本發(fā)明涉及機(jī)械、電子和軟件技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種多功能智能水下機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增多，人類消耗的自然資源越來(lái)越多，陸地上的資源正在日益減少，而占地球表面積71％的海洋和海洋底部卻蘊(yùn)藏著極其豐富的生物資源及礦產(chǎn)資源。海洋作為人類尚未開(kāi)發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng)域之一，已經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，是近幾年國(guó)際上激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一，有很多國(guó)家都在進(jìn)行海洋資源開(kāi)發(fā)，以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家更是把海洋開(kāi)發(fā)列為國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃。我國(guó)作為一個(gè)海洋大國(guó)，藍(lán)色國(guó)土約為陸地國(guó)上面積的三分之一，且在這遼闊的海域內(nèi)蘊(yùn)藏的極其豐富的資源。智能水下機(jī)器人(autonomousunderwatervehicle，auv)現(xiàn)已成為探索海洋、開(kāi)發(fā)海洋所必不可少的重要裝備，是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、捍衛(wèi)國(guó)家安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。

實(shí)際上，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、小型化導(dǎo)航設(shè)備以及控制軟硬件技術(shù)的發(fā)展，auv已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家海洋技術(shù)研究的前沿。auv不僅僅意味著是無(wú)人駕駛的無(wú)纜水下潛器，更重要的是它有自身的動(dòng)力源和獨(dú)立的控制系統(tǒng)，能夠自主執(zhí)行復(fù)雜海洋環(huán)境中的預(yù)定航行任務(wù)。與遙控式水下潛器(remotelyoperatedvehicle，rov)相比，auv具有活動(dòng)范圍大、下潛深、不怕電纜糾纏、可進(jìn)入復(fù)雜海洋環(huán)境中、不需要龐大的水面支持系統(tǒng)、占用甲板面積小、作業(yè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。因此，從民用方面的水下調(diào)查、海洋開(kāi)發(fā)、海底工程施工和水下搜救到軍用方面的反水雷戰(zhàn)、水下偵察等都是其具體的應(yīng)用領(lǐng)域。auv根據(jù)功能和機(jī)動(dòng)特性可分為兩種：巡航式信息型，用于勘測(cè)、搜索、物品運(yùn)輸?shù)?，在其?zhí)行任務(wù)期間連續(xù)航行，一般靠舵面和螺旋槳推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制；懸停式作業(yè)型，用于水下物體的檢查并完成一定操作，工作時(shí)保持在水中的位置和姿態(tài)，一般需要多個(gè)推進(jìn)器和控制面產(chǎn)生需要的控制力和力矩。這兩種auv在功能上的差異決定了其結(jié)構(gòu)及機(jī)動(dòng)特性上存在較大的不同，因此，一種型號(hào)的auv很難同時(shí)勝任不同的任務(wù)需求。目前，使命需求的不斷復(fù)雜化和多樣化迫使auv朝著系統(tǒng)化、多功能化及集群技術(shù)方向發(fā)展?，F(xiàn)有技術(shù)中的智能水下機(jī)器人存在功能單一、活動(dòng)范圍小、操作不便等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的缺陷，提供一種多功能智能水下機(jī)器人，采用開(kāi)架式布局和模塊化設(shè)計(jì)，允許根據(jù)需要選擇第三方工具和傳感器集成到auv內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)更多訂制功能，具有活動(dòng)范圍大、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。

其具體技術(shù)方案為：

一種多功能智能水下機(jī)器人，包括機(jī)械系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，所述機(jī)械系統(tǒng)包括框架結(jié)構(gòu)、密封艙體、攝像頭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及附件；所述電子系統(tǒng)由主控開(kāi)關(guān)、主電源、電纜和各個(gè)用電器組成，為艙內(nèi)主控計(jì)算機(jī)、各種傳感器和外圍設(shè)備提供了交互界面；所述軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩層架構(gòu)，上位機(jī)系統(tǒng)是auv的行動(dòng)指揮中心，負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)上傳的信息進(jìn)行處理，判斷進(jìn)行動(dòng)作決策，然后給下位機(jī)發(fā)送指令，下位機(jī)再分配給推進(jìn)器、機(jī)械臂、氣動(dòng)裝置等執(zhí)行機(jī)構(gòu)以完成既定任務(wù)；在信息到策略的過(guò)程中，分為時(shí)間、圖像、水聲、深度等優(yōu)先級(jí)，auv根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行不同的任務(wù)，直至最后浮出水面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明采用開(kāi)架式布局，模塊化設(shè)計(jì)，允許根據(jù)需要選擇第三方工具和傳感器集成到auv內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)更多訂制功能。

