AUV多功能綜合服務平臺及編隊運行控制方法與流程

本發明涉及auv多功能綜合服務平臺，更具體地說，涉及一種auv多功能綜合服務平臺及編隊運行控制方法。

背景技術：

自主式水下機器人(autonomousunderwatervehicle，簡稱auv)已經廣泛用于海洋環境監測，海洋資源勘探等眾多領域。auv對接技術可用于auv的回收，定時定點布放，進而可以實現采樣信息的回饋和分析，更新任務，能源補給等操作。auv編隊技術能夠使多個auv相互協調完成復雜、大范圍的海洋任務。

為了更好地發揮其自主靈活的優勢，auv執行探測、導航、攻擊等特定任務時，對自身體積和續航力提出了更高的要求。然而auv多用蓄電池類化學式動力源，或熱能和核能類的物理式動力源。選擇能源時，必須充分考慮機型的體積、任務使命、活動水域特點和其他方面的設計情況，受制于多種條件。auv續航力、航速和負載能力均受制于電能，而電能受限于可用能源，而可用能源又取決于類型、容許的質量和空間等。目前，多數auv采用電動力，電能來自所攜帶的電池組，考慮成本、壽命、安全性等因素，電池尤其是一次電池和可充電電池(如鋰電池)在較長時期內仍將占據主導地位。以上種種原因制約了auv的性能發揮，所以，為使得auv的相關研究取得更大進展，研究可以海上對接與編隊的多功能綜合服務平臺很有必要。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在于，提供一種auv多功能綜合服務平臺，包括雙體船，所述雙體船內部設置波浪能發電裝置，雙體船上部設置有服務平臺；所述服務平臺上部設置有信號基站與慣性定位系統，所述信號基站左右兩側設置有太陽能板，信號基站上下兩側設置有機械手，所述平臺板的邊角處設置有風力發電裝置，所述平臺板邊緣設置有定位雷達和無限充電線圈。

按上述方案，所述信號基站設置有局域網，所述定位雷達設置有紅外線/超聲波。

按上述方案，所述雙體船包括船體和連接裝置，船體設置為兩個，互相平行，兩個船體通過連接裝置相互連接，所述波浪發電裝置設置在連接裝置內部。

按上述方案，所述船體的尾部設置有平臺推動裝置，所述平臺推動裝置包括螺旋槳。

按上述方案，信號基站左右兩側設置的太陽能板的數量相同，分別為四個。

按上述方案，所述平臺板為正方形，所述風力發電裝置設置有四個，分別設置在平臺板的邊角處。

按上述方案，所述機械手通過機械臂與平臺板連接，在信號基站的上下兩側分別設置一個機械手。

一種所述的auv多功能綜合服務平臺的編隊運行控制方法，a、當auv與服務平臺之間的距離大于1千米的時候，應用慣性導航系統進行導航，確保auv能夠進入定位雷達的紅外線/超聲波定位區，進行下一階段定位對接。b、當auv與服務平臺之間的距離在1千米-10米之間的時候，所述信號基站的局域網對auv進行定位。c、當auv與服務平臺之間的距離小于10米的時候，應用定位雷達上的紅外線/超聲波定位，引導auv精準對接。

實施本發明的auv多功能無人服務平臺及編隊運行控制方法，具有以下有益效果：

通過該服務平臺可以自動實現多個auv的自動充電、數據交換、指令下達以及回收等服務。通過不同波段的聲納解決了了auv與平臺的對接問題。以此平臺為基準，通過平臺運動，結合auv的運動性能以及領域性能，結合多物標協同運動的原理，解決了auv服務平臺中途斷電的問題，減少成本，提高了使用壽命，安全性也得到了大大的提高，提高了海上對接與編隊的多功能綜合服務平臺。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明auv多功能無人服務平臺的主視圖；

