基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，声呐基阵对水下不明物UWUO进行实时侦测；目标识别系统客户端根据声呐基阵的声波信号和反射信号以及结合从控制中心接受的ROV信息确定的ROV位置，通过算法计算UWUO的位置并预测UWUO的路径；控制中心接收UWUO的位置以及预测的UWUO的路径，对ROV路径跟踪单元发出拦截指令，ROV基座接收ROV路径跟踪单元的拦截指令，由工作人员控制对应的ROV执行拦截任务，光学摄像机将拍摄的视频按拦截指令的接收路径原路返回到控制中心并进行显示。本发明专利技术通过声呐阵列和ROV结合的方式，对水下环境进行侦测，提高了水下侦测的效果，从而加强海事监管水域水下安全防卫能力。

Underwater target detection system based on multi ROV cooperation

【技术实现步骤摘要】
基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统
本专利技术属于海事水下监管领域，具体涉及一种基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统。
技术介绍
目前声呐装置已广泛应用于水下科学考察、海事监管、水下勘探和海事应急救援等领域，因此声呐装置的研发和应用已成为水下科学研究的重中之重。它对于水下环境的监测具有重要的实际意义和明确的应用背景。遥控无人潜水器(ROV)的核心部件是水下推进器和水下摄像系统，有时辅以导航、深度传感器等常规传感器。本体尺寸和重量较小，负荷较低。成本较低。目前已广泛应用与军队、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。由于水下环境复杂，光信号衰减严重，水质浑浊、水流速度等因素导致水下环境可见度低而不能采用光学设备远距离实时监控水下环境，应用声呐设备监测水下环境成为行之有效的方法。但声呐设备不能获取水下物体的真实形态和水下环境真实场景的缺陷。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，能够加强海事监管水域水下安全防卫能力。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：它包括水下固定声呐装置、目标识别系统客户端、ROV控制系统和证据数据库；其中，水下固定声呐装置包括水下固定基座，水下固定基座上固定有声呐基阵；声呐基阵用于发射一定频率声波信号和接收自身发出声波的反射信号，从而对水下不明物UWUO的位置进行实时侦测；所述的目标识别系统客户端设置在水上，通过水密电缆与声呐基阵连接，用于根据声呐基阵的声波信号和反射信号以及结合从控制中心接收的ROV信息确定的ROV位置，通过算法计算UWUO的位置并预测UWUO的路径；ROV控制系统包括控制中心、ROV路径跟踪单元、光学摄像机、ROV基座和遥控水下机器人ROV，ROV路径跟踪单元、光学摄像机、ROV基座和ROV的数量相等，且光学摄像机设置在ROV上用于拍摄ROV执行任务时水下环境的视频；控制中心用于接收UWUO的位置以及预测的UWUO的路径，对若干个ROV路径跟踪单元发出拦截指令，ROV基座接收ROV路径跟踪单元的拦截指令，由工作人员控制对应的ROV执行拦截任务，光学摄像机将拍摄的视频按拦截指令的接收路径原路返回到控制中心并进行显示；同时控制中心将ROV的位置发送给所述的目标识别系统客户端；证据数据库用于存储ROV编号以及与之对应的光学摄像机拍摄的视频和声呐探测信息，供用户通过数据库操作界面进行提取和存储。按上述系统，所述的目标识别系统客户端包括声呐信息处理单元、目标识别系统和声呐信息显示装置；其中，声呐信息处理单元用于利用卡尔曼滤波算法计算UWUO的位置并预测UWUO下一个时间节点的位置；目标识别系统将UWUO的历史路径和ROV的位置发送到声呐信息显示装置进行显示，同时将UWUO的位置和UWUO下一个时间节点的具体位置发送至ROV控制系统的控制中心。按上述系统，所述的水下固定基座上还设有用于采集环境参数的传感器组，通过水密电缆与所述的目标识别系统客户端连接。按上述系统，所述的传感器组包括流速计、温度计和高度计。