一种深海长期驻留式AUV探测系统及方法与流程

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一种深海长期驻留式auv探测系统及方法
技术领域
1.本发明涉及深海探测技术领域，具体是一种深海长期驻留式auv探测系统及方法。

背景技术：

2.auv是无人水下航行器的一种，潜航器无人水下航行器技术是指应用于无人水下航行器，保证其能够顺利执行各种使命的技术。通过搭载传感器和不同任务模块,执行多种任务的水下自航行装备。又称水下无人运载器、无人潜器和水下无人作战平台等。无人水下航行器用于水下警戒、侦察、监视、跟踪、探雷、布雷、中继通信和隐蔽攻击，以及执行水文测量、海洋学研究等任务。可由飞机、舰艇携带到作战海区或从岸上直接布放。可潜入水下长时间远程自主航行和作战，具有小型化、智能化、机动范围大和隐蔽性好等特点；按照控制方式，可分为遥控型水下航行器（rov）和自主式水下航行器（auv）；按照重量大小，可分为微型水下航行器（重量10～50千克）、轻型水下航行器（重量200～250千克）、重型水下航行器（重量2000～10000千克）、巨型水下航行器（重量超过10吨）。不论何种潜航器，基于其结构设置，而在深海监测中不能执行长期驻留，需要多次补给。其次在水下长期探测中auv需要具备的三种主要功能，即巡航探测、坐底监测和自主对接。
3.为了满足长期探测需求，本发明提出一种深海长期驻留式auv探测系统及方法。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种深海长期驻留式auv探测系统及方法，本发明通过在海底应配置驻留坞站，驻留坞站同时搭载声学与光学导引设备，用于实现auv与驻留坞站的高精度自主对接，驻留坞站还搭载无线充电与数据传输装置，用于实现auv与深海之间能源与数据的交换，实现了auv的深海长期驻留。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种深海长期驻留式auv探测系统，所述系统包括驻留坞站和auv本体：驻留坞站，所述驻留坞站集成在深海上，其包括用于为auv本体充电的充电系统、用于进行信息传输的传输系统、用于引导auv本体与驻留坞站对接的引导系统、用于检测auv本体充电以及硬件情况的检测模块和用于执行控制操作的控制系统；auv本体，所述auv本体用于进行深海探测作业。
6.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述充电系统采用无线充电装置，充电功率不小于4 kw。
7.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述传输系统包括采用无线数据传输装置，且传输速率不小于20 mbps。
8.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述引导系统包括：定位通讯基阵，用于进行声引导；引导灯，用于进行补光；物理导向结构，用于提供方向引导；
磁力锁紧装置，用于固定auv本体。
9.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述auv本体包括：载体系统，包括舱体、浮力材料和框架；控制与导航系统，包括自动驾驶单元、无线数据模块、无线充电模块，所述无线数据模块和无线充电模块分ie与驻留坞站对接进行数据传输和充电使用；探测荷载，包括相控阵声呐、照相机和ctd浑浊度探测模块；引导模块，用于引导auv进入驻留坞站。
10.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述引导模块包括：惯性引导模块，用于对auv本体提供惯性引导；声学引导模块，用于接收定位通讯基阵发出的声信号实现声学引导；双目视觉引导模块，用于进行双目视觉引导。
