CN115019412A - 一种基于多传感器的水下auv海缆巡检***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***及方法。构建了一种包括电源模块、AUV控制模块、AUV动力模块、海缆探测模块、组合导航定位模块以及无线传输模块的水下海缆巡检***。通过多传感器配合进行海缆探测，能够提高在水下复杂环境中对海缆的识别准确度，由磁力仪探测海缆方向和位置，侧扫声纳和水下摄像机基于图像信息进行海缆识别，记录海缆破损状态等，弥补单一传感器探测的局限性，提高探测准确度。通过组合导航定位算法计算***的姿态和位置，解决探测设备在水下定位不准确的问题。采用滤波增益补偿算法，克服了定位误差累积。实时上传海缆巡检***在水下的精确位置信息，提高了海缆探测巡检过程的安全性。
Description
技术领域
本发明属于海缆巡检技术领域，具体涉及一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***及方法。
背景技术
得益于大容量、高可靠性、低损耗、抗电磁干扰能力强等特点，目前全球95％以上的国际数据选择通过海底光缆进行传输。但是复杂的海洋环境，例如高水压、高腐蚀性等，使海缆有可能遭受损坏，这将对远程数据通信产生严重的不利影响，因此，海缆巡检成为一项必要的任务。
现有的海缆巡检探测方法有磁探测法、侧扫声纳探测法、浅地层刨面探测法以及水下摄像探测法等。磁探测法通过探测水下磁场变化，从而探测出水下管道等磁异常体，能够对裸露和埋藏管道探测且精度高，但是定位精度较低。侧扫声纳通过发射并接收声波信号形成图像，能够识别海底管道，分辨率和工作效率高，但在深水条件下定位精度较低。浅地层刨面探测法，能够对直径较大并埋藏较浅的管道探测明显，但是对管径小的管线探测能力弱。水下摄像机通过光学摄影能够直观可靠的识别裸露或悬空的海缆管道，但可视距离较短故探测范围较小。
综合现有海缆探测方法可以发现，单一探测方法无法完全满足在海底复杂环境下对海缆的探测，且大多存在传感器定位精度较低的问题，因此亟需一种能够在水下自动寻找海缆并在水下复杂环境中实现巡航检查的方法，用于对海缆埋深、裸露、悬空以及障碍物进行识别判定，记录海缆坐标并上传精准位置信息。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***及方法，基于多传感器与水下组合导航定位，在扩大探测范围的同时提高在海底复杂环境下对海缆的探测精度以及巡检效率。
一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***，包括电源模块、AUV控制模块、AUV动力模块、海缆探测模块、组合导航定位模块以及无线传输模块。
所述电源模块用于为***中的其他模块提供稳定电压。
所述AUV控制模块根据海缆探测模块、组合导航定位模块采集的信息，输出运动控制命令，保存水下海缆信息与自身位置信息，并通过无线传输模块传输位置信息。
所述AUV动力模块接收AUV控制模块输出的运动控制命令，控制AUV在巡检过程的姿态。
所述海缆探测模块包括磁力仪、侧扫声纳和水下摄像机，执行水下海缆探测任务。
所述组合导航定位模块包括GPS、姿态仪、DVL、深度计和高度计，其中GPS和姿态仪用于水面组合导航，姿态仪、DVL、深度计和高度计用于水下组合导航，提供AUV自身的位置信息。
所述无线传输模块包括水面无线传输和水下无线传输，其中水面无线传输利用无线电台和北斗通信能分别实现中短距离和长距离的信息传输，水下无线传输基于声学通信机，实现AUV潜行过程与船载岸基间的数据通信。
一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检方法，使用基于上述的巡检***进行水下海缆探测巡检，具体包括以下步骤：