圖2是本發明auv多功能無人服務平臺的立體結構示意圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

如圖1-2所示，本發明的auv多功能無人服務平臺3包括雙體船1。

雙體船1內部設置有波浪能發電裝置2，雙體船1上部設置有服務平臺3，服務臺上部設置有信號基站5和慣性定位系統。信號基站5左右兩側設置有太陽能板7，信號基站5上下兩側設置有機械手8。服務平臺3的端部設置有風力發電裝置9，服務平臺3的邊緣設置有定位雷達10和無限充電線圈。信號基站5設置有局域網，定位雷達10設置有紅外線/超聲波發生裝置。雙體船1包括船體12和連接裝置13，船體12設置為兩個，互相平行，兩個船體12通過連接裝置13相互連接，所述波浪發電裝置設置在連接裝置13內部。船體12的尾部設置有平臺推動裝置，所述平臺推動裝置包括螺旋槳。信號基站5左右兩側設置的太陽能板7的數量相同，分別為四個。平臺板為正方形，所述風力發電裝置9設置有四個，分別設置在平臺板的邊角處。機械手8通過機械臂與平臺板連接，在信號基站5的上下兩側分別設置一個機械手8。

當auv與服務平臺3之間的距離大于1千米的時候，應用慣性導航系統進行導航，確保auv能夠進入定位雷達10的紅外線/超聲波定位區，進行下一階段定位對接。b、當auv與服務平臺3之間的距離在1千米-10米之間的時候，所述信號基站5的局域網對auv進行定位。c、當auv與服務平臺3之間的距離小于10米的時候，應用定位雷達10上的紅外線/超聲波定位，引導auv精準對接。

其工作過程如下：

auv多功能無人服務平臺3在海上航行，航行時風力發電機利用風力帶動風車葉片旋轉，產生電能儲存在平臺內部；波浪能發電裝置2將波浪能轉換成電能儲存在平臺內部；太陽能板7吸收太陽能轉化為電能儲存在平臺內部。

auv多功能無人服務平臺3運行中始終與auv保持一種領航-跟隨的隊形進行作業，同時利用信號基站5內局域網實時發射信號對自己覆蓋范圍的auv進行掃描，發射不同射頻信號，對進入局域網的auv進行中距離定位以及數據傳輸與導航。auv通過慣性導航進行定位，通過對電量信息以及距離平臺位置的預算進行定期的上浮接受北斗衛星定位信號，以修正與平臺的相對位置。比較準確的實現auv的航路跟蹤和隊形保持，所以基本可以避免出現auv遠離平臺，數據和設備丟失的情況。

一段時間之后，auv電能即將耗盡，auv浮出水面接受衛星信號進行定位，修正自己慣性導航與服務平臺3的相對位置信息。然后，通過遠距離導航，auv向服務平臺3靠攏。當auv進入服務平臺3的局域網覆蓋范圍時，自動開啟數據交換模式，把自己搜集到的信息傳輸給平臺，然后通過平臺上的大功率基站傳到岸上的控制臺。同時，通過中距離導航，auv通過局域網進行定位導航不斷向平臺靠攏。當平臺上的雷達定位裝置檢測到，auv的進入與平臺的距離在10米之內時，開啟近距離導航的雷達精確定位模式，同時利用定位雷達104上的紅外線/超聲波定位裝置讓auv繼續靠近平臺。當無線充電系統連接成功時，auv利用無線充電磁圈通過平臺上的無線充電系統進行充電，并且對auv收集到的信息進行回收，同時清空auv內存。

當充電結束并且數據傳輸結束后。平臺通過局域網給auv下達下一步的行動指令，然后auv繼續出去執行任務。當所有的任務執行完畢后，auv運動到機械手8可以抓取的位置，靠近后控制機械臂鏈接的機械手8對auv實施抓取，將其放到平臺上。

通信功能采用wifi通信，由atkatk-esp8266模塊實現，其采用串口(lvttl)與mcu通信，也可以采用其它的串口設備，內置或其他串口設備通信，內置tcp/ip協議棧，能夠實現串口與wifi之間的轉換。通過atk-esp8266模塊，傳統的串口設備只是需要簡單的串口配置，即可通過網絡(wifi)傳輸自己的數據。

atk-esp8266模塊支持lvttl串口，兼容3.3v和5v單片機系統，可以很方便的與產品進行連接。模塊支持串口轉wifista、串口轉ap和wifista+wifiap的模式，從而快速構建串口-wifi數據傳輸方案，方便設備使用互聯網傳輸數據。

