基于多ROV协同的水下不明运动目标侦测系统的制作方法

本发明属于海事水下监管领域，具体涉及一种基于多rov协同的水下不明运动目标侦测系统。
背景技术：
：目前声呐装置已广泛应用于水下科学考察、海事监管、水下勘探和海事应急救援等领域，因此声呐装置的研发和应用已成为水下科学研究的重中之重。它对于水下环境的监测具有重要的实际意义和明确的应用背景。遥控无人潜水器(rov)的核心部件是水下推进器和水下摄像系统，有时辅以导航、深度传感器等常规传感器。本体尺寸和重量较小，负荷较低。成本较低。目前已广泛应用与军队、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。由于水下环境复杂，光信号衰减严重，水质浑浊、水流速度等因素导致水下环境可见度低而不能采用光学设备远距离实时监控水下环境，应用声呐设备监测水下环境成为行之有效的方法。但声呐设备不能获取水下物体的真实形态和水下环境真实场景的缺陷。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多rov协同的水下不明运动目标侦测系统，能够加强海事监管水域水下安全防卫能力。本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于多rov协同的水下不明运动目标侦测系统，其特征在于：它包括水下固定声呐装置、目标识别系统客户端、rov控制系统和证据数据库；其中，水下固定声呐装置包括水下固定基座，水下固定基座上固定有声呐基阵；声呐基阵用于发射一定频率声波信号和接收自身发出声波的反射信号，从而对水下不明物uwuo的位置进行实时侦测；所述的目标识别系统客户端设置在水上，通过水密电缆与声呐基阵连接，用于根据声呐基阵的声波信号和反射信号以及结合从控制中心接收的rov信息确定的rov位置，通过算法计算uwuo的位置并预测uwuo的路径；rov控制系统包括控制中心、rov路径跟踪单元、光学摄像机、rov基座和遥控水下机器人rov，rov路径跟踪单元、光学摄像机、rov基座和rov的数量相等，且光学摄像机设置在rov上用于拍摄rov执行任务时水下环境的视频；控制中心用于接收uwuo的位置以及预测的uwuo的路径，对若干个rov路径跟踪单元发出拦截指令，rov基座接收rov路径跟踪单元的拦截指令，由工作人员控制对应的rov执行拦截任务，光学摄像机将拍摄的视频按拦截指令的接收路径原路返回到控制中心并进行显示；同时控制中心将rov的位置发送给所述的目标识别系统客户端；证据数据库用于存储rov编号以及与之对应的光学摄像机拍摄的视频和声呐探测信息，供用户通过数据库操作界面进行提取和存储。按上述系统，所述的目标识别系统客户端包括声呐信息处理单元、目标识别系统和声呐信息显示装置；其中，声呐信息处理单元用于利用卡尔曼滤波算法计算uwuo的位置并预测uwuo下一个时间节点的位置；目标识别系统将uwuo的历史路径和rov的位置发送到声呐信息显示装置进行显示，同时将uwuo的位置和uwuo下一个时间节点的具体位置发送至rov控制系统的控制中心。按上述系统，所述的水下固定基座上还设有用于采集环境参数的传感器组，通过水密电缆与所述的目标识别系统客户端连接。按上述系统，所述的传感器组包括流速计、温度计和高度计。按上述系统，所述的声呐信息处理单元具体按以下方法进行侦测：将水下固定基座设为三维坐标原点建立数学模型，水下固定基座坐标s(0，0，0)；rov分别均匀分布于两岸，坐标分别为p1(x1，y1，z1)、p2(x2，y2，z2)、p3(x3，y3，z3)…pi(xi，yi，zi)；声呐阵列全向发射一定频率的声波信号，侦测得到的信息传输至声呐信息处理单元；利用声呐在前t时段获取uwuo在的卡尔曼滤波方程在三个方向x、y、z的初始值vx、vy、vz，建立卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼滤波算法预测下一时刻uwuo的水下位置坐标p0(x0，y0，z0)；其中，系统的状态方程：x(k)＝φk,k-1·x(k-1)+γk-1w(k-1)系统观测方程：z(k)＝hk·x(k)+v(k)x(k)和x(k-1)为在k时刻和k-1时刻uwuo的状态，包括位置信息和x、y、z方向的速度信息；φk,k-1为状态转移矩阵；γk-1为噪声驱动阵；w(k-1)为过程噪声；z(k)为k时刻设备测得的uwuo实际状态信息；hk为观测矩阵；v(k)为测量噪声；状态的一步预测方程：均方误差的一步预测：滤波增益方程：滤波估计方程：均方误差更新矩阵：和为uwuo在k时刻和k-1时刻状态最终估计值；表示k时刻的理论估计值；pk为k时刻的最优均方误差；为k-1时刻的最优均方误差通过方程估计出的k时刻均方误差；kk为滤波增益；rk为测量噪声的协方差；qk-1为过程噪声的协方差；通过声呐侦测到的uwuo在前t时间段内各个时刻的坐标，估计出测量噪声，利用已得到的数据对uwuo进行模拟，对的下一t时间段到达的坐标进行预测，得到下一时刻uwuo的水下位置坐标p0(x0，y0，z0)。