步骤一、巡检***开始运行后，首先通过海缆探测模块中的磁力仪探测水下磁场的变化，根据磁场变化规律判断出海缆在水下的方向，AUV控制模块驱动AUV向海缆方向靠近。
步骤二、AUV向海缆方向靠近的同时，通过组合导航定位模块中的高度计判断自身与海底的高度距离，当高度距离小于设定阈值时，打开海缆探测模块中的侧扫声纳和水下摄像机，通过磁力仪、侧扫声呐和水下摄像机同时对周围环境进行探测。
步骤三、设置AUV进入海缆巡检模式。当侧扫声呐和水下摄像机没有在周围环境中捕捉或探索到海缆图像时，判断海缆处于埋藏状态，AUV根据磁力仪感知的海缆方向，执行巡检任务，侧扫声呐和水下摄像机继续探测、捕捉海缆图像；当侧扫声呐和水下摄像机捕捉并识别出有效海缆图像时，判断海缆处于裸露状态，AUV根据磁力仪感知的海缆方向以及侧扫声呐得到海缆精确位置，执行巡检任务，同时水下摄像机将捕捉的海缆有效图像传输到AUV控制模块，对图像中的海缆进行安全检测。
步骤四、AUV进入海缆巡检模式后，使用组合导航定位确定自身位置坐标，并通过无线传输模块发送到船载岸基。确定位置坐标的过程具体包括以下步骤：
s4.1、通过姿态仪得到AUV的加速度、航向角、俯仰角、横滚角度，通过DVL获得三轴对流速度，通过高度计获得***的离底高度，通过深度计获得***的水下深度。
s4.2、采用变分贝叶斯-卡尔曼滤波对DVL获得的三轴对流速度进行滤波处理，估计测量噪声，输出滤波处理后准确的速度信息。
s4.3、基于自适应卡尔曼滤波方法设计SINS/DVL组合滤波器，对姿态仪采集的数据以及s4.2滤波后的数据进行模型搭建，对***的导航参数进行滤波处理。
s4.4、通过高度计和深度计采集的数据对s4.3滤波后的结果进行矫正，然后解算组合导航的参数，输出自身位置坐标。
本发明具有以下有益效果：
1、基于多传感器的水下AUV海缆巡检方法能够在水下自动寻找海缆并在水下复杂环境中实现巡航检查，可以对海缆埋深、裸露、悬空以及障碍物进行识别判定，记录海缆位置坐标和海缆破损信息并实时上传到岸基平台，与传统海缆巡检方法相较，提高了海缆巡检的工作效率和探测精度。
2、多传感器配合进行海缆探测能够提高在水下复杂环境中对海缆的识别准确度，由磁力仪探测磁场信息确定海缆方向和位置，侧扫声纳和水下摄像机对图像信息进行海缆目标识别，水下摄像机记录海缆破损状态等信息，可以解决单一传感器探测方法的局限性，同时提高了探测准确度。
3、水下组合导航能够解决侧扫声纳和磁力仪等探测设备在水下定位精度较低和定位不准确的问题，通过组合导航定位算法计算AUV***的姿态和位置信息，将SINS/DVL***与高度计和深度计结合，采用滤波增益补偿算法，通过高度计和深度计的数据对惯性导航***定位结果进行矫正，克服了定位误差累积的问题。实时上传海缆巡检***在水下的精确位置信息，提高了海缆探测巡检过程的安全性。
附图说明
图1为实施例中海缆巡检***示意图；
图2为实施例中海缆巡检***电源模块示意图；
图3为实施例中海缆巡检***AUV动力模块示意图；
图4为实施例中海缆巡检***海缆探测模块示意图；
图5为实施例中海缆巡检***组合导航定位模块示意图；
图6为实施例中海缆巡检***无线传输模块示意图；
图7为实施例中海缆探测方法流程图；
图8为为实施例中海缆巡检***水下位置信息解算流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***，包括电源模块、AUV控制模块、AUV动力模块、海缆探测模块、组合导航定位模块以及无线传输模块。
所述电源模块为***中的其他模块提供稳定电压。如图2所示，该模块包括舱外电源、舱内电源、舱内转压模块、充电电路和开关电路。所述舱外电源为48V直流电池，单独密封在电池仓内，通过水密接口与电子舱连接，用于给AUV动力模块中的左右主推进器供电。舱内电源为12V直流电池，通过12V转5V降压模块给舱内小功率传感器以及AUV控制模块中的树莓派和STM32电路板供电。48V转24V降压模块用于给舱外声通机和侧扫声纳供电，24V转12V降压模块用于给舱内无线传输模块、舵机、舱外各传感器和三个垂直推进器供电。舱外电源和舱内电源独立且隔离，能够保障***供电的安全性。
