一种水下航行器导航系统及导航方法与流程

本发明属于水下航行器导航技术领域，具体涉及一种水下航行器导航系统及导航方法。

背景技术：

为了开发海洋资源，寻找能源、矿产以及生物资源等，人类利用自治水下航行器进行海洋勘探。它是一种将浮标技术与水下机器人技术相结合、依靠自身净浮力驱动的新型水下机器人系统。水下滑翔机采用内置的姿态调整机构和无外挂的驱动装置，减少了载体的外置装置，避免了对载体线型的破坏，大大改善了系统的水动力特性。水下滑翔机作为一种新型的自治水下航行器(auv)，具有成本低、航程远、下潜深、航行时间长、具有自主导航能力等特性，其设计目标是成为在大深度、大范围内运动的水下观测平台，通过挂载不同类型的传感器，成为海底观测平台中不可或缺的一部分。

水下滑翔机航行的目的是对海洋环境进行采样，这就涉及两个问题：

1.水下滑翔机的路径规划，使得水下滑翔机采集到的数据是实验人员所需区域的有效数据。

2.水下滑翔机的航行状态，使得航行的能耗最低。

对于问题1，目前滑翔机的航行路径解决方案一般采用固定路径的方法。即在投放滑翔机时已将航行路径输入到滑翔机控制系统，在海试过程中，滑翔机将根据存储在本机中的航行路径进行导航。

对于问题2，目前滑翔机技术的解决方案是在航行时，采用电子罗盘、姿态和航向参考系统提供滑翔机在水下的姿态信息，通过姿态调整算法对自身的航位进行推算。

为解决上述两个技术问题，目前水下滑翔机的航行导航方案主要为：用户设定航行起止点。auv确定的航行任务后，通过gps获得起始经纬度，根据给定目标点的经纬度，结合罗盘测得的偏航角，明确起始航向。滑翔机先做螺旋运动调整航向，然后在垂直纵剖面做锯齿形运动。每次下潜上浮后在水面通过gps纠正航向，以逐渐纠偏的方式逼近目标点。

但是，现有技术主要有以下不足：

1.水下滑翔机只能在上浮获得gps信息后，再规划下一次下潜的导航策略。由于水下滑翔机每次下潜时间较长，在下潜过程中，如果水下滑翔机航行偏离预定航线，不能得到及时纠正。

2.在实际海况中，海流的流向和流速经常发生变化，洋流对于滑翔机的航行路线和水下姿态都有比较大的影响，而现有技术在航行设计时，并不能将航线上的海流影响纳入航线的设计因素中。如果在航线设计时不考虑水下滑翔机附近海域的海况情况，可能会加大滑翔机航行时的功耗。

3.海洋的物理信息可通过浮标、潜标等观测网络获取，水下滑翔机的航线如果不考虑已获得的海况信息，很可能出现重复获取数据的情况。

因此，需要设计一种新型的auv导航系统，一方面能综合考虑已获取的海洋物理信息，规划航线，避免重复获取数据；一方面能达到节省功耗的效果，还能有效降低海流对auv航线的影响。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于大数据分析和海洋模式模拟的智能水下航行器导航系统及导航方法，auv每次上浮可通过导航系统获得新的航行路线规划，以及下一次下潜时需要完成的控制程序，根据预定动作调整auv在水中的航行姿态。auv得到的导航信息，在执行下一次下潜任务时，根据导航信息执行相应的航行动作和航行路线，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低海流对auv航线的影响。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种水下航行器导航系统，包括海洋物联网感知体系、海洋模拟器、航线控制器和水下滑翔机；

所述海洋物联网感知体系，用于收集海洋物理及化学信息，并将海洋数据传输至海洋模拟器；

所述水下滑翔机，将自身状态信息和位置信息传输至航线控制器，并接受航线控制器发送的控制指令信息；

所述海洋模拟器，是以超级计算机为基础的大型计算机集群，根据接收的海洋数据模拟海洋状态并存储，还可以通过航线控制器获取水下滑翔机的数据，海洋模拟器将模拟计算得到的洋流信息发送至航线控制器；

