一種基于無人艇編隊運動的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體的是設(shè)及一種基于GPS信息與ZigBee通 信，并通過對無人艇進(jìn)行編隊運動控制進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代海洋開發(fā)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時，也帶來了一系列資源和生態(tài)環(huán)境問題， 近年來大范圍赤潮、海岸侵蝕、海上溢油污染等災(zāi)害頻頻發(fā)生，因此對于海洋環(huán)境監(jiān)測的研 究與開發(fā)顯得尤為重要。海洋環(huán)境監(jiān)測需要全面、及時、準(zhǔn)確地掌握人類活動對海洋環(huán)境影 響的水平和趨勢，目前海洋環(huán)境監(jiān)測儀器大體基于兩種思路發(fā)展，一種是直接測量法，即利 用傳感器在水下直接測量污染參數(shù);另一種是采樣法，即在監(jiān)測水域進(jìn)行采樣，并做出快速 檢測和分析。運兩種方法在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域各有優(yōu)缺點，但運兩種方法都需要進(jìn)入監(jiān)測 水域才能完成。目前對于現(xiàn)場實際需要監(jiān)測的水域大多采用浮標(biāo)站的方法進(jìn)行檢測和采 樣。浮標(biāo)站監(jiān)測和采樣的地點相對固定，不能很好的滿足監(jiān)測的全面性。并且，赤潮具有突 發(fā)性和不確定性等特點，溢油會隨著洋流、風(fēng)浪等其他因素移動，浮標(biāo)和移動浮標(biāo)不具有針 對性和跟蹤性監(jiān)測的特點。所W，研究一種能夠在海面移動可控的監(jiān)測平臺就顯得尤為重 要。
[0003] 無人艇作為一種無人操縱的水面艦艇，搭配上先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器和通信系 統(tǒng)后，可W很好的完成海洋環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)。近十年來，單體無人艇運動控制受到了研究人 員的高度關(guān)注，而海洋環(huán)境地域廣闊，單體無人艇的監(jiān)測區(qū)域小，大大降低了對海洋環(huán)境監(jiān) 測的效率。所W，研究一種無人艇編隊運動控制，采用多只無人艇協(xié)同運動并搭載海洋環(huán)境 監(jiān)測的傳感器完成海洋環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)具有很強的實際應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化和高效 率的海洋環(huán)境監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是要提供一種基于無人艇編隊運動的海 洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過采用海上移動可控的監(jiān)測手段，針對某一地點 水域進(jìn)行監(jiān)測和采樣，W提高海洋環(huán)境監(jiān)測的效率，降低人力成本，提高自動化作業(yè)水平， 從而達(dá)到全面、及時、準(zhǔn)確的獲取海洋環(huán)境信息(包括海洋水文氣象參數(shù)、水質(zhì)生物狀態(tài)參 數(shù)、物理化學(xué)參數(shù)），并且能夠獲取海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)的時間、地點等信息的目的。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于的無人艇編隊運動的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：
[0007] 包括若干搭載有無人艇編隊運動控制系統(tǒng)、海洋環(huán)境監(jiān)測傳感系統(tǒng)、無線ZigBee 通信系統(tǒng)的無人艇W及遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；
[000引各所述無人艇編隊運動控制系統(tǒng)按照設(shè)定的無人艇編隊運動模式驅(qū)動各自對應(yīng) 的無人艇電機(jī)形成航行編隊隊列并按照各自對應(yīng)的航行軌跡進(jìn)行運動;所述設(shè)定無人艇編 隊運動模式的過程包括:通過遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定無人艇編隊模型即首先選定作為 主動艇的無人艇，并設(shè)定主動艇的航行軌跡;隨后按照主動艇的航行軌跡W及預(yù)定的編隊 運動形式，選定作為從動艇的無人艇并生成與各從動艇--對應(yīng)的航行軌跡；同時各所述 無人艇在航行過程中實時通過無線ZigBee通信系統(tǒng)向遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送位置信 息；
