一种水下无人船航行控制系统的制作方法

本实用新型属于水下机器人领域，具体地说，涉及一种水下无人船航行控制系统。

背景技术：

水下机器人也称无人水下潜水器，它是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置，在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的，水下机器人是将人工智能、探测识别信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工控制，或者人工进行半自动控制下，完成地质、地形等的探测。

目前的水下机器人能够实现水下航拍和地形、地质的探测等，民用方面的应用还很有限，目前除了作为娱乐用途的无人船之外，用于钓鱼的无人船在民用市场的需求越来越大，因此对于钓鱼无人船提出了越来越高的要求。

另外针对水下无人船如何根据获取的姿态数据通过三个推进器来完成对水下无人船航行姿态的调整，成为目前亟待解决的技术问题。

有鉴于此特提出本实用新型。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种水下无人船航行控制系统，能够根据获取的姿态数据，用户通过手动或水下无人船自动完成航行姿态的调整。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：

本实用新型提出了一种水下无人船航行控制系统，包括，调整水下无人船的航行姿态的驱动模块、获取姿态数据的姿态获取模块和接收航行命令和/或姿态数据的控制器，所述控制器分别与驱动模块和姿态获取模块相连，所述控制器根据姿态数据确定当前航行方向并与目标航行方向进行比较，确定偏移量，根据偏移量计算驱动模块的调整数据，并根据调整数据调整水下无人船的航行姿态。

优选地，所述姿态获取模块设置在电路板上，包括，检测水下无人船的平衡数据的陀螺仪、检测水下无人船的加速度数据的加速度计和检测方位数据的磁强计；

所述电路板上设有至少两个磁强计，所述至少两个磁强计重合堆叠放置或以电路板为对称平面对称设置在电路板两侧。

优选地，所述驱动模块包括，设置在水下无人船重心前方调整水下无人船的垂直方向的运动的垂直推进器、分别设置在水下无人船尾部两侧控制水下无人船的前进、后退和转弯的水平推进器。

优选地，还包括根据对移动目标的跟随命令获取移动目标的位置信息并控制驱动模块对移动目标进行跟随的智能跟随模块，所述智能跟随模块与所述控制器相连。

优选地，所述控制器获取移动目标与水下无人船的当前距离，并利用智能跟随模块控制驱动模块保持当前距离对移动目标进行跟踪。

优选地，所述控制器能够根据姿态获取模块获取的平衡数据和加速度数据，确定水下无人船的俯仰数据和滚转数据，将俯仰数据、滚转数据和方位数据进行结合确定水下无人船的当前航行方向，将当前航行方向与目标航行方向进行比较确定偏移量，当偏移量超过设定偏移阈值时启动驱动模块调整水下无人船的航行方向。

优选地，所述控制器根据无人船自身的航行状态确定目标航行方向，或者根据用户发出的航行命令确定目标航行方向。

优选地，包括，能够计算俯仰数据偏移平衡位置的俯仰偏移量，当俯仰偏移量超出设定俯仰偏移阈值时，启动驱动模块中的垂直推进器，将水下无人船调整到平衡位置的俯仰调整模块。

优选地，包括，能够计算滚转数据偏移平衡位置的滚转偏移量，当滚转偏移量超出设定滚转偏移阈值时，利用驱动模块中的垂直推进器和水平推进器将水下无人船调整到平衡位置的滚转调整模块。

优选地，包括，能够计算方位数据与目标方位的方位偏移量，当方位偏移量超出设定方位偏移阈值时，启动驱动模块中的水平推进器，将水下无人船调整到目标方位的方位调整模块。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

通过本实用新型上述技术方案能够让用户获知水下无人船的航行姿态，并根据该航行姿态控制水下无人船的航行，以及水下无人船根据该航行姿态进行自动调整和纠正，方便了用户的使用。

用户就可以利用遥控器或手机控制水下无人船进行加速前行，用户也可以根据自己的实际需要控制无人船来完成转弯、掉头、上升、下潜、旋转机身等航行姿态的改变功能。

能够通过控制终端上的显示屏中显示的水下无人船的模型看到水下无人船在水下航行的样子，并且可以将该模型与东南西北四个方位进行配合，这样用户就能够直观看见水下无人船在水中的航行方向和所处的姿态，进而能够提高用户的体验。