按上述系统，所述的控制中心按以下步骤指定拦截策略，从而得到拦截指令：控制rov下潜至与下一时刻uwuo的水下位置坐标相同深度位置z0；根据下一时刻uwuo的水下位置坐标p0(x0，y0，z0)和各个rov起始坐标pi(xi，yi，zi)，确定rov前往预测坐标的拦截速度和与河岸的角度：其中，∠θ表示rov初始位置时刻与河岸的夹角；i表示rov的编号；rov沿着控制中心制定的路径按规定速度前往指定坐标执行拦截任务。按上述系统，所述的目标识别系统更新uwuo的实时坐标并发送至控制中心，计算rov与uwuo的距离l，若l处于[m，n]范围内时控制rov保持当前位置，其中l通过如下公式得到：所述的n为根据光学摄像机的性能和水的透明度将rov保持当前位置的最远可见距离；所述的m为rov与uwuo最短安全距离。按上述系统，所述的控制中心根据rov与uwuo的距离l，得到rov的执行策略如下：(1)当rov与uwuo之间的距离l在[m，n]内，rov得到与uwuo的方位并保持当前方位对uwuo进行拍摄；(2)当rov与uwuo之间的距离l不足m米时，rov得到与uwuo的方位并保持当前方位远离uwuo方向运动，确保在安全距离之内；(3)当rov与uwuo之间的距离l超过n米时，rov得到与uwuo的方位并保持当前方位追踪uwuo，确保在安全距离之内进行拍摄；控制中心控制rov前往下一个预测点坐标就位，实时反馈uwuo水下画面，达到跟踪的目的；若拦截失败则反馈管理员，管理员安排海事监管人员根据uwuo当前的位置进行人工拦截。本发明的有益效果为：通过声呐阵列和rov结合的方式，对水下环境进行侦测，提高了水下侦测的效果，从而加强海事监管水域水下安全防卫能力。附图说明图1为本发明一实施例的数据流图。图2为本发明一实施例的系统架构图。图3为本发明一实施例的路径分析流程图。图4为本发明一实施例的路径预测流程图。图5为本发明一实施例的rov拦截流程图。图6为本发明一实施例的uwuo跟踪流程图。具体实施方式rov(remoteoperatedvehicle)下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。本发明提供一种基于多rov协同的水下不明运动目标侦测系统，如图1和图2所示，它包括水下固定声呐装置、目标识别系统客户端、rov控制系统和证据数据库。水下固定声呐装置包括水下固定基座，水下固定基座上固定有声呐基阵；声呐基阵用于发射一定频率声波信号和接收自身发出声波的反射信号，从而对水下不明物uwuo(underwaterunidentifiedobject)的位置进行实时侦测。所述的水下固定基座上还设有用于采集环境参数的传感器组，通过水密电缆与所述的目标识别系统客户端连接。传感器组包括流速计、温度计和高度计。所述的目标识别系统客户端设置在水上，通过水密电缆与声呐基阵连接，用于根据声呐基阵的声波信号和反射信号以及结合从控制中心接收的rov信息确定的rov位置，通过算法计算uwuo的位置并预测uwuo的路径。目标识别系统客户端包括声呐信息处理单元、目标识别系统和声呐信息显示装置；其中，声呐信息处理单元用于利用卡尔曼滤波算法计算uwuo的位置并预测uwuo下一个时间节点的位置；目标识别系统将uwuo的历史路径和rov的位置发送到声呐信息显示装置进行显示，同时将uwuo的位置和uwuo下一个时间节点的具体位置发送至rov控制系统的控制中心。声呐显示屏实时动态显示uwuo和rov的运动情况，以及当前时刻水流速度、温度和高度信息。声呐探测出的rov在未确认前均看做uwuo，只有在结合从控制中心接收的rov信息后，才能将rov与实际的uwuo区分开来。rov控制系统包括控制中心、rov路径跟踪单元、光学摄像机、rov基座和遥控水下机器人rov，rov路径跟踪单元、光学摄像机、rov基座和rov的数量相等，且光学摄像机设置在rov上用于拍摄rov执行任务时水下环境的视频；控制中心用于接收uwuo的位置以及预测的uwuo的路径，对若干个rov路径跟踪单元发出拦截指令，rov基座接收rov路径跟踪单元的拦截指令，由工作人员控制对应的rov执行拦截任务，光学摄像机将拍摄的视频按拦截指令的接收路径原路返回到控制中心并进行显示；同时控制中心将rov的位置发送给所述的目标识别系统客户端。证据数据库用于存储rov编号以及与之对应的光学摄像机拍摄的视频和声呐探测信息，供用户通过数据库操作界面进行提取和存储。