[0009] 各所述的海洋環(huán)境監(jiān)測傳感系統(tǒng)搭載在各無人艇上，并實時將采集到的海洋環(huán)境 監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線Zi濁ee通信系統(tǒng)向遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送，所述海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù) 包括海洋水文氣象信息、水質(zhì)生物狀態(tài)信息、海洋物理化學(xué)參數(shù)；
[0010] 各所述的無線ZigBee通信系統(tǒng)分別連接無人艇與遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于實 現(xiàn)連接各無人艇與遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)通信;所述雙向數(shù)據(jù)通信包括將各無人 艇位置信息W及各無人艇采集到的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);并將 遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對各無人艇的控制命令發(fā)送至各無人艇;其中，所述各無人艇的控 制命令包括與無人艇編隊運動模式設(shè)定相關(guān)的控制命令；
[0011] 所述的遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)接收各無人艇的位置信息W及各無人艇采集到的 海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時形成可視化界面進(jìn)行顯示；同時通過無線ZigBee通信系統(tǒng)對各無 人艇實施遠(yuǎn)程控制。
[0012] 進(jìn)一步的，所述主動艇、從動艇均受控于所述遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并通過遠(yuǎn)程 海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)完成無人艇編隊身份互換的操作設(shè)定，便于用戶隨時重新選定主動艇， W防止當(dāng)前所選定的主動艇出現(xiàn)故障，進(jìn)而影響海洋環(huán)境監(jiān)測采集工作；其中所述無人艇 編隊身份是指主動艇或者從動艇。
[0013] 進(jìn)一步的，所述無人艇編隊運動控制系統(tǒng)在接收到所述無人艇的控制命令后，首 先對所述控制命令進(jìn)行命令解析，確認(rèn)各自對應(yīng)的無人艇編隊身份后，驅(qū)動無人艇電機(jī)自 動向與航行命令對應(yīng)的航行軌跡上的第一個航行點運動，在到達(dá)航行軌跡上的開始位置點 后，按照設(shè)定的無人艇編隊運動模式驅(qū)動各自對應(yīng)的無人艇電機(jī)形成航行編隊隊列并開始 循跡航行動作。
[0014] 進(jìn)一步的，所述的無人艇編隊運動控制系統(tǒng)包括嵌入式控制子系統(tǒng)、GPS定位子系 統(tǒng)、主動艇循跡航行控制子系統(tǒng)W及從動艇編隊運動控制子系統(tǒng);所述的無人艇編隊運動 控制系統(tǒng)W嵌入式控制子系統(tǒng)為控制核屯、，基于GI^定位子系統(tǒng)反饋的位置信息，按照設(shè)定 的無人艇編隊運動模式控制主動艇循跡航行控制子系統(tǒng)或者從動艇編隊運動控制子系統(tǒng) 驅(qū)動無人艇電機(jī)進(jìn)行航行動作;所述主動艇循跡航行控制子系統(tǒng)W及從動艇編隊運動控制 子系統(tǒng)均受控于所述無人艇編隊運動控制系統(tǒng)，并能夠驅(qū)動無人艇電機(jī)按照各自對應(yīng)的航 行軌跡進(jìn)行航行動作。
[0015] 進(jìn)一步的，所述的海洋環(huán)境監(jiān)測傳感系統(tǒng)包括能夠采集相關(guān)海域?qū)?yīng)的海洋水文 氣象信息的海洋水文氣象監(jiān)測傳感器、能夠采集相關(guān)海域?qū)?yīng)的水質(zhì)生物狀態(tài)信息的海洋 水質(zhì)生物狀態(tài)監(jiān)測傳感器W及能夠采集相關(guān)海域?qū)?yīng)的海洋物理化學(xué)參數(shù)的海洋物理化 學(xué)參數(shù)監(jiān)測傳感器。
[0016] 進(jìn)一步的，所述的遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括無人艇航行控制界面、編隊無人艇 航跡顯示界面W及海洋環(huán)境信息顯示界面。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 1、本發(fā)明將可移動的無人艇運用于海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，實現(xiàn)了監(jiān)測點的可移動 性，進(jìn)而增加了海洋環(huán)境監(jiān)測的主動性，本發(fā)明對于赤潮運種突發(fā)性和不確定性的污染，具 有高效的監(jiān)測速度和精度，并且對于溢油污染能夠?qū)崿F(xiàn)可移動的跟蹤監(jiān)測；