另外，当用户想要观察某个鱼或鱼群的生活状态时，或者想要跟踪一些其他水下移动目标时，就可以利用智能跟随模块对移动目标进行跟随了，进而方便了用户的使用。

通过多个磁强计对检测的方位信息进行校准，然后将校准结果作为磁强计检测的最终方位信息结果，并且由于电路板厚度较小，多个磁强计检测的方位信息的偏差较小，进而使通过多个磁强计进行校准后得到的最终方位信息更加准确。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本实用新型的一个实施例的无人船航行控制系统的结构框图；

图2是本实用新型的另一个实施例的无人船航行控制系统的结构框图；

图3是本实用新型的再一个实施例的无人船航行控制系统的结构框图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下述实施例中，将水下水下无人船设计成平均密度与周围水域的密度相近似，水下无人船内设有密封腔，该密封腔具有防水效果，能够保护密封腔内的各个用电模块不会浸水，进而保证水下无人船的正常工作，并且通过该密封腔与水下无人船外壳体及各个部件之间的配合，来使水下无人船达到与周围水域密度相近似，进而在水域中实现零浮力的效果，通过零浮力的水下无人船能够更好的调整航行方向和航行姿态，另外，在没有动力驱动的情况下水下无人船能够静止悬停在水中。

实施例一

如图1所示，一种水下无人船航行控制系统，包括，调整水下无人船的航行姿态的驱动模块2、获取姿态数据的姿态获取模块3和接收航行命令和/或姿态数据的控制器1，所述控制器1分别与驱动模块2和姿态获取模块3相连，所述控制器1根据姿态数据确定当前航行方向并与目标航行方向进行比较，确定偏移量，根据偏移量计算驱动模块2的调整数据，并根据调整数据调整水下无人船的航行姿态。

用户能够利用手机或遥控器控制驱动模块2驱动无人船进行集鱼、和/或寻鱼、和/或钓鱼、和/或观察水下鱼群/水下环境，利用水下无人船上的姿态获取模块3将获取的姿态数据发送给控制器1，控制器1可以将该姿态数据进行计算处理后利用通信模块实时反馈到水上控制端，水上控制端上设有显示屏可以将水下无人船的航行姿态实时显示给用户，以供用户根据该航行姿态控制水下无人船的水下航行；

用户利用遥控器或者具有遥控水下无人船功能的移动终端来控制水下无人船的航行方向、旋转角度或者下潜深度等，例如，用户在显示屏上观察到水下无人船还没有达到用户想要进行钓鱼的目的地，显示屏上显示水下无人船的前行速度比较慢，用户就可以利用遥控器或手机控制水下无人船进行加速前行，用户也可以根据自己的实际需要控制无人船来完成转弯、掉头、上升、下潜、旋转机身等航行姿态的改变功能。

另外，水下无人船在航行过程中，如果出现航道偏移等现象，水下无人船能够自动纠正，调整到正确的航道上来。

优选地，所述姿态获取模块3设置在电路板上，包括，检测水下无人船的平衡数据的陀螺仪31、检测水下无人船的加速度数据的加速度计32和检测方位数据的磁强计33。

优选地，在水下无人船的重心设有两个磁强计33，两个磁强计33以电路板为对称平面对称设置在电路板两侧。

这样通过两个磁强计33对检测的方位信息进行校准，然后将校准结果作为磁强计33检测的最终方位信息结果，并且由于电路板厚度较小，两个磁强计33检测的方位信息的偏差较小，进而使通过两个磁强计33进行校准后得到的最终方位信息更加准确。并且由于两个磁强计33只是在垂直方向上有偏差这样控制器1在进行校准计算时只要针对垂直方向进行相应计算校准就可以，能够减少控制器1的计算量，进而加快了计算速率，并且还能够提高水下无人船方位检测的准确性。

并且，还可以将两个磁强计33整合成一体，进而使两个磁强计33检测的偏差进一步减小，使整个校准算法能够更加准确，这样就能提高水下无人船的工作性能。

另外，在电路板上还可以设置两个加速度计32，这样就可以利用两个加速度计32进行互补校正，这样经过校正后得到的加速度值能够更加准确，进而提高水下无人船的工作性能。

也可以在电路板上设置两个以上的磁强计33，这样就可以利用多个磁强计33的相互校准来使水下无人船方位检测的准确性得到更加有效的提高。

优选地，所述驱动模块2包括，设置在水下无人船重心前方调整水下无人船的垂直方向的运动的垂直推进器、分别设置在水下无人船尾部两侧控制水下无人船的前进、后退和转弯的水平推进器。

