一种水下无人航行器异构体组网探测系统及其探测方法

本发明涉及水下探测系统技术领域，特别涉及一种水下无人航行器异构体组网探测系统及其探测方法。

背景技术：

水下航行器是一种航行于水下的航行体，包括载人水下航行器和无人水下航行器。水下滑翔机作为一种长时序、大航程的自主式水下航行器，进行编队、组网和协同观测是其最重要的应用方式之一。

目前在使用水下滑翔机对水下进行探测时，通常在水下滑翔机上设置卫星通信器，工作人员通过地面的岸基指控中心向各个水下滑翔机发出探测指令，进而接收水下滑翔机发回的卫星探测信号，从而完成对水下信息的探测采集。岸基指控中心对各个水下滑翔机直接采用卫星通信，传输信号受水下环境影响，传输信号质量不佳，影响对水下探测质量。现有的国内外水下航行器等探测设备大多数不具有水下实时通信和水下组网功能，基本上都是在水下采集完海洋物理、化学或声信息后，浮到水面上通过卫星通信发送到岸基指控中心。由于在向岸基指控中心进行信息发送时，水下航行器需要反复上浮，因此信息传递的效率低，并且耗费能源。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水下无人航行器异构体组网探测系统，在进行水下探测时，传输信号质量稳定良好，信息传递效率高，并且节约能源。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种水下无人航行器异构体组网探测系统，包括若干台水下滑翔机以及用于对水下滑翔机进行监测控制的岸基指控中心，还包括波浪滑翔器；所述波浪滑翔器与岸基指控中心卫星通信，所述水下滑翔机与波浪滑翔器水声通信或与岸基指控中心卫星通信；当所述水下滑翔机与波浪滑翔器水声通信链接时，所述波浪滑翔器与岸基指控中心卫星通信链接；当所述水下滑翔机与岸基指控中心卫星通信链接时，所述波浪滑翔器与岸基指控中心断开卫星通信链接；

所述波浪滑翔器设置有对波浪滑翔器进行运动控制的波浪控制系统；所述水下滑翔机设置有对水下滑翔机进行运动控制的水下控制系统。

通过采用上述方案，水下滑翔机与波浪滑翔器水声通信或与岸基指控中心卫星通信,当处于正常工况下,波浪滑翔器作为水下滑翔机与岸基指控中心的通信中继，波浪滑翔器与水下滑翔机以水为介质，采用近距离的水声通信，进而波浪滑翔器通过卫星通信与岸基指控中心进行通信，从而在进行水下探测信号传输时，水下滑翔机无需进行上浮运动，从而有效提高信息传递的效率，并且节约能源。

较佳的，所述波浪滑翔器的下部固定有水面水声通信机；所述水下滑翔机一端上部设置有水下水声通信机、安装支架以及伺服电机；

所述水声通信机与安装支架固定连接；所述安装支架与水下滑翔机铰接；所述伺服电机的机体与水下滑翔机固定连接，所述伺服电机的输出轴与安装支架的铰接轴固定连接。

通过采用上述方案，通过将水下水声通信机安装在安装支架上，进而通过伺服电机驱动安装支架绕其铰接轴进行转动，从而对水下水声通信机的朝向进行调节，使水下水声通信机始终朝向水面水声通信机，从而使水下水声通信机与水面水声通信机始终保持良好的通信状态。

较佳的，所述水下控制系统包括任务解释器、深度控制模块、速度控制模块以及航路点跟踪控制模块；

任务解释器，用于接收波浪滑翔器发送的任务指令，并且对任务指令进行翻译，生成解释信息；并且将解释信息中的深度控制信息、速度控制信息以及路径控制信息分别发送给深度控制模块、速度控制模块以及航路点跟踪控制模块；

深度控制模块，用于根据任务解释器发送的深度控制信息，对比当前航行器实际深度和设定深度偏差，计算航行器油囊油泵电机的转速和正反转方向,生成深度调节信息,并且将深度调节信息发送给油囊油泵电机；

速度控制模块，用于根据任务解释器发送的速度信息，比对当前航行器实际速度和设定速度偏差，计算航行器推进电机调整速度偏差,生成速度调节信息,并且将速度调节信息发送给推进电机；

航路点跟踪控制模块，用于根据任务解释器发送的路径控制信息，比对当前航行器经纬度与设定路径节点的经纬度，计算航向调节矢量,生成航行调节信息,并且将航向调节信息发送给航行器的转向电机。

