[发明专利]一种具有动态节点的自主水下机器人无线传感器网络

权利要求书

1.一种具有动态节点的自主水下机器人无线传感器网络，包括作为水面网关的主节点(1)、作为信息中继传输中介的汇聚节点(2)和传感器节点(3)，其特征在于，

所述主节点(1)包括水面部分的无线电调制解调器(1-1)和水下部分的声学调制解调器(1-2)；

所述汇聚节点(2)包括分别与其进行数据传输和通信的功率放大器(2-1)、信号处理单元(2-2)和接口增益控制模块(2-3)；

所述传感器节点(3)包括装载各种传感器的自主水下机器人中央控制模块(4)和传感器模块(5)，所述传感器模块(5)包括环境探测模块(5-1)、电源监控和管理模块(5-2)、通信模块(5-3)、动力模块(5-4)、障碍探测模块(5-5)、导航模块和运动规划模块(5-6)；

所述导航模块和运动规划模块(5-6)的导航方法，包括以下步骤：

1)、构建所述自主水下机器人的地心坐标系水平运动模型：

其中所述u为所述自主水下机器人的纵荡线速度，所述v为所述自主水下机器人的横荡线速度，所述r是所述自主水下机器人的偏航角速度；x为所述自主水下机器人的质心纵荡方向坐标，y为所述自主水下机器人的质心横荡方向坐标，所述ψ为所述自主水下机器人的目标方向；

2)、在忽略所述垂荡、横摇和纵摇运动，构建所述自主水下机器人的自主水下机器人坐标系横向动力学模型：

其中，所述所述所述所述所述所述

所述m是所述自主水下机器人的质量，I_z是所述自主水下机器人绕垂直方向z轴的惯性矩，X_u、Y_v和N_r为所述位置坐标包含线性阻尼影响的负项，和分别是纵荡、横摇和偏航运动方向的水动力附加质量项；所述τ_u为激励器产生的喘振力，所述τ_r为激励器产生的横摆力矩，所述τ_u和τ_r为控制输入；

3)、接收所述自主水下机器人中央控制模块(4)传输的期望位置信号[x_d，y_d]^T，根据所述期望位置信号的时间导数选择目标根据期望位置坐标进行运动时的时变位置期望纵荡速度u_d和时变位置期望横荡速度v_d，得到期望速度[u_d，v_d]^T：

4)、根据所述步骤3)得到的期望速度[u_d，v_d]^T和所述动力模块(5-4)得到的所述自主水下机器人的实际运动的纵荡速度u和横档速度v，计算速度跟踪偏差[e_u，e_v]^T：

e_u＝u-u_d；

e_v＝v-v_d；

所述e_u纵荡方向速度误差值，所述e_v为横荡方向速度误差值；

5)、根据所述步骤1)和所述步骤2)得到的所述自主水下机器人的动力学模型，计算所述自主水下机器人的位置跟踪误差[x_e，y_e]^T和位置误差动力学模型结合不断调整的所述位置误差动力学模型与所述步骤4)得到的速度跟踪偏差[e_u，e_v]^T，可以得到根据不断调整的位置误差而得到的速度误差动力学模型进而得到导航和运动规划控制律，所述控制律计算所施加的纵荡力τ_u和横摆力矩τ_r，从而调整所述期望速度[u_d，v_d]^T，得到期望速度[u′_d，v′_d]^T，使水下机器人的实际位置进行不断调整以跟踪时变的期望轨迹

其中，所述为时变位置纵荡方向速度的导数，所述为时变位置横荡方向速度的导数；所述所述