CN109787673B - 一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，包括半潜式海洋动力定位通信中继装置、遥控器和上位机；半潜式海洋动力定位通信中继装置包括半潜式浮筒机构，半潜式浮筒机构的尾部设有螺旋桨推进器，半潜式浮筒机构上设有防水支柱，防水支柱的顶部设有设备安装平台；设备安装平台上设有无线天线、遥控器天线、GPS天线、摄像头、惯导和布放回收支架，所述布放回收支架上设有布放回收吊点；所述半潜式浮筒机构内部设有供电电源、单片机和控制计算机。该通信中继系统可以根据无人艇的工作区域，在开始无人艇任务前，派遣通信中继装置自主到达指定的工作位置，并在工作位置展开无线局域网，扩大通信区域。

Description

一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统

技术领域

本发明涉及无人艇通信及自动化控制技术领域，尤其涉及一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统。

背景技术

进入21世纪以来，无人艇技术在世界各国均展开了深入研究，并得到了快速的发展。我国无人艇多以民用和测绘为主，并且由于无线天线的通信距离和成本呈指数增长，多以安装短距离无线天线的无人艇为主。在使用无人艇进行作业任务时，一方面存在因为通信距离的限制，被迫移动母船或者放弃远距离任务的问题；另一方面存在因为复杂的海域布局易造成通信信号被遮挡，使得无人艇的工作区域存在盲区的问题。所以，如何有效的解决无人艇通信距离和信号遮挡的问题是目前提高无人艇工作效率，改善无人艇工作安全性的关键。

发明内容

针对目前无人艇通信方式多为无线局域网通信，且通信距离有限，易被障碍物遮挡信号的问题，本发明的目的旨在提供了一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，包括半潜式海洋动力定位通信中继装置、与半潜式海洋动力定位通信中继装置配套使用的遥控器和用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置的上位机；所述半潜式海洋动力定位通信中继装置包括半潜式浮筒机构，所述半潜式浮筒机构的尾部设有螺旋桨推进器，半潜式浮筒机构上固定连接有竖直设置的防水支柱，防水支柱的顶部固定连接有设备安装平台；所述设备安装平台上设有无线天线、遥控器天线、GPS天线、摄像头、惯导和布放回收支架，所述布放回收支架上设有布放回收吊点；所述半潜式浮筒机构内部设有供电电源、单片机和控制计算机，所述控制计算机与无线天线、GPS天线、摄像头、惯导、单片机连接，所述单片机与螺旋桨推进器、遥控器天线、控制计算机连接；所述遥控器与半潜式海洋动力定位通信中继装置的遥控器天线通讯连接；所述上位机与半潜式海洋动力定位通信中继装置的无线天线通讯连接。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述半潜式浮筒机构包括两个平行设置的浮筒，两个浮筒之间设有浮筒连接件，每一个浮筒的尾部均设有螺旋桨推进器。更加优选地，所述浮筒连接件设有两个，一个设在浮筒的前端，另一个设在浮筒的后端；所述浮筒连接件能够增加无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继装置的结构强度，同时也便于内部走线。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述防水支柱、浮筒连接件均为中空结构，中空结构便于装置上各设备之间通过防水支柱和浮筒连接件进行走线；所述惯导上设有惯导防水套。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述设备安装平台上设有防水密封接口，设备安装平台上的各设备的电源线和信号线均通过防水密封接口进入防水支柱内部，并与供电电源、单片机或控制计算机连接。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述供电电源上设有电池电量检测模块，所述电池电量检测模块安装在供电电源输出电压侧，用于检测供电电源的当前剩余电量，并与控制计算机连接。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述半潜式海洋动力定位通信中继装置设有多个，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置彼此之间通讯连接；而且，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置中的任何一个半潜式海洋动力定位通信中继装置与上位机通讯连接成功，其他多个与之相连接的半潜式海洋动力定位通信中继装置均可与上位机通讯连接。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述布放回收吊点用于布放和回收半潜式海洋动力定位通信中继装置时吊机的钩取。所述无线天线采用双极化全向天线并支持中继功能，可以构造一个基于802.11n技术的无线网络，并附带有IP过滤功能。所述的遥控器天线支持短距离遥控器控制，便于半潜式海洋动力定位通信中继装置在布放、回收时用遥控器进行精确人工控制。所述摄像头用于辅助人工操控并时刻监控半潜式海洋动力定位通信中继装置周围的环境状况。所述单片机为STM32单片机，用于接收控制计算机或遥控器的控制命令，并对螺旋桨推进器进行控制。所述控制计算机用于对半潜式海洋动力定位通信中继装置中的各设备进行数据获取和控制，并运行自主控制程序。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述控制计算机上运行的自主控制程序包含有制导算法和艏向控制算法，其中，制导算法采用常用的超前置位直线制导算法计算期望航向角；艏向控制算法采用工程应用中常用的稳定性较高、实用性强的模糊PD艏向控制算法，并根据期望航向角计算需要输出的舵角值。(模糊PD艏向控制算法的控制精度有限，但作为辅助无人艇工作的通信中继装置，其并不需要非常准确的控制精度，在距离目标地点50m的区域内均可以认为装置在合理的工作位置)。所述控制计算机还具有动力定位功能，动力定位功能的目的在于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置停留在工作点位置，防止半潜式海洋动力定位通信中继装置因为海洋中的风浪流的影响而偏离的工作点。在拥有制导算法和艏向控制算法的前提下，动力定位功能会时刻检测无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继装置当前位置与工作点位置的距离，在半潜式海洋动力定位通信中继装置偏离工作点较远时，引导半潜式海洋动力定位通信中继装置以工作点为目的地开始自主航行，当距离工作点在设定距离内时，停止自主航行，继续检测半潜式海洋动力定位通信中继装置当前位置与工作点之间的距离(即：动力定位中设定了一个危险阈值和一个安全阈值，半潜式海洋动力定位通信中继装置处于动力定位状态时，控制计算机以固定间隔获取GPS天线和惯导的数据，并计算实际位置与工作点位置之间的距离，当距离超出设定的危险阈值，则半潜式海洋动力定位通信中继装置会以当前位置和工作点连线为航线，以工作点为目的地开始自主航行，当距离达到设定的安全阈值时，半潜式海洋动力定位通信中继装置停止自主航行，继续动力定位，等待下次半潜式海洋动力定位通信中继装置远离工作点超出设定的危险阈值时继续工作)。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述的超前置位直线制导算法原理图如图1所示，以正北方向为y轴，正东方向为x轴建立一个局部坐标系，所有航线角度和航向角度均为与正北的夹角，顺时针为正。图中Δt为侧偏距，装置到航线上的垂直投影点的距离定义为侧偏距，侧偏距在航线右侧记为正；d(t)为超前置位距离，为固定值；(x_t,y_t)为装置位置；(x_d,y_d)为虚拟追踪目标位置；

