一种多AUV系统及深海珊瑚探测方法技术方案

本发明专利技术属于水下探测技术领域，具体涉及一种多AUV系统及深海珊瑚探测方法。本发明专利技术的多AUV系统采用单领航模式减少通信量，降低网络负载，提高了通信的可靠性，并进行状态补偿减少通信延迟的影响，提高了通信的可靠性。本发明专利技术利用水声通信的方式使得信息共享，进而实现多AUV系统的主从式协同定位，解决了多领航模式在声学信号的同步、识别和时序要求比较高，容易形成通信混乱的问题。通过跟随AUV在之前时刻的状态信息形成的轨迹路径，预测出之后时刻的状态，并且不断更新，来解决水声通信延迟问题。本发明专利技术将目标识别技术与多AUV系统相结合，提高了多AUV系统的自主性、智能性。

A multi AUV system and deep sea coral detection method

【技术实现步骤摘要】
一种多AUV系统及深海珊瑚探测方法
本专利技术属于水下探测
，具体涉及一种多AUV系统及深海珊瑚探测方法。
技术介绍
与生长在热带浅海水域的暖水珊瑚不同，深海冷水珊瑚通常分布在海面以下30～1000m、水温4～12℃的冷水水域，由于冷水珊瑚不与单细胞藻类虫黄藻共生，主要以水中的浮游生物及从浅水层沉降下去的有机质为食，可以生长在缺光或无光的深海环境，故也称深海珊瑚。冷水珊瑚主要包括石珊瑚、软珊瑚(包括红珊瑚、柳珊瑚、竹珊瑚等)、黑珊瑚和柱星珊瑚等。其中，石珊瑚是冷水珊瑚礁的骨架生物，由其堆积建造的冷水珊瑚礁为鱼、虾、蟹、管虫等提供了良好的生境条件，使得暗淡无光的深海环境充满生机。冷水珊瑚礁是深海生态系统中的重要组成部分，其具有较高的生物多样性和生态资源价值”。冷水珊瑚礁区聚集分布着许多经济鱼类及无脊椎动物，如石斑、海鲈、鲷鱼和岩鱼等，是重要的深海渔场”。此外，与热带浅海珊瑚一样，冷水石珊瑚也是记录长时间尺度气候变化的良好载体，可揭示长时间序列、高分辨率的深海海洋环境变化历史，具有重要的科研价值。因此，了解其环境和生态动态对生物多样性保护具有重要意义。由于冷水珊瑚生活环境处于深海，多AUV系统中信息延迟是弱通信系统必须面对的问题，对系统稳定性的影响不能忽视。由于接收到的信息存在时间上的滞后性，系统在未来时刻的状态由当前状态和历史状态共同决定，系统的稳定性和平衡位置也受到时延大小的影响。当个体间的信息传输延迟太大，超过某一临界值时，多机器人系统无法形成稳定编队，甚至使原来稳定的编队变为不稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供用于深海冷水珊瑚探测一种多AUV系统。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：包括领航AUV和跟随AUV；所述的领航AUV只有一个，包括使命模块、任务模块、信息处理模块、行为控制模块、传感器模块、导航模块和通信模块；所述的跟随AUV包括任务模块、信息处理模块、行为控制模块、传感器模块、导航模块和通信模块；所述的使命模块负责任务的描述、激活、切换和存储，并对各个AUV进行任务分配；所述的任务模块负责将任务分配结果通过水声通信通知给目标AUV；所述的传感器模块负责通过AUV自身配置的各种传感器件从周围环境中获得环境信息；所述的导航模块负责获得AUV自身的速度、姿态和位置信息；所述的信息处理模块负责将AUV通过传感器模块和导航模块获得的环境信息和目标AUV信息进行处理、融合和存储；所述的行为控制模块负责基于行为的策略按照特定的控制算法将AUV驱动到期望的航向、期望的航速和期望的方位；所述的通信模块负责与其他AUV之间进行信息交流，包括声学调制解调器、换能器和接收机；所述的换能器用于AUV向周围空间辐射信号；所述的接收机用于接收水声信号；所述的声学调制解调器调制待发送的水声信号，以及解调接收的水声信号。本专利技术还可以包括：还包括备用领航AUV；所述的备用领航AUV的设备与领航AUV相同，在正常情况下备用领航AUV作为寻常的跟随AUV使用，但是当备用领航AUV在预定的时间内未接收到领航AUV的通信时，备用领航AUV之中的一个自动担负起领航AUV的任务。本专利技术的目的还在于提供解决水下弱通信多AUV深海珊瑚区域探测问题，以提高深海珊瑚探测区域内探测与建图的效率的一种多AUV深海珊瑚探测方法。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：包括以下步骤：步骤1：在母船行驶到深海探测区域上方时，将多AUV系统投放入水；所述的多AUV系统的传感器模块包括水下摄像机、水听器、CTD探测器、多波束声纳和侧扫声纳；步骤2：多AUV系统航行到距海底预设的高度后，通过水下摄像机对深海区域进行图像采集，同时利用训练好的深海珊瑚深度学习模型对采集到的水下图像进行识别；步骤3：多AUV系统搜索深海冷水珊瑚区域；对于在对深海冷水珊瑚区域搜索过程中出现的通信延迟问题，通过领航AUV的状态预测模型对跟随AUV状态信息进行预估补偿，修正跟随AUV的状态信息，减小通信延迟影响；步骤4：当多AUV系统中至少一个AUV搜寻出深海冷水珊瑚区域时，发现深海冷水珊瑚区域的AUV通过水声通信向领航AUV发送深海冷水珊瑚区域的位置信息；领航AUV经过决策将探测任务信息发送给全部AUV，指挥所有AUV开始向此地聚集；步骤5：当多AUV系统达到深海冷水珊瑚区域之后，多AUV系统执行深海冷水珊瑚区域协同探测任务；领航AUV通过任务模块将深海冷水珊瑚区域协同探测任务分配给各个跟随AUV，各个跟随AUV以领航AUV为中心对深海冷水珊瑚区域进行梳状扫描，同时所有AUV开启多波束声纳和侧扫声纳对海底进行探测，并利用CTD探测器进行深海海水原位采样；在任务进行过程中，当遇到障碍物时，所有AUV自主进行局部路径规划实施避障动作，之后按照既定的路径规划策略完成剩余探测任务；步骤6：在全部AUV完成对深海冷水珊瑚区域的探测作业后，抛载上浮水面进行回收，将各传感器模块的数据进行上传；步骤7：通过多AUV系统的水下摄像机图像拼接获得深海冷水珊瑚区域的光学图像；利用多AUV系统的侧扫声纳采集的声学图像生成二维海底底质图像；利用多AUV系统的多波束声纳生成三维声学地形图；利用多AUV系统的CTD探测器的数据生成深海珊瑚区的温度、盐度分布图。本专利技术还可以包括：所述的步骤3中通过领航AUV的状态预测模型对跟随AUV状态信息进行预估补偿的具体方法为：在tk时刻领航AUV的状态信息Ak和跟随AUV的状态信息Bk分别为：Ak＝(xk,yk,zk,tk)Bk＝(x'k,y'k,z'k,t'k)跟随AUV在tk时刻将自身状态信息Bk开始向领航者AUV发送，领航AUV在tk+1时刻接收到信息，此时经过了时间τ，领航AUV在当前时刻的状态信息Ak+1和跟随者AUV在当前时刻的状态信息Bk+1分别为：Ak+1＝(x'k+1,y'k+1,z'k+1,t'k+1)Bk+1＝(x'k+1,y'k+1,z'k+1,t'k+1)故通信延迟时间为τ＝tk+1-tk；之后，跟者AUV每经过Δt时间段就将自身状态信息Bk+nΔt,n-1,2...发送给领航AUV，领航AUV信息处理模块根据n个Δt时间段接收到的跟随AUV的状态信息{Bk+Δt,Bk+2Δt,...Bk+nΔt}形成的轨迹路径生成状态预测模型，再通过状态预测模型预估出跟随AUV在tk+1时刻的状态信息，状态预测模型为f(t)＝(x,y,z,t)；最后，利用领航AUV在tk+2时刻接收到的跟随AUV在tk+1时刻的状态信息来对状态预测模型进行更新，减小通信延迟的影响。所述的多AUV系统还包括备用领航AUV；所述的备用领航AUV的设备与领航AUV相同，在正常情况下备用领航AUV作为寻常的跟随AUV使用，但是当备用领航AUV在预定的时间内未接收到领航AUV的通信时，备用领航AUV之中的一个自动担负起领航AUV的任务。所述的步骤5中多AUV系统执行深海冷水珊瑚区域协同探测任务时，多AUV系统采用“一”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多AUV系统，其特征在于：包括领航AUV和跟随AUV；所述的领航AUV只有一个，包括使命模块、任务模块、信息处理模块、行为控制模块、传感器模块、导航模块和通信模块；所述的跟随AUV包括任务模块、信息处理模块、行为控制模块、传感器模块、导航模块和通信模块；所述的使命模块负责任务的描述、激活、切换和存储，并对各个AUV进行任务分配；所述的任务模块负责将任务分配结果通过水声通信通知给目标AUV；所述的传感器模块负责通过AUV自身配置的各种传感器件从周围环境中获得环境信息；所述的导航模块负责获得AUV自身的速度、姿态和位置信息；所述的信息处理模块负责将AUV通过传感器模块和导航模块获得的环境信息和目标AUV信息进行处理、融合和存储；所述的行为控制模块负责基于行为的策略按照特定的控制算法将AUV驱动到期望的航向、期望的航速和期望的方位；所述的通信模块负责与其他AUV之间进行信息交流，包括声学调制解调器、换能器和接收机；所述的换能器用于AUV向周围空间辐射信号；所述的接收机用于接收水声信号；所述的声学调制解调器调制待发送的水声信号，以及解调接收的水声信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种多AUV系统，其特征在于：包括领航AUV和跟随AUV；所述的领航AUV只有一个，包括使命模块、任务模块、信息处理模块、行为控制模块、传感器模块、导航模块和通信模块；所述的跟随AUV包括任务模块、信息处理模块、行为控制模块、传感器模块、导航模块和通信模块；所述的使命模块负责任务的描述、激活、切换和存储，并对各个AUV进行任务分配；所述的任务模块负责将任务分配结果通过水声通信通知给目标AUV；所述的传感器模块负责通过AUV自身配置的各种传感器件从周围环境中获得环境信息；所述的导航模块负责获得AUV自身的速度、姿态和位置信息；所述的信息处理模块负责将AUV通过传感器模块和导航模块获得的环境信息和目标AUV信息进行处理、融合和存储；所述的行为控制模块负责基于行为的策略按照特定的控制算法将AUV驱动到期望的航向、期望的航速和期望的方位；所述的通信模块负责与其他AUV之间进行信息交流，包括声学调制解调器、换能器和接收机；所述的换能器用于AUV向周围空间辐射信号；所述的接收机用于接收水声信号；所述的声学调制解调器调制待发送的水声信号，以及解调接收的水声信号。