所述航线控制器，根据接收的水下滑翔机的位置信息及洋流信息，得到滑翔机所处位置的洋流情况，输出水下滑翔机姿态调整程序至水下滑翔机；并规划滑翔机航行路线、传输至水下滑翔机。

进一步的，所述海洋物联网感知体系包括布放在海域的、设有用于采集海洋物理及化学信息的传感器的浮标、潜标、科考船和海洋遥感卫星，还包括用于存储海洋数据的云存储端。

进一步的，所述海洋模拟器还包括海洋实时数据获取模块、数据处理模块、存储模块、数据传输模块，海洋实时数据获取模块获取海洋物联网感知体系的云存储端存储的海洋数据，通过数据处理模块模拟仿真海洋状态，存储在存储模块，并传输至航线控制器，包括但不限于洋流信息、天气状况、风场。

进一步的，所述水下滑翔机设有通讯模块和导航模块，还设有姿态调节单元，姿态调节单元包括滚转姿态调节单元和俯仰姿态调节单元；导航模块通过通讯模块接收航线控制器发送的水下滑翔机姿态调整程序和航行路线，并传输至姿态调节单元。

优选的是，所述水下滑翔机与航线控制器之间通过卫星通信系统通信连接。

本发明还提供一种水下航行器导航方法，利用前述的水下航行器导航系统进行，包括以下步骤：

(1)搭建海洋物联网感知体系：在海域上布放浮标、潜标、科考船和海洋遥感卫星，并在各设备上安装传感器，实时采集海洋数据，存储在云存储端；

(2)海洋状态模拟仿真：通过海洋模拟器模拟仿真海洋状态，包括但不限于洋流信息、天气状况、风场，并将模拟仿真计算的洋流信息发送至航线控制器；

(3)航线规划：根据已知海域的海况信息和水下滑翔机的位置信息，确定目前最需要采集数据的海域，将目标海域的位置信息纳入航线设计中，重新规划滑翔机航行路线，使得水下滑翔机收集到的海洋数据更符合整个海洋观测系统的需要；

(4)水下滑翔机姿态动态调整：根据水下滑翔机的位置信息和洋流信息，计算得出水下滑翔机所处位置的洋流信息；将洋流影响纳入滑翔机姿态调整算法、确定滑翔机姿态调整程序，发送至水下滑翔机，动态调整水下滑翔机的姿态。

进一步的，步骤(2)中，海洋模拟器通过获取海洋数据，建立海洋大数据库；基于超级计算机集群的计算能力，通过模拟仿真的方法对海洋状态进行模拟和预测，将仿真模拟得到洋流信息传输至航线控制器；同时可实时从航线控制器获取水下滑翔机的数据。

进一步的，步骤(3)中，航线控制器获取水下滑翔机的位置信息，并根据已经通过海洋物联网感知体系获得的海况信息，判断当前尚缺少海洋信息的数据盲点，确定需要采集海洋信息的目标位置，重新规划航线，使得水下滑翔机航行到需要采集海洋信息的目标位置进行信息的采集，达到对海洋数据盲点的信息采集。

进一步的，步骤(4)中，根据滑翔机姿态调整算法和洋流情况，计算出最优化姿态调整程序，并通过卫星通信系统传输至水下滑翔机；水下滑翔机通过姿态调节单元动态调整水下滑翔机的姿态，降低功耗。

与现有技术相比，本发明优点在于：

(1)滑翔机每次上浮可获得新的航线方案，以及下一次下潜时需要完成的控制程序，滑翔机再次下潜时，一方面结合海洋数据采集的应用需求，根据导航信息执行相应的航行路线，可通过导航系统将滑翔机派往最需要采集数据的目标位置海域，进行数据采集，达到对海洋数据盲点的信息采集；

(2)另一方面，根据预定动作调整在水中的航行姿态，执行相应的航行动作，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低洋流对滑翔机航线的影响，及时纠正，避免滑翔机偏离预定航线，达到航线优化的目的。

(3)在设计水下航行姿态控制程序时不再是简单的固定方法，而是根据具体海域的海况条件动态调整，这样的设计可进一步降低滑翔机航行时的功耗。

附图说明

图1为本发明的导航系统的框图；

图2为本发明的导航方法流程简图；

图3为本发明姿态调整算法中坐标系定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，水下航行器导航系统，包括海洋物联网感知体系、海洋模拟器、航线控制器和水下滑翔机。

