可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人及其控制方法

1.本发明涉及海上智能设备技术领域，尤其涉及的是一种可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人及其控制方法。


背景技术：

2.目前，用于海上的智能设备，主要以无人舰艇以及无人帆船为主。无人舰艇由于需要螺旋桨驱动能耗较大无法实现海上的持续航行。无人帆船仍然处于研究阶段能够进入市场商用的极少，无人帆船可以直接利用风能作为直接驱动力，且辅以太阳能和波浪能等几乎无限的能源(如风能、太阳能和波浪能)。由于无人帆船等海上智能设备，在海上有诸多因素影响其航行，例如：海风、海浪、其它船只、障碍物等，海上智能设备并不能较顺利地完成航行任务。
3.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人及其控制方法，旨在解决现有技术中海上智能设备并不能较顺利地完成航行任务的问题。
5.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
6.一种可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，包括：
7.支架；
8.至少两个浮筒，设置于所述支架的下方；
9.帆体，转动设置于所述支架的上方；
10.太阳能发电装置，设置于所述支架；
11.电池，设置于所述支架，并与所述太阳能发电装置电连接；
12.主控模块，设置于所述支架，并与所述电池电连接；
13.其中，所述帆体与所述主控模块连接；其中，所述海洋观测机器人还包括：
14.定位装置、超声波气象站、惯性测量单元以及水流传感器，均与所述主控模块连接；
15.其中，所述定位装置位于所述帆体的后方，并用于获取所述海洋观测机器人的位置信息；
16.所述超声波气象站位于所述帆体的前方，并用于获取所述海洋观测机器人的风速信息和风向信息；
17.所述惯性测量单元用于获取所述海洋观测机器人的位姿信息；
18.所述水流传感器位于所述支架的下方，并用于获取所述海洋观测机器人的水速信息和水向信息。
19.所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，其中，所述海洋观测机器人
还包括：
20.ais模块，与所述主控模块连接；
21.摄像头，与所述主控模块连接。
22.所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，其中，所述定位装置包括：gps模块和北斗短报文模块。
23.所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，其中，所述海洋观测机器人还包括：
24.船舵，设置于所述支架的下方，并与所述主控模块连接；
25.无人机升降平台，与所述主控模块连接；
26.水下机器人收放装置，与所述主控模块连接。
27.一种基于如上任意一项所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人的控制方法，其特征在于，包括步骤：
28.通过定位装置获取所述海洋观测机器人在第一时刻的位置信息，通过超声波气象站获取所述海洋观测机器人在第一时刻的风速信息和风向信息，通过惯性测量单元获取所述海洋观测机器人在第一时刻的位姿信息，通过水流传感器获取所述海洋观测机器人在第一时刻的水速信息和水向信息；
29.根据所述第一时刻的位置信息、所述第一时刻的风速信息以及所述第一时刻的风向信息，仿真得到所述海洋观测机器人在第二时刻的源动力信息；
30.根据所述第一时刻的水速信息以及所述第一时刻的水向信息，仿真得到所述海洋观测机器人在第二时刻的水阻信息；
31.根据所述第一时刻的位姿信息、所述第二时刻的源动力信息以及所述第二时刻的水阻信息，确定所述海洋观测机器人在第二时刻的航行速度和位姿信息；
32.根据多个所述第二时刻的航行速度和位姿信息、所述第一时刻的位置信息以及目的地的位置信息，规划所述海洋观测机器人的航行路线。
33.所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：
34.当所述第二时刻的航行速度和位姿信息不满足预设要求时，根据所述第一时刻的风速信息、所述第一时刻的风向信息以及所述第一时刻的位姿信息，确定所述第二时刻的帆体的迎风角，并在第二时刻控制所述帆体转动，以调整第二时刻的帆体的迎风角。
