[发明专利]一种海底缆线电磁搜索-定位-跟踪一体化探测方法

权利要求书

1.一种海底缆线电磁搜索-定位-跟踪一体化探测方法，该方法为水下机器人从布放作业到结束海底缆线探测任务的“海缆搜索、电磁定位、跟踪探测”一体化全流程自主作业规划及控制方案，其特征在于：

a)海缆搜索：初始阶段，机器人在大范围水域内按Z形航路围绕海缆的潜在位置进行走航式海缆辐射电磁信号的搜索，当电磁信号达到设定阈值时、则进行海底缆线的电磁定位和跟踪探测；在跟踪探测过程中，电磁干扰或海缆故障可能导致探测信号低于阈值，则机器人根据丢失点海缆信息，再次按照Z形走航式搜索海缆电磁信号；

b)电磁定位：当机器人探测到的空间电磁场在设定频率点处超过设定阈值时，则机器人处于海底缆线附近的有效探测区域，并可基于机器人所采集的空间矢量电磁信号进行海底缆线与机器人的相对定位，以确定海底缆线相对于机器人的相对位置及走向，海缆电磁定位信息包括机器人与海底缆线间的横向偏距、垂向偏距和偏航角度；

c)跟踪探测：当电磁信号未达到设定阈值时，则机器人按照在线规划的海缆搜索航路进行跟踪控制及航行搜索，并实时采集空间电磁场数据；当电磁场达到设定阈值时、并依赖机器人对海底缆线电磁定位的结果，进行基于海缆定位信息的导航、制导与控制，以使机器人沿着海缆走向进行自主跟踪航行探测；

d)“海缆搜索、电磁定位、跟踪探测”一体化全流程：机器人布放入水时进行任务规划，完成运动规划参数设置；机器人入水后首先航行到指定的规划航点附近，开始进行初次Z形走航式大范围海底缆线电磁信号搜索；在搜索过程中，当探测到的电磁信号达到设定的电磁信号阈值时，认为机器人处于海底缆线附近的有效电磁探测区域，结束初次大范围海缆搜索任务，并开始基于海底缆线的电磁信号进行海底缆线的空间定位，基于海底缆线相对定位结果进行机器人的运动制导与自主控制，使机器人沿海底缆线的走向进行持续跟踪探测；在机器人跟踪探测过程中，当海底缆线电磁信号低于设定阈值时，记录海底缆线丢失点的状态信息，结束海底缆线跟踪探测任务，并进行海底缆线的再次局部小范围搜索；当海底缆线电磁信号重新达到设定阈值时，结束海底缆线再次局部小范围搜索任务，并开始海底缆线跟踪探测任务；在执行任务过程中，当满足特定任务所对应的航行距离或航行时间时，仍未能完成相应任务，则停止当前任务，并结束自主探测作业；

初次大范围海底缆线电磁信号搜索任务，具有如下具体流程：

a)判断机器人艇载电磁探测传感器反馈电磁信号的强度是否超过预定阈值，且跟踪状态标志位是否为0；确定电磁信号强度的阈值，以保证机器人探测电磁信号超过该阈值后，在海底缆线周围有效探测区域内，从而基于有效电磁信号进行海底缆线的定位和跟踪探测；当电磁信号强度小于设定阈值、且跟踪标志为0，表明机器人从布放入水开始尚未探测到海底缆线有效电磁信号，则进行初次大范围的搜索规划及控制程序；当探测电磁信号强度超过设定阈值、或跟踪标志位被置1时，结束初次搜索状态，进入跟踪探测或海底缆线电磁信号丢失后的再次搜索程序，然后进行电磁信号强度的第再次比较，当探测信号强度超过设定阈值时，进行海底缆线跟踪探测程序，当探测电磁信号强度小于设定阈值时，表明已经到达过有效探测区域或已经执行过海底缆线定位和跟踪程序，则进行海底缆线电磁信号的再次搜索；

b)在初次大范围搜索过程中，首先计算机器人当前位置与直线航线目标点之间的距离，当机器人距目标点距离大于预定接收圆阈值时，则认为机器人尚未到达目标点附近，继续执行定高定向搜索任务；当距目标点距离小于预定接收圆阈值时，则认为已到达目标点附近，开始规划并跟踪下一段搜索航线；规划下一段航线时，首先将机器人当前点位置作为直线航线的起始点，判断原直线航线目标点是否为设定的第一个航路点，当原直线航线目标点为设定的第一个航路点时，则将设定的第二个航路点作为下一段直线航线的目标点；当原直线航线目标点不是第一个航路点时，则进行大范围搜索航线的规划采用Z字形走航式规划；

c)Z字形走航式规划方法，通过上位机设定Z形航线的长度L₁和转角θ₁，Z直线航线上目标点的规划采用如下公式：

其中，机器人在NED坐标系下的当前位置坐标，ψ为机器人当前所在航线的航向；上式表示机器人在到达目标点时，交替性向右向左转换航向角，以形成Z形搜索区域并覆盖潜在的海底缆线位置；的计算如下：

其中(N_ori E_ori)机器人的布放入水点的经纬度坐标，(N_i E_i)为机器人当前所在航路点的经纬度坐标，N表达式如下：

其中，L_long≈6378137.0为地球长半轴，L_short≈6356752.0为地球短半轴。