一种实时追踪水下机器人的方法、系统和无人中继装备技术方案

技术编号:22329587 阅读:42 留言:0更新日期:2019-10-19 12:10
本发明专利技术提供了一种实时追踪水下机器人的方法、系统和无人中继装备,涉及船舶设备技术领域,包括水声通信装置,用于与水下机器人进行通信;水下机器人定位装置,用于对安装有水声信标的水下机器人进行定位;卫星通信定位装置,用于与母船或岸基指控塔进行卫星通信,还用于计算实时经纬度;惯性导航装置,用于提供三自由度姿态角和三自由度轴向加速度信息;自主控制单元,用于接收水下机器人定位装置计算得到的水下机器人的方位角和距离数据,还用于接收卫星通信定位装置以及惯性导航装置提供的运动状态数据,还用于根据接收的各数据计算航行轨迹并进行推力分配;及动力与推进装置,用于接收推力分配信息并推进无人中继装备按照航行轨迹航行。

A real-time tracking method, system and unmanned relay equipment for underwater vehicle

【技术实现步骤摘要】
一种实时追踪水下机器人的方法、系统和无人中继装备
本专利技术涉及船舶设备
,具体而言,涉及一种实时追踪水下机器人的方法、系统和无人中继装备。
技术介绍
随着社会发展和科技进步,水下机器人的应用范围越来越广泛,尤其是海洋科考、资源勘探等重点领域。现有的对正在水下进行自主作业的自主水下机器人实施监控的方式是:母船与水下机器人之间建立声学通信信道,实施状态和指令等信息交互,从而实现监控目的。现有的对正在水下进行自主作业的自主水下机器人实施定位及跟踪的方式是:母船与水下机器人同时搭载声学定位装置,母船端所搭载的水声定位基阵能够测得安装有水声信标的自主水下机器人的距离和方位,母船驾驶员通过判断相对距离和方位,人工或自动控制母船速度和艏向,实现对自主水下机器人的跟踪。但现有传统的与水下机器人进行监控和定位跟踪的方式,极大程度上依赖于母船与自主水下机器人之间的距离以及母船的机动性。如果母船的吨位较大,例如目前我国的新式科考船的吨位大都超过4000吨,即使大都配备动力定位装置,那么其机动性势必较弱,灵活性相较于被追踪目标(自主水下机器人)较差,追踪实时性较差,容易使二者距离超出水声通信装置的有效范围,从而导致“失去目标信号”,严重时容易引发自主水下机器人丢失的事故。另外,母船的实时机动使得航行成本上升,经济性较差。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术旨在提供一种可实时追踪水下机器人和多信道通信的无人中继装备,解决对水下自主作业的水下机器人的实时追踪和通信问题。为达到上述目的,本专利技术的技术方案是这样实现的:本专利技术提供一种无人中继装备,其包括:水声通信装置,用于与具有匹配水声通信装置的水下机器人进行通信;水下机器人定位装置,用于计算安装有水声信标的所述水下机器人的方位角和距离;卫星通信定位装置,用于与母船或岸基指控塔进行通信,还用于计算所述无人中继装备的实时经纬度数据;惯性导航装置,用于提供所述无人中继装备的三自由度姿态角和三自由度轴向加速度信息;自主控制单元,用于接收所述水下机器人定位装置计算得到的所述水下机器人的方位角和距离数据,还用于接收所述卫星通信定位装置以及所述惯性导航装置提供的状态数据,还用于根据接收的各指令和状态数据计算所述无人中继装备的目标航行轨迹并进行推力分配;以及动力与推进装置,用于接收所述自主控制单元的推力分配信息并推进所述无人中继装备按照所述航行轨迹航行,其中,所述自主控制单元分别与所述水声通信装置、所述水下机器人定位装置、所述卫星通信定位装置、所述惯性导航装置以及所述动力与推进装置通信相连。