本發(fā)明將氣體驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于水下機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。與之相比，傳統(tǒng)的電氣傳動(dòng)方式易受溫度、濕度、震動(dòng)和腐蝕環(huán)境等條件影響，且運(yùn)動(dòng)部件慣性大，換向慢，這使其應(yīng)用存在一定局限性。采用氣動(dòng)技術(shù)容易獲得較大的力和力矩，在相同輸出功率的條件下，較其他傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，具有低功耗，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為多功能智能水下機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)組成圖；

圖2為電子系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖3為下位機(jī)架構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步洋細(xì)地說(shuō)明。

參照?qǐng)D1、圖2、圖3，本發(fā)明的多功能智能水下機(jī)器人包括以下組成部分：

(一)機(jī)械系統(tǒng)

多功能智能水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由框架結(jié)構(gòu)、密封艙體、攝像頭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及附件組成。整個(gè)結(jié)構(gòu)利用solidworks軟件無(wú)紙化設(shè)計(jì)和可視化實(shí)現(xiàn)，從3d建模到出圖紙加工，這給我們提供了極大地便利。建模完成后使用ansys對(duì)整個(gè)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，基于建立的模型使用流場(chǎng)分析軟件star-ccm+對(duì)auv在水下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和投放載荷的運(yùn)行軌跡進(jìn)行了數(shù)值仿真。

a.框架結(jié)構(gòu)

側(cè)板框架主要是為了固定auv的密封艙體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，并起到有效的保護(hù)作用。側(cè)板采用鋁合金材料激光切割，保證了快速加工和安裝的要求。側(cè)板的外形靈感來(lái)源于電影《變形金剛》中的擎天柱，在保證結(jié)構(gòu)功能的前提下達(dá)到美觀的外形設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們希望“擎天柱”能夠從陸地和空中走向水下，去完成任務(wù)。

除了側(cè)板之外，auv底部支架為主要的承力結(jié)構(gòu)，其承擔(dān)了儀器艙、電池艙以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的重量，auv大部分的結(jié)構(gòu)部與底部的支架連接，防止側(cè)板承受過(guò)大的載荷，保證了auv整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，auv的重心在浮心的下方，以保證auv的靜穩(wěn)定性。

b.密封艙

auv主密封艙體采用內(nèi)部直徑為220mm有機(jī)玻璃艙體，主要是為了更方便地看到艙體內(nèi)元器件的運(yùn)行狀態(tài)指示燈，從而判斷auv的運(yùn)行狀態(tài)。艙體端面共有13個(gè)subconn的接插件，用于供電及信號(hào)傳輸，端面安裝的壓力傳感器用于實(shí)時(shí)反饋auv深度信息。

除了主密封艙外，auv的其他密封外殼還包括電池艙、攝像頭艙、氣動(dòng)裝置艙。電池艙的面板上安裝了帶指示燈的機(jī)械式按壓開(kāi)關(guān)，用于auv的供電系統(tǒng)應(yīng)急切斷。

氣動(dòng)裝置艙中安裝了5個(gè)電磁閥，分別控制載荷投放裝置、機(jī)械臂等完成相應(yīng)的動(dòng)作。氣瓶用于給整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)提供氣源，氣瓶壓力一般調(diào)整為0.6-0.8mpa，足以供給完成既定動(dòng)作。

c.攝像頭

auv有前視和俯視兩個(gè)攝像機(jī)，均采用高分辨率的guppyprof-046工業(yè)級(jí)相機(jī)，配置的theiamy125m高清廣角鏡頭極大地?cái)U(kuò)大了auv的視野范圍。我們還為該攝像頭設(shè)計(jì)了專用的防水密封外殼，保證實(shí)現(xiàn)攝像頭水下拍攝。

d.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

多功能智能水下機(jī)器人搭載的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括載荷發(fā)射和投放裝置、機(jī)械臂裝置、推進(jìn)器等。