35.所述的控制方法，其中，所述海洋观测机器人还包括：ais模块，与所述主控模块连接；摄像头，与所述主控模块连接；所述控制方法还包括：
36.通过所述ais模块获取海上船只信息，以及通过所述摄像头获取障碍物信息；
37.根据所述海上船只信息以及所述障碍物信息，调整所述航行路线。
38.所述的控制方法，其中，所述定位装置包括：gps模块和北斗短报文模块；所述控制方法还包括：
39.通过所述北斗短报文模块接收控制指令，调整所述航行路线。
40.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述控制方法的步骤。
41.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述控制方法的步骤。
42.有益效果：本发明配置多种传感器获取位置信息、风速信息、风向信息、位姿信息、水速信息以及水向信息等信息，便于规划和调整航行路线，有利于顺利到达目的地。
附图说明
43.图1是本发明中海洋观测机器人的第一结构示意图。
44.图2是本发明中海洋观测机器人的第二结构示意图。
45.图3是本发明中海洋观测机器人的第三结构示意图。
46.图4是本发明中海洋观测机器人的第四结构示意图。
47.图5是图4中a处的放大图。
48.图6是本发明中船舵驱动装置和主帆驱动装置的截面图。
49.图7是本发明中能源系统的原理框图。
50.图8是本发明中自动航行的原理框图。
51.图9是本发明中自动航行数据处理的原理框图。
52.附图标记说明：
53.10、支架；11、浮筒；12、帆体；20、太阳能发电装置；201、太阳能板；202、太阳能管理模块；21、电池；30、电控箱；31、主控模块；32、水冷装置；331、第一驱动件；332、第一传动轴；333、帆绳转盘；334、滑轮组；341、第二驱动件；342、第二传动轴；343、链条传动结构；41、gps模块；42、北斗短报文模块；43、超声波气象站；44、水流传感器；51、ais模块；52、摄像头；60、船舵。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
55.请同时参阅图1-图8，本发明提供了一种可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人的一些实施例。
56.无人帆船等海上智能设备有时需要完成航行任务，从始发地航行至目的地，在航行过程中，不但要选择合适的航行路线，以利用海风和太阳等进行驱动，还要避免海风、海浪、其他船只以及障碍物阻碍航行。
57.此外，大多数的无人帆船结构基本以单体帆船为主，各类无人帆船在结构、运动机理和航行控制等方面具有相似性。其采用的推进装置包括柔性风帆、刚性翼帆、水轮机、牵引风筝等，抗侧翻和抗风浪能力主要借助龙骨完成，现有技术中，由于无人帆船在海上航行没有办法发现水下渔网与缆绳，海面下的龙骨极容易缠绕在渔网上而导致帆船失速失去控制，此外较深的龙骨也存在被暗礁搁浅的风险。
58.如图1、图2、图4以及图5所示，本发明提供了一种可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，包括：
59.支架10；
60.至少两个浮筒11，设置于所述支架10的下方；
61.帆体12，转动设置于所述支架10的上方；
62.太阳能发电装置20，设置于所述支架10；
63.电池21，设置于所述支架10，并与所述太阳能发电装置20电连接；
64.主控模块31，设置于所述支架10，并与所述电池21电连接；
65.定位装置、超声波气象站43、惯性测量单元以及水流传感器44，均与所述主控模块31连接；
66.其中，所述帆体12与所述主控模块31连接；
67.所述定位装置位于所述帆体12的后方，并用于获取所述海洋观测机器人的位置信息；
68.所述超声波气象站43位于所述帆体12的前方，并用于获取所述海洋观测机器人的风速信息和风向信息；
69.所述惯性测量单元用于获取所述海洋观测机器人的位姿信息；
70.所述水流传感器44位于所述支架10的下方，并用于获取所述海洋观测机器人的水速信息和水向信息。