11.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述auv本体还包括动力系统，所述动力系统包括：浮潜模块，用于实现auv的浮潜；推进系统，用于实现auv的运动。
12.一种深海长期驻留式auv探测方法，所述方法包括如下步骤：步骤s100,海底着陆点搜索，通过水面支持系统进行任务规划、设备检查，并布放auv，建立着陆点选取标准，接着通过auv进行地形地貌特征提取和异物识别，然后依照选取标准搜索着陆点并选取;步骤s200，在海底软着陆，检测海流方向，接着进行着底过程艏向导引，然后依据洋流方向控制软着陆姿态;步骤s300, 海底长期驻留探测，在需要补给的时候返回驻留坞站补给并进行信息交互，将信息传送给水面支持系统，在补给结束后返回步骤s100,进行下一轮检测，同时通过auv多次采集着陆信息建立着陆评估数据集、接着依据数据进行着陆稳定性评估，并建立沉陷预警和调整机制。
13.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述步骤s300中，驻留补给流程如下：步骤s310，首先auv本体进行水面下潜到驻留坞站驻留，其中所述auv本体可在驻留坞站长期驻留，在驻留期间，即出站前，auv本体在驻留坞站中进行休眠充电，即将出发的时候唤醒auv，并同步进行硬件检测，确定检测无误之后驶出驻留坞站；步骤s320，在出驻留坞站时，首先定点移动到使命初始点，其中初始点以驻留坞站为基础参照点选取；步骤s330，出驻留坞站后，auv本体执行探测任务，并在执行完探测任务后通过双目视觉auv相对坞站姿位估计并结合扰动补偿信息辅助auv本体与驻留坞站对接，对接后进行无线充电和无线数据传输，并驻留，等待下一次指令驶出驻留坞站。
14.作为本发明所述的一种优选实施方案，所述双目视觉auv相对坞站姿位估计结合了惯性引导、声学引导以及双目视觉引导三种方式来估计auv和驻留坞站相对位置；所述扰动补偿信息通过分析洋流以及其他外力因素对auv本体航行影响来提供扰动补偿。
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与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用基于双目视觉的高精度自主对接技术，有利于auv本体水下与驻留坞站的准确对接；本发明通过在海底应配置驻留坞
站，驻留坞站同时搭载声学与光学导引设备，用于实现auv与驻留坞站的高精度自主对接，驻留坞站还搭载无线充电与数据传输装置，用于实现auv与深海之间能源与数据的交换，实现了auv的深海长期驻留。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
17.图1为本发明一种深海长期驻留式auv探测系统框图；图2为本发明一种深海长期驻留式auv探测系统的auv本体结构图；图3为本发明一种深海长期驻留式auv探测系统的驻留坞站结构图；图4为本发明一种深海长期驻留式auv探测方法的流程图；图5为本发明一种深海长期驻留式auv探测方法的驻留流程图；图6为本发明一种深海长期驻留式auv探测方法的图实施例原理图。
具体实施方式
18.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
19.请参阅图1-3，本发明提供一种深海长期驻留式auv探测系统，所述系统包括驻留坞站和auv本体：驻留坞站100，所述驻留坞站集成在深海上，其包括用于为auv本体充电的充电系统、用于进行信息传输的传输系统、用于引导auv本体与驻留坞站对接的引导系统、用于检测auv本体充电以及硬件情况的检测模块和用于执行控制操作的控制系统；auv本体200，所述auv本体用于进行深海探测作业；在本实施例中，水面部分操作由水面支持系统提供，其为现有技术中深海探测任务中用于执行水面维护系统，如设备的安放，在水面的维护，信息更新等，所述驻留坞站集成在深海上设置在水下，