本专利技术通过搭载水声通信装置和定位装置,能够自主地与水下自主作业的水下机器人进行水声通信及对其定位,并且依据通信内容和定位信息自主地驾驶,以消除与水下机器人之间的纵向、横向偏差,或者保持一定的通信距离,对水下机器人实现自动、实时的追踪。示例性地,还包括无线电通信装置,与所述自主控制单元通信相连,用于与所述母船或所述岸基指控塔进行通信。本专利技术还具备多信道通信能力,水下通信采用水声通信信道,水面以上通信采用无线电通信和卫星通信信道,可使信息流在水下机器人与母船和岸基指控塔间进行通信,并当水下机器人与母船和岸基指控塔间距离较远时,实现通信中继的作用,避免水下机器人的丢失。示例性地,所述无人中继装备为水面无人艇。本专利技术采用水面无人艇对水下机器人进行实时追踪,具有更好的灵活机动性,追踪准确度高。示例性地,所述自主控制单元根据接收的各数据计算所述无人中继装备的航行轨迹包括:接收所述水下机器人定位装置提供的所述水下机器人的方向角和距离(γ,χ,r),其中,γ表示水平面的方向角,χ表示垂直面的方向角,r表示距离;计算沿所述无人中继装备纵轴x的推力Tx,以及转艏力矩Nz;将计算得到所需的所述推力Tx和转艏力矩Nz之后,经推力分配,将力和力矩分配给所述动力与推进装置以控制航行轨迹。本专利技术对水下机器人进行实时追踪的控制算法根据对水下机器人的定位和水面无人艇自身状态信息进行计算,得到的控制航行轨迹更为准确合理,实时追踪效果好。示例性地,所述所述推力Tx依据下式进行计算:其中,k1、k2表示控制参数,ΔT表示随偏差动态调整的浮动项:ΔT=∫ΔT·dt,dx-y表示水平面距离,其中dx-y=r·cosχ。本专利技术根据水面无人艇的航行特点设计推力计算公式,可准确计算实现对水下机器人的实时追踪所需要的推力,保证追踪的有效性。示例性地,所述转艏力矩Nz依据下式进行计算:其中,kp、k3表示控制参数。本专利技术根据对水下机器人的定位信息设计转艏力矩的计算公式,实现对水下机器人的实时追踪,以消除与水下机器人之间的纵向、横向偏差,保证与水下机器人处于一定的通信范围内。示例性地,所述无人中继装备为能够悬停的无人机,其中所述无人机将其携带的声纳和所述水声通信装置放置于水中,采用声学定位方式定位所述水下机器人,并以水声通信方式与所述水下机器人进行通信。本专利技术还可使用无人机代替无人艇实现同样的追踪功能,适合更复杂或需求更多的工作环境,使其应用领域更大。示例性地,所述水下机器人定位装置为水声定位装置或光视觉定位装置。本专利技术采用水声定位装置或光视觉定位装置对水下机器人进行定位,保证对实时运动的水下机器人的定位准确度,并提供多种对水下机器人的定位解决方案以应对不同的环境情况,具有更广泛的应用范围。第二方面,本专利技术提供一种实时追踪水下机器人的方法,其包括:利用如上所述的无人中继装备定位所述水下机器人,并将定位信息发送至母船;所述无人中继装备根据所述定位信息实时追踪所述水下机器人;通过所述无人中继装备将所述母船发来的指令发送至所述水下机器人。本专利技术可准确高效的对水下自主作业的水下机器人进行实时定位和追踪,并保证与其保持一定的通信距离。当水下机器人与母船距离较远时,还可由所述无人中继装备实现通信中继,避免水下机器人因与母船中断通信而导致丢失的事故发生。第三方面,本专利技术提供一种实时追踪水下机器人的系统,其包括母船、水下机器人以及如上所述的无人中继装备,其中所述无人中继装备用于实时定位追踪所述水下机器人,并将定位信息发送至母船,还用于将所述母船发来的指令发送至所述水下机器人。本专利技术可对水下机器人进行实时的追踪和通信,且所述无人中继装备具有多信道通信的能力,可在水下机器人、母船及岸基指挥塔间建立快速有效且可靠性高的通信连接,实现系统相互间的信息交互,并实现通信中继功能。附图说明图1所示为本专利技术实施例无人中继装备的原理示意图;图2所示为本专利技术实施例水面无人艇200的示意性框图;图3所示为本专利技术实施例实时追踪水下机器人的控制算法的流程示意图。