为装置当前航向；

为装置期望航向；e为艏向误差；α为航线方向，可由航线的起始目标点和终止目标点确定。所述的超前置位直线制导算法首先在航线上，以装置到航线上的垂直投影点向前移动设定的超前置位距离，虚拟出一个追踪目标，然后引导装置沿着装置到追踪目标的视线方向航行。期望航向角可由下式确定：

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述的模糊PD艏向控制算法原理图如图2所示，其中输入为艏向误差e和艏向误差变化量Δe，输出为舵角值。其中艏向误差e为超前置位直线制导算法给出的期望航向

和装置当前航向

的差值。

艏向误差e和艏向误差变化量Δe的隶属度如下：

μ_i(e),i＝1,2,3,4,5

μ_j(Δe),j＝1,2,3,4,5

并对两个隶属度均采用如下形式的隶属度函数进行模糊化：

式中i＝1,2,3,4,5，

采用乘积推理机进行输入输出的模糊集合映射：

μ’_ij＝μ_i(e)·μ_j(Δe)

式中i,j＝1,2,3,4,5，

采用中心平均解模糊器进行解模糊，并得到控制率如下：

可由实际操作实验，并采用合成推理设计规则表，本发明采用的设计规则表如表1所示。

表1模糊PD控制规则表

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述遥控器上设有摄像头开关、模式控制开关、紧急停止按钮、控制权限切换按钮、显示屏、摄像头方向控制摇杆、左右转向摇杆和速度控制摇杆。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述摄像头开关用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置上摄像头的开启和关闭；所述摄像头方向控制摇杆用于控制摄像头的转动方向，摄像头开关和摄像头方向控制摇杆用于遥控器控制时，便于观察半潜式海洋动力定位通信中继装置的姿态和周围环境。所述模式控制开关设有上、中、下三个档位，其中，上档位用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置的前进；下档位用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置的后退；遥控器不使用时，模式控制开关应拨到中档位，此时遥控器无法控制半潜式海洋动力定位通信中继装置运动。所述控制权限切换按钮用于控制操作优先级，遥控器拥有最高权限，当需要上位机对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行人工远程操控时，需要将遥控器的控制权限切换按钮切换为上位机控制模式，此时上位机才可以对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行控制以及任务下发。所述显示屏用于显示摄像头拍摄的画面，同时显示遥控器与半潜式海洋动力定位通信中继装置建立连接状况、连接信号强度、遥控器剩余电量、油门值和舵角值；所述左右转向摇杆用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置转向所需的舵角值；所述速度控制摇杆用于控制决定半潜式海洋动力定位通信中继装置行驶速度的油门值；所述紧急停止按钮用于半潜式海洋动力定位通信中继装置发生失控以及其他特殊情况时，及时切断螺旋桨的供电，使装置立刻停止航行，该按钮具有最高优先级，只要遥控器与半潜式海洋动力定位通信中继装置处于连接状态，该按钮就能生效，再次按下该按钮可以恢复螺旋桨的供电。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述上位机包括装置选择菜单、海图管理菜单、装置操纵菜单、摄像头管理菜单、控制权限切换按钮、目标点设定按钮、循迹开始按钮、动力定位开关、海图显示区域和紧急停止按钮；所述上位机采用Windows下的QT进行开发。