71.具体地，浮筒11可以是充气浮筒或非充气浮筒，浮筒11浮在海面上。帆体12借助风力驱使海洋观测机器人移动。太阳能发电装置20用于将太阳能转化成电能，为海洋观测机器人供电。电池21用于存储太阳能发电装置20转化的电能，并输出至。主控模块31可以控制帆体12转动，调整帆体12的角度。主控模块31内存储有离线地图，离线地图携带目的地的位置信息。定位装置用于获取位置信息，具体为海洋观测机器人所处位置的信息。超声波气象站43用于获取风速信息和风向信息，具体获取海洋观测机器人所处位置附近的风速信息和风向信息，尤其是朝向目的地所在方向附近的风速信息和风向信息。惯性测量单元用于获取位姿信息。水流传感器44用于获取海洋观测机器人所处位置海水的水速信息和水向信息。
72.如图8所示，本发明配置多种传感器获取位置信息、风速信息、风向信息、位姿信息、水速信息以及水向信息等信息，便于规划和调整航行路线，有利于顺利到达目的地。
73.如图1、图5以及图7所示，支架10上设置有电控箱30，主控模块31和电池21均位于电控箱30内。太阳能发电装置20包括太阳能板201和太阳能管理模块202，太阳能板201设置于支架10，太阳能板201可以又多块，分布在支架10不同位置，充分受到太阳的照射，电控箱30上也设置有太阳能板201。太阳能管理模块202位于电控箱30内，且位于主控模块31的一侧。主控模块31的侧面还设置有水冷装置32，用于对主控模块31进行冷却。
74.如图3、图5以及图6所示，电控箱30内还设置有主帆驱动装置，主帆驱动装置与主控模块31连接，并用于驱动帆体12转动。主帆驱动装置包括：第一驱动件331；第一传动轴332，与第一驱动件331的输出轴连接；帆绳转盘333，设置于第一传动轴332；滑轮组334，设置于支架10；帆绳两端分别连接在帆绳转盘333和帆体12上。
75.如图3、图5以及图6所示，所述海洋观测机器人还包括：船舵60，设置于所述支架10的下方，并与所述主控模块31连接。船舵60用于调整海洋观测机器人的航行方向。电控箱30内还设置有船舵驱动装置，与主控模块31连接。船舵驱动装置包括：第二驱动件341；第二传动轴342，与第一驱动件331的输出轴连接；链条传动结构343，分别于第二传动轴342和船舵60连接。链条传动机构包括：主动轮，设置于第二传动轴342；从动轮，转动设置于电控箱30内；链条，围绕在主动轮和从动轮外。第一驱动件和第二驱动件可以采用减速电机。
76.在本发明的一个较佳实施例中，如图5所示，所述海洋观测机器人还包括：ais模块51，与所述主控模块31连接。
77.具体地，通过ais模块51可以获取其他船只的航行信息，避免碰撞其他船只。ais模块51设置于电控箱30内。
78.在本发明的一个较佳实施例中，如图1和图5所示，所述海洋观测机器人还包括：摄像头52，与所述主控模块31连接。
79.具体地，通过摄像头52获取海洋观测机器人周围环境的照片，从而确定是否有障碍物。摄像头52可以采用球形摄像头52，以更大范围地拍摄照片。摄像头52还可以是红外摄像头52，可以在夜晚或视野不清晰的状况下，确定是否有障碍物。
80.在本发明的一个较佳实施例中，如图1和图3所示，所述定位装置包括：gps模块41和北斗短报文模块42。
81.具体地，可以采用gps或北斗进行定位。还可以通过北斗短报文模块42获取控制指令，对海洋观测机器人进行控制。
82.在本发明的一个较佳实施例中，所述海洋观测机器人还包括：无人机升降平台，与所述主控模块31连接。
83.具体地，在海洋观测机器人上搭载无人机升降平台，无人机升降平台供无人机升降停放，还可以为无人机供电。无人机可以飞行远离海洋观测机器人，采集更多的海面上的数据。
84.在本发明的一个较佳实施例中，所述海洋观测机器人还包括：水下机器人收放装置，与所述主控模块31连接。
85.具体地，在海洋观测机器人上搭载水下机器人收放装置，水下机器人收放装置供水下机器人停放，还可以为水下机器人供电。水下机器人可以在水下潜行，采集更多海面下的数据。
86.如图8和图9所示，本发明的一种方法，包括以下步骤：
87.步骤s100、通过定位装置获取所述海洋观测机器人在第一时刻的位置信息，通过超声波气象站获取所述海洋观测机器人在第一时刻的风速信息和风向信息，通过惯性测量单元获取所述海洋观测机器人在第一时刻的位姿信息，通过水流传感器获取所述海洋观测机器人在第一时刻的水速信息和水向信息。
88.具体地，通过各传感器获取对应的传感数据信息。
89.步骤s200、根据所述第一时刻的位置信息、所述第一时刻的风速信息以及所述第一时刻的风向信息，仿真得到所述海洋观测机器人在第二时刻的源动力信息。