(1)載荷發(fā)射裝置

氣瓶?jī)?nèi)的高壓氣體通過(guò)信號(hào)觸發(fā)而開(kāi)啟的單向?qū)ㄩy進(jìn)入到載荷發(fā)射管，將載荷推動(dòng)發(fā)射出去。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，0.2mpa的氣體壓力可以將該小型回轉(zhuǎn)體載荷模型發(fā)射航行2m的距離，能滿足一般任務(wù)要求。

(2)載荷投放裝置

載荷投放裝置采用雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)推桿，推出之后，筒中的假定的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信標(biāo)模型被釋放。

(3)機(jī)械臂

搭載的機(jī)械臂采用雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)，交叉的“x”型抓手能夠較大范圍抓取目標(biāo)物，保證了抓取目標(biāo)的冗余性。

(4)推進(jìn)器

auv的推進(jìn)系統(tǒng)由8個(gè)seabotixbtd150推進(jìn)器組成。四個(gè)垂直推進(jìn)器用于實(shí)現(xiàn)定深運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)側(cè)向推進(jìn)器用于實(shí)現(xiàn)auv側(cè)向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，其余兩個(gè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)auv的直行前進(jìn)和后退，八個(gè)推進(jìn)器使auv在水下具備六自由度運(yùn)動(dòng)能力。

(二)電子系統(tǒng)

整個(gè)電子系統(tǒng)由主控開(kāi)關(guān)、主電源、電纜和各個(gè)用電器組成，為艙內(nèi)主控計(jì)算機(jī)、各種傳感器和外圍設(shè)備提供了交互界面。

a.供電系統(tǒng)

多功能智能水下機(jī)器人的電能供應(yīng)系統(tǒng)分別由兩塊16000mah的鋰電池供應(yīng)，將動(dòng)力電源和儀表電源分開(kāi)，避免推進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)帶來(lái)的電源波動(dòng)對(duì)儀表工作的影響。儀表電主要是用于主控板、水聲、慣導(dǎo)、壓力傳感器和stm32，動(dòng)力電主要是給8個(gè)推進(jìn)器供電，系統(tǒng)中主要的電壓需要是24v，12v和5v。針對(duì)不同的用電器，它們的電壓不同，因此采用穩(wěn)壓模塊來(lái)調(diào)整輸出電壓的大小，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的供電正常。

b.串口通信

串口通信模塊完成了工控機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、水聲模塊的通信連接，其中工控機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工控機(jī)與水聲模塊都是利用rs232串口通過(guò)單向usb連接實(shí)現(xiàn)的(viars-232serialthroughasingleusbconnection)。廣泛的適用性和良好的抗噪能力使我們選擇rs232的原因。

c.推進(jìn)器控制

在auv的控制中最主要的是對(duì)推進(jìn)器的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)auv六個(gè)自由度機(jī)動(dòng)。auv的姿態(tài)通過(guò)姿態(tài)傳感器spartonahrs-8實(shí)時(shí)獲取，采用pid智能控制方法來(lái)達(dá)到比較精確的控制效果，使得auv的可以在水中保持平穩(wěn)，并在執(zhí)行命令時(shí)快速響應(yīng)。我們選用的推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)板結(jié)合pid控制方法，使推進(jìn)器按照要求的速度正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)auv的直航、升沉等機(jī)動(dòng)。

對(duì)于深度控制，由于自身重力與浮力的不等，需要推進(jìn)器不斷的提供推力來(lái)滿足auv的平衡、上浮與下潛，同時(shí)保證其不會(huì)出現(xiàn)傾斜，對(duì)于推進(jìn)器的控制要求較高，采集多路控制信息結(jié)合深度信息聯(lián)合控制，所以深度控制部分采用多輸入多輸出的控制方式。

