[发明专利]水下导航与水质参数经纬度分布的感测与计算系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下导航与水质参数经纬度分布的感测与计算系统及方法，具体涉及装载在水下机器人（AUV）上的基于侧扫声纳式的水下导航设备，跟踪定位AUV的水下航线图，并在特定的经纬度利用传感器测算出水质参数，最后将水质参数与经纬度匹配的方法。

背景技术

当今社会，环境问题已成为人类社会可持续发展的重要问题之一。水资源污染是环境污染一部分。水是人类赖以生存的基础，如何及时有效地进行水质检测并在适当的时间内采取补救补救措施是保护水资源的重要措施之一。水下机器人（AUV）因其能长时间在环境复杂的水面及其以下一定的深度进行长时间、大范围地水质检测，操作简单，配备工作人员少而得到极好地应用。

水下机器人的水质检测系统要解决的核心问题是水下导航，获取机器人的航线路线和各个时间段的经纬度，并通过传感器获取特定经纬度的多种水质参数。单一的导航技术，存在经纬度测量精度低，可靠性和容错性较差的现象。加上水下环境变幻莫测，导航误差容易随时间和AUV行驶距离的增加而增加，最终导致AUV定位精度低，无法获取之前设定区域所需的水质参数。

另外，传统的水质检测方法是：获取水面几个采样点，记录传感器测试的水温、浊度、蓝绿藻、叶绿素a、溶解氧、PH、ORP等数据，然后列表分析各个区域的水质状况。该方法缺乏对特定水域环境的宏观分析概念，对各种水质参数的经纬度分布和今后的发展趋势难以把握和预测。

综合上述研究现状，本发明提出了一种基于数字侧扫声纳式的水下导航与水质参数经纬度分布的感测与计算系统及方法，可以很大程度地解决现阶段存在的问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对水面以下环境信息无法用通过GPS定位获取，现有的导航误差随机器人航行时间增加而加大，所检测的水质参数精确度降低的缺点，提供一种数字侧扫声纳式的水下导航与水质参数经纬度分布的感测与计算系统，及采用基于多种导航设备对机器人水下航行速度、位置、方位协调跟踪定位的方法，并结合自适应导航算法，对信息融合处理，准确到达需测试的区域，获取该经纬度的各个水质参数，最终将经纬度和水质参数一一匹配，用Density Map软件直观得显示结果，实现水质参数在特定区域的综合全面分析。本系统适用于环境监测、水利水文监测监控等场所。

技术方案：一种水下导航与水质参数经纬度分布的感测与计算系统，主要由声纳导航模块、计算机数据处理中心和传感器数据测试模块组成；所述声纳导航模块包括搭载式惯性导航系统、滤波器信息融合系统和多个传感器；所述计算机数据处理中心包括AUV内置计算机；所述传感器数据测试模块包括A/D转换模块；

所述声纳导航模块通过传感器获取当前水下机器人的速度、方位、深度，并与搭载式惯性导航系统测量的速度、方位、深度结果比较取差值，将速度、方位、深度三者的差值信息送至滤波器信息融合系统；所述速度、方位、深度三者的差值信息经滤波器信息融合系统处理后反馈给搭载式惯性导航系统，从而修补搭载式惯性导航系统的速度、方位、深度信息；所述声纳导航模块的搭载式惯性导航系统将经过修补叠加后的速度、方位、深度信息传送到计算机数据处理中心的AUV内置计算机；所述传感器数据测试模块获取设定经纬度的水质参数，并将所述水质参数通过A/D转换模块转换之后发送给AUV内置计算机；所述AUV内置计算机经过数据分析，将经纬度和水质参数匹配，并将匹配结构显示在Density Map软件上。

所述传感器包括多普勒计程仪、电子罗盘、侧扫图像声纳和深度传感器；所述多普勒计程仪测量水下机器人的速度，电子罗盘测量水下机器人的方位，侧扫图像声纳利用sift特征提取方法获取水下机器人方位和深度，深度传感器获取水下机器人当前深度。

所述滤波器信息融合系统包括主滤波器和子滤波器；所述每个子滤波器对应一个传感器，子滤波器采用卡尔曼滤波器结构，用于对传感器采集到的数据进行滤波，并发送到主滤波器，提高导航性能；所述主滤波器是用于信息融合与处理的中心滤波器，它接收前端的各个子滤波器传送的数据信息：经纬度、方位、深度数据，以进一步修正和确定当前机器人的具体水下位置。

一种水下导航与水质参数经纬度分布的感测与计算方法，包括如下步骤：

步骤1，通过声纳导航模块和搭载式惯性导航系统对水下机器人当前速度、方位和深度进行追踪测量，并将声纳导航模块和搭载式惯性导航系统测量的水下机器人当前速度、方位和深度比较取差值，并对水下机器人的当前速度、方位和深度进行误差纠正，获取较为精确的位置；并输出到AUV内置计算机；