其中，海洋物联网感知体系，用于收集海洋物理及化学信息，并将海洋数据传输至海洋模拟器。海洋物联网感知体系主要是由布放在全球海域的、设有用于采集海洋物理及化学信息的传感器的浮标、潜标、科考船和海洋遥感卫星组成，还包括了用于存储海洋数据的云存储端组成。为便于利用现有技术成果，可以直接利用已知的全球海洋观测网，也可以根据需要重新搭建智能浮标网等，更全面的获取海洋数据。

海洋模拟器，是以超级计算机为基础的大型计算机集群，通过大数据挖掘及海洋模拟算法(数值模拟仿真算法等现有技术的算法均可以实现，此处不再赘述)，得到一定时间范围内(包括过去时间段和未来时间段)的全球海洋的洋流信息、天气状况、风场等海洋状态信息，海洋状态信息不仅可用于本实施例涉及的滑翔机姿态调整与航线控制，还可以与其他设备共享使用。海洋模拟器还可以通过航线控制器获取水下滑翔机的数据。海洋模拟器具有海洋实时数据获取模块、数据处理模块、存储模块、数据传输模块，海洋实时数据获取模块获取海洋物联网感知体系的云存储端存储的海洋数据，通过数据处理模块模拟仿真海洋状态，存储在存储模块，并传输至航线控制器。

海洋模拟器将仿真模拟得到的洋流信息推送到航线控制器。航线控制器接收水下滑翔机的位置信息及洋流信息，能得到滑翔机所处位置的洋流情况。航线控制器主要任务有两个。一个是根据已知海域的海况信息和滑翔机的位置信息规划滑翔机航行路线，并传输至水下滑翔机，使得水下滑翔机可航行到最需要采集数据海域进行信息的采集。另一方面，根据水下滑翔机将要航行到的海洋区域的海况，根据水下滑翔机航行调整算法，输出水下滑翔机姿态调整程序，至水下滑翔机。

水下滑翔机的机械结构设计上可直接应用现有技术的滑翔机机械结构，此处不再赘述，区别在于数据的传输与控制方法上。本发明的水下滑翔机，将自身状态信息和位置信息传输至前述的航线控制器，并接受航线控制器发送的控制指令信息，包括航线规划信息和姿态调整信息。

本实施例只对其与本发明创新点相关部分进行简单说明，其他结构此处不再说明，水下滑翔机设有通讯模块和导航模块，还设有姿态调节单元，导航模块通过通讯模块接收航线控制器发送的水下滑翔机姿态调整程序和航行路线，并传输至姿态调节单元。姿态调节单元包括滚转姿态调节单元和俯仰姿态调节单元。姿态调节的主要原理是电机和齿轮组通过对压载重块的调节，仰俯和滚转两个姿态对滑翔机进行调节。

通信方式方面，水下滑翔机与航线控制器之间通过卫星通信系统通信连接。

下面结合前述的导航系统详细说明水下航行器导航方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)首先要搭建海洋物联网感知体系。

在海域上布放浮标、潜标、科考船和海洋遥感卫星，并在各设备上安装智能传感器，实时采集海洋数据，存储在云存储端。可以直接利用已经布好的全球海洋观测网、智能浮标网，直接获取全球海洋观测网采集的海洋信息；也可以根据需求在现有全球海洋观测网的基础上，增加浮标等布置；还可以重新布放浮漂、潜标等，搭建一个新的海洋物联网感知体系。

(2)海洋状态模拟仿真。

组建以超级计算机为基础的大型计算机集群作为海洋模拟器，海洋模拟器通过从海洋物联网感知体系获取海洋数据，建立海洋大数据库；基于超级计算机集群的计算能力，通过模拟仿真的方法对海洋状态进行模拟，海洋状态包括但不限于洋流信息、天气状况、风场，并将模拟仿真计算的洋流信息发送至航线控制器；海洋模拟器同时可通过航线控制器获取水下滑翔机的自身状态信息及位置信息。