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述装置选择菜单用于从使用的多个半潜式海洋动力定位通信中继装置中选择需要操控的装置，并观察其剩余电量，由于上位机操作均需要针对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行控制，因此采取控制策略前先从多个半潜式海洋动力定位通信中继装置中选择需要控制的通信中继装置。所述海图管理菜单用于管理多个半潜式海洋动力定位通信中继装置的安全信号通信范围，同时还可以通过此按钮导入最新的电子海图。所述装置操纵菜单用于对选择的半潜式海洋动力定位通信中继装置进行上位机远程人工操控，当半潜式海洋动力定位通信中继装置处于上位机控制状态时，可以设置半潜式海洋动力定位通信中继装置的前进油门值和转弯舵角值，实现装置的运动控制，油门值和舵角值更容易描述通信中继设备的运动控制，对于油门值和舵角值采用简单的线性转换函数转化成左右螺旋桨最大转速百分比，并将油门范围限制在[0,100],舵角范围控制在[-30,30]；其中，所述线性转换函数如下：

其中A为油门值，δ为舵角值，p₁为左螺旋桨转速百分比，p₂右螺旋桨转速百分比。

根据上述的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，优选地，所述摄像头管理菜单用于操作摄像头，包括开启关闭摄像头、调出摄像头画面、左右旋转摄像头以及上位机保存摄像头拍摄的视频；所述控制权限切换按钮用于切换上位机的控制权限，在遥控器将控制权限切换到上位机控制模式后，其默认控制模式为上位机人工操作模式，当需要上位机人工远程操控时需要将权限切换为上位机人工操作模式，当需要半潜式海洋动力定位通信中继装置进行循迹任务以及动力定位等自主任务时，需要先将权限切换为自主控制模式；所述目标点设定按钮用于绘制半潜式海洋动力定位通信中继装置的航线，在点下目标点设定按钮后，可以在海图显示区域连续点击产生多个目标点，并按顺序连接成连续折线，完成半潜式海洋动力定位通信中继装置预设航线的绘制；所述循迹开始按钮用于开始半潜式海洋动力定位通信中继装置的循迹任务，只有在上位机通过目标点设定按钮绘制设定航线后，该按钮才能生效，在循迹过程中可以通过再次点击该按钮停止循迹任务；所述动力定位开关用于开启动力定位功能，当半潜式海洋动力定位通信中继装置抵达工作目标点后需要开启动力定位功能，该功能可以使半潜式海洋动力定位通信中继装置在偏离工作目标点后自动返回工作目标点；所述海图显示区域用于显示当前海域的障碍物状况、母船的位置、多个半潜式海洋动力定位通信中继装置的位置，操作人员可以根据海图显示的状况绘制半潜式海洋动力定位通信中继装置的合理预设航线，同时在海图中可以显示由半潜式海洋动力定位通信中继装置产生的通信区域，能时刻观察无人艇是否航行在信号覆盖范围内；所述紧急停止按钮用于半潜式海洋动力定位通信中继装置发生失控以及其他特殊情况时，及时切断螺旋桨的供电，使装置立刻停止航行，该按钮具有最高优先级，无需遥控器将权限切换到上位机控制模式亦能生效，可以通过再次点击该按钮恢复螺旋桨的供电；所述紧急停止按钮与遥控器上的紧急停止按钮具有同一优先级，只要有一个按钮被按下，装置的螺旋桨供电就会被切断。

一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)分别打开半潜式海洋动力定位通信中继装置、上位机和遥控器的供电电源，将上位机、遥控器分别与半潜式海洋动力定位通信中继装置建立连接；

(2)将半潜式海洋动力定位通信中继装置从母船下放至水中，用遥控器对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行控制，使其远离母船一定距离，然后用遥控器将半潜式海洋动力定位通信中继装置的控制权限切换到上位机控制模式；

