[发明专利]一种水下集群行为实验平台

说明书

本发明提供了一种水下集群行为实验平台，主控模块和感知模块放置于电子舱中，通信模块放置于天线舱中，电源模块放置在电池舱中，推进器模块包括两个主推进器和一个垂向推进器，其中两个主推进器分别安装在AUV尾部安装板的两侧，垂向推进器放置于电池舱与电子舱中间空隙，垂直安装于贯穿航行器上下面板的涵道内，电子舱和天线舱内设备之间通过RS232串行通用接口连接。本发明具有能耗低、灵活性强、可实时监控、成本低廉的优势，既可将探测设备从高功耗的声呐改变为低功耗的LED灯带和水下相机，降低功耗，又可实现岸上对实验平台的实时监控，便于观察实验现象。同时，该平台还通过合理的推进器布局实现了AUV灵活性的增强。

技术领域

本发明涉及自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)平台综合设计，尤其是一种新型AUV设计及一套多AUV集群交互平台。

背景技术

AUV是一种无人、无缆、完全自主航行的水下航行器，对海洋工程任务如海洋勘探、资源调查等，和军事任务如对敌侦察、目标定位等，有着重要作用。AUV集群，即使用多个AUV，通过各AUV个体间的简单交互并设定简单规则，从而实现一定的宏观形态，如大面积覆盖、目标围捕等。相对于常规单AUV工作模式和多AUV协同编队模式，AUV集群有着较大优势。相比于单AUV工作模式，AUV集群对大尺度海域的观测效率更高、速度更快，且无需单个AUV进行大范围航行，对个体续航力要求更低。相对于多AUV协同编队模式，AUV集群个体数量更大，可组成可靠性和容错性更高的水下观测网；且AUV集群无需通过详细的信息交互和感知将个体严格编队，通常以简单的交互规则和较少的信息使AUV个体能自组织地形成设计者需要的群体形式。因此，对AUV集群的研究对发展海洋探测和观察技术、提高我海军对海洋安全的感知能力，有重要的意义。然而，常规AUV体型较大，要求有足够的活动空间，不便于在实验水池进行集群理论和集群行为的原理性实验；同时，常规AUV采用水声通信，通信模块功耗大、成本高且无法进行岸上实时监控，不适宜用作AUV集群实验平台。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水下集群行为实验平台，针对在水下集群实验中，常规AUV在实验室条件下航行灵活性差、通信功耗大、岸上无法对实时监控且成本高昂的问题，本发明提升AUV在狭小实验水域的工作能力，降低AUV集群水中通信的功耗和复杂度，同时控制成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水下集群行为实验平台，采用模块化框架式结构，包括主控模块、感知模块、通信模块、电源模块和推进器模块；主控模块和感知模块放置于电子舱中，通信模块放置于天线舱中，电源模块放置在电池舱中，推进器模块包括两个主推进器和一个垂向推进器，其中两个主推进器分别安装在AUV尾部安装板的两侧，垂向推进器放置于电池舱与电子舱中间空隙，垂直安装于贯穿航行器上下面板的涵道内，电子舱和天线舱内设备之间通过RS232串行通用接口连接。

所述主控模块包括微型控制器和PWM驱动模块，微型控制器用于对电子舱内部传感器的数据采集、处理和反馈，对各推进器进行转向和转速的调节，对LED灯带通信模块颜色和频率的控制；PWM驱动模块与微型控制器之间通过集成电路总线通信协议进行通信，根据微型控制器的指令发出PWM控制信号，对推进器模块进行控制，进而控制AUV的航行姿态；

所述感知模块包括IMU传感器、深度传感器和水下相机，还可根据需要搭载不同的传感器包括盐度传感器、水下酸碱度传感器等，IMU传感器承担对AUV航向、姿态和加速度的感知，深度传感器承担对AUV航行深度的感知，IMU传感器和深度传感器共同向主控模块发送反馈信号辅助控制系统对AUV的控制；水下相机对水下环境进行视觉采集和感知，对水下目标和集群内其他个体进行视觉定位；同时，水下相机作为LED水下光通信的接收装置，判断LED灯带的颜色和闪烁频率，进而与集群内其他个体进行低功耗交互。