本發明屬于水下機器人領域，具體地說，涉及一種水下無人船定深航行控制系統及方法。

背景技術：

水下機器人也稱無人水下潛水器，它是一種可以在水下代替人完成某種任務的裝置，在外形上更像一艘微小型潛艇，水下機器人的自身形態是依據水下工作要求來設計的，水下機器人是將人工智能、探測識別信息融合、智能控制、系統集成等多方面的技術集中應用于同一水下載體上，在沒有人工控制，或者人工進行半自動控制下，完成地質、地形等的探測。

目前的水下機器人能夠實現水下航拍和地形、地質的探測等，民用方面的應用還很有限，目前除了作為娛樂用途的無人船之外，用于釣魚的無人船在民用市場的需求越來越大，因此對于釣魚無人船提出了越來越高的要求。

另外針對水下無人船如何根據獲取的姿態數據通過驅動模塊來完成對水下無人船定深航行，成為目前亟待解決的技術問題。

有鑒于此特提出本發明。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種水下無人船定深航行控制系統及方法，能夠根據獲取的姿態數據通過驅動模塊來完成對水下無人船定深航行。

為解決上述技術問題，本發明采用技術方案的基本構思是：

本發明的第一方面提出了一種水下無人船定深航行控制系統，包括，控制器、驅動模塊、姿態獲取模塊和深度測量模塊，控制器分別與驅動模塊、姿態獲取模塊和深度測量模塊相連，所述控制器接收到定深航行命令后，根據姿態獲取模塊獲取的姿態數據，利用驅動模塊將水下無人船航行至目標深度。

優選地，所述定深航行命令包括：保持當前深度航行或按照設定深度航行，所述目標深度對應為，當前深度或設定深度。

優選地，所述深度測量模塊為，能夠將檢測的水下無人船的實際深度實時傳送給控制器的水壓傳感器。

優選地，所述控制器將實際深度與目標深度進行對比，計算出水下無人船的目標俯仰角，并將姿態傳感器檢測的實際俯仰角與目標俯仰角進行比較計算出目標俯仰轉矩，控制驅動模塊根據目標俯仰轉矩進行航行調整。

優選地，根據目標俯仰轉矩進行航行調整過程中，實時向控制器發送反饋深度和反饋俯仰角，控制器根據反饋深度與反饋俯仰角控制水下無人船保持目標深度航行。

優選地，所述控制器根據實際深度與目標深度的差值大小，調整驅動模塊的加速度值。

優選地，所述驅動模塊至少包括，設置在水下無人船重心前方的能夠調節水下無人船深度的垂直推進器。

優選地，所述姿態獲取模塊設置在電路板上，包括，檢測平衡數據的陀螺儀、檢測水下無人船的加速度數據加速度計和檢測方位數據的磁強計；所述電路板上設有至少兩個磁強計，所述至少兩個磁強計重合堆疊放置或以電路板為對稱平面對稱設置在電路板兩側。

本發明的第二方面提出了一種水下無人船定深航行控制方法，步驟包括：

S1，控制器接收到定深航行命令，確定目標深度；

S2，控制器將深度測量模塊檢測的水下無人船的實際深度目標深度進行對比，計算出水下無人船的目標俯仰角；

S3，控制器將姿態傳感器檢測的實際俯仰角與目標俯仰角進行比較計算出目標俯仰轉矩，控制驅動模塊根據目標俯仰轉矩進行航行調整；

S4，根據目標俯仰轉矩進行航行調整過程中，將形成的反饋深度和反饋俯仰角實時發送給控制器，控制器根據反饋深度與反饋俯仰角控制水下無人船保持目標深度航行。

優選地，步驟S4具體包括：

將反饋深度與目標深度進行比較，并再次計算相應目標俯仰角，將反饋俯仰角與再次計算的目標俯仰角進行比較，再次計算目標俯仰轉矩，根據再次計算的目標俯仰轉矩控制水下無人船保持目標深度航行。