通过采用上述方案，任务解释器对接收的任务指令进行翻译；由航路点跟踪控制模块根据任务指令对平台的行进路径进行控制，由深度控制模块对平台深度进行控制，由速度控制模块对平台速度进行控制，进而控制平台按照任务要求在水下进行运动探测。

较佳的，所述岸基指控中心连接有数据服务器，所述数据服务器设置有数据库，所述数据库用于对岸基指控中心接收的数据进行存储保存。

通过采用上述方案，岸基指控中心将接收的数据存储在数据库中，从而方便工作人员后期对水下探测的资料数据进行进一步的分析研究。

较佳的，所述岸基指控中心通过网络服务器与数据服务器相连。

通过采用上述方案，岸基指控中心通过网络服务器与数据服务器相连，进而数据传输和保存受环境和距离的影响小，数据保存方便。

本发明的另一个目的是提供一种水下无人航行器异构体组网探测方法，采用上述的水下无人航行器异构体组网探测系统，在进行水下探测时，传输信号质量稳定良好，信息传递效率高，并且节约能源。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：各个水下滑翔机将平台运动信息通过水声通信发送给波浪滑翔器；波浪滑翔器根据各个水下滑翔机的平台运动信息生成运动反馈信息；

波浪滑翔器对各个水下滑翔机进行地址编码；并且根据接收目标水下滑翔机对运动反馈信息进行id编码，生成水声通信数据包，将水声通信数据包发送给各个水下滑翔机；

各个水下滑翔机在收到水声通信数据包后，对水声通信数据包进行解析，对接收的运动反馈信息的id与本机id是否相符进行判断，若相符，则执行当前运动反馈信息；若不相符，则不进行响应。

通过采用上述方案，波浪滑翔器不仅作为多个水下滑翔机的信号传输中继，而且在任务执行过程中以波浪滑翔器作为编队指挥中心，通过水声通信，对各个水下滑翔机进行运动控制，从而能够高效的对岸基指控中心发出水下探测指令进行执行；在反馈控制过程中,通过对信息进行id编码,将反馈信息进行无差别的发送,根据数据解析后的id进行信息识别判断,信息的传递效率高。

较佳的，各个水下滑翔机在运动过程中，将本机的位置信息发送给波浪滑翔器；所述波浪滑翔器根据水下滑翔机发送的位置信息生成航向调节矢量信息，并且将航向调节矢量信息发送给水下滑翔机；

航向调节矢量信息生成包括以下步骤：

步骤s1,在每个运算周期内计算水下滑翔机当前位置点和路径切线方向；

步骤s2,以当前位置点和路径切线方向为基准，建立动态笛卡尔三轴坐标系，以水下滑翔机当前位置点为原点，以路径切线方向为x轴正方向；

步骤s3,在动态笛卡尔三轴坐标系中计算目标路径点的相对位置坐标和与x轴正向的夹角；

步骤s4,根据目标路径点的相对位置坐标和夹角大小，计算下一个周期航向调节控制量。

通过采用上述方案，水下滑翔机通过在每个计算周期内建立动态笛卡尔坐标，以自身位置和运动方向作为基准，对目标定位点进行计算定位，时效性高，计算偏差小。

较佳的，当波浪滑翔器的速度或深度超出设置范围时，所述波浪滑翔器向水下滑翔机和岸基指控中心发送故障状态字节信号；当水下滑翔机和岸基指控中心接收到波浪滑翔器的通讯信号为故障状态字节时；所述水下滑翔机以及岸基指控中心与波浪滑翔器断开通信链接；所述水下滑翔机与岸基指控中心建立卫星通信链接；

当波浪滑翔器的速度或深度恢复至设置范围时，所述波浪滑翔器向水下滑翔机和岸基指控中心发送通讯信号；所述水下滑翔机与岸基指控中心断开卫星通信链接；所述波浪滑翔器与岸基指控中心建立卫星通信链接；所述水下滑翔机与波浪滑翔器建立水声通信链接。

通过采用上述方案，在波浪滑翔器发生故障时，无法继续作为编队指挥中心对各个水下滑翔机进行运动控制，此时水下滑翔机与岸基指控中心建立卫星通信链接，由岸基指控中心对各个水下滑翔机进行运动反馈控制，从而保障水下航行器编队能够继续进行水下探测任务。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、水下无人航行器异构体组网探测系统以波浪滑翔器为通信中继，波浪滑翔器与水下滑翔机以水为介质，采用近距离的水声通信，进而波浪滑翔器通过卫星通信与岸基指控中心进行通信，从而在进行水下探测信号传输时，水下滑翔机无需进行上浮运动，从而有效提高信息传递的效率，并且节约能源。

