[發明專利]水下導航與水質參數經緯度分布的感測與計算系統及方法

無效

• 申請號: 201210278144.4
• 申請日: 2012-08-07
• 公開（公告）號: CN102809375A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 顧慧;徐立中;王鑫;王慧斌;沈潔
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01N33/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種水下導航與水質參數經緯度分布的感測與計算系統及方法，具體涉及裝載在水下機器人（AUV）上的基于側掃聲納式的水下導航設備，跟蹤定位AUV的水下航線圖，并在特定的經緯度利用傳感器測算出水質參數，最后將水質參數與經緯度匹配的方法。

背景技術

當今社會，環境問題已成為人類社會可持續發展的重要問題之一。水資源污染是環境污染一部分。水是人類賴以生存的基礎，如何及時有效地進行水質檢測并在適當的時間內采取補救補救措施是保護水資源的重要措施之一。水下機器人（AUV）因其能長時間在環境復雜的水面及其以下一定的深度進行長時間、大范圍地水質檢測，操作簡單，配備工作人員少而得到極好地應用。

水下機器人的水質檢測系統要解決的核心問題是水下導航，獲取機器人的航線路線和各個時間段的經緯度，并通過傳感器獲取特定經緯度的多種水質參數。單一的導航技術，存在經緯度測量精度低，可靠性和容錯性較差的現象。加上水下環境變幻莫測，導航誤差容易隨時間和AUV行駛距離的增加而增加，最終導致AUV定位精度低，無法獲取之前設定區域所需的水質參數。

另外，傳統的水質檢測方法是：獲取水面幾個采樣點，記錄傳感器測試的水溫、濁度、藍綠藻、葉綠素a、溶解氧、PH、ORP等數據，然后列表分析各個區域的水質狀況。該方法缺乏對特定水域環境的宏觀分析概念，對各種水質參數的經緯度分布和今后的發展趨勢難以把握和預測。

綜合上述研究現狀，本發明提出了一種基于數字側掃聲納式的水下導航與水質參數經緯度分布的感測與計算系統及方法，可以很大程度地解決現階段存在的問題。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是針對水面以下環境信息無法用通過GPS定位獲取，現有的導航誤差隨機器人航行時間增加而加大，所檢測的水質參數精確度降低的缺點，提供一種數字側掃聲納式的水下導航與水質參數經緯度分布的感測與計算系統，及采用基于多種導航設備對機器人水下航行速度、位置、方位協調跟蹤定位的方法，并結合自適應導航算法，對信息融合處理，準確到達需測試的區域，獲取該經緯度的各個水質參數，最終將經緯度和水質參數一一匹配，用Density?Map軟件直觀得顯示結果，實現水質參數在特定區域的綜合全面分析。本系統適用于環境監測、水利水文監測監控等場所。

技術方案：一種水下導航與水質參數經緯度分布的感測與計算系統，主要由聲納導航模塊、計算機數據處理中心和傳感器數據測試模塊組成；所述聲納導航模塊包括搭載式慣性導航系統、濾波器信息融合系統和多個傳感器；所述計算機數據處理中心包括AUV內置計算機；所述傳感器數據測試模塊包括A/D轉換模塊；

所述聲納導航模塊通過傳感器獲取當前水下機器人的速度、方位、深度，并與搭載式慣性導航系統測量的速度、方位、深度結果比較取差值，將速度、方位、深度三者的差值信息送至濾波器信息融合系統；所述速度、方位、深度三者的差值信息經濾波器信息融合系統處理后反饋給搭載式慣性導航系統，從而修補搭載式慣性導航系統的速度、方位、深度信息；所述聲納導航模塊的搭載式慣性導航系統將經過修補疊加后的速度、方位、深度信息傳送到計算機數據處理中心的AUV內置計算機；所述傳感器數據測試模塊獲取設定經緯度的水質參數，并將所述水質參數通過A/D轉換模塊轉換之后發送給AUV內置計算機；所述AUV內置計算機經過數據分析，將經緯度和水質參數匹配，并將匹配結構顯示在Density?Map軟件上。

所述傳感器包括多普勒計程儀、電子羅盤、側掃圖像聲納和深度傳感器；所述多普勒計程儀測量水下機器人的速度，電子羅盤測量水下機器人的方位，側掃圖像聲納利用sift特征提取方法獲取水下機器人方位和深度，深度傳感器獲取水下機器人當前深度。

所述濾波器信息融合系統包括主濾波器和子濾波器；所述每個子濾波器對應一個傳感器，子濾波器采用卡爾曼濾波器結構，用于對傳感器采集到的數據進行濾波，并發送到主濾波器，提高導航性能；所述主濾波器是用于信息融合與處理的中心濾波器，它接收前端的各個子濾波器傳送的數據信息：經緯度、方位、深度數據，以進一步修正和確定當前機器人的具體水下位置。

一種水下導航與水質參數經緯度分布的感測與計算方法，包括如下步驟：

步驟1，通過聲納導航模塊和搭載式慣性導航系統對水下機器人當前速度、方位和深度進行追蹤測量，并將聲納導航模塊和搭載式慣性導航系統測量的水下機器人當前速度、方位和深度比較取差值，并對水下機器人的當前速度、方位和深度進行誤差糾正，獲取較為精確的位置；并輸出到AUV內置計算機；