專利名稱：移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種海洋探測技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò) 模擬平臺。
背景技術(shù)：
海洋觀測在認識海洋方面有特殊的重要性，長期以來世界海洋科學組織和海洋強 國致力于發(fā)展海洋觀測技術(shù)，建設(shè)全球或區(qū)域的海洋觀測系統(tǒng)。進入21世紀之后，海底觀 測網(wǎng)絡(luò)的競爭令人矚目，海底觀測網(wǎng)絡(luò)用光/電纜將多個海底觀測站連接成網(wǎng)絡(luò)，并最終 與全球網(wǎng)絡(luò)相連，覆蓋一塊固定的海底區(qū)域，是一種固定式海洋觀測網(wǎng)。但是這種海底觀 測網(wǎng)絡(luò)需要進行網(wǎng)絡(luò)布線，安裝調(diào)試周期長，特別在監(jiān)測區(qū)域比較大的時候，硬件的耗資很 高，投資巨大，并且有線網(wǎng)絡(luò)不利于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的更改和遷移，而且對所覆蓋的海底區(qū)域上方 的海洋空間缺乏觀測能力。將固定式海底觀測網(wǎng)絡(luò)與一些特殊的海洋觀測網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來形成一種空間覆蓋 能力較強的綜合性觀測網(wǎng)絡(luò)，是解決以上問題的有效途徑。經(jīng)過對現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)文獻進行檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN1744143A，
公開日
2006-3-8，記載了一種“海洋水域傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)”，該技術(shù)由計算機、基站和在線監(jiān)測 節(jié)點組成，在各自的程序控制協(xié)調(diào)下，通過無線收發(fā)接口互連組成?；九c監(jiān)測節(jié)點之間 和監(jiān)測節(jié)點相互之間的互連路徑，是通過節(jié)點互動的路由發(fā)現(xiàn)，實時實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的形 成。每一個節(jié)點都可自主的單獨工作，也可以相互自組織成一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。根據(jù)該專 利申請的自述，它的優(yōu)點是基站和監(jiān)測節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)，不需要進行電纜的布 線工作，既可以減少硬件的投資又可以實現(xiàn)較大范圍的監(jiān)測海洋水域的水質(zhì)、溫度、海浪等 情況。但是該發(fā)明也存在一些問題(a)該海洋水域傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點在 空間上不連續(xù)且位置不可移動，在需要對局部突發(fā)事件進行抵近觀測以獲取高精度信息 時，它缺乏聚焦能力與機動性。(b)當監(jiān)測系統(tǒng)中的節(jié)點出現(xiàn)故障時候，該節(jié)點不能立即得 到修理或更換，導致該節(jié)點的局部觀測信息將為空白，使得覆蓋區(qū)域出現(xiàn)較大的縫隙，因此 該監(jiān)測系統(tǒng)對節(jié)點故障缺乏容錯能力。(c)該監(jiān)測系統(tǒng)屬于淺水固定式海洋觀測網(wǎng)絡(luò)，它對 自身所覆蓋的海洋水域下方仍然缺乏立體觀測能力，而這塊空間所蘊含的各種信息對于全 面認識海洋是不可或缺的。與固定式海洋觀測網(wǎng)絡(luò)更有效互補的是移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)。它由一群配備各式 傳感器且相互之間可以進行水聲通信的水下機器人組成，適用于對特定區(qū)域進行連續(xù)移動 探測。與淺水固定式海洋觀測網(wǎng)絡(luò)相比，移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)具備更好的機動性與觀測效 率、更高的觀測精度、以及更強的對系統(tǒng)故障的容錯能力。