2、水下滑翔机与波浪滑翔器水声通信或与岸基指控中心卫星通信,在波浪滑翔器发生故障时，无法继续作为编队指挥中心对各个水下滑翔机进行运动控制，水下滑翔机与岸基指控中心建立卫星通信链接，由岸基指控中心对各个水下滑翔机进行运动反馈控制，从而保障水下航行器编队能够继续进行水下探测任务。

3、通过将水下水通信安装在安装支架上，进而通过伺服电机驱动安装支架绕其铰接轴进行转动，从而对水下水声通信机的朝向进行调节，使水下水声通信机与水面水声通信机始终保持良好的通信状态。

附图说明

图1是水下无人航行器异构体组网探测系统结构示意图。

图2是水下无人航行器异构体组网探测系统的功能框图。

图3是水下控制系统的框图。

图4是水下水声通信机的安装结构示意图。

图中，1、水下滑翔机；11、水下水声通信机；2、岸基指控中心；3、波浪滑翔器；31、水面水声通信机；4、波浪控制系统；5、水下控制系统；51、任务解释器；52、深度控制模块；53、速度控制模块；54、航路点跟踪控制模块；6、卫星通信终端；7、卫星通信站；8、伺服电机；81、安装支架；9、数据服务器；91、数据库；10、网络服务器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：

一种水下无人航行器异构体组网探测系统，参照图1和图2，包括岸基指控中心2以及水下航行器编队。岸基指控中心2用于对水下航行器编队进行监测控制，水下航行器编队包括一台波浪滑翔器3以及3到5台水下滑翔机1。波浪滑翔器3作为编队控制中心，其他水下滑翔机1作为编队成员接受波浪滑翔器3的控制。波浪滑翔器3的下部固定有水面水声通信机31，水下滑翔机1的上部设置有水下水声通信机11。岸基指控中心2设置有卫星通信站7，卫星通信站7采用北斗卫星通信站。波浪滑翔器3搭载有波浪控制系统4；水下滑翔机1搭载有水下控制系统5。

参照图1和图2，水下滑翔机1以及波浪滑翔器3均设置有卫星通信终端6，卫星通信终端6采用北斗卫星通信终端。水下滑翔机1与波浪滑翔器3水声通信或与岸基指控中心2卫星通信；当水下滑翔机1与波浪滑翔器3水声通信链接时；波浪滑翔器3与岸基指控中心2卫星通信链接；当水下滑翔机1与岸基指控中心2卫星通信链接时，波浪滑翔器3与岸基指控中心2断开卫星通信链接。在正常工况下，波浪滑翔器3作为水下滑翔机1与岸基指控中心2的通信中继，波浪滑翔器3与水下滑翔机1以水为介质，采用近距离的水声通信，进而波浪滑翔器3通过卫星通信与岸基指控中心2进行通信，从而在进行水下探测信号传输时，水下滑翔机1无需进行上浮运动，从而有效提高信息传递的效率，并且节约能源。

岸基指控中心2通过网络服务器10连接有数据服务器9。数据服务器9设置有数据库91。数据库91用于对岸基指控中心2接收的数据进行存储保存。岸基指控中心2在接收到波浪滑翔器3发送的数据后，通过网络将其上传至数据服务器9，进而保存到数据库91中，从而方便工作人员后期对水下探测采集的资料进行分析研究。波浪滑翔器3接收水下滑翔机1信息并发送给岸基指控中心2，在信息的接收发送过程中，水下滑翔机1继续进行原定的剖面运动，无须立刻上浮，从而减少了频繁上浮产生大量能量消耗。由于在进行信息传输时，水下滑翔机1无需上浮至水面，因此节约了水下滑翔机1反复上浮下潜的时间，信息传递的效率高。

在进行水下探测时，指挥人员通过岸基指控中心2将命令参数和任务参数设置后，由岸基指控中心2的北斗卫星通信终端发送给编队指控中心，编队指控中心根据编队一致性控制策略计算得到不同平台的控制校正量，再通过波浪滑翔器3搭载的水面水声通信机31分别发至编队各成员平台。波浪控制系统4或水下控制系统5根据控制校正量，对其平台进行运动控制，进而实现设置的探测任务。