(3)上位机获得半潜式海洋动力定位通信中继装置的控制权限后，将半潜式海洋动力定位通信中继装置控制模式切换为自主控制模式；

(4)在上位机中输入半潜式海洋动力定位通信中继装置的工作目标点位置，然后引导半潜式海洋动力定位通信中继装置自主航行至工作目标点位置；

(5)半潜式海洋动力定位通信中继装置到达工作目标点位置后，通过上位机系统开启半潜式海洋动力定位通信中继装置的动力定位(动力定位中设定了一个危险阈值和一个安全阈值，半潜式海洋动力定位通信中继装置处于动力定位状态时，控制计算机以固定间隔获取GPS天线和惯导的数据，并计算实际位置与工作点位置之间的距离，当距离超出设定的危险阈值，则半潜式海洋动力定位通信中继装置会以当前位置和工作点连线为航线，以工作点为目的地开始自主航行，当距离达到设定的安全阈值时，半潜式海洋动力定位通信中继装置停止自主航行，继续动力定位)。

根据上述的工作方法，优选地，所述半潜式海洋动力定位通信中继装置设有多个时(多个半潜式海洋动力定位通信中继装置组合使用)，重复步骤(2)-步骤(5)依次开启多个半潜式海洋动力定位通信中继装置的动力定位，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置之间通讯连接。多个半潜式海洋动力定位通信中继装置组合使用时，彼此之间通过无线天线通讯连接，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置中的任何一个半潜式海洋动力定位通信中继装置与上位机通讯连接成功，其他多个与之相连接的半潜式海洋动力定位通信中继装置均可与上位机通讯连接。通信中继装置和母船以及通信中继装置和通信中继装置之间的距离建议控制在无线天线的可靠工作范围内，可以使整个无线网桥系统稳定建立连接。

与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：

(1)本发明半潜式海洋动力定位通信中继装置采用半潜式双体浮筒作为浮体，并将装置重心控制在水面之下，以牺牲航行速度为代价，使得装置稳定性更强，提高无线网桥的稳定性；而且采用差分螺旋桨进行控制，可以有效减小转弯半径，增强控制灵敏度。

(2)本发明半潜式海洋动力定位通信中继装置设有遥控器天线，遥控器天线支持短距离遥控器控制，因此，便于无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继装置在布放、回收时用遥控器进行精确人工控制；与传统的海上通信中继设备相比，本发明的无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继更容易布放、回收，布放时无需母船将装置运输到指定位置，可自主航行到指定位置，回收时无需母船主动靠近装置，装置可自主航行驶回母船。

(3)本发明半潜式海洋动力定位通信中继装置上设有螺旋桨推进器、摄像头、GPS天线、惯导、供电电源、单片机和控制计算机，使得该通信中继装置具有可靠的自主控制能力和自主航行能力，因此，操作者可以根据无人艇的工作区域，在开始无人艇任务前，可以由近及远预先派送多个无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继装置自主到达指定的工作位置，并在工作位置展开无线局域网，扩大通信区域，在结束无人艇任务时，可以由远及近，依次控制每个装置自主驶回母船。

(4)本发明的半潜式海洋动力定位通信中继装置中的控制计算机上运行有自主控制程序，使具备制导和艏向控制能力，从而实现直线循迹控制，同时还具备动力定位功能，可以确保通信中继装置在风浪流的影响下偏离工作位置一定距离后，自动返回安全工作区域内；解决了通信中继装置在工作时由于风浪流的影响，导致装置偏离工作位置，造成通信中断的问题，增加了无线局域网的安全性。

(5)本发明中多个半潜式海洋动力定位通信中继装置组合使用，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置彼此之间可以通过无线天线通讯连接，而且，只要其中一个半潜式海洋动力定位通信中继装置与上位机通讯连接成功，其他多个与之相连接的半潜式海洋动力定位通信中继装置均可与上位机通信；因此，通过多组通信中继装置的组合使用可以扩展无人艇的有效工作区域和通信区域，使得无人艇的工作区域以任何形式的图形展开。

(6)本发明与半潜式海洋动力定位通信中继装置配套使用的遥控器设计合理，易于操作，具有通信中继装置转向控制、速度控制、模式控制、操作权限控制和摄像头控制等功能，便于布放、回收通信中继装置时对通信中继装置进行精确的人工控制，而且，控制过程无需母船主动靠近通信中继装置，有效避免了母船与通信中继装置之间产生意外碰撞的发生，因此，本发明的遥控器使无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继更容易布放、回收。

(7)本发明的上位机设计合理，能够对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行摄像头管理、控制权限切换、目标点设定、循迹控制、动力定位等上位机遥控操作，操作简单、方便，实用性强；而且可以从使用的半潜式海洋动力定位通信中继装置中选择需要操控的通信中继装置进行控制操作，还可以管理多个通信中继装置的安全通信范围。

附图说明

图1为超前置位直线制导算法原理图；

图2为模糊PD艏向控制算法原理图；

图3为本发明中半潜式海洋动力定位通信中继装置的结构示意图；

图4为本发明无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统的示意图；

图5为本发明中遥控器的按钮布局示意图；

图6为本发明中上位机的按钮布局示意图；

图7为本发明无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统的工作流程示意图；

图8为本发明无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统中四个半潜式海洋动力定位通信中继装置组合使用的应用效果图；