但是由于水下環(huán)境的特殊性，作為一種全新的水下觀測手段，與陸基和空中移動 式傳感網(wǎng)絡(luò)相比移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)中的水下機器人在水聲通訊、水下定位及水動力性能 方面存在先天不足，這種不足導致諸多陸基和空中移動式傳感網(wǎng)絡(luò)中的研究成果不能直接應(yīng)用到移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)中來。移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)涉及到的諸多關(guān)鍵技術(shù)，例如基于 水聲通信的多水下機器人隊形控制和覆蓋控制的理論已經(jīng)被提出，但是這些協(xié)調(diào)控制理論 卻很少有人用實踐來檢驗其可行性，究其原因主要有兩點1.構(gòu)建一個真正的由多水下機 器人組成的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)成本相當高昂；2.即使移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功，在 海洋中的相關(guān)技術(shù)驗證試驗仍需要大量的人力、物力、財力支持與協(xié)調(diào)，這種規(guī)模龐大的工 程實施起來難度相當大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有大部分移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)理論技術(shù)與實踐相脫節(jié)的不足，提供 一種移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括水上控制模塊、與水上控制模塊 相連接的無線路由器以及通過無線信號連接的若干個自治式水下機器人(AUV)，且水上控 制模塊內(nèi)的無線網(wǎng)卡，無線路由器及AUV內(nèi)的無線網(wǎng)卡可以構(gòu)成一個無線局域網(wǎng)，其中所述的自治式水下機器人包括殼體、定位部分、推進部分、傳感部分和獨立控制 部分，其中定位部分、推進部分、傳感部分和獨立控制部分分別設(shè)置于密封的殼體內(nèi)，定位 部分、推進部分和傳感部分分別與獨立控制部分相連接且定位部分、推進部分依次接收獨 立控制部分輸出的脈寬調(diào)制信號，推進部分的輸出端與定位部分和傳感部分相連接并輸出 工作電壓，傳感部分輸出傳感信息至獨立控制部分進行決策計算。所述的殼體包括圓筒形耐壓殼、螺旋槳、垂直舵和水平舵，螺旋槳與推進部分的 推進電機相連，垂直舵位于螺旋槳的后方，水平舵位于殼體首尾部，在AUV前進的過程中螺 旋槳、垂直舵和水平舵互相配合從而使得AUV可以在水中自由地做三維空間運動。所述的定位部分包括分別與獨立控制部分脈寬調(diào)制信號輸出端相連接的水平舵 機與垂直舵機，該定位部分根據(jù)脈寬調(diào)制信號的占空比來控制水平舵與垂直舵舵角的大小 與轉(zhuǎn)向，從而使AUV具備定位能力。所述的推進部分包括鋰電池、速度控制器和推進電機，其中速度控制器分別與 鋰電池和PC104嵌入式計算機相連并分別接收工作電壓和脈寬調(diào)制信號，推進電機與速度 控制器相連接并根據(jù)速度控制器輸出的脈寬調(diào)制信號的占空比實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，鋰電池分 別與獨立控制部分、定位部分和傳感部分相連接并輸出工作電壓。所述的傳感部分包括分別與PC104嵌入式計算機相連接的集成GPS的慣性制導 儀、羅盤、數(shù)傳電臺、壓力傳感器和無線網(wǎng)卡，其中慣性制導儀向PC104嵌入式計算機輸出 AUV的位置與三軸運動速度，羅盤向PC104嵌入式計算機輸出AUV的姿態(tài)角和航向角，數(shù)傳 電臺向PC104嵌入式計算機輸出其他AUV的位置信息，壓力傳感器向PC104嵌入式計算機 輸出AUV的下潛深度，無線網(wǎng)卡通過無線方式與水上控制模塊相連接，接收操作人員的控 制指令并輸出AUV的運動狀態(tài)信息。所述的獨立控制部分包括PC104嵌入式計算機和與之通過堆棧方式相連接的 PC104電壓保護模塊，其中PC104電壓保護模塊的輸入端與推進部分的鋰電池相連接并對 PC104嵌入式計算機進行電壓過載和過熱保護，PC104嵌入式計算機內(nèi)部裝有WindowsXP embedded操作系統(tǒng)并進行數(shù)據(jù)信息處理與輸出脈寬調(diào)制信號。