且驻留坞站的供电和通信模块均与深海联通，所述auv本体，包括载体系统、导航控制系统和探测在和系统，其中载体系统作为主体结构支撑，主要由舱体、福利材料和框架组成；导航控制系统包括，自动驾驶单元、双目相机、无线充电模块、无线数据传输模块、dvl、fog、高度计、深度计、gps、声通超短模块、抛载模块、频闪灯、应急电池、声通信机、无线电、二次电池、推进器、推进控制舱；所述探测荷载系统包括相控阵声呐、照相机、ctd浊度模块等；对于本实施例所述水面支持系统，其主要包括水面控制系统、能源补给维护系统、运行保障系统和布放回收系统，且上述系统基于现有技术，主要用于对auv本体水面工作的补给、维护，布放和远程控制；且驻留坞站与auv中预留相同规格的测试实验预留接口。
20.进一步的，所述充电系统采用无线充电装置，充电功率不小于4kw，其中无线充电
系统选用国内成熟技术，采用无线充电的方式，方便auv在水下补给充电。
21.进一步的，所述传输系统包括采用无线数据传输装置，且传输速率不小于20 mbps，无线数据传输选用国内成熟技术，采用无线数据传输的方式，方便auv在水下进行信息交互。
22.进一步的，所述引导系统包括：定位通讯基阵，用于进行声引导；引导灯，用于进行补光，以及光线引导；物理导向结构，用于提供方向引导；磁力锁紧装置，用于固定auv本体；在本实施例中，物理导向结构依据auv外形本体进行设计，如设置成v字形结构，其开口较大，方便实际使用时，auv进入，并最终导向实际驻留位，其中磁力锁紧装置采用电磁技术将auv本体固定夹紧，有利于水下操作，同时可放置洋流对auv本体的影响。
23.进一步的，请参阅图2，所述auv本体包括：载体系统，包括舱体、浮力材料和框架；控制与导航系统，包括自动驾驶单元、无线数据模块、无线充电模块，所述无线数据模块和无线充电模块分ie与驻留坞站对接进行数据传输和充电使用，其中控制与导航系统中采用；探测荷载，包括相控阵声呐、照相机和ctd浑浊度探测模块，其中探测模块并不固定，依据所探测项目酌情增设；引导模块，用于引导auv进入驻留坞站；在本实施例中，auv 需要搭载如下设备一完成探测。
24.（a）浮力调节装置，用于实现坐底着陆功能；（b）相控阵多普勒声纳，用于对采矿羽流进行高分辨率成像；（c）深海高清照相机及配套闪光灯，用于获取近底层羽流沉积物及生物的高分辨率光学照片；（d）温盐深、浊度、溶解氧等传感器，用于获取水体监测数据。
25.进一步的，请参阅图6，所述引导模块包括：惯性引导模块，用于对auv本体提供惯性引导；声学引导模块，用于接收定位通讯基阵发出的声信号实现声学引导；双目视觉引导模块，用于进行双目视觉引导；在本实施例中，惯性引导模块是指采用gnss(bds/gps系统联合定位)/ins组合导航定位技术，凭借高精度六轴惯性器件和成熟的惯性算法，无需里程计或速度信号接入，且无严格安装要求，即使在海底弱信号环境下也能为装置提供高精度的定位模块；所述声学引导模块用于配合定位通讯基阵进行，声学定位引导；所述双目视觉引导模块主要通过双目相机实现，通过双目视觉引导策略的实施，有利于弥补，单目视觉方法由于缺少深度信息，其导引位姿感知精度无法满足对接需求。
26.进一步的，所述auv本体还包括动力系统，所述动力系统包括：浮潜模块，用于实现auv的浮潜；推进系统，用于实现auv的运动；
在本实施例中，浮潜模块采用现有技术中成熟的浮力调节装置结合推进系统，有利于实现装置的，巡航探测和坐底检测任务。
27.综上所述，为满足自主移动监测和定点监测的不同工作模式需求，本系统中auv应搭载以下装置或探测载荷：（a）浮力调节装置，用于实现坐底着陆功能；（b）相控阵多普勒声纳，用于对采矿羽流进行高分辨率成像；（c）深海高清照相机及配套闪光灯，用于获取近底层羽流沉积物及生物的高分辨率光学照片；（d）温盐深、浊度、溶解氧等传感器，用于获取水体监测数据；本实施例为了完成auv的深海长期驻留，在海底应配置驻留坞站，驻留坞站同时搭载声学与光学导引设备，用于实现auv与驻留坞站的高精度自主对接，此外，驻留坞站还搭载无线充电与数据传输装置，用于实现auv与深海之间能源与数据的交换。
