一种机载水文探头无人投放装置及投放方法与流程

本发明涉及海洋水文探测技术领域，尤其涉及一种机载水文探头无人投放装置及投放方法。

背景技术：

海洋环境监测平台技术主要是指以海洋环境监测为目的，为满足海洋环境监测所需的传感器以及仪器装备工作条件和使用环境而提供的不同平台技术，海洋环境监测平台主要包括岸基台站、浮标、潜标、海床基、水下移动平台、天基和空基、船基等，是实现海洋监测重要保障载体。从20世纪初的岸基台站、船基的初步应用到锚系浮标研制成功，如今潜标、海床基、水下移动平台、天基和空基等技术的发展，目前海洋环境监测平台已成为海洋环境监测的重要保障，大部分平台技术已较为成熟，在海洋环境监测的业务化运行方面发挥着重要作用。

在海洋环境监测中，对海洋温度、盐度等多种物理海洋参数的快速、高效、动态采集需求越来越迫切，近些年，有许多单位和机构在各种各样的海洋环境要素监测设备研制上投入了大量的科研力量，但自动化测量仪器主要集中在船载应用领域，对于其他应用途径的设备研制相对较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以根据不同的水文探测需求，设置搭载多个不同水文指标探测探头、能够准确定位探头所需降落的位置，进行精准定位，避免探头降落不准确所带来的探测水文指标不能够使用、无效的缺陷问题的机载水文探头无人投放装置及投放方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机载水文探头无人投放装置，所述无人投放装置垂直安装于无人飞行器底部，包括投放装置安装架、探头舱；

所述探头舱内设置有电子控制舱、位于所述电子控制舱两侧的第一步进转轴与第二步进转轴、包裹所述第一步进转轴与所述第二步进转轴的齿轮带、探头容纳空间、探头投放出口，所述探头容纳空间内平行设置多个探头，所述探头与所述齿轮带转动连接；

所述无人投放装置外设置有带有视觉导航传感器的智能摄像机、内设置有风速传感器、高度传感器、动态倾角传感器，所述动态倾角传感器用以测量俯仰姿态角θ和横滚姿态角所述探头的尾盖与所述探头舱左侧壁铰接，与所述探头舱右侧壁通过卡扣连接。

进一步地，所述投放装置安装架为中心对称结构，包括第一安装角(1-1)、第二安装角、第三安装角和第四安装角，所述安装角为直角结构，位于每个直角的两边各设置有一个安装扣，所述安装扣与所述无人飞行器连接。

进一步地，所述安装扣与所述无人飞行器固定安装或可拆卸安装。

固定安装可以选择螺丝紧固或直接焊接方式，可拆卸安装可以选择卡扣固定方式。

进一步地，所述安装架为中心对称x形结构。

进一步地，所述安装架中心具有中心镂空圆，所述安装角处具有安装角镂空圆，所述中心镂空圆与所述安装角镂空圆的面积比为(3:1)～(10:1)。

进一步地，所述电子控制舱通过无线通信方式或有限通信方式与外部控制装置通信连接，接收所述外部控制装置的投放信号；所述电子控制舱内设置有充电电池。

本发明还提供一种机载水文探头无人投放方法，包括以下步骤：

s1：装填多个探头于机载水文探头无人投放装置探头舱的探头容纳空间内；

s2：通过外部控制装置预设输入任务于探头舱内的电子控制舱内；

s3：所述无人投放装置通过智能摄像机获取预投放目标图像信息，所述电子控制舱通过传感器进行所在环境的指标感应，进行智能任务值守；

s4：所述电子控制舱接收到触发任务信号，触发任务；

s5：自动释放所述探头容纳空间内探头投放出口处的探头，所述探头投放出口处探头释放脱落；

s6：所述探头尾盖释放丢弃，将探头投放至指定地点，所述探头投放任务标记完成；

s7：探头舱内的第一步进转轴与第二步进转轴同时转动，驱动与其齿轮转动连接的下一个探头进入探头投放出口；

s8：下一个探头就位，所述电子控制舱继续进行智能任务值守。

进一步地，所述s5步骤中所述机载水文探头无人投放装置自动打开位于探头舱右侧壁的卡扣，将探头释放。

进一步地，所述电子控制感应到的触发信号为达到投放地点坐标位置、满足预设时间周期或收到外部触发信号中的一种。

进一步地，所述s5步骤中的探头释放路线确定方法，包括以下步骤：

1)确定所述探头的站心坐标系位置，构建所述探头的站心坐标系定位矩阵[n^obj,e^obj,1]^t，公式如下：

其中，所述gne为智能摄像机的参数矩阵，代表摄像机姿态和位置，[u，v，1]^t为摄像机的视觉导航传感器测量获得的归一化的均匀像素坐标；

2)计算所述智能摄像机的参数矩阵gne，其中所述为智能摄像机的视觉导航传感器测量的参数，所述pcam为以站心坐标系表示的探头所在中心位置，所述r1为第一列向量，所述r2为第二列向量，所述k为通过标准相机校准算法估计的摄像机的内在参数，所述[u，v，1]^t为归一化的均匀像素坐标，所述[n^obj,e^obj,1]^t为所述探头的站心坐标系的定位矩阵，λ是分离所述探头所在的站心坐标系定位矩阵[n^obj,e^obj,1]^t的标准化齐次坐标所需的比例因子；