[0019] 2、采用編隊形式的無人艇進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，客服了監(jiān)測區(qū)域小，效率低的問題，且通 過多只無人艇協(xié)同航行采集，實現(xiàn)了大范圍水域的實時監(jiān)測，同時本發(fā)明不僅適用于海洋 環(huán)境監(jiān)測，也對湖泊、水巧和一些人員不便進(jìn)入的水域等也具有很好的適用性和兼容性。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明所述海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明所述海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)框圖；
[0022] 圖3是無人艇運動控制原理框圖；
[0023] 圖4是從動艇與主動艇對應(yīng)的控制模型示意圖；
[0024] 圖5是本發(fā)明所述的從動艇與主動艇對應(yīng)的循跡航行動作示意圖。
[0025] 圖中：1、無人艇編隊運動控制系統(tǒng)，2、海洋環(huán)境監(jiān)測傳感系統(tǒng)，3、無線ZigBee通信 系統(tǒng)，4、遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；11、嵌入式控制子系統(tǒng)，12、GPS定位子系統(tǒng)，13、主動艇循 跡航行控制子系統(tǒng)，14、從動艇編隊運動控制子系統(tǒng);21、海洋水文氣象監(jiān)測傳感器，22、海 洋水質(zhì)生物狀態(tài)監(jiān)測傳感器，23、海洋物理化學(xué)參數(shù)監(jiān)測傳感器;41、無人艇航行控制界面， 42、編隊無人艇航跡顯示界面，43、海洋環(huán)境信息顯示界面。
【具體實施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn) 行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 本發(fā)明的工作原理如下：
[0028] A、本發(fā)明的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由搭載人艇編隊運動控制系統(tǒng)、海洋環(huán)境監(jiān)測傳 感系統(tǒng)、無線ZigBee通信系統(tǒng)的無人艇和遠(yuǎn)程海洋環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)組成，并通過Zi濁ee 無線通信連接，實現(xiàn)海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)與控制信息的傳輸；
[0029] B、前端無人艇編隊運動控制由無人艇編隊運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)，該無人艇編隊運動 控制系統(tǒng)基于GPS位置信息與電子羅盤的航向信息形成閉環(huán)控制，首先遠(yuǎn)程海洋環(huán)境信息 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定編隊無人艇中的主動艇及其運動軌跡，并將該軌跡信息劃分為逐個點信息， 通過ZigBee無線通信系統(tǒng)將主動艇航行的點信息傳輸?shù)街鲃油У那度胧娇刂谱酉到y(tǒng)上;嵌 入式控制子系統(tǒng)通過控制無人艇的驅(qū)動電機(jī)和艙機(jī)從而實現(xiàn)主動艇逐個趨近軌跡上的每 個位置點，從而實現(xiàn)主動艇的循跡航行；
[0030] C、其余的無人艇默認(rèn)為從動艇，從動艇的航行基于主動艇的航行軌跡W及預(yù)定的 編隊運動形式，生成與各從動艇一一對應(yīng)的航行軌跡；
[0031] D、編隊無人艇上搭載多種測量海洋環(huán)境信息的傳感器，實時對航行區(qū)域進(jìn)行檢 ，并將檢測數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的顯示界面 上；
[0032] E、遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可設(shè)立在近岸區(qū)域，在系統(tǒng)界面上設(shè)計編隊無人艇的航 行軌跡和監(jiān)測范圍；查看無人艇的實際航行軌跡;實時觀測海洋環(huán)境信息等。
[0033] 本發(fā)明能夠根據(jù)無人艇的航行點與傳輸?shù)玫降暮Ｑ蟓h(huán)境信息進(jìn)行匹配，可W高 效確定海洋環(huán)境信息異常點的大致地理位置。
[0034] 基于上述原理，如圖1-圖2所示，所述基于的無人艇編隊運動的海洋環(huán)境監(jiān)測系 統(tǒng)，其特征在于：
[0035] 包括若干搭載有無人艇編隊運動控制系統(tǒng)1、海洋環(huán)境監(jiān)測傳感系統(tǒng)2、無線 Zi濁ee通信系統(tǒng)3的無人艇W及遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)4;
[0036] 各所述無人艇編隊運動控制系統(tǒng)1按照設(shè)定的無人艇編隊運動模式驅(qū)動各自對應(yīng) 的無人艇電機(jī)形成航行編隊隊列并按照各自對應(yīng)的航行軌跡進(jìn)行運動;所述設(shè)定無人艇編 隊運動模式的過程包括:通過遠(yuǎn)程海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)4設(shè)定無人艇編隊模型即首先選定作 為主動艇的無人艇，并設(shè)定主動艇的航行軌跡;隨后按照主動艇的航行軌跡W及預(yù)定的編 隊運動形式，選定作為從動艇的無人艇并生成與各從動艇一一對應(yīng)的航行