對(duì)auv的進(jìn)退、平移控制，主要是結(jié)合上位機(jī)圖像識(shí)別、水聲信號(hào)識(shí)別后動(dòng)作要求，根據(jù)任務(wù)進(jìn)行快速的動(dòng)作，及時(shí)運(yùn)動(dòng)的相應(yīng)的任務(wù)位置，執(zhí)行其他任務(wù)。

d.執(zhí)行器控制

主要是采用氣動(dòng)方式推動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，控制器給予i/o命令驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，使得機(jī)械臂可以快速響應(yīng)。載荷發(fā)射和投放裝置與機(jī)械手控制類似，在執(zhí)行完動(dòng)作之后再快速關(guān)閉氣動(dòng)閥。

(三)軟件系統(tǒng)

多功能智能水下機(jī)器人的軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩層架構(gòu)。上位機(jī)系統(tǒng)是auv的行動(dòng)指揮中心，負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)上傳的信息進(jìn)行處理，判斷進(jìn)行動(dòng)作決策，然后給下位機(jī)發(fā)送指令，下位機(jī)再分配給推進(jìn)器、機(jī)械臂、氣動(dòng)裝置等執(zhí)行機(jī)構(gòu)以完成既定任務(wù)。在信息到策略的過(guò)程中，分為時(shí)間、圖像、水聲、深度等優(yōu)先級(jí)，可以根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)auv執(zhí)行不同的任務(wù)，直至最后浮出水面。

a.上位機(jī)

多功能智能水下機(jī)器人的上位機(jī)策略控制系統(tǒng)主要功能是收集其他系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一系列的分析處理，將解算得到的指令傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析與auv控制。策略系統(tǒng)具有眾多功能模塊，主要由初始化模塊，任務(wù)切換模塊，通信模塊，圖像處理系統(tǒng)模塊，數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)記錄模塊，人機(jī)交互模塊組成；

(a)初始化模塊：整個(gè)策略系統(tǒng)運(yùn)行前，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化；

(b)任務(wù)切換模塊：程序運(yùn)行前，策略設(shè)定了任務(wù)需要完成的任務(wù)，并且設(shè)定任務(wù)完成的先后順序，方便了程序的調(diào)試，提高了程序運(yùn)行的效率；

(c)通信模塊：在通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)策略程序與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)交互與傳輸，將收到的數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)分析模塊，進(jìn)行分析與解算；將解算后的數(shù)據(jù)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)使其實(shí)時(shí)執(zhí)行；

(d)圖像處理系統(tǒng)模塊：采集攝像機(jī)實(shí)時(shí)捕獲的數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖像信息分析，得到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析模塊，進(jìn)行后續(xù)的分析與解算；

(e)數(shù)據(jù)分析模塊：集合各個(gè)傳感器、水聲、視覺(jué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)任務(wù)模塊的設(shè)定，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析；分析解算后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，并將該時(shí)刻的指令通過(guò)通信模塊傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指令傳輸與控制；

(f)數(shù)據(jù)記錄模塊：持續(xù)記錄策略程序運(yùn)行期間圖像系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)、當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)中重要數(shù)據(jù)，以及發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令，極大的方便了程序調(diào)試階段的分析；

(g)人機(jī)交互模塊：提供了調(diào)試界面，在界面上清晰并實(shí)時(shí)的顯示auv當(dāng)前所處的任務(wù)階段，以及當(dāng)前任務(wù)的重要數(shù)據(jù)。

b.下位機(jī)

下位機(jī)系統(tǒng)硬件部分主要包含控制器、傳感器、執(zhí)行器。主控制器采用的stm32f103“增強(qiáng)型”系列微控制器，該芯片性基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的armcortex-m3內(nèi)核，使得其綜合性能極高。其硬件資源比較多，便于完成較復(fù)雜的任務(wù)，也便于在測(cè)試過(guò)程中增加新的功能。傳感器包括三軸傾角傳感器、壓力傳感器，分別通過(guò)串口rs232與rs485方式向主控制器發(fā)送實(shí)時(shí)角度信息與深度信息。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括8個(gè)推進(jìn)器、機(jī)械手與載荷發(fā)射和投放裝置，主要通過(guò)主控制器的i/o口進(jìn)行控制，推進(jìn)器主要靠pwm的方式進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的無(wú)極變速。