具体实施方式为了使得本专利技术的目的、技术方案和优点更为明显,下面将参照附图详细描述根据本专利技术的示例实施例。显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例,而不是本专利技术的全部实施例,应理解,本专利技术不受这里描述的示例实施例的限制。水面无人艇(USV,UnmannedSurfaceVessel)因其体积小、速度快、良好的安全性和智能化程度高等优点,成为近年来海洋船舶的热点研究方向之一,在海洋科研、海洋开发和军事领域均具有极其广泛的应用前景。其可通过自主控制方式在水面上自行寻找路径和规避障碍来完成各种水上任务。还可装配在大型飞机或舰艇上,用于协助大型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人中继装备,其特征在于,包括:水声通信装置,用于与具有匹配水声通信装置的水下机器人进行通信;水下机器人定位装置,用于计算安装有水声信标的所述水下机器人的方位角和距离;卫星通信定位装置,用于与母船或岸基指控塔进行通信,还用于计算所述无人中继装备的实时经纬度数据;惯性导航装置,用于提供所述无人中继装备的三自由度姿态角和三自由度轴向加速度信息;自主控制单元,用于接收所述水下机器人定位装置计算得到的所述水下机器人的方位角和距离数据,还用于接收所述卫星通信定位装置以及所述惯性导航装置提供的运动状态数据,还用于根据接收的各指令和状态数据计算所述无人中继装备的目标航行轨迹并进行推力分配;以及动力与推进装置,用于接收所述自主控制单元的推力分配信息并推进所述无人中继装备按照所述航行轨迹航行,其中,所述自主控制单元分别与所述水声通信装置、所述水下机器人定位装置、所述卫星通信定位装置、所述惯性导航装置以及所述动力与推进装置通信相连。

【技术特征摘要】
1.一种无人中继装备,其特征在于,包括:水声通信装置,用于与具有匹配水声通信装置的水下机器人进行通信;水下机器人定位装置,用于计算安装有水声信标的所述水下机器人的方位角和距离;卫星通信定位装置,用于与母船或岸基指控塔进行通信,还用于计算所述无人中继装备的实时经纬度数据;惯性导航装置,用于提供所述无人中继装备的三自由度姿态角和三自由度轴向加速度信息;自主控制单元,用于接收所述水下机器人定位装置计算得到的所述水下机器人的方位角和距离数据,还用于接收所述卫星通信定位装置以及所述惯性导航装置提供的运动状态数据,还用于根据接收的各指令和状态数据计算所述无人中继装备的目标航行轨迹并进行推力分配;以及动力与推进装置,用于接收所述自主控制单元的推力分配信息并推进所述无人中继装备按照所述航行轨迹航行,其中,所述自主控制单元分别与所述水声通信装置、所述水下机器人定位装置、所述卫星通信定位装置、所述惯性导航装置以及所述动力与推进装置通信相连。2.根据权利要求1所述的无人中继装备,其特征在于,还包括:无线电通信装置,与所述自主控制单元通信相连,用于与所述母船或所述岸基指控塔进行通信。3.根据权利要求1所述的无人中继装备,其特征在于,所述无人中继装备为水面无人艇。4.根据权利要求3所述的无人中继装备,其特征在于,所述自主控制单元根据接收的各指令和状态数据计算所述无人中继装备的航行路线包括:接收所述水下机器人定位装置提供的所述水下机器人的方向角和距离(γ,χ,r),其中,γ表示水平面的方向角,χ表示垂直面的方向角,r表示距离;计算沿所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:姜言清李晔崔林涛马腾武皓微王博张强
申请(专利权)人:哈尔滨工程大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1