图中：1为遥控器天线，2为GPS天线，3为惯导防水罩，4为惯导，5为摄像头，6为无线天线，7为布放回收吊点，8为布放回收支架，9为防水密封接口，10为浮筒连接件，11为螺旋桨推进器，12为浮筒，13为防水支柱，14为设备安装平台。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。

实施例1：

参见图3、图4，一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统，包括一个半潜式海洋动力定位通信中继装置、与半潜式海洋动力定位通信中继装置配套使用的遥控器和用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置的上位机；所述半潜式海洋动力定位通信中继装置包括半潜式浮筒机构，所述半潜式浮筒机构包括两个平行设置的浮筒12，两个浮筒12之间设有中空结构的浮筒连接件10，所述浮筒12的尾部设有螺旋桨推进器11，浮筒12上固定连接有竖直设置的防水支柱13，防水支柱13为中空结构，防水支柱13的顶部固定连接有设备安装平台14；所述设备安装平台14上设有无线天线6、遥控器天线1、GPS天线2、摄像头5、惯导4、布放回收支架8和防水密封接口9，所述惯导4上设有惯导防水套3，所述布放回收支架8上设有布放回收吊点7；所述浮筒12内部设有供电电源、STM32单片机和控制计算机，所述控制计算机与无线天线6、GPS天线2、摄像头5、惯导3、单片机连接，所述STM32单片机与螺旋桨推进器11、遥控器天线1、控制计算机连接；所述供电电源上设有电池电量检测模块，所述电池电量检测模块安装在供电电源输出电压侧，用于检测供电电源的当前剩余电量，并与控制计算机连接；所述供电电源包括一块48V电池和一块12V电池，其中，48V电池用于给螺旋桨推进器进行供电，12V电池用于给除螺旋桨外其他设备供电。

所述控制计算机上运行的自主控制程序包含有制导算法和艏向控制算法，其中，制导算法采用常用的超前置位直线制导算法计算期望航向角；艏向控制算法采用工程应用中常用的稳定性较高、实用性强的模糊PD艏向控制算法，并根据期望航向角计算需要输出的舵角值。所述控制计算机还具有动力定位功能，动力定位功能的目的在于控制用半潜式海洋动力定位通信中继装置停留在工作点，防止半潜式海洋动力定位通信中继装置因为海洋中的风浪流的影响而偏离的工作点。在拥有制导算法和艏向控制算法的前提下，动力定位功能会时刻检测无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继装置当前位置与工作点位置的距离，在半潜式海洋动力定位通信中继装置偏离工作点较远时，引导半潜式海洋动力定位通信中继装置以工作点为目的地开始自主航行，当距离工作点在设定距离内时，停止自主航行，继续检测半潜式海洋动力定位通信中继装置当前位置与工作点的距离(即：动力定位中设定了一个危险阈值(100m)和一个安全阈值(50m)，半潜式海洋动力定位通信中继装置处于动力定位状态时，控制计算机以固定间隔获取GPS天线和惯导的数据，并计算实际位置与工作点位置之间的距离，当距离超出设定的危险阈值，则半潜式海洋动力定位通信中继装置会以当前位置和工作点连线为航线，以工作点为目的地开始自主航行，当距离达到设定的安全阈值时，半潜式海洋动力定位通信中继装置停止自主航行，继续动力定位，等待下次半潜式海洋动力定位通信中继装置远离工作点超出设定的危险阈值时继续工作)。

参见图5，所述遥控器与半潜式海洋动力定位通信中继装置的遥控器天线1通讯连接；所述遥控器上设有摄像头开关17-1、模式控制开关17-2、紧急停止按钮17-3、控制权限切换按钮17-4、显示屏17-5、摄像头方向控制摇杆17-6、左右转向摇杆17-7和速度控制摇杆17-8。

所述摄像头开关17-1用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置上摄像头的开启和关闭；所述摄像头方向控制摇杆17-6用于控制摄像头的转动方向，摄像头开关17-1和摄像头方向控制摇杆17-6用于遥控器控制时，便于观察半潜式海洋动力定位通信中继装置的姿态和周围环境。所述模式控制开关17-2设有上、中、下三个档位，其中，上档位用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置的前进；下档位用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置的后退；遥控器不使用时，模式控制开关应拨到中档位，此时遥控器无法控制半潜式海洋动力定位通信中继装置运动。所述控制权限切换按钮17-4用于控制操作优先级，遥控器拥有最高权限，当需要用上位机对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行人工远程操控时，需要通过遥控器的控制权限切换按钮17-4将权限切换为上位机控制模式，此时上位机才可以对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行控制以及任务下发。所述显示屏17-5用于显示摄像头拍摄的画面，同时显示遥控器与装置建立连接状况、连接信号强度、遥控器剩余电量、油门值和舵角值；所述左右转向摇杆17-7用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置转向所需的舵角值；所述速度控制摇杆17-8用于控制决定半潜式海洋动力定位通信中继装置行驶速度的油门值；所述紧急停止按钮用于半潜式海洋动力定位通信中继装置发生失控以及其他特殊情况时，及时切断螺旋桨的供电，使装置立刻停止航行，该按钮具有最高优先级，只要遥控器与装置处于连接状态，该按钮就能生效，再次按下该按钮可以恢复螺旋桨的供电。