按上述系统，所述的声呐信息处理单元具体按以下方法进行侦测：将水下固定基座设为三维坐标原点建立数学模型，水下固定基座坐标S(0，0，0)；ROV分别均匀分布于两岸，坐标分别为P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)、P3(X3，Y3，Z3)…Pi(Xi，Yi，Zi)；声呐阵列全向发射一定频率的声波信号，侦测得到的信息传输至声呐信息处理单元；利用声呐在前t时段获取UWUO在的卡尔曼滤波方程在三个方向X、Y、Z的初始值Vx、Vy、Vz，建立卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼滤波算法预测下一时刻UWUO的水下位置坐标P0(X0，Y0，Z0)；其中，系统的状态方程：X(k)＝φk,k-1·X(k-1)+Γk-1w(k-1)系统观测方程：Z(k)＝Hk·X(k)+v(k)X(k)和X(k-1)为在K时刻和k-1时刻UWUO的状态，包括位置信息和X、Y、Z方向的速度信息；φk,k-1为状态转移矩阵；Γk-1为噪声驱动阵；w(k-1)为过程噪声；Z(k)为k时刻设备测得的UWUO实际状态信息；Hk为观测矩阵；v(k)为测量噪声；状态的一步预测方程：均方误差的一步预测：滤波增益方程：滤波估计方程：均方误差更新矩阵：和为UWUO在k时刻和k-1时刻状态最终估计值；表示k时刻的理论估计值；Pk为k时刻的最优均方误差；为k-1时刻的最优均方误差通过方程估计出的k时刻均方误差；Kk为滤波增益；Rk为测量噪声的协方差；Qk-1为过程噪声的协方差；通过声呐侦测到的UWUO在前t时间段内各个时刻的坐标，估计出测量噪声，利用已得到的数据对UWUO进行模拟，对的下一t时间段到达的坐标进行预测，得到下一时刻UWUO的水下位置坐标P0(X0，Y0，Z0)。按上述系统，所述的控制中心按以下步骤指定拦截策略，从而得到拦截指令：控制ROV下潜至与下一时刻UWUO的水下位置坐标相同深度位置Z0；根据下一时刻UWUO的水下位置坐标P0(X0，Y0，Z0)和各个ROV起始坐标Pi(Xi，Yi，Zi)，确定ROV前往预测坐标的拦截速度和与河岸的角度：其中，∠θ表示ROV初始位置时刻与河岸的夹角；i表示ROV的编号；ROV沿着控制中心制定的路径按规定速度前往指定坐标执行拦截任务。按上述系统，所述的目标识别系统更新UWUO的实时坐标并发送至控制中心，计算ROV与UWUO的距离L，若L处于[m，n]范围内时控制ROV保持当前位置，其中L通过如下公式得到：所述的n为根据光学摄像机的性能和水的透明度将ROV保持当前位置的最远可见距离；所述的m为ROV与UWUO最短安全距离。按上述系统，所述的控制中心根据ROV与UWUO的距离L，得到ROV的执行策略如下：(1)当ROV与UWUO之间的距离L在[m，n]内，ROV得到与UWUO的方位并保持当前方位对UWUO进行拍摄；(2)当ROV与UWUO之间的距离L不足m米时，ROV得到与UWUO的方位并保持当前方位远离UWUO方向运动，确保在安全距离之内；(3)当ROV与UWUO之间的距离L超过n米时，ROV得到与UWUO的方位并保持当前方位追踪UWUO，确保在安全距离之内进行拍摄；控制中心控制ROV前往下一个预测点坐标就位，实时反馈UWUO水下画面，达到跟踪的目的；若拦截失败则反馈管理员，管理员安排海事监管人员根据UWUO当前的位置进行人工拦截。本专利技术的有益效果为：通过声呐阵列和ROV结合的方式，对水下环境进行侦测，提高了水下侦测的效果，从而加强海事监管水域水下安全防卫能力。附图说明图1为本专利技术一实施例的数据流图。图2为本专利技术一实施例的系统架构图。图3为本专利技术一实施例的路径分析流程图。图4为本专利技术一实施例的路径预测流程图。图5为本专利技术一实施例的ROV拦截流程图。图6为本专利技术一实施例的UWUO跟踪流程图。具体实施方式ROV(RemoteOperatedVehicle)下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，如图1和图2所示，它包括水下固定声呐装置、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：它包括水下固定声呐装置、目标识别系统客户端、ROV控制系统和证据数据库；其中，水下固定声呐装置包括水下固定基座，水下固定基座上固定有声呐基阵；声呐基阵用于发射一定频率声波信号和接收自身发出声波的反射信号，从而对水下不明物UWUO的位置进行实时侦测；所述的目标识别系统客户端设置在水上，通过水密电缆与声呐基阵连接，用于根据声呐基阵的声波信号和反射信号以及结合从控制中心接收的ROV信息确定的ROV位置，通过算法计算UWUO的位置并预测UWUO的路径；ROV控制系统包括控制中心、ROV路径跟踪单元、光学摄像机、ROV基座和遥控水下机器人ROV，ROV路径跟踪单元、光学摄像机、ROV基座和ROV的数量相等，且光学摄像机设置在ROV上用于拍摄ROV执行任务时水下环境的视频；控制中心用于接收UWUO的位置以及预测的UWUO的路径，对若干个ROV路径跟踪单元发出拦截指令，ROV基座接收ROV路径跟踪单元的拦截指令，由工作人员控制对应的ROV执行拦截任务，光学摄像机将拍摄的视频按拦截指令的接收路径原路返回到控制中心并进行显示；同时控制中心将ROV的位置发送给所述的目标识别系统客户端；证据数据库用于存储ROV编号以及与之对应的光学摄像机拍摄的视频和声呐探测信息，供用户通过数据库操作界面进行提取和存储。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：它包括水下固定声呐装置、目标识别系统客户端、ROV控制系统和证据数据库；其中，水下固定声呐装置包括水下固定基座，水下固定基座上固定有声呐基阵；声呐基阵用于发射一定频率声波信号和接收自身发出声波的反射信号，从而对水下不明物UWUO的位置进行实时侦测；所述的目标识别系统客户端设置在水上，通过水密电缆与声呐基阵连接，用于根据声呐基阵的声波信号和反射信号以及结合从控制中心接收的ROV信息确定的ROV位置，通过算法计算UWUO的位置并预测UWUO的路径；ROV控制系统包括控制中心、ROV路径跟踪单元、光学摄像机、ROV基座和遥控水下机器人ROV，ROV路径跟踪单元、光学摄像机、ROV基座和ROV的数量相等，且光学摄像机设置在ROV上用于拍摄ROV执行任务时水下环境的视频；控制中心用于接收UWUO的位置以及预测的UWUO的路径，对若干个ROV路径跟踪单元发出拦截指令，ROV基座接收ROV路径跟踪单元的拦截指令，由工作人员控制对应的ROV执行拦截任务，光学摄像机将拍摄的视频按拦截指令的接收路径原路返回到控制中心并进行显示；同时控制中心将ROV的位置发送给所述的目标识别系统客户端；证据数据库用于存储ROV编号以及与之对应的光学摄像机拍摄的视频和声呐探测信息，供用户通过数据库操作界面进行提取和存储。2.根据权利要求1所述的基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：所述的目标识别系统客户端包括声呐信息处理单元、目标识别系统和声呐信息显示装置；其中，声呐信息处理单元用于利用卡尔曼滤波算法计算UWUO的位置并预测UWUO下一个时间节点的位置；目标识别系统将UWUO的历史路径和ROV的位置发送到声呐信息显示装置进行显示，同时将UWUO的位置和UWUO下一个时间节点的具体位置发送至ROV控制系统的控制中心。3.根据权利要求1所述的基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：所述的水下固定基座上还设有用于采集环境参数的传感器组，通过水密电缆与所述的目标识别系统客户端连接。4.根据权利要求3所述的基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：所述的传感器组包括流速计、温度计和高度计。5.根据权利要求2所述的基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：所述的声呐信息处理单元具体按以下方法进行侦测：将水下固定基座设为三维坐标原点建立数学模型，水下固定基座坐标S(0，0，0)；ROV分别均匀分布于两岸，坐标分别为P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)、P3(X3，Y3，Z3)…Pi(Xi，Yi，Zi)；声呐阵列全向发射一定频率的声波信号，侦测得到的信息传输至声呐信息处理单元；利用声呐在前t时段获取UWUO在的卡尔曼滤波方程在三个方向X、Y、Z的初始值Vx、Vy、Vz，建立卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼滤波算法预测下一时刻UWUO的水下位置坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴青，罗松涛，段文杰，汪洋，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42