采用上述技術方案后，本發明與現有技術相比具有以下有益效果。

如果用戶想要在特定深度的水域進行探測時，可以利用遙控器或者手機向水下無人船發送定深航行命令，這樣，水下無人船就會利用姿態獲取模塊檢測水下無人船當前的姿態數據，根據當前的姿態數據判斷水下無人船的當前航行姿態，這樣控制器就能夠根據當前航行姿態與定深航行命令，經過計算得出相應的調整變量，并利用驅動模塊根據調整變量驅動水下無人船在用戶需要的深度進行定深航行。

姿態獲取模塊會在航行調整過程中實時獲取相應的反饋深度和反饋俯仰角，并將其發送給控制器，這樣控制器根據反饋深度和反饋俯仰角形成相應的閉環控制，進而讓水下無人船能夠保持目標深度進行航行。

通過多個磁強計對檢測的方位信息進行校準，然后將校準結果作為磁強計檢測的最終方位信息結果，并且由于電路板厚度較小，多個磁強計檢測的方位信息的偏差較小，進而使通過多個磁強計進行校準后得到的最終方位信息更加準確。

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的描述。

附圖說明

附圖作為本發明的一部分，用來提供對本發明的進一步的理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，但不構成對本發明的不當限定。顯然，下面描述中的附圖僅僅是一些實施例，對于本領域普通技術人員來說，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。在附圖中：

圖1是本發明的實施例的水下無人船定深航行控制系統的結構框圖；

圖2是本發明的實施例的水下無人船定深航行控制系統的閉環控制信號傳輸圖；

圖3是本發明的實施例的水下無人船定深航行控制方法的流程圖。

需要說明的是，這些附圖和文字描述并不旨在以任何方式限制本發明的構思范圍，而是通過參考特定實施例為本領域技術人員說明本發明的概念。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

下述實施例中，將水下水下無人船設計成平均密度與周圍水域的密度相近似，水下無人船內設有密封腔，該密封腔具有防水效果，能夠保護密封腔內的各個用電模塊不會浸水，進而保證水下無人船的正常工作，并且通過該密封腔與水下無人船外殼體及各個部件之間的配合，來使水下無人船達到與周圍水域密度相近似，進而在水域中實現零浮力的效果，通過零浮力的水下無人船能夠更好的調整航行方向和航行姿態，另外，在沒有動力驅動的情況下水下無人船能夠靜止懸停在水中。

實施例一

如圖1所示，本發明的實施例提出了一種水下無人船定深航行控制系統，包括，控制器1、驅動模塊2、姿態獲取模塊4和深度測量模塊3，控制器1分別與驅動模塊2、姿態獲取模塊4和深度測量模塊3相連，所述控制器1接收到定深航行命令后，根據姿態獲取模塊4獲取的姿態數據，利用驅動模塊2將水下無人船航行至目標深度。

用戶能夠操控水下無人船進行釣魚、捕魚、尋魚、水下環境探測、水下圖像采集等，如果用戶想要在特定深度的水域進行探測時，可以利用遙控器或者手機向水下無人船發送定深航行命令，這樣，水下無人船就會利用姿態獲取模塊4檢測水下無人船當前的姿態數據，根據當前的姿態數據判斷水下無人船的當前航行姿態，這樣控制器1就能夠根據當前航行姿態與定深航行命令，經過計算得出相應的調整變量，并利用驅動模塊2根據調整變量驅動水下無人船在用戶需要的深度進行定深航行。

優選地，所述定深航行命令包括：保持當前深度航行或按照設定深度航行，所述目標深度對應為，當前深度或設定深度。

定深航行可以分為兩種情況，一種是保持水下無人船當前深度進行定深航行，另一種是用戶根據自己的實際需要利用遙控器或手機設置相應的深度例如5m、8m或者其他，可以利用對應的深度的增加(+)或減少(-)按鍵來設置。

例如，用戶在利用水下無人船進行尋魚過程中發現當前所處的5m深度的魚的數量比較多，用戶就觸發保持當前深度航行按鍵向水下無人船發送定深航行命令，這樣水下無人船就會在5m深的水域進行尋魚探測；

又如，用戶根據自己的經驗得知在水下4m深的水域是某種魚類活動最頻繁的水域，因此，就會利用遙控器或手機向水下無人船發送在4m深的水域進行定深航行的命令，這樣水下無人船如果當前所處的水深是4m則無需改變水深，保持4m水深進行探測，如果當前所處水深不是4m，則需要利用驅動器將水下無人船航行至4m水深后，再保持4m水深進行探測。