(3)海洋模拟器将仿真模拟得到的海洋信息传输至航线控制器后，航线控制器主要任务之一是规划水下滑翔机的航线规划。

航线控制器获取水下滑翔机的位置信息，并根据已经通过海洋物联网感知体系获得的海况信息，判断当前尚缺少海洋信息的数据盲点，确定目前最需要采集海洋信息的海域(也就是滑翔机下一次下潜的目标位置)。确定方法此处不进行限定，可以是从数据模型角度分析，如cesm中的pop2海洋模型。每个耦合模型都会有“格栅”的概念，即模拟精度，如模拟到1千平方公里的海面区域，或者模拟到0.5平方公里的海面区域。模拟器会将要模拟的海域分成若干格栅，而我们需要采集格栅内的海洋数据来推算格栅内的整体海洋状况。

将目标位置信息纳入航线设计中，重新规划滑翔机航行路线，使得水下滑翔机航行到需要采集海洋信息的目标位置进行信息的采集，达到对海洋数据盲点的信息采集，可以使获取到的数据更全面，使得水下滑翔机收集到的海洋数据更符合整个海洋观测系统的需要。

(4)航线控制器的另一个重要任务是输出水下滑翔机姿态控制程序指令，进行水下滑翔机姿态动态调整。

根据水下滑翔机的位置信息和洋流信息，航线控制器可以计算得出水下滑翔机所处位置的洋流信息；并将洋流影响纳入滑翔机姿态调整算法、确定滑翔机最优化姿态调整程序，并通过卫星通信系统传输至水下滑翔机，动态调整水下滑翔机的姿态。水下滑翔机接收到水下滑翔机姿态控制程序指令后，通过姿态调节单元及时的动态调整水下滑翔机的姿态，通过实时动态调整滑翔机的姿态，达到功耗降低的目的。

目前的滑翔机具体的姿态调整的方法，有比较完备的姿态控制方法。下面对滑翔机的姿态调整方法进行详尽说明。主要分为以下几个方面：1.滑翔机坐标系建立。2.运动变量定义及坐标系转换关系。3.滑翔机动力学方程。4.动力学数值仿真。

一、滑翔机坐标系建立

进行姿态控制的第一步是建立坐标系，如图3所示，建立以下三个坐标系以便分析水下滑翔机的运动过程。

1.地面坐标系

地面坐标系记为se，主要用来描述水下滑翔机在海洋中的相对位置，为便于讨论，将水下滑翔机的入水点作为坐标原点，ex轴在水平面内，指向滑翔机初始运动方向，ey轴垂直水面朝下，ez轴分别与ex轴和ey轴垂直，方向由坐标系右手定则决定。

2.滑翔机本体坐标系

本体坐标系记为sb，用来描述滑翔机在水下的姿态。选取滑翔机浮心b作为本体坐标系原点，bx轴沿滑翔机的纵轴，向前为正，by轴位于滑翔机纵剖面内且垂直于bx轴，当滑翔机在海面正常漂浮时，其指向下为正，bz轴垂直于bx轴和by轴，方向满足右手定则。

3.速度坐标系

速度坐标系记为sv，是与滑翔机航行速度矢量相联系的坐标系原点与本体坐标系原点重合，vx与滑翔机航行速度矢量重合，vy位于航行器的纵对称面内，垂直于vx并指向下方。vz垂直于vxvy面，方向服从右手定则。

二、运动变量定义及坐标系转换关系

根据建立的坐标系，滑翔机在空间中的姿态可用本体坐标系与地面坐标系之间的三个夹角ψ、θ、φ来确定。

俯仰角θ：为本体坐标系bx轴与地面坐标系exey平面的夹角，当滑翔机头部偏向exey平面向上时，θ为正值。

横滚角φ：为本体坐标系的bxby平面与地面坐标系exey平面间的夹角，也可以表示为本体坐标系by轴与垂直于地面坐标系exey平面且通过bx轴的垂直面的夹角。从滑翔机尾部朝头部方向看，如果by轴偏向垂直面的右侧，则φ为正值。