1、服務平臺3與岸上控制中心的通信

服務平臺3與岸上控制中心的通信采用長波通信。大數據的傳輸需要大功率的發射基站，在auv上無法安裝基站，所以在服務平臺3上裝有大功率的發射基站。發射基站將數據通過高頻率的射頻器加密成無線電波，由于在海上遠距離傳輸，所以采用長波通信。接收端采用相應的解碼算法就可實現數據的讀取。

2、服務平臺3與auv的通信

服務平臺3與岸上控制中心的通信采用atk-esp8266模塊，將服務平臺3作為服務器，auv作為客戶端，從而實現服務平臺3與auv的信息傳輸。將服務平臺3的atk-esp8266模塊設置為串口無線ap模式，auv的atk-esp8266模塊設置為串口無線sta模式。

串口無線sta(com-sta)模式，模塊作為無線wifista，用于連接到無線網絡，實現串口與其他設備之間的無線(wifi)數據轉換互傳。該模式下，根據應用場景的不同，可以設置3個子模式：tcp服務器、tcp客戶端，udp。我們將auv的atk-esp8266模塊設為tcp客戶端的子模式。平臺的模式設置不變，即實現了服務平臺3與auv的通信。

3、auv與岸上控制中心的通信

將auv及服務平臺3按上述進行設置，若需岸上控制中心與auv的通信，則令服務平臺3作為控制中轉來實現，由服務平臺3接收岸上控制中心所發出的數據再將其發送給auv。因將atk-esp8266模塊設置為透傳模式，數據接收后即發送，故將岸上控制中心向平臺發送數據進行區分，auv對所接收到的數據進行判斷，從而識別auv與岸上控制中心的通信內容。同理，auv將數據通過平臺傳回岸上控制中心進行顯示、分析與處理。

定位功能采用atk-s1216f8-bdgps/北斗模塊，模塊可通過串口進行各種參數設置，并可保存在內部flash，使用方便。雙摸定位，加快了啟動時間和更新速度，使定位更加準確。默認采用nmea-0183協議輸出gps/北斗定位數據，并可以通過skytraq協議對模塊進行配置。

gps導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離則通過記錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到。

中國北斗衛星導航系統由35顆衛星在離地面2萬多千米的高空上，以固定的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。由于衛星的位置精確可知，在接收機對衛星觀測中，我們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(x,y,z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，x、y、z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

nmea-0183協議解析部分，利用簡單的數逗號方法來解析。nmea-0183協議均是以類似$gpgsv的開頭，固定輸出格式，不論是否有數據輸出，逗號一定存在，且以‘*’作為有效數據的結尾，故通過數逗號的方法來解析數據。實現對nmea-0183協議的$gngga、$gpgsa、$gngsv、$bdgsv、$gnrmc和$gnvtg等6類幀的解析，結果存放在結構體內。

skytraq協議控制部分，實現skytraf8-bd模組的3個配置：串口波特率設置、pps輸出脈沖寬度設置、輸出頻率設置，從而控制數據傳輸速度。部分程序如下：

通過auv慣性導航系統和編隊系統計算auv剩余電量能否返回服務平臺3，若auv顯示電量過低，則自動排水浮出水面進行定位，同時與服務平臺3傳輸的自身定位比較，從而駛向服務平臺3，進行數據交換與充電。

遠距離時，通過atk-s1216f8-bdgps/北斗模塊進行雙模定位，auv快速駛向服務平臺3；若經過計算，剩余電量無法到達服務平臺3位置，則服務平臺3與auv相互靠攏。

中距離時，auv進入服務平臺3的定位雷達10與局域網覆蓋范圍，采用雷達進行定位，同時將收集到的數據傳輸給服務平臺3，服務平臺3利用通信基站將數據發送給控制中心。

近距離時，采用超聲波定位模塊，調整機身與服務平臺3的相對位置。進入無線充電位。利用服務平臺3上的無線充電磁圈對auv進行充電，同時通過局域網與auv通信，清空auv內存，下達下一階段任務指令。充電完畢auv開啟下一輪工作。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。