下位機(jī)主要任務(wù)是獲取各個(gè)傳感器的信息并進(jìn)行處理，同時(shí)將傳感器信息及時(shí)反饋給上位機(jī)，與上位機(jī)進(jìn)行信息交互，獲取上位機(jī)的控制命令，同時(shí)輸出控制推進(jìn)器、機(jī)械臂和載荷發(fā)射和投放機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作。

傳感器數(shù)據(jù)信息作為auv的感知部分，對(duì)auv的可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，在本次設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，濾掉干擾信號(hào)，確保auv的得到信息的準(zhǔn)確性。

c.圖像視覺(jué)系統(tǒng)

多功能智能水下機(jī)器人的視覺(jué)處理系統(tǒng)是在auv獲得精確數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。視覺(jué)系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)構(gòu)成，這些子系統(tǒng)是模塊化的，他們的集合與交互工作構(gòu)成了整個(gè)視覺(jué)處理系統(tǒng)。

(a)攝像機(jī)模塊：攝像機(jī)模塊工作模式有兩種，實(shí)時(shí)工作模式與離線工作模式。實(shí)時(shí)工作模式狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)捕獲，離線工作模式狀態(tài)下，捕獲記錄視頻中的圖像數(shù)據(jù)。此外，攝像機(jī)模塊還完成與圖像處理模塊傳輸圖像的功能。

(b)攝像機(jī)模型模塊：對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)物理世界3d坐標(biāo)系向攝像機(jī)圖像坐標(biāo)2d平面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；在圖像分析進(jìn)程中，攝像機(jī)模型模塊對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)部分狀態(tài)的判斷與決策的實(shí)行。

(c)圖像處理及分析模塊：獲取攝像機(jī)捕獲的圖像后傳入該模塊，對(duì)傳來(lái)的未經(jīng)處理的原圖像進(jìn)行畸變矯正處理。依照不同的任務(wù)模塊，畸變處理后的圖像進(jìn)行相應(yīng)任務(wù)的顏色閾值(colorthresholding)、輪廓分析(contouranalysis)、模型分析(modelanalysis)等圖像處理算法與數(shù)據(jù)分析算法，獲得相關(guān)任務(wù)的視覺(jué)信息數(shù)據(jù)。

(d)數(shù)據(jù)記錄模塊：對(duì)分析處理得到的視覺(jué)信息進(jìn)行記錄，并可以將記錄文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重繪工作，在調(diào)試時(shí)更加直觀地重現(xiàn)調(diào)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)。

(e)圖像信息反饋模塊：依照不同的任務(wù)，獲取到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，在圖像與調(diào)試軟件上同時(shí)顯示，極大程度上方便了測(cè)試者的調(diào)試工作。

d.被動(dòng)聲吶定位

被動(dòng)聲吶測(cè)向系統(tǒng)通過(guò)分別測(cè)向后，根據(jù)已有陣列間的距離參數(shù)從而測(cè)試出目標(biāo)的方位和距離。被動(dòng)測(cè)距方法主要分為方位法和時(shí)差法，部是利用間距相當(dāng)長(zhǎng)的2個(gè)或多個(gè)子陣。除此之外還有一種利用單水聽(tīng)器接收信號(hào)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行warping變換的聲源被動(dòng)測(cè)距方法，因?yàn)閱嗡?tīng)器的lofar(lowfrequencyanalysisrecord)圖隱含著目標(biāo)的距離和運(yùn)動(dòng)信息，我們通過(guò)已知的距離信息用幾何算法進(jìn)行定位。