所述控制器1能够根据姿态获取模块3获取的平衡数据和加速度数据，确定水下无人船的俯仰数据和滚转数据，将俯仰数据、滚转数据和方位数据进行结合确定水下无人船的当前航行方向，将当前航行方向与目标航行方向进行比较确定偏移量，当偏移量超过设定偏移阈值时启动驱动模块2调整水下无人船的航行方向。

优选地，根据无人船自身的航行状态确定目标航行方向，或者根据用户发出的航行命令确定目标航行方向。

通过陀螺仪31得到旋转角速度数据，通过加速度计32得到加速度数据，(其中，测量的角速度数据和加速度数据均在无人船本体坐标系下)

由于当无人船无运动加速度时，在参考坐标系下恒受竖直向下的重力加速度，根据重力加速度在本体坐标系的分量(加速度计32测得)可以估算无人船相对于参考坐标系的俯仰角和滚转角。

其中，陀螺仪31可以测量无人船俯仰角和滚转角的变化，俯仰角和滚转角由角度的估计值(加速度计32算得到)和角度在一个周期内的变化值(陀螺仪31测量)，通过卡尔曼滤波，得到角度的最小方差估计，即最优估计。

对所述陀螺仪31进行零偏校正，利用零偏校正后的陀螺仪31获取平衡数据，利用所述加速度计32检测的加速度数据计算俯仰速度&滚转角速度，并将平衡数据和俯仰速度&滚转角速度进行结合确定水下无人船的俯仰姿态和滚转姿态。

在上述技术方案中，由于陀螺仪31会受到水下无人船上的各个结构或组件的影响，或者其他情况，陀螺仪31检测的平衡数据会有偏差，因此需要首先将陀螺仪31进行零偏校正，进而保证陀螺仪31的检测精度，零偏校正完成后，陀螺仪31就会获取相应的平衡数据；

然后将该平衡数据与加速度计32检测的俯仰速度&滚转速度进行结合，确定水下无人船当前的俯仰姿态(即，水下无人船偏移水平面的姿态)和滚转姿态(即，水下无人船偏移)，例如，能够确定水下无人船在向前、后、左、右、上、下六个方位中的偏移航行姿态。

对所述磁强计33进行零偏校正和椭圆校正，利用校正后的磁强计33获取方位数据，所述控制器1将方位数据、平衡数据和俯仰速度&滚转角速度进行结合确定水下无人船的当前航行方向。

在上述技术方案中，受环境因素和磁强计33自身因素的影响，磁强计33常存在较大的航向角误差，为了保证磁强计33的精度，首先要对磁强计33进行零偏校正和椭圆校正，然后再利用校正后的磁强计33获取水下无人船的方位数据(即，获取水下无人船在东、南、西、北四个方向中所处的方位)，并将该方位数据与上述方案中利用陀螺仪31和加速度计32获得的俯仰速度&滚转角速度进行结合，能够进一步确定出水下无人船的当前航行方向。

所述加速度计32进行姿态补偿，之后将获取的加速度数据去除重力项得到去重加速度数据，对获取的三轴的去重加速度数据进行积分，确定出水下无人船的当前航行速度。

无人船在某固定空间受到一恒强度的磁场(大致指向北方)，当无人船姿态发生变化时，该磁场在无人船参考坐标系的分量发生改变，导致磁强计33的测量值发生改变，由于制造工艺或周围磁场的干扰问题，首先需要对磁强计33进行标定，对数据进行校准。之后刨除俯仰角和滚转角对测量值的影响(即，姿态补偿)，最后计算得到无人船偏航角的估计值。

结合陀螺仪31测量的俯仰角速度的变化，利用卡尔曼滤波得到偏航角的最优值，以上为导航数据处理部分，利用多惯性器件的数据融合得到无人船的姿态数据。

陀螺仪31检测的平衡数据是水下无人船参考坐标系与水下无人船本体坐标系的旋转矩阵，所述加速度计32的测量值是基于水下无人船本体坐标系的，将本体坐标系分为三个坐标轴即x轴、y轴、z轴，测量值本身就是三轴的；

然后，利用该加速度计32获取相应的三轴加速度数据，姿态补偿就是把三轴加速度数据转换到参考坐标系中，由于获取的加速度数据中会有重力加速度，因此，需要将重力加速度进行去除，最后对经过姿态补偿和去除重力项之后获得的三轴的加速度值分别进行积分，就知道水下无人船在三个方向上的当前航行速度。