2.根据权利要求1所述的一种多AUV系统，其特征在于：还包括备用领航AUV；所述的备用领航AUV的设备与领航AUV相同，在正常情况下备用领航AUV作为寻常的跟随AUV使用，但是当备用领航AUV在预定的时间内未接收到领航AUV的通信时，备用领航AUV之中的一个自动担负起领航AUV的任务。


3.基于权利要求1所述的一种多AUV系统的一种多AUV深海珊瑚探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在母船行驶到深海探测区域上方时，将多AUV系统投放入水；所述的多AUV系统的传感器模块包括水下摄像机、水听器、CTD探测器、多波束声纳和侧扫声纳；
步骤2：多AUV系统航行到距海底预设的高度后，通过水下摄像机对深海区域进行图像采集，同时利用训练好的深海珊瑚深度学习模型对采集到的水下图像进行识别；
步骤3：多AUV系统搜索深海冷水珊瑚区域；对于在对深海冷水珊瑚区域搜索过程中出现的通信延迟问题，通过领航AUV的状态预测模型对跟随AUV状态信息进行预估补偿，修正跟随AUV的状态信息，减小通信延迟影响；
步骤4：当多AUV系统中至少一个AUV搜寻出深海冷水珊瑚区域时，发现深海冷水珊瑚区域的AUV通过水声通信向领航AUV发送深海冷水珊瑚区域的位置信息；领航AUV经过决策将探测任务信息发送给全部AUV，指挥所有AUV开始向此地聚集；
步骤5：当多AUV系统达到深海冷水珊瑚区域之后，多AUV系统执行深海冷水珊瑚区域协同探测任务；领航AUV通过任务模块将深海冷水珊瑚区域协同探测任务分配给各个跟随AUV，各个跟随AUV以领航AUV为中心对深海冷水珊瑚区域进行梳状扫描，同时所有AUV开启多波束声纳和侧扫声纳对海底进行探测，并利用CTD探测器进行深海海水原位采样；在任务进行过程中，当遇到障碍物时，所有AUV自主进行局部路径规划实施避障动作，之后按照既定的路径规划策略完成剩余探测任务；
步骤6：在全部AUV完成对深海冷水珊瑚区域的探测作业后，抛载上浮水面进行回收，将各传感器模块的数据进行上传；
步骤7：通过多AUV系统的水下摄像机图像拼接获得深海冷水珊瑚区域的光学图像；利用多AUV系统的侧扫声纳采集的声学图像生成二维海底底质图像；利用多AUV系统的多波束声纳生成三维声学地形图；利用多AUV系统的CTD探测器的数据生成深海珊瑚区的温度、盐度分布图。


4.根据权利要求3所述的一种多AUV深海珊瑚探测方法，其特征在于：所述的步骤3中通过领航AUV的状态预测模型对跟随AUV状态信息进行预估补偿的具体方法为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛明伟，李俊，万磊，秦洪德，王玮哲，刘奕晖，武万琦，崔壮，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23