在AUV自主運動的過程中，從運動傳感器采集的AUV自身的姿態(tài)、航向、速度、位置等數(shù)據(jù)及從數(shù)傳電臺采集的其他鄰近AUV的相關(guān)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)RS232串口通訊發(fā)給PC104 嵌入式計算機，然后PC104嵌入式計算機就可以根據(jù)預(yù)先編寫的內(nèi)置程序進行存儲處理， 產(chǎn)生對AUV當前位置的相關(guān)計算。在此基礎(chǔ)上AUV就與預(yù)定目標點產(chǎn)生位置信號偏差，這 種偏差可進一步具體落實為航向、速度及深度偏差。AUV內(nèi)的PC104嵌入式計算機基于上述 偏差產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號以分別驅(qū)動推進電機以及舵機從而控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速(正反向)、 以及垂直舵與水平舵的偏轉(zhuǎn)(正反向)，使得AUV能夠保持自動定向、定速以及定深能力，并 最終尋找到一條從起始狀態(tài)到達目標狀態(tài)的無碰路徑。試驗過程中AUV之間的無線電通訊 經(jīng)過降級處理(如通訊延遲等)可以模擬移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)中AUV之間的水聲通訊。試 驗結(jié)束后所有AUV的試驗數(shù)據(jù)都自動存儲為txt純文本文件，并可以通過無線局域網(wǎng)上傳 至水面計算機進行后處理。本發(fā)明專利的有益效果是可以用該平臺在水池中模擬移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)，從而 可以對其關(guān)鍵技術(shù)加以試驗驗證。


圖1是本發(fā)明專利驗證平臺工作系統(tǒng)示意圖。圖2為自治式水下機器人硬件結(jié)構(gòu)連接示意圖。圖3為實施例的數(shù)據(jù)曲線。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括水上控制模塊1、與水上控制模塊1相連接的無線路 由器2以及通過無線信號連接的若干個自治式水下機器人3 (AUV)，該三者構(gòu)成一個無線局 域網(wǎng)0，其中所述的水上控制模塊1為內(nèi)置無線網(wǎng)卡的水面計算機。所述的無線局域網(wǎng)0中每個AUV的IP地址獨立且固定，水上控制模塊1根據(jù)IP 地址以遠程桌面的形式進入每個AUV內(nèi)的PC104嵌入式計算機，啟動操控軟件向AUV發(fā)送 操控指令并接收和顯示AUV的運動狀態(tài)信息。所述的自治式水下機器人3包括殼體4、定位部分5、推進部分6、傳感部分7和 獨立控制部分8，其中定位部分5、推進部分6、傳感部分7和獨立控制部分8分別設(shè)置于 密封的殼體4內(nèi)，定位部分5、推進部分6和傳感部分7分別與獨立控制部分8相連接且定 位部分5、推進部分6依次接收獨立控制部分8輸出的脈寬調(diào)制信號，推進部分6的輸出端 與定位部分5和傳感部分6相連接并輸出工作電壓，傳感部分7輸出傳感信息至獨立控制 部分8進行決策計算。所述的殼體4包括圓筒形耐壓殼9、螺旋槳10、垂直舵11和水平舵12，螺旋槳10 與推進部分6的推進電機17相連，垂直舵11位于螺旋槳10的后方，水平舵12位于殼體4 首尾部，在AUV前進的過程中螺旋槳10、垂直舵11和水平舵12互相配合從而使得AUV可以 在水中自由地做三維空間運動。
所述的定位部分5包括分別與獨立控制部分脈寬調(diào)制信號輸出端相連接的水平 舵機14與垂直舵機13，該定位部分5根據(jù)脈寬調(diào)制信號的占空比來控制水平舵12與垂直 舵11舵角的大小與轉(zhuǎn)向，從而使AUV具備定位能力。所述的推進部分6包括鋰電池15、速度控制器16和推進電機17，其中速度控制 器16分別與鋰電池15和PC104嵌入式計算機23相連并分別接收工作電壓和脈寬調(diào)制信 號，推進電機17與速度控制器16相連接并根據(jù)速度控制器16輸出的脈寬調(diào)制信號的占空 比實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，鋰電池15分別與獨立控制部分8、定位部分5和傳感部分7相連接并輸 出工作電壓。所述的傳感部分7包括分別與PC104嵌入式計算機23相連接的集成GPS的慣 性制導儀18、羅盤19、數(shù)傳電臺20、壓力傳感器21和無線網(wǎng)卡22，其中慣性制導儀18向 PC104嵌入式計算機23輸出AUV的位置與三軸運動速度，羅盤19向PC104嵌入式計算機 23輸出AUV的姿態(tài)角和航向角，數(shù)傳電臺20向PC104嵌入式計算機23輸出AUV的相對位 置信息，壓力傳感器21向PC104嵌入式計算機23輸出AUV的下潛深度，無線網(wǎng)卡22通過 無線方式與水上控制模塊1，接收操作人員的控制指令并輸出AUV的運動狀態(tài)信息。