证据数据库主要包括如下三个功能：存储功能：存储记录中包括rov的编号及其运动/姿态、rov在水下拍摄的视频信息以及水下声呐在监测范围内扫测的的声呐图像，数据将分别配置特定的时间戳，并同时存储在相应的文件记录分块中；检索功能：①按照rov编号检索出指定rov所拍摄到的视频信息；②输入时间区间，按照时间检索出相应时间区间的各种存储信息；③针对rov编号和时间的组合检索，查找特定时间段内特定rov相应的存储记录；播放功能：根据检索的结果，能够实现：①提取光学摄像机在特定时间段的视频信息和对应时间段的水下声呐图像扫测信息；②视频播放功能包括快进、慢进、快退等重播和回放功能，可根据特定的需求调整播放模式。如图3和图4所示，所述的声呐信息处理单元具体按以下方法进行侦测：将水下固定基座设为三维坐标原点建立数学模型，水下固定基座坐标s(0，0，0)；rov分别均匀分布于两岸，坐标分别为p1(x1，y1，z1)、p2(x2，y2，z2)、p3(x3，y3，z3)…pi(xi，yi，zi)；声呐阵列全向发射一定频率的声波信号，侦测得到的信息传输至声呐信息处理单元。本实施例中，初始坐标分布如下：声呐基阵srov1rov2rov3rov4(0,0,0)(-50,100,30)(50,100,30)(-50,-100,30)(50,-100,30)利用声呐在前t时段获取uwuo在的卡尔曼滤波方程在三个方向x、y、z的初始值vx、vy、vz。本实施例中，利用声呐发现uwuo3分钟后发现vx＝-1.5m/s，vy＝-3.5m/s，vz＝0.9m/s。建立卡尔曼滤波方程，通过卡尔曼滤波算法预测下一时刻uwuo的水下位置坐标p0(x0，y0，z0)。本实施例设定rov的搜索半径为500米，rov可调速度范围为0到10m/s。其中，系统的状态方程：x(k)＝φk,k-1·x(k-1)+γk-1w(k-1)系统观测方程：z(k)＝hk·x(k)+v(k)x(k)和x(k-1)为在k时刻和k-1时刻uwuo的状态，包括位置信息和x、y、z方向的速度信息；φk,k-1为状态转移矩阵；γk-1为噪声驱动阵；w(k-1)为过程噪声；z(k)为k时刻设备测得的uwuo实际状态信息；hk为观测矩阵；v(k)为测量噪声；状态的一步预测方程：均方误差的一步预测：滤波增益方程(权重)：滤波估计方程(k时刻的最优值)：均方误差更新矩阵(k时刻的最优均方误差)：和为uwuo在k时刻和k-1时刻状态最终估计值；表示k时刻的理论估计值；pk为k时刻的最优均方误差；为k-1时刻的最优均方误差通过方程估计出的k时刻均方误差；kk为滤波增益；rk为测量噪声的协方差；qk-1为过程噪声的协方差；uwuo运动规律表示为：通过声呐装置得到的测量矩阵得到uwuo的三维位置可以表示为：通过声呐侦测到的uwuo在前t时间段内各个时刻的坐标，估计出测量噪声v(k)，初始化处理噪声矩阵p：利用已得到的数据对uwuo进行模拟，对的下一t时间段到达的坐标进行预测，得到下一时刻uwuo的水下位置坐标p0(x0，y0，z0)。本实施例得到p0(0，50，15)。如图5所示，所述的控制中心按以下步骤指定拦截策略，从而得到拦截指令：控制rov下潜至与下一时刻uwuo的水下位置坐标相同深度位置z0；根据下一时刻uwuo的水下位置坐标p0(x0，y0，z0)和各个rov起始坐标pi(xi，yi，zi)，确定rov前往预测坐标的拦截速度和与河岸的角度：其中，∠θ表示rov初始位置时刻与河岸的夹角；i表示rov的编号；rov沿着控制中心制定的路径按规定速度前往指定坐标执行拦截任务。本实施例，得到各辆rov的角度如下表所示：rov序号1234离岸角度135°135°18.4376°18.4376°如图6所示，所述的目标识别系统更新uwuo的实时坐标并发送至控制中心，计算rov与uwuo的距离l，若l处于[m，n]范围内时控制rov保持当前位置，其中l通过如下公式得到：所述的n为根据光学摄像机的性能和水的透明度将rov保持当前位置的最远可见距离；所述的m为rov与uwuo最短安全距离，本实施例中m＝0.5m。设定uwuo与rov最短安全距离的目的是防止uwuo故意靠近rov进而破坏rov；通过设定最短安全距离，增加rov自我防护功能，设定rov与uwuo之间的最远安全距离，确保rov跟踪uwuo并获取清晰的水下画面。所述的控制中心根据rov与uwuo的距离l，得到rov的执行策略如下：(1)当rov与uwuo之间的距离l在[m，n]内，rov得到与uwuo的方位并保持当前方位对uwuo进行拍摄；(2)当rov与uwuo之间的距离l不足m米时，rov得到与uwuo的方位并保持当前方位远离uwuo方向运动，确保在安全距离之内；(3)当rov与uwuo之间的距离l超过n米时，rov得到与uwuo的方位并保持当前方位追踪uwuo，确保在安全距离之内进行拍摄；控制中心控制rov前往下一个预测点坐标就位，实时反馈uwuo水下画面，达到跟踪的目的；若拦截失败则反馈管理员，管理员安排海事监管人员根据uwuo当前的位置进行人工拦截。以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。当前第1页12