90.具体地，第一时刻可以是起始时刻，即航行开始的时刻，也可以是航行中的某一时刻。获取第一时刻的风速信息和风向信息后，将第一时刻的风速信息和风向信息进行预处理后输入到帆形动力仿真系统smss得到第二时刻的源动力信息。帆形动力仿真系统smss是通过采集海上的风向、风速以及对应帆体形态数值(帆体形态数值包括：迎风角、与航行方向之间的夹角)来建立的。将第一时刻的风速信息和风向信息进行预处理后输入到帆形动力仿真系统smss，并将输出结果换算成第二时刻的源动力信息。
91.步骤s300、根据所述第一时刻的水速信息以及所述第一时刻的水向信息，仿真得到所述海洋观测机器人在第二时刻的水阻信息。
92.具体地，获取第一时刻的水速信息和水向信息后，将第一时刻的水速信息和水向信息进行预处理后输入到水阻仿真系统wdss得到第二时刻的水阻信息。水阻仿真系统wdss是通过如下步骤建立的：首先建立机器人航行的运动坐标系，以该坐标系为准计算风压与波浪力，按照当前的风压和波浪力数值构建水阻仿真系统wdss。
93.步骤s400、根据所述第一时刻的位姿信息、所述第二时刻的源动力信息以及所述第二时刻的水阻信息，确定所述海洋观测机器人在第二时刻的航行速度和位姿信息。
94.具体地，基于航行轨迹规划系统rps，根据第一时刻的位姿信息、第二时刻的源动力信息以及第二时刻的水阻信息，推算第二时刻的航行速度和位姿信息。航行轨迹规划系统rps采用了对机器人轨迹的路线规划与速度规划分离的方式，通过分解和顺序计算，将一个高纬轨迹规划问题转换成2两个低纬轨迹规划问题；然后基于路线的光滑度、路线与参考线的横向偏移距离、与障碍物碰撞风险构建约束，通过构建和求解优化约束函数，实现机器人的轨迹规划。
95.步骤s500、根据多个所述第二时刻的航行速度和位姿信息、所述第一时刻的位置信息以及目的地的位置信息，规划所述海洋观测机器人的航行路线。
96.具体地，第二时刻为第一时刻之后的时刻，在第一时刻可以仿真多个第二时刻的航行速度和位姿信息，然后通过多个第二时刻的航行速度和位姿信息，在第一时刻的位置与目的地之间规划航行路线。
97.步骤s600、当所述第二时刻的航行速度和位姿信息不满足预设要求时，根据所述第一时刻的风速信息、所述第一时刻的风向信息以及所述第一时刻的位姿信息，确定所述第二时刻的帆体的迎风角，并在第二时刻控制所述帆体转动，以调整第二时刻的帆体的迎风角。
98.具体地，为了提高海洋观测机器人的航行速度，尽可能快地安全到达目的地，各时刻的航行速度需要在一定的速度范围内，各时刻的位姿信息需要符合规划的航行路线，通过第一时刻的风速信息、风向信息、位姿信息、规划的航行路线以及速度范围，逆向求解出第二时刻的迎风角(可以采用逆向求解器bfs进行逆向求解)。以便调整第二时刻帆体的迎风角。
99.步骤s700、通过所述ais模块获取海上船只信息，以及通过所述摄像头获取障碍物信息；根据所述海上船只信息以及所述障碍物信息，调整所述航行路线。
100.具体地，为了避免发生碰撞、触礁、被渔网绊住等问题，通过ais模块获取海洋观测机器人周围的海上船只信息，以及通过摄像头获取海洋观测机器人周围的海上的照片，并识别出障碍物信息(可以形成ai智能模块，以识别障碍物大小、方向、距离等信息)，并根据海上船只信息与障碍物信息，调整航行路线。通常海上船只是在移动的，海上船只信息包括：与规划路线交点的位置信息，到规划路线预设范围内的进入时刻和离开时刻，
101.步骤s800、通过所述北斗短报文模块接收控制指令，调整所述航行路线。
102.本发明具体实施时，陆地指挥中心还可以通过北斗卫星向北斗短报文模块发送控制指令，并调整航行路线。
103.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，包括：支架；至少两个浮筒，设置于所述支架的下方；帆体，转动设置于所述支架的上方；太阳能发电装置，设置于所述支架；电池，设置于所述支架，并与所述太阳能发电装置电连接；主控模块，设置于所述支架，并与所述电池电连接；其中，所述帆体与所述主控模块连接；其特征在于，所述海洋观测机器人还包括：定位装置、超声波气象站、惯性测量单元以及水流传感器，均与所述主控模块连接；其中，所述定位装置位于所述帆体的后方，并用于获取所述海洋观测机器人的位置信息；所述超声波气象站位于所述帆体的前方，并用于获取所述海洋观测机器人的风速信息和风向信息；所述惯性测量单元用于获取所述海洋观测机器人的位姿信息；所述水流传感器位于所述支架的下方，并用于获取所述海洋观测机器人的水速信息和水向信息。