所述的AUV的位置包括經(jīng)度、緯度和海拔高度；所述的姿態(tài)角包括橫傾角和縱傾角；所述的獨立控制部分8包括PC104嵌入式計算機23和與之通過堆棧方式相連接 的PC104電壓保護模塊24，其中PC104電壓保護模塊24的輸入端與推進部分的鋰電池15 相連接并對PC104嵌入式計算機23進行電壓過載和過熱保護，PC104嵌入式計算機23內(nèi) 部裝有WindowsXPembedded操作系統(tǒng)并進行數(shù)據(jù)信息處理與輸出脈寬調(diào)制信號。本實施例通過以下方式進行工作用本驗證平臺在水池中模擬移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)在一定深度的水平面內(nèi)進行定 向移動探測。在打開每個AUV的通電總開關(guān)給其所有硬件通電之后，將AUV放入露天水池 中。無線路由器、AUV內(nèi)的無線網(wǎng)卡及水面計算機內(nèi)的無線網(wǎng)卡之間可以構(gòu)成一個無線局 域網(wǎng)，在這個局域網(wǎng)中每個AUV都有自己獨立的IP地址AUV1為192. 168. 0.2，AUV2為 192. 168. 0.3，AUV3為192. 168. 0. 4，水面計算機以遠程桌面的形式分別進入每個AUV的 PC104嵌入式計算機，啟動MATLAB6. 5編寫的⑶I程序，在Control manner (控制方式)下 拉列表框中選擇closed-loop (閉環(huán)控制)，然后在Demands (期待值命令)區(qū)的speed (速 度Sheading (艏向角)及d印th (深度)滑條設(shè)定每個AUV的期望速度為0. 3m/s，期望航 向角為272°，期望深度為0.5m，接著在Autopilot (自動導航)下拉框中選擇PD(比例微 分)控制方式開動AUV并實時顯示AUV的運動狀況。AUV在自主運動過程中慣性制導儀不 斷實時反饋AUV的三軸運動速度，經(jīng)度緯度及海拔高度，羅盤不斷實時反饋AUV的橫傾角， 縱傾角及航向角，壓力傳感器不斷實時反饋AUV的深度，AUV的數(shù)傳電臺在經(jīng)過通訊延遲 處理后向鄰近的AUV互相傳遞自身位置信息數(shù)據(jù)，所有的這些運動數(shù)據(jù)都經(jīng)過相應(yīng)硬件的 RS232串口發(fā)送給AUV內(nèi)部的PC104嵌入式計算機，PC104嵌入式計算機根據(jù)預(yù)置的PD控 制程序計算出航向、速度及深度偏差后，產(chǎn)生如圖2中所示的三路脈寬調(diào)制信號分別控制 推進電機以及舵機從而控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速(正反向)、以及垂直舵與水平舵的偏轉(zhuǎn)(正反 向)，從而使每個AUV保持0. 3m/s的速度，下潛深度保持0. 5m,并獲得如圖3所示的自動定 向(航向角272° )能力。從圖3中可以看出AUV航向角運動具有振蕩收斂特性，調(diào)整時間較快，穩(wěn)態(tài)誤差在2°范圍之內(nèi)，這樣最終在水池中就實現(xiàn)了水下機器人有協(xié)調(diào)的定向編隊 技術(shù)可行性驗證。 在試驗過程中，水面計算機起到顯控臺的作用，若想停止AUV運行只需點擊GUI界 面中的Stop test and shut down the vehicle (停止數(shù)據(jù)記錄與AUV運行)按鈕即可。待 實驗結(jié)束后可以在Playback(數(shù)據(jù)回放)區(qū)點擊Plot closed loop (繪制閉環(huán)數(shù)據(jù)曲線) 按鈕畫出每個AUV的數(shù)據(jù)曲線(包括三路脈寬調(diào)制信號輸出曲線，定速、定向及定深曲線)， 而且所有數(shù)據(jù)都以txt純文本的形式存儲在PC104的電子盤上，并可以通過無線局域網(wǎng)上 傳至水面計算機存儲以備日后分析。
權(quán)利要求