实施例
28.请参阅图4-图6，一种深海长期驻留式auv探测方法，所述方法包括如下步骤：步骤s100,海底着陆点搜索，通过水面支持系统进行任务规划、设备检查，并布放auv，建立着陆点选取标准，接着通过auv进行地形地貌特征提取和异物识别，然后依照选取标准搜索着陆点并选取;步骤s200，在海底软着陆，检测海流方向，接着进行着底过程艏向导引，然后依据洋流方向控制软着陆姿态;步骤s300, 海底长期驻留探测，在需要补给的时候返回驻留坞站补给并进行信息交互，将信息传送给水面支持系统，在补给结束后返回步骤s100,进行下一轮检测，同时通过auv多次采集着陆信息建立着陆评估数据集、接着依据数据进行着陆稳定性评估，并建立沉陷预警和调整机制。
29.进一步的，请参阅图5，所述步骤s300中，驻留补给流程如下：步骤s310，首先auv本体进行水面下潜到驻留坞站驻留，其中所述auv本体可在驻留坞站长期驻留，在驻留期间，即出站前，auv本体在驻留坞站中进行休眠充电，即将出发的时候唤醒auv，并同步进行硬件检测，确定检测无误之后驶出驻留坞站；步骤s320，在出驻留坞站时，首先定点移动到使命初始点，其中初始点以驻留坞站为基础参照点选取；步骤s330，出驻留坞站后，auv本体执行探测任务，并在执行完探测任务后通过双目视觉auv相对坞站姿位估计并结合扰动补偿信息辅助auv本体与驻留坞站对接，对接后进行无线充电和无线数据传输，并驻留，等待下一次指令驶出驻留坞站；进一步的如图所述，在本步骤探测完成后也可选择抛载上浮到水面，以供回收维护。
30.作进一步的，请参阅图6，所述双目视觉auv相对坞站姿位估计结合了惯性引导、声学引导以及双目视觉引导三种方式来估计auv和驻留坞站相对位置；所述扰动补偿信息通过分析洋流以及其他外力因素对auv本体航行影响来提供扰动补偿。
31.综上所述，本实施例中，auv对接可以划分为归航段、声学导引段和视觉导引段，在归航阶段，auv采用惯性导引策略行驶至声学对接区，进入声学导引阶段，联合声学信息与惯性导航信息进行远距离对接导引，直至视觉导引区，此时auv与对接装置距离较近时，通常采用精度较高的视觉导引方法，考虑到auv的驻留坞站的对接口狭窄，单目视觉方法由于缺少深度信息，其导引位姿感知精度无法满足对接需求，因此，采用双目视觉导引策略；进
一步的，本方法在双目视觉引导的时候还进行对接图像增强，具体包括图像复原、对比度增强、亮度增强，结合双目特征提取匹配，以及惯性和声学引导，在结合基于卡尔曼滤波的auv相对坞站位姿态估计方法，估计auv的姿态信息；本发明通过着陆到海底并在海底长时间驻留，auv可以实现对底栖生物、近海底羽流扩散及其再沉积过程的长时间监测；进一步的，为了控制auv实现软着陆，降低对海底观测对象的影响和自身所受冲击；获得有利于海底长期驻留的auv目标朝向，以尽量消除驻留期间因海流冲击带来的滑动和倾覆风险；判断和评估auv着底稳定性；在长期驻留期间有效进行auv沉陷预警，防止出现auv被困，上提供了监测方法。
32.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
33.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种深海长期驻留式auv探测系统，其特征在于，所述系统包括驻留坞站和auv本体：驻留坞站，所述驻留坞站集成在深海上，其包括用于为auv本体充电的充电系统、用于进行信息传输的传输系统、用于引导auv本体与驻留坞站对接的引导系统、用于检测auv本体充电以及硬件情况的检测模块和用于执行控制操作的控制系统；auv本体，所述auv本体用于进行深海探测作业。2.根据权利要求1所述的一种深海长期驻留式auv探测系统，其特征在于，所述充电系统采用无线充电装置，充电功率不小于4 kw。