所述AUV动力模块接收AUV控制模块输出的运动控制命令，控制AUV在巡检过程的姿态。如图3所示，AUV动力模块包括两个水平主推进器T80S、三个垂直推进器T200以及两个舵机D30，通过AUV控制模块输出的PWM控制信号改变各推进器转动方向和转速实现AUV在水中前进、后退、上浮、下潜、俯仰、横滚、悬停、定深、定高、定艏航行等，实现AUV***的动力控制。
所述AUV控制模块用于根据海缆探测模块、组合导航定位模块采集的信息，输出运动控制指令，保存水下海缆信息与自身位置信息，并通过无线传输模块传输位置信息。如图4所示，AUV控制模块包括树莓派和STM32电路板。树莓派通过网口连接交换机作为网口扩展，交换机通过网口与无线电台、水下摄像机和侧扫声纳Shark-S450U连接；树莓派串口通过TTL转RS232与声通机UWM3000、北斗/GPS采集板连接；北斗/GPS采集板与无线电台的信息传输通过信号收发电路连接舱外无线收发器。STM32电路板使用型号为STM32F103ZET6的芯片作为微处理器，通过串口转RS232电路连接姿态仪TCM5、磁力仪、DVL_A50和高度计P30，通过串口转RS485电路连接避障声纳P360和深度计Huba，通过IIC电路连接深度计B30，通过PWM输出电路连接各推进器和左右舵机。树莓派与STM32电路板之间通过串口连接，STM32电路板将采集到原始数据进行初步解析，然后将有效数据交由树莓派进行算法数据融合，树莓派根据采集到的实时数据判断AUV当前自身状态与所处环境，以海缆探测为目的向STM32电路板下发控制命令，通过STM32电路板对应AUV自身姿态位置调整输出控制信号，完成海缆巡检过程。
所述海缆探测模块包括磁力仪、侧扫声纳和水下摄像机，执行水下海缆探测任务。通过磁力仪传感器、侧扫声纳和水下摄像机分别对海缆埋藏和裸露的海缆管道进行目标探测识别，在扩大探测范围的同时提高了在海底复杂环境下对海缆的探测精度。
如图5所示，所述组合导航定位模块包括GPS、姿态仪、DVL、深度计和高度计，其中GPS和姿态仪用于水面导航，姿态仪、DVL、深度计和高度计用于水下导航。
水面组合导航由GPS和姿态仪组合滤波，由于波浪和海流的干扰，AUV的GPS信号会产生多径效应，因此，GPS轨迹可能存在不确定的跳跃。紧密耦合的SINS/GPS组合导航***对这一问题具有积极的适应性，因此自适应容错卡尔曼滤波器用于平滑GPS轨迹，提高了AUV在水面定位信息的准确性和连续性。
水下组合导航定位算法采用SINS/DVL/高度计/深度计组合定位方法。在提高***容错能力的同时，也提高了***精度。将SINS/DVL***与高度计和深度计结合，通过高度计和深度计的数据对惯性导航***定位结果进行矫正，减小定位误差累积，选用联邦滤波器设计组合导航***的滤波算法，输出AUV***在水下运动过程中的实时位置信息。
如图6所示，所述无线传输模块由水面无线传输和水下无线传输两部分组成。水面无线传输利用无线电台和北斗通信能分别实现中短距离和长距离的信息传输，水下无线传输利用声学通信机在AUV潜行时能够与船载岸基进行数据传输，实时监测海缆的坐标信息。声通机、无线电台和北斗通信同样要在船载岸基平台上进行安装，才可实现数据传输。
如图7所示，一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检方法，使用基于上述的巡检***进行水下海缆探测巡检，具体包括以下步骤：
