一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统技术方案

一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，包括AUV驱动模块，用于采集与AUV控制相关的传感器数据，带入AUV运动控制算法通过推进器模块来控制AUV的进退、转向和沉浮，检测到电压异常或者装置漏水，控制紧急上浮模块打开配重舱门抛弃重物，迅速上浮并及时发送定位信息；AUV算法模块，用于接收AUV驱动模块采集的传感器数据，将数据通过无线通信模块传送给上位机实时显示，接收上位机的控制指令并传达给相应模块进行处理，同时实时采集磁力仪的数据，将数据带入寻缆算法得出当前的目标航向，使用离底高度计得出目标深度，并传送给AUV驱动模块来执行，并根据磁力仪数据是否出现异常衰减来判断是否为海缆的故障点。否为海缆的故障点。否为海缆的故障点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统


[0001]本专利技术属于海缆
，具体涉及一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统。

技术介绍

[0002]海缆工程作为跨海物联网工程的重要组成部分，在跨海通信、电能传输、海洋新能源开发等重要领域起着无可替代的作用，海缆敷设于一定深度的海底，因此使用海缆进行供电和通信具有抗干扰能力强、保密性能好等优点。但是，由于自然因素和人为因素的影响，海缆会受到一定程度损伤与破坏，并产生一系列安全问题，因此，海缆的维护成为工程技术中普遍受关注的问题，由于海底作业环境恶劣等原因造成海缆维护难度大、成本高、危险性高等特点，为了避免海缆系统的正常工作受到影响以及应对当代海缆敷设不断向深水领域发展的趋势，及时准确的探测海底电缆的路由走向、故障点位置、埋设深度等信息具有重要意义。