一種移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，其特征在于，包括水上控制模塊、與水上控制模塊相連接的無線路由器以及通過無線信號連接的若干個自治式水下機器人，且水上控制模塊內(nèi)的無線網(wǎng)卡，無線路由器及自治式水下機器人內(nèi)的無線網(wǎng)卡可以構(gòu)成一個無線局域網(wǎng)，其中所述的無線局域網(wǎng)中每個自治式水下機器人的IP地址獨立且固定，水上控制模塊根據(jù)IP地址以遠程桌面的形式發(fā)送操控指令并接收運動狀態(tài)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，其特征是，所述的自治式水 下機器人包括殼體、定位部分、推進部分、傳感部分和獨立控制部分，其中定位部分、推 進部分、傳感部分和獨立控制部分分別設(shè)置于密封的殼體內(nèi)，定位部分、推進部分和傳感部 分分別與獨立控制部分相連接且定位部分、推進部分依次接收獨立控制部分輸出的脈寬調(diào) 制信號，推進部分的輸出端與定位部分和傳感部分相連接并輸出工作電壓，傳感部分輸出 傳感信息至獨立控制部分進行決策計算。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，其特征是，所述的殼體包括 圓筒形耐壓殼、螺旋槳、垂直舵和水平舵，螺旋槳與推進部分的推進電機相連，垂直舵位于 螺旋槳的后方，水平舵位于殼體首尾部，在自治式水下機器人前進的過程中螺旋槳、垂直舵 和水平舵互相配合從而使得自治式水下機器人在水中自由地做三維空間運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，其特征是，所述的定位部分 包括分別與獨立控制部分脈寬調(diào)制信號輸出端相連接的水平舵機與垂直舵機，該定位部 分根據(jù)脈寬調(diào)制信號的占空比來控制水平舵與垂直舵舵角的大小與轉(zhuǎn)向，從而使自治式水 下機器人具備定位能力。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，其特征是，所述的推進部分 包括鋰電池、速度控制器和推進電機，其中速度控制器分別與鋰電池和PC104嵌入式計 算機相連并分別接收工作電壓和脈寬調(diào)制信號，推進電機與速度控制器相連接并根據(jù)速度 控制器輸出的脈寬調(diào)制信號的占空比實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，鋰電池分別與獨立控制部分、定位 部分和傳感部分相連接并輸出工作電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，其特征是，所述的傳感部分 包括分別與PC104嵌入式計算機相連接的集成GPS的慣性制導儀、羅盤、數(shù)傳電臺、壓力傳 感器和無線網(wǎng)卡，其中慣性制導儀向PC104嵌入式計算機輸出自治式水下機器人的位置 與三軸運動速度，羅盤向PC104嵌入式計算機輸出自治式水下機器人的姿態(tài)角和航向角， 數(shù)傳電臺向PC104嵌入式計算機輸出其他自治式水下機器人的相對位置信息，壓力傳感器 向PC104嵌入式計算機輸出自治式水下機器人的下潛深度，無線網(wǎng)卡通過無線方式與水上 控制模塊相連接，接收操作人員的控制指令并輸出自治式水下機器人的運動狀態(tài)信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，其特征是，所述的獨立控制 部分包括PC104嵌入式計算機和與之通過堆棧方式相連接的PC104電壓保護模塊，其中 PC104電壓保護模塊的輸入端與推進部分的鋰電池相連接并對PC104嵌入式計算機進行電 壓過載和過熱保護，PC104嵌入式計算機內(nèi)部裝有Windows XP embedded操作系統(tǒng)并進行 數(shù)據(jù)信息處理與輸出脈寬調(diào)制信號。
全文摘要
一種海洋探測技術(shù)領(lǐng)域的移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)模擬平臺，包括位于水面的控制模塊、與控制模塊相連接的無線路由器以及通過無線信號連接的若干個自治式水下機器人。其中的自治式水下機器人包括殼體、定位部分、推進部分、傳感部分和獨立控制部分，其中定位部分、推進部分、傳感部分和獨立控制部分分別置于水密殼體內(nèi)，定位部分、推進部分和傳感部分分別與獨立控制部分相連接，并且定位部分、推進部分依次接收獨立控制部分輸出的脈寬調(diào)制信號，推進部分的輸出端與定位部分和傳感部分相連接并輸出工作電壓，傳感部分輸出傳感信息至獨立控制部分進行決策計算。本發(fā)明可以用于模擬移動式水下觀測網(wǎng)絡(luò)，從而可以對其關(guān)鍵技術(shù)加以試驗驗證。
文檔編號H04W84/12GK101854390SQ201010181630
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者馮正平, 尚桂楊, 蒲浩 申請人:上海交通大學