步骤一、巡检***在水面设定巡航相关参数后入水下潜，巡检***开始运行。首先通过海缆探测模块中的磁力仪探测水下磁场的变化，根据磁场变化规律判断出海缆在水下的方向，驱动AUV向海缆方向靠近。同时，水下组合导航定位模块实时输出AUV***的姿态和位置信息。
步骤二、AUV向海缆方向靠近的同时，通过高度计判断自身与海底的高度距离，当高度距离小于设定阈值时，打开侧扫声纳和水下摄像机，通过磁力仪、侧扫声呐和水下摄像机对周围环境进行探测。侧扫声纳通过发射并接收声波信号形成图像，能够识别海底管道，分辨率和工作效率高；水下摄像机通过光学摄影能够直观可靠的识别裸露或悬空的海缆管道，但可视距离较短故探测范围较小。在巡检***离底高度较低或靠近海缆区域时打开侧扫声纳和水下摄像机可以提高巡检效率。
步骤三、设置AUV进入海缆巡检模式。当侧扫声呐和水下摄像机没有在周围环境中捕捉或探索到海缆图像时，判断海缆处于埋藏状态，AUV根据磁力仪感知的海缆方向，执行巡检任务，侧扫声呐和水下摄像机继续探测、捕捉海缆图像；当侧扫声呐和水下摄像机捕捉并识别出有效海缆图像时，判断海缆处于裸露状态，AUV根据磁力仪感知的海缆方向以及侧扫声呐得到海缆精确位置，执行巡检任务，同时水下摄像机将捕捉的海缆有效图像传输到AUV控制模块，对图像中的海缆进行安全检测。
步骤四、AUV进入海缆巡检模式，使用组合导航定位确定自身位置坐标，并通过无线传输模块发送到船载岸基。如图8所示，确定位置坐标的过程具体包括以下步骤：
s4.1、通过姿态仪可以得到AUV的加速度、航向角、俯仰角、横滚角度，通过DVL可以获得三轴对流速度，通过高度计可以获得***的离底高度，通过深度计可以获得***的水下深度。
s4.2、采用变分贝叶斯-卡尔曼滤波对DVL获得的三轴对流速度进行滤波处理，估计出近似的测量噪声，得出滤波处理后准确的速度信息。
s4.3、基于自适应卡尔曼滤波方法设计SINS/DVL组合滤波器，对姿态仪和DVL数据进行模型搭建，对***的导航参数进行滤波处理，结合导航参数误差信息，对组合导航的参数进行解算，获得高精度的导航定位信息。采用SINS/DVL/高度计/深度计组合定位方法。在提高***容错能力的同时，也提高了***精度。将SINS/DVL***与高度计和深度计结合，采用滤波增益补偿算法，通过高度计和深度计的数据对惯性导航***定位结果进行矫正，克服了定位误差累积的问题。联邦滤波器结构设计灵活，容错性高，因此选用联邦滤波器设计组合导航***的滤波算法有效的保证了导航***的可靠性和实时性。
Claims (6)
1.一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、首先通过磁力仪探测水下磁场的变化，根据磁场变化规律判断出海缆在水下的方向，驱动AUV向海缆方向靠近；
步骤二、AUV向海缆方向靠近的同时，通过高度计判断AUV自身与海底的高度距离，当高度距离小于设定阈值时，打开侧扫声纳和水下摄像机，通过磁力仪、侧扫声呐和水下摄像机同时对周围环境进行探测；
步骤三、设置AUV进入海缆巡检模式；当侧扫声呐和水下摄像机没有在周围环境中捕捉或探索到海缆图像时，判断海缆处于埋藏状态，AUV根据磁力仪感知的海缆方向，执行巡检任务，侧扫声呐和水下摄像机继续探测、捕捉海缆图像；当侧扫声呐和水下摄像机捕捉并识别出有效海缆图像时，判断海缆处于裸露状态，AUV根据磁力仪感知的海缆方向以及侧扫声呐得到海缆精确位置，执行巡检任务，同时水下摄像机将捕捉的海缆有效图像传输到AUV控制模块，对图像中的海缆进行安全检测；
步骤四、在AUV进入海缆巡检模式时，使用组合导航定位确定自身位置坐标，并通过无线传输的方式将自身位置坐标发送到船载岸基；确定位置坐标的过程具体包括以下步骤：
s4.1、通过姿态仪得到AUV的加速度、航向角、俯仰角、横滚角度，通过DVL获得三轴对流速度，通过高度计获得***的离底高度，通过深度计获得***的水下深度；