2.根据权利要求1所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，其特征在于，所述海洋观测机器人还包括：ais模块，与所述主控模块连接；摄像头，与所述主控模块连接。3.根据权利要求2所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，其特征在于，所述定位装置包括：gps模块和北斗短报文模块。4.根据权利要求1-3任意一项所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人，其特征在于，所述海洋观测机器人还包括：船舵，设置于所述支架的下方，并与所述主控模块连接；无人机升降平台，与所述主控模块连接；水下机器人收放装置，与所述主控模块连接。5.一种基于如权利要求1-4任意一项所述的可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人的控制方法，其特征在于，包括步骤：通过定位装置获取所述海洋观测机器人在第一时刻的位置信息，通过超声波气象站获取所述海洋观测机器人在第一时刻的风速信息和风向信息，通过惯性测量单元获取所述海洋观测机器人在第一时刻的位姿信息，通过水流传感器获取所述海洋观测机器人在第一时刻的水速信息和水向信息；根据所述第一时刻的位置信息、所述第一时刻的风速信息以及所述第一时刻的风向信息，仿真得到所述海洋观测机器人在第二时刻的源动力信息；根据所述第一时刻的水速信息以及所述第一时刻的水向信息，仿真得到所述海洋观测机器人在第二时刻的水阻信息；根据所述第一时刻的位姿信息、所述第二时刻的源动力信息以及所述第二时刻的水阻信息，确定所述海洋观测机器人在第二时刻的航行速度和位姿信息；
根据多个所述第二时刻的航行速度和位姿信息、所述第一时刻的位置信息以及目的地的位置信息，规划所述海洋观测机器人的航行路线。6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：当所述第二时刻的航行速度和位姿信息不满足预设要求时，根据所述第一时刻的风速信息、所述第一时刻的风向信息以及所述第一时刻的位姿信息，确定所述第二时刻的帆体的迎风角，并在第二时刻控制所述帆体转动，以调整第二时刻的帆体的迎风角。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述海洋观测机器人还包括：ais模块，与所述主控模块连接；摄像头，与所述主控模块连接；所述控制方法还包括：通过所述ais模块获取海上船只信息，以及通过所述摄像头获取障碍物信息；根据所述海上船只信息以及所述障碍物信息，调整所述航行路线。8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述定位装置包括：gps模块和北斗短报文模块；所述控制方法还包括：通过所述北斗短报文模块接收控制指令，调整所述航行路线。9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5至8中任一项所述控制方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5至8中任一项所述控制方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种可持续航行的模块化风驱动海洋观测机器人及其控制方法，海洋观测机器人包括：支架、浮筒、帆体、太阳能发电装置、电池、主控模块、定位装置、超声波气象站、惯性测量单元以及水流传感器；定位装置位于帆体的后方，并用于获取海洋观测机器人的位置信息；超声波气象站位于帆体的前方，并用于获取海洋观测机器人的风速信息和风向信息；惯性测量单元用于获取海洋观测机器人的位姿信息；水流传感器位于支架的下方，并用于获取海洋观测机器人的水速信息和水向信息。本发明配置多种传感器获取位置信息、风速信息、风向信息、位姿信息、水速信息以及水向信息等信息，便于规划和调整航行路线，有利于顺利到达目的地。有利于顺利到达目的地。有利于顺利到达目的地。


技术研发人员：张成祥 孙钦波 祁卫敏 梁程 林柏润 钱辉环
受保护的技术使用者：香港中文大学（深圳）
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/4/25