海洋滑翔机组网架构、任务分配方法及队形控制方法组成比例

本发明专利技术公开一种海洋滑翔机组网架构、任务分配方法及队形控制方法，组网架构包括海洋滑翔机、海洋滑翔机岸基操控中心、卫星通讯系统以及海洋模型数据系统。海洋滑翔机岸基操控中心通过卫星通讯系统与海洋滑翔机之间进行通讯及指令数据交互，同时，通过接入海洋模型数据系统，海洋滑翔机岸基操控中心可将组网观测数据与海洋模型数据进行交互。本发明专利技术能够改善海洋滑翔机的通信延迟控制问题，并且能有效降低由外部海洋环境变化对组网队形的影响，组网架构清晰，组网控制方法新颖，可增强海洋滑翔机岸基操控中心对队形的控制能力，从而提高海洋滑翔机的组网效率。

【技术实现步骤摘要】
海洋滑翔机组网架构、任务分配方法及队形控制方法
本专利技术涉及水下机器人组网控制
，尤其涉及一种海洋滑翔机组网架构、组网任务分配方法及组网队形控制方法。
技术介绍
海洋滑翔机是一种能够进行长时序、大范围的海洋观测机器人，现有的海洋滑翔机组网控制方法多面向单一型海洋滑翔机，观测数据类型单一；现有的海洋滑翔机控制方法实施时未考虑外部海洋环境变化带来的影响，同时也忽略由于水下通信约束导致的控制延时问题，从而导致海洋滑翔机组网队形精度低，队形保持能力差以及整体队形难以控制的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种海洋滑翔机组网架构、任务分配方法及队形控制方法，能够改善海洋滑翔机的延迟控制问题，并且能有效降低由外部海洋环境变化对组网队形的影响，增强海洋滑翔机岸基操控中心对队形的控制能力，从而提高海洋滑翔机的组网效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种海洋滑翔机组网架构，包括海洋滑翔机、海洋滑翔机岸基操控中心、卫星通讯系统和海洋模型数据系统；所述海洋滑翔机岸基操控中心通过卫星通讯系统与海洋滑翔机之间进行通讯及指令数据交互，同时，通过接入海洋模型数据系统，海洋滑翔机岸基操控中心将海洋滑翔机通过卫星通讯系统回传的实际海试观测数据与卫星遥感观测的海洋模型数据进行交互。进一步的，所述的海洋滑翔机包括水下滑翔机和波浪滑翔机，水下滑翔机纵垂面运行轨迹为锯齿形，且浮出水面后与卫星通讯连接；波浪滑翔机在海表运行并实时与卫星通讯连接。进一步的，所述的海洋滑翔机岸基操控中心包括卫星通讯终端系统、海洋滑翔机显示系统、组网任务分配系统、组网队形控制系统及组网数据处理系统五个子系统，每个子系统以模块化形式嵌入，以实现可靠性和独立性。进一步的，所述的海洋模型数据系统与海洋滑翔机岸基操控中心通过RS232或RS485或RJ45接口进行数据交互，并通过海洋滑翔机观测数据进行模型同化，海洋模型数据包括任务海域的海水深度、温度、密度、波浪及海流参数信息。一种组网任务分配方法，基于上述组网任务分配系统，包括以下步骤：(101)根据海洋滑翔机特性和任务时效性对子任务进行优先级划分；(102)根据子任务初始范围及动态特征建立子任务运动模型；(103)通过任务指令交互和海洋滑翔机实际回传信息对子任务进行同步分配；(104)当任务执行过程中突发应急任务时需及时对子任务动态调整，进行任务重分配。一种组网队形控制方法，基于上述组网队形控制系统，包括以下步骤：(201)根据输入的海洋模型数据对海洋滑翔机进行运动学和动力学建模；(202)采用航位推算算法对水下滑翔机的水下位置进行推算；(203)采用虚拟结构法对海洋滑翔机的运行组网队形进行保持及变换。进一步的，所述的组网数据处理系统包括数据接收、数据过滤、数据存储以及数据传输模块，用于对海洋滑翔机回传的观测数据进行处理，并可将观测数据输入至海洋模型数据系统进行模型修正。进一步的，所述的虚拟结构法能够对海洋滑翔机非固定队形组网的变化进行控制，当海洋滑翔机通过卫星通讯系统返回位置数据后进行队形偏差调整。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：本专利技术能够针对海洋滑翔机特性和任务时效性对任务进行分配，通过水下滑翔机和波浪滑翔机之间进行通信连接，实现海洋滑翔机的信息数据实时传输，可实现突发情况下子任务的动态调整，保证任务的完成度。同时，结合外部海洋模型数据系统，可对海洋滑翔机的运行位置进行实时控制，有效降低由外部海洋环境变化对组网队形的影响，提高组网队形精度。本专利技术组网架构清晰，组网控制方法新颖，可增强海洋滑翔机岸基操控中心对队形的控制能力，从而提高海洋滑翔机的组网效率。附图说明图1是本专利技术实施例的组网架构示意图，图1中，A、B、C分别为组网子任务。图2是本专利技术实施例中海洋滑翔机岸基操控中心的架构示意图。图3是本专利技术实施例中海洋滑翔机组网任务分配系统的工作流程示意图。图4和图5分别是水下滑翔机下潜和上浮过程的示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一种海洋滑翔机组网架构，包括海洋滑翔机、海洋滑翔机岸基操控中心、卫星通讯系统以及海洋模型数据系统。海洋滑翔机岸基操控中心通过卫星通讯系统与海洋滑翔机之间进行通讯及指令数据交互，同时，通过接入海洋模型数据系统，海洋滑翔机岸基操控中心可将组网观测数据与海洋模型数据进行交互。其中，在实际应用中，所述的海洋滑翔机应至少包括一台水下滑翔机和一台波浪滑翔机，水下滑翔机纵垂面运行轨迹为锯齿形，且浮出水面后与卫星通讯连接；波浪滑翔机在海表运行，可实时与岸基操控中心通过卫星进行通讯连接，从而进行数据与指令的交互。其中，在实际应用中，海洋滑翔机岸基操控中心应包括海洋滑翔机显示系统、卫星通讯终端系统、组网任务分配系统、组网队形控制系统及组网数据处理系统等子系统，各子系统均以模块化形式进行组合，保证模块的独立性以及总系统的可靠性。其中，在实际应用中，所述的海洋模型数据系统采用ROMS系统[1]，可与海洋滑翔机岸基操控中心通过有线或无线接口进行数据交互，并可收集海洋滑翔机观测数据进行海洋模型同化，具体交互数据可为海水深度、温度、密度、波浪及海流等参数信息。其中，在实际应用中，组网任务分配系统具体实施时包括下述步骤：(101)根据海洋滑翔机特性和任务时效性对子任务进行优先级划分；(102)根据子任务初始范围及动态特征建立子任务运动模型；具体如下，定义子任务模型为，M＝f(v,δ,D,Π,t)其中，速度随时间变化v＝f(t)，移动方向随时间变化δ＝f(t)，目标深度随时间变化D＝f(t)，范围随时间变化Π＝f(t)变化。(103)通过任务指令交互和海洋滑翔机实际回传信息对子任务进行同步分配；(104)当任务执行过程中突发应急任务时需及时对子任务动态调整，进行任务重分配。其中，在实际应用中，组网队形控制系统是对海洋滑翔机任务分配完成后进行队形控制，具体实施时包括下述步骤：(201)根据输入的海洋模型数据对海洋滑翔机进行动力学建模[2,3]；(202)采用航位推算算法对水下滑翔机的水下位置进行推算；航位推算算法原理如下：水下滑翔机在水下运行时GPS无法定位，故采用入水前的定位点作为其起始点，根据经验，取初始时垂直速度为0.2m/s，此时俯仰角和航向角均为已知。下潜过程和上浮过程分别如图4和图5所示。下潜过程：P0(x0,y0)点为已知点，选定初始速度v0＝0.2m/s，α0，θ0均为已知(电子罗盘数值)，可据此对P1(x1,y1)进行推算，假定电子罗盘采样周期为Δt，l为轨迹在经纬度平面上的投影。当推算P2点位置时，可将上一周期内的垂直速度作为本周期的初始速度，即(d(1)-d(0))/Δt＝v(1)d(1)为P1点深度，d(0)为P0点深度。则进行航位推算时，需知道电子罗盘航向、俯仰角以及深度计数值。上浮过程：与下潜过程原理相似，推导得出，综合整个剖面过程，可得，当i＝1，v0＝0.2m/s时，，当i>1时，(203)采用虚拟结构法对海洋滑翔机的运行组网队形进行保持及变换。虚拟结构法能够对海洋滑翔机的整体组网队形进行实时调整，从而保证海本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋滑翔机组网架构，其特征在于，包括海洋滑翔机、海洋滑翔机岸基操控中心、卫星通讯系统和海洋模型数据系统；所述海洋滑翔机岸基操控中心通过卫星通讯系统与海洋滑翔机之间进行通讯及指令数据交互，同时，通过接入海洋模型数据系统，海洋滑翔机岸基操控中心将海洋滑翔机通过卫星通讯系统回传的实际海试观测数据与卫星遥感观测的海洋模型数据进行交互。