参见图6，所述上位机与半潜式海洋动力定位通信中继装置的无线天线6通讯连接，所述上位机包括装置选择菜单16-1、海图管理菜单16-2、装置操纵菜单16-3、摄像头管理菜单16-4、控制权限切换按钮16-5、目标点设定按钮16-6、循迹开始按钮16-7、动力定位开关16-8、海图显示区域16-9和紧急停止按钮16-10；所述上位机系统采用Windows下的QT进行开发。

所述装置选择菜单16-1用于从使用的多个半潜式海洋动力定位通信中继装置中选择需要操控的装置，并观察其剩余电量，由于上位机系统操作均需要针对装置进行控制，因此采取控制策略前需要先选择建立连接的半潜式海洋动力定位通信中继装置。所述海图管理菜单16-2用于管理多个半潜式海洋动力定位通信中继装置的安全信号通信范围，同时还可以通过此按钮导入最新的电子海图。所述装置操纵菜单16-3用于对选择的半潜式海洋动力定位通信中继装置进行上位机远程人工操控，当半潜式海洋动力定位通信中继装置处于上位机控制状态时，可以设置半潜式海洋动力定位通信中继装置的前进油门值和转弯舵角值实现装置的运动控制。所述摄像头管理菜单16-4用于操作摄像头，包括开启关闭摄像头、调出摄像头画面、左右旋转摄像头以及上位机保存摄像头拍摄的视频。所述控制权限切换按钮16-5用于切换上位机的控制权限，在遥控器将控制权限切换到上位机控制模式后，其默认控制模式为上位机人工操作模式，当需要上位机人工远程操控时需要将权限切换为上位机人工操作模式，当需要半潜式海洋动力定位通信中继装置进行循迹任务以及动力定位等自主任务时，需要先将权限切换为自主控制模式。所述目标点设定按钮16-6用于绘制半潜式海洋动力定位通信中继装置的航线，在点下目标点设定按钮后，可以在海图显示区域连续点击产生多个目标点，并按顺序连接成连续折线，完成半潜式海洋动力定位通信中继装置预设航线的绘制。所述循迹开始按钮16-7用于开始装置的循迹任务，只有在上位机通过目标点设定按钮绘制设定航线后，该按钮才能生效，在循迹过程中可以通过再次点击该按钮停止循迹任务。所述动力定位开关16-8用于开启动力定位功能，当半潜式海洋动力定位通信中继装置抵达工作目标点位置后，需要开启动力定位功能，该功能可以使半潜式海洋动力定位通信中继装置在偏离工作目标点位置后自动返回工作目标点。所述海图显示区域16-9用于显示当前海域的障碍物状况、母船的位置、多个半潜式海洋动力定位通信中继装置的位置，操作人员可以根据海图显示的状况绘制半潜式海洋动力定位通信中继装置的合理预设航线，同时在海图中可以显示由通信中继装置产生的通信区域，能时刻观察无人艇是否航行在信号覆盖范围内。所述紧急停止按钮16-10用于半潜式海洋动力定位通信中继装置发生失控以及其他特殊情况时，及时切断螺旋桨的供电，使半潜式海洋动力定位通信中继装置立刻停止航行，该按钮具有最高优先级，无需遥控器将权限切换到上位机控制模式亦能生效，可以通过再次点击该按钮恢复螺旋桨的供电。所述紧急停止按钮16-10与遥控器上的紧急停止按钮17-3具有同一优先级，只要有一个按钮被按下，装置的螺旋桨供电就会被切断。

实施例2：

实施例2的内容与实施例1基本相同，其不同之处在于：

所述无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统中设有四个半潜式海洋动力定位通信中继装置，四个半潜式海洋动力定位通信中继装置组合使用，彼此之间通过无线天线通讯连接，第二个半潜式海洋动力定位通信中继装置以第一个半潜式海洋动力定位通信中继装置作为中继，第三个半潜式海洋动力定位通信中继装置以前两个半潜式海洋动力定位通信中继装置作为中继，第四个半潜式海洋动力定位通信中继装置以前三个半潜式海洋动力定位通信中继装置作为中继；四个半潜式海洋动力定位通信中继装置中的其中一个与上位机通讯连接成功，其他三个与之相连接的半潜式海洋动力定位通信中继装置均可与上位机建立通讯连接(参见图4)，图4中一个无线天线分别代表一个半潜式海洋动力定位通信中继装置。