優選地，所述深度測量模塊3為，能夠將檢測的水下無人船的實際深度實時傳送給控制器1的水壓傳感器(如圖2所示)。

優選地，所述控制器1將實際深度與目標深度進行對比，計算出水下無人船的目標俯仰角，并將姿態傳感器檢測的實際俯仰角與目標俯仰角進行比較計算出目標俯仰轉矩，控制驅動模塊2根據目標俯仰轉矩進行航行調整。

本發明的水下無人船在調整深度的時候并不是直上直下調整的而是具有一定的俯仰角度，因此，當水壓傳感器將檢測的水壓轉化為水深后將實際深度發送到控制器1，然后控制器1就會將將實際深度與目標深度進行對比，計算差值，并根據差值的大小計算目標俯仰角，再根據姿態傳感器檢測的實際俯仰角，來修正目標俯仰角，修正之后得出目標俯仰轉矩，然后根據目標俯仰轉矩得出驅動器對應驅動電機的調整變量，最后，驅動器根據調整變量驅動水下無人船進行定深航行。

優選地，根據目標俯仰轉矩進行航行調整過程中，實時向控制器1發送反饋深度和反饋俯仰角，控制器1根據反饋深度與反饋俯仰角控制水下無人船保持目標深度航行。

姿態獲取模塊4會在航行調整過程中實時獲取相應的反饋深度和反饋俯仰角，并將其發送給控制器1，這樣控制器1根據反饋深度和反饋俯仰角形成相應的閉環控制，進而讓水下無人船能夠保持目標深度進行航行。

優選地，所述控制器1根據實際深度與目標深度的差值大小，調整驅動模塊2的加速度值。

這樣，當差值比較大時，加速度值也會比較大，進而能夠快速將水下無人船調整至目標深度。當差值較小時，加速度值就會比較小，并且加速度值的大小可以隨著差值的變化而改變。

優選地，所述驅動模塊2至少包括，設置在水下無人船重心前方的能夠調節水下無人船深度的垂直推進器。驅動模塊2還包括，分別設置在水下無人船尾部兩側的水平推進器，兩個水平推進器控制水下無人船的前進、后退和轉彎。

該水下無人船定深航行控制系統還包括智能跟隨模塊，所述智能跟隨模塊與所述控制器1相連，所述控制器1根據對移動目標的跟隨命令獲取移動目標的位置信息，并利用智能跟隨模塊控制驅動模塊2對移動目標進行跟隨；

所述控制器1獲取移動目標與水下無人船的當前距離，并利用智能跟隨模塊控制驅動模塊2保持當前距離對移動目標進行跟蹤。在上述技術方案中，當用戶通過遙控器或者手機或其他控制端向無人船發出對某移動目標(可以是魚、人、水下潛艇或者其他能夠移動的物體)的跟隨命令后，首先獲取移動目標的位置信息，對移動目標進行鎖定，然后啟動智能跟隨模塊，控制水下無人船對移動目標進行跟隨，其中，移動目標還可以是魚群。這樣，當用戶想要觀察某個魚或魚群的生活狀態時，或者想要跟蹤一些其他水下移動目標時，就可以利用該智能跟隨模塊對移動目標進行跟隨了，進而方便了用戶的使用。

所述控制器1獲取移動目標與水下無人船的當前距離，并利用智能跟隨模塊保持當前距離對移動目標進行跟蹤；所述智能跟隨模塊接收到一鍵跟隨命令后，對距離水下無人船最近的移動生物進行跟隨。

優選地，述姿態獲取模塊4設置在電路板上，包括，陀螺儀41、加速度計42和磁強計43，所述姿態數據包括，所述陀螺儀41檢測的平衡數據、所述加速度計42檢測的水下無人船的加速度數據和磁強計43檢測的方位數據；