参照图3，波浪控制系统4以及水下控制系统5均为基于智能硬件的软件平台。水下控制系统5包括任务解释器51、深度控制模块52、速度控制模块53以及航路点跟踪控制模块54。任务解释器51，用于接收波浪滑翔器3发送的任务指令，并且对任务指令进行翻译，生成解释信息；并且将解释信息中的深度控制信息、速度控制信息以及路径控制信息分别发送给深度控制模块52、速度控制模块53以及航路点跟踪控制模块54。深度控制模块52，用于根据任务解释器51发送的深度控制信息，对比当前航行器实际深度和设定深度偏差，计算航行器油囊油泵电机的转速和正反转方向，生成深度调节信息,并且将深度调节信息发送给油囊油泵电机。速度控制模块53，用于根据任务解释器51发送的速度信息，比对当前航行器实际速度和设定速度偏差，计算航行器推进电机调整速度偏差，生成速度调节信息,并且将速度调节信息发送给推进电机。航路点跟踪控制模块54，用于根据任务解释器51发送的路径控制信息，比对当前航行器经纬度与设定路径节点的经纬度，计算航向调节矢量，生成航行调节信息,并且将航向调节信息发送给航行器的转向电机。波浪控制系统4的原理与水下控制系统的控制原理相同，在此不在进行赘述。

参照图4，水下滑翔机1的水下水声通信机11的换能器朝上设置，水下滑翔机1的端部设置有用于安装水下水声通信机11的安装支架81，安装支架81绕水平轴线与水下滑翔机1铰接。安装支架81处设置有对水下水声通信机11的换能器朝向进行调节的伺服电机8。伺服电机8的机体与水下滑翔机1固定连接，伺服电机8的输出轴与安装支架81的铰接轴同轴设置并且固定连接。在水下航行器编队执行水下探测任务时，各编队成员根据编队控制中心发出的控制校正量，驱动伺服电机8对水下水声通信机11的换能器的朝上进行调节，使水下水声通信机11的换能器始终朝向水面水声通信机31，从而使各个水下滑翔机1能够更好的与波浪滑翔器3进行水声通信。

实施例2：

一种水下无人航行器异构体组网探测方法，采用了实施例1中的水下无人航行器异构体组网探测系统。在执行水下作业任务时，波浪滑翔器3作为编队指挥中心，各个水下滑翔机1作为编队成员，水下滑翔机1的运动由波浪滑翔器3进行反馈控制。各个水下滑翔机1将平台运动信息通过水声通信发送给波浪滑翔器3；波浪滑翔器3根据各个水下滑翔机1的平台运动信息生成运动反馈信息。

波浪滑翔器3对各个水下滑翔机1进行地址编码；并且根据接收目标水下滑翔机1对运动反馈信息进行id编码，生成水声通信数据包，将水声通信数据包发送给各个水下滑翔机1。各个水下滑翔机1在收到水声通信数据包后，对水声通信数据包进行解析，对接收的运动反馈信息的id与本机id是否相符进行判断，若相符，则执行当前运动反馈信息；若不相符，则不进行响应。

各个水下滑翔机1在运动过程中，将本机的位置信息发送给波浪滑翔器3；波浪滑翔器3根据水下滑翔机1发送的位置信息生成航向调节矢量信息，并且将航向调节矢量信息发送给水下滑翔机1。

航向调节矢量信息生成包括以下步骤：步骤s1,在每个运算周期内计算水下滑翔机1当前位置点和路径切线方向；步骤s2,以当前位置点和路径切线方向为基准，建立动态笛卡尔三轴坐标系，以水下滑翔机1当前位置点为原点，以路径切线方向为x轴正方向；步骤s3,在动态笛卡尔三轴坐标系中计算目标路径点的相对位置坐标和与x轴正向的夹角；步骤s4,根据目标路径点的相对位置坐标和夹角大小，计算下一个周期航向调节控制量。

当波浪滑翔器3的速度或深度超出设置范围时，波浪滑翔器3向水下滑翔机1和岸基指控中心2发送故障状态字节信号；当水下滑翔机1和岸基指控中心2接收到波浪滑翔器3的通讯信号为故障状态字节时；水下滑翔机1以及岸基指控中心2与波浪滑翔器3断开通信链接；水下滑翔机1与岸基指控中心2建立卫星通信链接；当波浪滑翔器3的速度或深度恢复至设置范围时，波浪滑翔器3向水下滑翔机1和岸基指控中心2发送通讯信号；水下滑翔机1与岸基指控中心2断开卫星通信链接；波浪滑翔器3与岸基指控中心2建立卫星通信链接；水下滑翔机1与波浪滑翔器3建立水声通信链接。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。