【技术特征摘要】
1.一种海洋滑翔机组网架构，其特征在于，包括海洋滑翔机、海洋滑翔机岸基操控中心、卫星通讯系统和海洋模型数据系统；所述海洋滑翔机岸基操控中心通过卫星通讯系统与海洋滑翔机之间进行通讯及指令数据交互，同时，通过接入海洋模型数据系统，海洋滑翔机岸基操控中心将海洋滑翔机通过卫星通讯系统回传的实际海试观测数据与卫星遥感观测的海洋模型数据进行交互。2.根据权利要求1所述的一种海洋滑翔机组网架构，其特征在于，所述的海洋滑翔机包括水下滑翔机和波浪滑翔机，水下滑翔机纵垂面运行轨迹为锯齿形，且浮出水面后与卫星通讯连接；波浪滑翔机在海表运行并实时与卫星通讯连接。3.根据权利要求1所述的一种海洋滑翔机组网架构，其特征在于，所述的海洋滑翔机岸基操控中心包括卫星通讯终端系统、海洋滑翔机显示系统、组网任务分配系统、组网队形控制系统及组网数据处理系统五个子系统，每个子系统以模块化形式嵌入，以实现可靠性和独立性。4.根据权利要求1所述的一种海洋滑翔机组网架构，其特征在于，所述的海洋模型数据系统与海洋滑翔机岸基操控中心通过RS232或RS485或RJ45接口进行数据交互，并通过海洋滑翔机观测数据进行模型同化，海洋模型数据包括任务海域的海水深度、温度、密度、波浪及海流参...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树新，王延辉，张润锋，杨绍琼，张宏伟，刘玉红，何柏岩，
申请(专利权)人：深圳市投资控股有限公司，天津大学，
类型：发明
国别省市：广东,44