理及化学信息的传感器的浮标、潜标、科考船和海洋遥感卫星，还包括用于存储海洋数据的云存储端。3.根据权利要求2所述的水下航行器导航系统，其特征在于：所述海洋模拟器还包括海洋实时数据获取模块、数据处理模块、存储模块、数据传输模块，海洋实时数据获取模块获取海洋物联网感知体系的云存储端存储的海洋数据，通过数据处理模块模拟仿真海洋状态，存储在存储模块，并传输至航线控制器。4.根据权利要求3所述的水下航行器导航系统，其特征在于：所述水下滑翔机设有通讯模块和导航模块，还设有姿态调节单元，姿态调节单元包括滚转姿态调节单元和俯仰姿态调节单元；导航模块通过通讯模块接收航线控制器发送的水下滑翔机姿态调整程序和航行路线，并传输至姿态调节单元。5.根据权利要求1所述的水下航行器导航系统，其特征在于：所述水下滑翔机与航线控制器之间通过卫星通信系统通信连接。6.一种水下航行器导航方法，其特征在于，利用权利要求4所述的水下航...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏亮，孙辉，郑晨，王延辉，
申请(专利权)人：青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心，中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37