在測(cè)向定位的過(guò)程中，我們可以分別測(cè)出兩個(gè)聲源的方向角度，即聲信標(biāo)a，b關(guān)于c法線位置dc上的夾角，即可測(cè)出聲源相對(duì)于聲納的角度差值，而兩個(gè)聲源和聲納剛好形成一個(gè)三角形，因此我們可以通過(guò)不斷修正讓auv穩(wěn)定行駛在兩聲源相連的中垂線。這樣就可以通過(guò)三角函數(shù)求出聲信標(biāo)的距離，進(jìn)而通過(guò)兩個(gè)四元陣來(lái)測(cè)定目標(biāo)的角度，從而得出其位置。

本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)以下功能：

1、水下懸停與定點(diǎn)作業(yè)

auv動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)由八個(gè)推進(jìn)器組成，推進(jìn)器布局方式如下在水下可以非常靈活地實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的動(dòng)作。而垂向布置的4個(gè)推進(jìn)器，其布局相對(duì)于auv重心對(duì)稱。其搭載的高精度姿態(tài)傳感器和壓深傳感器能實(shí)時(shí)反饋auv在水下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合智能pid控制方法可以很輕易，很穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)水下定點(diǎn)定深懸浮，保證auv在作業(yè)位置的定點(diǎn)精準(zhǔn)定位，使auv在完成抓取，觀察，投放等任務(wù)時(shí)更加精準(zhǔn)。

2、視頻采集與回放

水下環(huán)境復(fù)雜，要捕捉到高清畫面并不容易。auv為了獲取水下高清視頻，不僅搭載了照明用led燈，還搭載了兩臺(tái)分辨率高，最低感光度為1.5lux的水下相機(jī)，配備的超清廣角鏡頭，使得相機(jī)視野水平視角大于135度，垂直視角不小于115度，而畸變率卻低于3％。此外，內(nèi)置的大容量記憶系統(tǒng)可以將auv在水下觀察的圖像存儲(chǔ)起來(lái)，以待回收時(shí)使用人員拷貝處理。

3、目標(biāo)抓取

多功能智能水下機(jī)器人安裝的多自由度機(jī)械臂能夠抓取水下目標(biāo)物。機(jī)械臂采用氣源驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作快速，抓取力大等特點(diǎn)，可用于水下物體如海參等的定點(diǎn)拾取，抓取纜繩、斷網(wǎng)等其他輕量級(jí)工作。

值得一提的是，當(dāng)前能實(shí)現(xiàn)多種功能的機(jī)械臂商業(yè)化十分成熟，auv按照模塊化設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)自由度，大小合適的機(jī)械臂，來(lái)滿足自己的需求，并且auv有獨(dú)立的氣動(dòng)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)，可以很方便地采用電動(dòng)和氣動(dòng)等不同類型的機(jī)械手。

4、功能載荷布放

auv特設(shè)載荷艙，可根據(jù)實(shí)際需要攜帶信標(biāo)、海洋參數(shù)探測(cè)器等多種載荷，采用氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，能快速準(zhǔn)確釋放載荷至目標(biāo)位置，完成載荷布放等任務(wù)。

5、自主尋的

水下環(huán)境十分復(fù)雜，能見(jiàn)度低，電磁信號(hào)衰減迅速。目前，最可靠的水下通信方式仍然是水聲通信。auv搭載了低功耗、寬頻帶、高靈敏的水聽(tīng)器，能實(shí)現(xiàn)25hz下-203db±2dbre1v/μpa的接收精度?？捎糜诔链驌坪褪嘛w機(jī)黑匣子等特殊聲學(xué)目標(biāo)的自主尋的定位。根據(jù)需要還可安裝主動(dòng)側(cè)掃聲吶，增強(qiáng)auv的水下探測(cè)能力。

6、自主巡航

auv自備電源模塊，可以支持auv進(jìn)行長(zhǎng)航程的航行，而內(nèi)部的自主控制系統(tǒng)可以在無(wú)人操縱航行器的情況下自主地執(zhí)行任務(wù)。用戶只需要預(yù)先設(shè)定工作任務(wù)，然后把a(bǔ)uv投放到目標(biāo)海面上，auv便可自主地到達(dá)目標(biāo)海域完成上述功能，進(jìn)行作業(yè)。在完成預(yù)設(shè)任務(wù)后能自動(dòng)返航，便于后續(xù)的信息處理，物品收集等。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見(jiàn)地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。