实施例3：

实施例1所述无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统的工作方法(参见图7)，具体包括以下步骤为：

(1)当半潜式海洋动力定位通信中继装置在母船上时，打开半潜式海洋动力定位通信中继装置上的供电电源、上位机电源和遥控器电源，使上位机、遥控器分别与半潜式海洋动力定位通信中继装置成功建立连接，然后对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行设备安全检查；

(2)采用吊机将半潜式海洋动力定位通信中继装置从母船下放至水中，立即用遥控器对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行控制，使其远离母船一定距离，防止意外碰撞对设备产生破坏；然后按下遥控器中的制权限切换按钮17-4，将控制权限切换到上位机控制模式；

(3)上位机获得半潜式海洋动力定位通信中继装置的控制权限后，其默认控制模式为上位机人工操作模式，通过控制权限切换按钮16-5将半潜式海洋动力定位通信中继装置控制模式从上位机人工操作模式切换为自主控制模式；

(4)在上位机中通过目标点设定按钮16-6在海图显示区域16-9中确定多个目标点并生成连续航线，随后点击循迹开始按钮16-7使半潜式海洋动力定位通信中继装置自主航行，等待半潜式海洋动力定位通信中继装置到达最终工作目标点位置；

(5)半潜式海洋动力定位通信中继装置到达工作目标点位置后，通过上位机系统的动力定位开关16-8开启半潜式海洋动力定位通信中继装置的动力定位，并记录当前的位置为工作点；动力定位中设定了一个危险阈值(100m)和一个安全阈值(50m)，半潜式海洋动力定位通信中继装置处于动力定位状态时，控制计算机每隔30秒检测一次GPS天线和惯导的数据，并计算实际位置与工作点位置之间的距离，当距离超出设定的危险阈值，则半潜式海洋动力定位通信中继装置会以工作点为目的地开始慢速的自主航行，当距离达到设定的安全阈值时，半潜式海洋动力定位通信中继装置停止自主航行，继续动力定位。

实施例4：

实施例2所述无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统的工作方法：

(1)打开半潜式海洋动力定位通信中继装置I上的供电电源、上位机电源和遥控器电源，使上位机、遥控器分别与半潜式海洋动力定位通信中继装置I成-功建立连接，然后对半潜式海洋动力定位通信中继装置I进行设备安全检查；

(2)采用吊机将半潜式海洋动力定位通信中继装置I从母船下放至水中，立即用遥控器对半潜式海洋动力定位通信中继装置I进行控制，使其远离母船一定距离，防止意外碰撞对设备产生破坏；然后按下遥控器中的制权限切换按钮17-4，将控制权限切换到上位机控制模式；

(3)上位机获得半潜式海洋动力定位通信中继装置I的控制权限后，其默认控制模式为上位机人工操作模式，通过控制权限切换按钮16-5将半潜式海洋动力定位通信中继装置I控制模式从上位机人工操作模式切换为自主控制模式；

(4)在上位机中通过目标点设定按钮16-6在海图显示区域16-9中确定多个目标点并生成连续航线，随后点击循迹开始按钮16-7使半潜式海洋动力定位通信中继装置I自主航行，等待半潜式海洋动力定位通信中继装置I到达其最终工作目标点位置；

(5)半潜式海洋动力定位通信中继装置I到达工作目标点位置后，通过上位机系统的动力定位开关16-8开启半潜式海洋动力定位通信中继装置I的动力定位，并记录当前的位置为工作点；动力定位中设定了一个危险阈值(100m)和一个安全阈值(50m)，半潜式海洋动力定位通信中继装置I处于动力定位状态时，控制计算机每隔30秒检测一次GPS天线和惯导的数据，并计算实际位置与工作点位置之间的距离，当距离超出设定的危险阈值，则半潜式海洋动力定位通信中继装置I会以工作点为目的地开始慢速的自主航行，当距离达到设定的安全阈值时，半潜式海洋动力定位通信中继装置I停止自主航行，继续动力定位；

(6)重复上述步骤(2)-步骤(5)的操作，依次完成半潜式海洋动力定位通信中继装置II、半潜式海洋动力定位通信中继装置III和半潜式海洋动力定位通信中继装置IV下放和动力定位开启，四个潜式海洋动力定位通信中继装置之间通过无线天线通讯连接。