偏航角ψ：为本体坐标系bx轴在地面坐标系exez平面内的投影与ex轴的夹角，当滑翔机头部偏向ex轴外侧时，ψ为正值。

ψ、θ、φ描述水下滑翔机空间的转动姿态，三者符合右手旋转法则。

三个坐标系之间存在以下转换关系：

1.地面坐标系se与本体坐标系sb之间的转换关系如下面方程(1)所示：

2.速度坐标系和本体坐标系之间的关系的转换关系

航行器在航行过程中相对流体介质的姿态可以用攻角和侧滑角来描述。其中攻角α为航行速度矢量v在本体坐标系的bxy平面内的投影与轴bx之间的夹角，当速度矢量v偏向航行器头部下方时，α为正值。侧滑角β为航行速度矢量v与本体坐标系bxy平面之间的夹角，如果速度v偏向航行器头部右侧，则β为正值。

本体坐标系与速度坐标系之间的位置转换关系是由攻角α和侧滑角β来确定的，于是，两坐标系之间的坐标变换矩阵如下所示：

三、滑翔机运动学方程

滑翔机在空间运动有六个自由度，其中包括三个平移运动(进退、侧移、潜浮)和三个转动(横滚、俯仰、偏航)根据上文中的坐标系，对滑翔机的各个变量进行定义。

浮心在地面坐标系的位置坐标为(x，y，z)，浮心速度矢量为浮心处的速度矢量在本体坐标系下的坐标为(u,v,w)。由前文给出的本体坐标系与地面坐标系转换关系可得：

进一步展开得

对上式进行积分，便可得滑翔机在水下的运动轨迹。

水下滑翔机受力分析：

滑翔机在水下航行时，受到的力包括重力、浮力、水动力，水动力包括惯性流体动力、粘性流体动力，还包括洋流影响，本发明的关于滑翔机姿态调整的重点是将洋流影响纳入受力分析，讨论流体对航行器的影响。

fh(v,ω,v’,ω’)＝f(u,v,w,p,q,r)+g(u’,v’,w’,p’,q’,r’)+h(u’,v’,w’,p’,q’,r’)(6)

其中，fh(v,ω,v’,ω’)为水动力，f(u,v,w,p,q,r)为粘性流体动力，g(u’,v’,w’,p’,q’,r’)为惯性流体动力，h(u’,v’,w’,p’,q’,r’)为洋流影响力。

本实施例的洋流影响力h(u’,v’,w’,p’,q’,r’)是通过模拟仿真方法得到。已知目标位置，可以确定此处的洋流影响力，在进行水下滑翔机受力分析时直接将模拟仿真的洋流影响力纳入。

将上述方程(6)带入之前建立的坐标系，以及运动方程，得到滑翔机运动学方程。四、动力学数值仿真

利用航行器的数学模型求解动力学方程，数学模型主要分为四类，一类是航行器的物理参数(如质量，长度)一类是航行器的运动状态(线速度v，角速度ω)一类是水动力参数(洋流的流速，液体密度等)一类是控制参数。本发明可利用现有技术的数学模型对动力学方程进行求解，此处不再赘述。

实际中一般采用gambitfluent等软件对滑翔机状态进行模拟。需要说明的是，在对滑翔机的航线和水中姿态进行计算时，洋流的相关信息是通过海洋模拟器计算得到的。洋流信息作为状态变量带入到整个仿真模型中，可更准确的模拟航行器在相应海域的航行状态。对航行及时纠偏，同时根据洋流变化有效调整滑翔机水下姿态，以达到节能的目的。

综上所述，通过建立本发明的水下航行器导航系统对水下滑翔机进行导航，滑翔机每次上浮可获得新的航线方案，以及下一次下潜时需要完成的控制程序，包括滑翔机姿态调整程序，滑翔机再次下潜时，一方面结合海洋数据采集的应用需求，根据导航信息执行相应的航行路线，可通过导航系统将滑翔机派往最需要采集数据的目标位置海域，进行数据采集，达到对海洋数据盲点的信息采集；另一方面，根据预定动作调整在水中的航行姿态，执行相应的航行动作，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低洋流对滑翔机航线的影响，及时纠正，避免滑翔机偏离预定航线。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。