3.根据权利要求2所述的一种深海长期驻留式auv探测系统，其特征在于，所述传输系统包括采用无线数据传输装置，且传输速率不小于20 mbps。4.根据权利要求3所述的一种深海长期驻留式auv探测系统，其特征在于，所述引导系统包括：定位通讯基阵，用于进行声引导；引导灯，用于进行补光；物理导向结构，用于提供方向引导；磁力锁紧装置，用于固定auv本体。5.根据权利要求4所述的一种深海长期驻留式auv探测系统，其特征在于，所述auv本体包括：载体系统，包括舱体、浮力材料和框架；控制与导航系统，包括自动驾驶单元、无线数据模块、无线充电模块，所述无线数据模块和无线充电模块分ie与驻留坞站对接进行数据传输和充电使用；探测荷载，包括相控阵声呐、照相机和ctd浑浊度探测模块；引导模块，用于引导auv进入驻留坞站。6.根据权利要求5所述的一种深海长期驻留式auv探测系统，其特征在于，所述引导模块包括：惯性引导模块，用于对auv本体提供惯性引导；声学引导模块，用于接收定位通讯基阵发出的声信号实现声学引导；双目视觉引导模块，用于进行双目视觉引导。7.根据权利要求6所述的一种深海长期驻留式auv探测系统，其特征在于，所述auv本体还包括动力系统，所述动力系统包括：浮潜模块，用于实现auv的浮潜；推进系统，用于实现auv的运动。8.一种基于权利要求1-7所述的深海长期驻留式auv探测系统的探测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤s100,海底着陆点搜索，通过水面支持系统进行任务规划、设备检查，并布放auv，建立着陆点选取标准，接着通过auv进行地形地貌特征提取和异物识别，然后依照选取标准搜索着陆点并选取;步骤s200，在海底软着陆，检测海流方向，接着进行着底过程艏向导引，然后依据洋流方向控制软着陆姿态;步骤s300, 海底长期驻留探测，在需要补给的时候返回驻留坞站补给并进行信息交
互，将信息传送给水面支持系统，在补给结束后返回步骤s100,进行下一轮检测，同时通过auv多次采集着陆信息建立着陆评估数据集、接着依据数据进行着陆稳定性评估，并建立沉陷预警和调整机制。9.根据权利要求8所述的一种深海长期驻留式auv探测方法，其特征在于，所述步骤s300中，驻留补给流程如下：步骤s310，首先auv本体进行水面下潜到驻留坞站驻留，其中所述auv本体可在驻留坞站长期驻留，在驻留期间，即出站前，auv本体在驻留坞站中进行休眠充电，即将出发的时候唤醒auv，并同步进行硬件检测，确定检测无误之后驶出驻留坞站；步骤s320，在出驻留坞站时，首先定点移动到使命初始点，其中初始点以驻留坞站为基础参照点选取；步骤s330，出驻留坞站后，auv本体执行探测任务，并在执行完探测任务后通过双目视觉auv相对坞站姿位估计并结合扰动补偿信息辅助auv本体与驻留坞站对接，对接后进行无线充电和无线数据传输，并驻留，等待下一次指令驶出驻留坞站。10.根据权利要求9所述的一种深海长期驻留式auv探测方法，其特征在于，所述双目视觉auv相对坞站姿位估计结合了惯性引导、声学引导以及双目视觉引导三种方式来估计auv和驻留坞站相对位置；所述扰动补偿信息通过分析洋流以及其他外力因素对auv本体航行影响来提供扰动补偿。

技术总结

本发明涉及深海探测技术领域，具体公开了一种深海长期驻留式AUV探测系统及方法，所述系统包括：驻留坞站，所述驻留坞站集成在深海上，其包括用于为AUV本体充电的充电系统、用于进行信息传输的传输系统、用于引导AUV本体与驻留坞站对接的引导系统等内容；本发明利用基于双目视觉的高精度自主对接技术，有利于AUV本体水下与驻留坞站的准确对接；本发明通过在海底应配置驻留坞站，驻留坞站同时搭载声学与光学导引设备，用于实现AUV与驻留坞站的高精度自主对接，驻留坞站还搭载无线充电与数据传输装置，用于实现AUV与深海之间能源与数据的交换，实现了AUV的深海长期驻留。实现了AUV的深海长期驻留。实现了AUV的深海长期驻留。