s4.2、采用变分贝叶斯-卡尔曼滤波对DVL获得的三轴对流速度进行滤波处理，估计测量噪声，输出滤波处理后准确的速度信息；
s4.3、基于自适应卡尔曼滤波方法设计SINS/DVL组合滤波器，对姿态仪采集的数据以及s4.2滤波后的数据进行模型搭建，对***的导航参数进行滤波处理；
s4.4、通过高度计和深度计采集的数据对s4.3滤波后的结果进行矫正，然后解算组合导航的参数，输出自身位置坐标。
2.一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***，其特征在于：用于实现如权利要求1所述的巡检方法，该***包括电源模块、AUV控制模块、AUV动力模块、海缆探测模块、组合导航定位模块以及无线传输模块；
所述电源模块用于为***中的其他模块提供稳定电压；
所述AUV控制模块根据海缆探测模块、组合导航定位模块采集的信息，输出运动控制命令，保存水下海缆信息与自身位置信息，并通过无线传输模块传输位置信息；
所述AUV动力模块接收AUV控制模块输出的运动控制命令，控制AUV在巡检过程的姿态；
所述海缆探测模块包括磁力仪、侧扫声纳和水下摄像机，执行水下海缆探测任务；
所述组合导航定位模块包括GPS、姿态仪、DVL、深度计和高度计，其中GPS和姿态仪用于水面组合导航，姿态仪、DVL、深度计和高度计用于水下组合导航，提供AUV自身的位置信息；
所述无线传输模块包括水面无线传输和水下无线传输，其中水面无线传输利用无线电台和北斗通信能分别实现中短距离和长距离的信息传输，水下无线传输基于声学通信机，实现AUV潜行过程与船载岸基间的数据通信。
3.如权利要求2所述一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***，其特征在于：所述AUV动力模块包括两个水平主推进器、三个垂直推进器以及两个舵机，根据AUV控制模块输出的指令，改变各推进器转动方向和转速实现AUV在水中前进、后退、上浮、下潜、俯仰、横滚、悬停、定深、定高或定艏航行等。
4.如权利要求2或3所述一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***，其特征在于：所述电源模块包括舱外电源和舱内电源；所述舱外电源为48V直流电池，用于为AUV动力模块和海缆探测模块、声学通信机供电；舱内电源为12V直流电池，为AUV控制模块和水面无线传输、组合导航定位模块供电。
5.如权利要求4所述一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***，其特征在于：所述舱外电源和舱内电源独立且隔离设置。
6.如权利要求2或3所述一种基于多传感器的水下AUV海缆巡检***，其特征在于：所述AUV控制模块包括树莓派和STM32电路板；STM32电路板使用型号为STM32F103ZET6的芯片作为微处理器，通过串口转RS232电路连接姿态仪、磁力仪、DVL和高度计，通过串口转RS485电路连接侧扫声纳和深度计，通过IIC电路连接深度计，通过PWM输出电路连接AUV动力模块；树莓派与STM32电路板之间通过串口连接，STM32电路板将采集到原始数据进行初步解析，然后将有效数据交由树莓派进行算法数据融合，树莓派根据采集到的实时数据判断AUV当前自身状态与所处环境，以海缆探测为目的向STM32电路板下发控制命令，通过STM32电路板对应AUV自身姿态位置调整输出控制信号，完成海缆巡检过程。
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2022
- 2022-06-01 CN CN202210618561.2A patent/CN115019412A/zh active Pending
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