所述電路板上設有至少兩個磁強計43，所述至少兩個磁強計43重合堆疊放置或以電路板為對稱平面對稱設置在電路板兩側。

這樣通過兩個磁強計43對檢測的方位信息進行校準，然后將校準結果作為磁強計43檢測的最終方位信息結果，并且由于電路板厚度較小，兩個磁強計43檢測的方位信息的偏差較小，進而使通過兩個磁強計43進行校準后得到的最終方位信息更加準確。并且由于兩個磁強計43只是在垂直方向上有偏差這樣控制器在進行校準計算時只要針對垂直方向進行相應計算校準就可以，能夠減少控制器的計算量，進而加快了計算速率，并且還能夠提高水下無人船方位檢測的準確性。

并且，還可以將兩個磁強計43整合成一體，進而使兩個磁強計43檢測的偏差進一步減小，使整個校準算法能夠更加準確，這樣就能提高水下無人船的工作性能。

也可以在電路板上設置兩個以上的磁強計43，這樣就可以利用多個磁強計43的相互校準來使水下無人船方位檢測的準確性得到更加有效的提高。

另外，在電路板上還可以設置兩個加速度計42，這樣就可以利用兩個加速度計42進行互補校正，這樣經過校正后得到的加速度值能夠更加準確，進而提高水下無人船的工作性能。

在上述技術方案中，由于陀螺儀41會受到水下無人船上的各個結構或組件的影響，或者其他情況，陀螺儀41檢測的平衡數據會有偏差，因此需要首先將陀螺儀41進行零偏校正，進而保證陀螺儀41的檢測精度，零偏校正完成后，陀螺儀41就會獲取相應的平衡數據；

然后將該平衡數據與加速度計42檢測的俯仰速度&滾轉速度進行結合，確定水下無人船當前的俯仰姿態(即，水下無人船偏移水平面的姿態)和滾轉姿態(即，水下無人船偏移)，例如，能夠確定水下無人船在向前、后、左、右、上、下六個方位中的偏移航行姿態。

另外，受環境因素和磁強計43自身因素的影響，磁強計43常存在較大的航向角誤差，為了保證磁強計43的精度，首先要對磁強計43進行零偏校正和橢圓校正，然后再利用校正后的磁強計43獲取水下無人船的方位數據(即，獲取水下無人船在東、南、西、北四個方向中所處的方位)，并將該方位數據與上述方案中利用陀螺儀41和加速度計42獲得的俯仰速度&滾轉角速度進行結合，能夠進一步確定出水下無人船的當前航行方向。

陀螺儀41檢測的平衡數據是水下無人船參考坐標系與水下無人船本體坐標系的旋轉矩陣，所述加速度計42的測量值是基于水下無人船本體坐標系的，將本體坐標系分為三個坐標軸即x軸、y軸、z軸，測量值本身就是三軸的；

然后，利用該加速度計42獲取相應的三軸加速度數據，姿態補償就是把三軸加速度數據轉換到參考坐標系中，由于獲取的加速度數據中會有重力加速度，因此，需要將重力加速度進行去除，最后對經過姿態補償和去除重力項之后獲得的三軸的加速度值分別進行積分，就知道水下無人船在三個方向上的當前航行速度。

實施例二

本發明的實施例提出了一種水下無人船定深航行控制方法，步驟包括：

S1，控制器接收到定深航行命令，確定目標深度；

S2，控制器將深度測量模塊檢測的水下無人船的實際深度目標深度進行對比，計算出水下無人船的目標俯仰角；

S3，控制器將姿態傳感器檢測的實際俯仰角與目標俯仰角進行比較計算出目標俯仰轉矩，控制驅動模塊根據目標俯仰轉矩進行航行調整；

S4，根據目標俯仰轉矩完成一次航行調整之后，將形成的反饋深度和反饋俯仰角發送給控制器，控制器根據反饋深度與反饋俯仰角控制水下無人船保持目標深度航行。

其中，定深航行命令包括：保持當前深度航行或按照設定深度航行，所述目標深度對應為，當前深度或設定深度。

優選地，步驟S4具體包括：

將反饋深度與目標深度進行比較，并再次計算相應目標俯仰角，將反饋俯仰角與再次計算的目標俯仰角進行比較，再次計算目標俯仰轉矩，根據再次計算的目標俯仰轉矩控制水下無人船保持目標深度航行。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專利的技術人員在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述提示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明方案的范圍內。