技术实现思路

[0003]针对目前存在的技术问题，本专利技术提供了一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，可以探测海缆的路由走向和故障点位置，在一定程度上减轻了人工搜索故障点的工作量，降低了维修人员的工作难度，对海缆的维护工作具有积极指导意义，而且能很大程度上保证了使用的安全性。
[0004]本专利技术采用的技术方案是：
[0005]一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：包括
[0006]AUV驱动模块，用于采集与AUV控制相关的传感器数据，带入AUV运动控制算法通过推进器模块来控制AUV的进退、转向和沉浮，检测到电压异常或者装置漏水，控制紧急上浮模块打开配重舱门抛弃重物，迅速上浮并及时发送定位信息；
[0007]AUV算法模块，用于接收AUV驱动模块采集的传感器数据，将数据通过无线通信模块传送给上位机实时显示，接收上位机的控制指令并传达给相应模块进行处理，同时实时采集磁力仪的数据，将数据带入寻缆算法得出当前的目标航向，使用离底高度计得出目标深度，并传送给AUV驱动模块来执行，并根据磁力仪数据是否出现异常衰减来判断是否为海缆的故障点；
[0008]传感器模块，用于采集相应传感器数据并传输给AUV驱动模块、AUV算法模块，包括与AUV控制相关的姿态传感器、深度传感器、磁力仪和离底高度计，以及与AUV保护措施相关的GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置；所述深度传感器、磁力仪和离底高度计设于舱外，所述姿态传感器、GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置设于舱内；
[0009]无线通信模块，用于AUV算法模块与上位机通信连接；
[0010]紧急上浮模块，用于在检测到电压异常、装置漏水或通信中断后采取应急策略，打开底部的配重仓，抛弃重物并迅速上浮，上浮后及时发送位置坐标；
[0011]推进器模块，用于根据AUV驱动模块的指令控制AUV的进退、转向和沉浮；
[0012]电源模块，用于给系统各模块供电。
[0013]进一步，所述AUV驱动模块、AUV算法模块均通过数据采集模块与传感器模块的各传感器通信连接，所述数据采集模块用于提供与传感器模块之间的通信接口，包括RS232接口、RS485接口、TTL串行口、IIC接口、SPI接口和电压采集接口。
[0014]进一步，所述无线通信模块包括4G模块、无线电台模块和天线，所述4G模块用于当AUV紧急上浮且天线露出水面后发送当前坐标以供搜救，所述无线电台模块用于当AUV在水下运动时发送和接收数据。
[0015]进一步，所述电源模块由电池组、两级串行开关和转压模块组成。
[0016]进一步，设于舱外的传感器模块和推进器模块以及外部电源均通过密封舱盖接口模块与相应模块电性连接；所述密封舱盖接口模块包括电源充电接口、舱外传感器模块接口和推进器模块接口。
[0017]进一步，所述AUV算法模块上连接有数据存储模块，用于存储传感器模块采集的数据和系统报警日志。
[0018]进一步，所述推进器模块包括两个矢量推进器和一个舵机，所述矢量推进器通过差速控制AUV的进退和转向，所述舵机通过调节推进器的上下转向来控制AUV的沉浮。
[0019]进一步，所述AUV运动控制算法由PID控制器，执行机构和被控对象组成，其中PID控制器包括比例、积分和微分三项，执行机构是推进器模块，被控对象是当前航向和当前深度。
[0020]进一步，所述AUV寻缆算法包括
①
AUV海缆搜索模式，
②
AUV海缆巡检模式，
③
AUV海缆信号丢失处理；
[0021]启动AUV后，首先进行大范围海缆搜素模式，进入海缆探测范围后再进行巡检模式，AUV前进过程中通过探测的信息不断调整与缆线的垂直方向的夹角θ1和水平方向的夹角θ2，从而实现海缆跟踪；如果跟踪过程中磁力信号明显衰减或突变，则进行海缆信号丢失处理，并判断海缆出现故障还是AUV偏离航向，并作出相应处理；
[0022]AUV刚下水或出现海缆信号丢失时，需要进入海缆搜索模式。首先根据高度计设定好合适的高度，然后搜索本地存储的先前定位点，如果找到先前定位数据，就根据定位数据反向搜索海缆。如果反向搜索失败或没有先前定位点，则让AUV在海缆周围进行大范围螺旋式搜索。一旦磁力仪检测到目标频率的磁场信号，则判定海缆搜索成功，如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；
[0023]海缆巡检过程中，一旦出现海缆信号的丢失，设置AUV从海缆巡检模式进入海缆搜索模式，如果成功搜索到海缆，说明是外部因素导致，则继续进入海缆巡检模式；如果海缆搜索超时，则结束此次搜索；同时，如果在单位时间内海缆信号丢失次数超过一定阈值，说明AUV在海缆的断点处反复巡航，则判定海缆出现故障。
[0024]进一步，所述AUV寻缆算法中AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1以及AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2的计算获取过程如下：
[0025](1)通过磁力仪获取海缆附近变化的磁场信息，并使用傅里叶变换进行去噪，提取出特定频率的磁场幅值和相位；
[0026](2)计算水下AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1，采样点与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1为当前时刻z轴的磁场幅值M
z
和y轴的磁场幅值M
y
的比
值；
[0027]由磁力仪测得的采样点A与海缆垂线相对海缆垂直方向的夹角θ1为：
[0028][0029]z轴和y轴的相位关系为：
[0030][0031](3)计算水下AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2，根据当前时刻x方向的磁场幅值M
x
和y方向的磁场幅值M
y
的比值算得AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角；
[0032]获得AUV中轴线与海缆路由的航向夹角θ2为：
[0033][0034]x轴和y轴的相位关系为：
[0035][0036](4)获取AUV与海缆的垂线相对海缆路由垂直方向的夹角θ1以及AUV中轴线与海缆路由的水平方向的夹角θ2后，开始海缆巡检；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：包括AUV驱动模块，用于采集与AUV控制相关的传感器数据，带入AUV运动控制算法通过推进器模块来控制AUV的进退、转向和沉浮，检测到电压异常或者装置漏水，控制紧急上浮模块打开配重舱门抛弃重物，迅速上浮并及时发送定位信息；AUV算法模块，用于接收AUV驱动模块采集的传感器数据，将数据通过无线通信模块传送给上位机实时显示，接收上位机的控制指令并传达给相应模块进行处理，同时实时采集磁力仪的数据，将数据带入寻缆算法得出当前的目标航向，使用离底高度计得出目标深度，并传送给AUV驱动模块来执行，并根据磁力仪数据是否出现异常衰减来判断是否为海缆的故障点；传感器模块，用于采集相应传感器数据并传输给AUV驱动模块、AUV算法模块，包括与AUV控制相关的姿态传感器、深度传感器、磁力仪和离底高度计，以及与AUV保护措施相关的GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置；所述深度传感器、磁力仪和离底高度计设于舱外，所述姿态传感器、GPS定位装置、电压检测装置、漏水检测装置设于舱内；无线通信模块，用于AUV算法模块与上位机通信连接；紧急上浮模块，用于在检测到电压异常、装置漏水或通信中断后采取应急策略，打开底部的配重仓，抛弃重物并迅速上浮，上浮后及时发送位置坐标；推进器模块，用于根据AUV驱动模块的指令控制AUV的进退、转向和沉浮；电源模块，用于给系统各模块供电。2.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV驱动模块、AUV算法模块均通过数据采集模块与传感器模块的各传感器通信连接，所述数据采集模块用于提供与传感器模块之间的通信接口，包括RS232接口、RS485接口、TTL串行口、IIC接口、SPI接口和电压采集接口。3.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述无线通信模块包括4G模块、无线电台模块和天线，所述4G模块用于当AUV紧急上浮且天线露出水面后发送当前坐标以供搜救，所述无线电台模块用于当AUV在水下运动时发送和接收数据。4.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述电源模块由电池组、两级串行开关和转压模块组成。5.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：设于舱外的传感器模块和推进器模块以及外部电源均通过密封舱盖接口模块与相应模块电性连接；所述密封舱盖接口模块包括电源充电接口、舱外传感器模块接口和推进器模块接口。6.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV算法模块上连接有数据存储模块，用于存储传感器模块采集的数据和系统报警日志。7.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述推进器模块包括两个矢量推进器和一个舵机，所述矢量推进器通过差速控制AUV的进退和转向，所述舵机通过调节推进器的上下转向来控制AUV的沉浮。8.根据权利要求1所述的一种基于磁力仪的水下AUV寻缆系统，其特征在于：所述AUV运动控制算法由PID控制器，执行机构和被控对象组成，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈襟豪，刘敬彪，彭时林，章雪挺，朱泽飞，郭龙川，王芳，田晓庆，马可可，胡亮，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：