四个半潜式海洋动力定位通信中继装置组合使用时，第二个半潜式海洋动力定位通信中继装置以第一个半潜式海洋动力定位通信中继装置作为中继，第三个半潜式海洋动力定位通信中继装置以前两个半潜式海洋动力定位通信中继装置作为中继，第四个半潜式海洋动力定位通信中继装置以前三个半潜式海洋动力定位通信中继装置作为中继；四个半潜式海洋动力定位通信中继装置中的其中一个与上位机通讯连接成功，其他三个与之相连接的半潜式海洋动力定位通信中继装置均可与上位机建立通讯连接。通过四个半潜式海洋动力定位通信中继装置的组合使用，可以扩展无人艇的有效工作区域和通信区域，参见图8，图8中I、II、III和IV分别表示半潜式海洋动力定位通信中继装置I、半潜式海洋动力定位通信中继装置II、半潜式海洋动力定位通信中继装置III和半潜式海洋动力定位通信中继装置IV；a代表的圆面积区域为不采用半潜式海洋动力定位通信中继装置时无人艇的有效工作区域和通信区域，b代表的圆面积区域为半潜式海洋动力定位通信中继装置I的通信区域，c代表的圆面积区域为半潜式海洋动力定位通信中继装置II的通信区域；d代表的圆面积区域为半潜式海洋动力定位通信中继装置III的通信区域；e代表的圆面积区域为半潜式海洋动力定位通信中继装置IV的通信区域；因此，通过四个半潜式海洋动力定位通信中继装置的组合使用，无人艇的有效工作区域和通信区域从原有的a区域扩展到a、b、c、d、e五个区域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）分别打开半潜式海洋动力定位通信中继装置、上位机和遥控器的供电电源，将上位机、遥控器分别与半潜式海洋动力定位通信中继装置建立连接；

（2）将半潜式海洋动力定位通信中继装置从母船下放至水中，用遥控器对半潜式海洋动力定位通信中继装置进行控制，使其远离母船一定距离，然后用遥控器将半潜式海洋动力定位通信中继装置的控制权限切换到上位机控制模式；

（3）上位机获得半潜式海洋动力定位通信中继装置的控制权限后，将半潜式海洋动力定位通信中继装置控制模式切换为自主控制模式；

（4）在上位机中输入半潜式海洋动力定位通信中继装置的工作目标点位置，然后引导半潜式海洋动力定位通信中继装置自主航行至工作目标点位置；

（5）半潜式海洋动力定位通信中继装置到达工作目标点位置后，通过上位机系统开启半潜式海洋动力定位通信中继装置的动力定位。

2.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于，所述半潜式海洋动力定位通信中继装置设有多个时，重复步骤（2）-（5）依次开启多个半潜式海洋动力定位通信中继装置的动力定位，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置之间通讯连接，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置中的任何一个半潜式海洋动力定位通信中继装置与上位机通讯连接成功，其他多个与之相连接的半潜式海洋动力定位通信中继装置均可与上位机通讯连接。

3.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于，所述无人艇用半潜式海洋动力定位通信中继系统包括半潜式海洋动力定位通信中继装置、与半潜式海洋动力定位通信中继装置配套使用的遥控器和用于控制半潜式海洋动力定位通信中继装置的上位机；所述半潜式海洋动力定位通信中继装置包括半潜式浮筒机构，所述半潜式浮筒机构的尾部设有螺旋桨推进器，半潜式浮筒机构上固定连接有竖直设置的防水支柱，防水支柱的顶部固定连接有设备安装平台；所述设备安装平台上设有无线天线、遥控器天线、GPS天线、摄像头、惯导和布放回收支架，所述布放回收支架上设有布放回收吊点；所述半潜式浮筒机构内部设有供电电源、单片机和控制计算机，所述控制计算机与无线天线、GPS天线、摄像头、惯导、单片机连接，所述单片机与螺旋桨推进器、遥控器天线、控制计算机连接；所述遥控器与半潜式海洋动力定位通信中继装置的遥控器天线通讯连接；所述上位机与半潜式海洋动力定位通信中继装置的无线天线通讯连接。

4.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，所述半潜式浮筒机构包括两个平行设置的浮筒，两个浮筒之间设有浮筒连接件。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，所述防水支柱、浮筒连接件均为中空结构，所述惯导上设有惯导防水套。

6.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，所述遥控器上设有摄像头开关、模式控制开关、紧急停止按钮、控制权限切换按钮、显示屏、摄像头方向控制摇杆、左右转向摇杆和速度控制摇杆。

7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，所述模式控制开关设有上、中、下三个档位。

8.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，所述上位机包括装置选择菜单、海图管理菜单、装置操纵菜单、摄像头管理菜单、控制权限切换按钮、目标点设定按钮、循迹开始按钮、动力定位开关、海图显示区域和紧急停止按钮。

9.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，所述半潜式海洋动力定位通信中继装置设有多个，多个半潜式海洋动力定位通信中继装置彼此之间通讯连接。

10.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，所述供电电源上设有电池电量检测模块，所述电池电量检测模块与控制计算机连接。

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