能够计算俯仰数据偏移平衡位置的俯仰偏移量，当俯仰偏移量超出设定俯仰偏移阈值时，启动驱动模块2中的垂直推进器，将水下无人船调整到平衡位置的俯仰调整模块。

能够计算滚转数据偏移平衡位置的滚转偏移量，当滚转偏移量超出设定滚转偏移阈值时，利用驱动模块2中的垂直推进器和水平推进器将水下无人船调整到平衡位置的滚转调整模块。包括，能够计算方位数据与目标方位的方位偏移量，当方位偏移量超出设定方位偏移阈值时，启动驱动模块2中的水平推进器，将水下无人船调整到目标方位的方位调整模块。

航向控制：由航向的目标值(用户给定)和无人船的实际航向值(导航数据)得到航向的偏差值(即俯仰偏移量、滚转偏移量、方位偏移量)，利用增量式PID算法计算得到无人船的自旋纠正转矩，最后映射为推进器的推力值(电机转速)。

实施例二

如图2所示，该水下无人船航行控制系统还包括智能跟随模块4，所述智能跟随模块4与所述控制器1相连，所述控制器1根据对移动目标的跟随命令获取移动目标的位置信息，并利用智能跟随模块4控制驱动模块2对移动目标进行跟随；

所述控制器1获取移动目标与水下无人船的当前距离，并利用智能跟随模块4控制驱动模块2保持当前距离对移动目标进行跟踪。在上述技术方案中，当用户通过遥控器或者手机或其他控制端向无人船发出对某移动目标(可以是鱼、人、水下潜艇或者其他能够移动的物体)的跟随命令后，首先获取移动目标的位置信息，对移动目标进行锁定，然后启动智能跟随模块4，控制水下无人船对移动目标进行跟随，其中，移动目标还可以是鱼群。这样，当用户想要观察某个鱼或鱼群的生活状态时，或者想要跟踪一些其他水下移动目标时，就可以利用该智能跟随模块4对移动目标进行跟随了，进而方便了用户的使用。

所述控制器1获取移动目标与水下无人船的当前距离，并利用智能跟随模块4保持当前距离对移动目标进行跟踪；所述智能跟随模块4接收到一键跟随命令后，对距离水下无人船最近的移动生物进行跟随。

实施例三

如图3所示，在上述实施例的方案的基础上，所述水下无人船航行控制系统还包括与控制器1相连的全球定位模块5能够实时获取水下无人船的位置信息。

该全球定位模块5为GPS模块或北斗模块，这样能够实时获知该水下无人船的位置，这样能够对水下无人船进行跟踪定位，也能方便用户寻找水下无人船，给用户带来便利。

实施例五

水下无人船航行控制系统还包括与控制器相连的通信模块，所述控制器将接收的姿态数据通过通信模块发送至水上控制端，并利用水上控制端上的显示屏将姿态数据进行显示，在所述显示屏上显示水下无人船的模型，并将姿态数据通过所述水下无人船的模型进行直观展示。

姿态获取模块能够获取水下无人船当前的航行姿态，比如，航行速度(各个轴向、各个方向的航行速度)，水下无人船的当前姿态(是处于水平或倾斜或俯仰等姿态)，并将这些航行姿态实时反馈给控制器，控制器将这些姿态数据进行处理后利用通信模块发送给水上控制端(可以是手机、平板、笔记本、电脑或者带有显示屏的遥控器等)，当用户启动对水下无人船的控制软件后，控制终端上的显示屏中就会显示出水下无人船的模型，水下无人船在水下航行的姿态可以通过该模型直观的展现给用户，用户能够通过模型看到水下无人船在水下航行的样子，并且可以将该模型与东南西北四个方位进行配合，这样用户就能够直观看见水下无人船在水中的航行方向和所处的姿态，进而能够提高用户的体验。

所述控制器将当前航行方向和当前航行速度通过通信模块传送至水上控制端；优选地，水上控制端发送的航行命令通过通信模块发送至控制器，所述控制器将当前航行方向、当前航行速度与航行命令进行结合控制驱动模块调整水下无人船的航行姿态。在上述技术方案中，可以将水下无人船的航行速度反馈至水上控制端，可以通过数字或者图形的方式展现出来，这样用户就可以将航行速度与上述的水下无人船在水中的航行方向和所处的姿态进行结合，进而使用户能够做出更加准确的控制命令，控制水下无人船的航行姿态。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。