3)构建所述探头投放路线模型，计算投放目标地理坐标系的位置(x,y,z)：

惯性系中所述探头相对于空气的速度vr的公式为：

其中所述矢量x为站心坐标系的北方向位置和速度，所述矢量y为站心坐标系的东方向位置和速度，所述矢量z为站心坐标系的下方向位置和速度；所述vx为无人机的北方向速度，所述vy为无人机的东方向速度，所述vz为无人机的下方向速度；

所述wx惯性系中北方向的风速，所述wy惯性系中东方向的风速，所述wz是惯性系中的下方向的风速；

所述常数cd为阻力系数，常数m为释放物体的质量，所述常数a为释放物体的面积、所述常数ρ为空气密度和所述常数g为重力引起的标准加速度；

4)构建导航路径矢量公式如下：

其中所述vg＝||vx,vy,vz||代表地面速度；所述l1为所述矢量的可调长度，可调长度为无人机与无人机期望路径相交点的距离；所述η为所述矢量和无人机速度矢量之间的夹角；

6)计算导航路径期望侧倾角度φd，公式如下：

其中，所述θ为无人机的俯仰姿态角；

7)计算导航路径期望的倾斜角θd，公式如下：

θd＝-c1(γ-γd)+γd+αtrim

其中c1为常数，d为无人机位置至探头降落点p的距离，γ为飞行轨迹角，γd为期望飞行轨迹角，αtrim是修正角；其中，

γp是无人机绕y轴的旋转角度，kph和kih分别为控制器对倾斜角的比例增益和积分增益，δ是探头释放点至探头降落点p的前方距离，ev是垂直跟踪误差；

8)计算导航路径期望动力δthr，公式如下：

其中，所述δthr为期望动力，所述δthr,trim为修正角αtrim所需期望动力，所述和所述分别为控制器对所述矢量的速度va的比例增益和积分增益，即所述为矢量的速度va与其期望速度之差va,desired的期望值；所述是使垂直轨道误差ev最小的比例增益；

9)无人机的自动驾驶仪使用控制器对侧倾、俯仰和油门动力进行控制，并提供估计的风速以及无人机的位置、速度和姿态，无人投放装置按照探头投放路线模型计算投放目标地理坐标系的位置(x,y,z)进行投放。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

相比于传统水面测量平台缓慢、复杂、昂贵、低效，本专利利用空中平台搭载水文探头进行无人智能值守、投放，凭借良好的机动性能取得了独特的优势，其具有更高的测量效率、更短的测量周期、更低的的测量成本、更简单的测量过程。

相比于同类机载投放设备还需要人工操作的不便性，本发明提供的机载水文探头无人投放装置较好的解决了智能值守、自动化投放的功能。

本发明提供的机载水文探头无人投放装置适用于航空平台，可实现海洋温深、温盐深、气象等探头的智能值守、自动化投放，克服传统手动操作方式的繁琐，降低人工资源成本，大大提高测量活动的安全性。

本发明提供机载水文探头无人投放装置可以根据多种投放命令—电子控制感应到的触发信号为达到投放地点坐标位置、满足预设时间周期或收到外部触发信号而进行探头投放，具有灵敏性和广泛的适应性。

通过本发明提供的探头释放路线确定方法，能够准确定位探头所需降落的位置，进行精准定位，避免了探头降落不准确所带来的探测水文指标不能够使用、无效的缺陷。

附图说明

图1为本发明机载水文探头无人投放装置的立体结构示意图；

图2为本发明机载水文探头无人投放装置探头舱侧视结构示意图；

图3为本发明机载水文探头无人投放装置探头舱内探头运行方向示意图；

图4为本发明机载水文探头无人投放装置安装架正视图；

图5为本发明机载水文探头无人投放装置探头舱探头释放过图；

图6为本发明机载水文探头无人投放方法流程图；

图7为本发明机载水文探头无人投放方法中探头释放路线确定方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种机载水文探头无人投放装置，无人投放装置垂直安装于无人飞行器底部，包括投放装置中心对称x形结构的安装架1、探头舱2，如图4所示，安装架1中心具有中心镂空圆，安装角处具有安装角镂空圆，中心镂空圆与安装角镂空圆的面积比为5:1；

如图2-3所示，探头舱2内设置有电子控制舱2-1、位于电子控制舱2-1两侧的第一步进转轴2-2与第二步进转轴2-3、包裹第一步进转轴2-2与第二步进转轴的齿轮带2-4、探头容纳空间2-5、探头投放出口2-6，探头容纳空间2-5内平行设置多个探头2-7，探头2-7与齿轮带2-4转动连接；

无人投放装置外设置有带有视觉导航传感器的智能摄像机、内设置有风速传感器、高度传感器、动态倾角传感器，其中动态倾角传感器用以测量俯仰姿态角θ和横滚姿态角探头2-6的尾盖2-61与探头舱左侧壁2-8铰接，与探头舱右侧壁2-9通过卡扣2-10连接。

其中，如图4所示，投放装置安装架1为中心对称结构，包括第一安装角1-1、第二安装角1-2、第三安装角1-3和第四安装角1-4，安装角为直角结构，位于每个直角的两边各设置有一个安装扣1-5，安装扣与无人飞行器连接。安装扣与无人飞行器固定安装，或可拆卸安装；固定安装方式可以是螺丝紧固或直接焊接，可拆卸安装方式可以是卡扣固定。

电子控制舱2-1通过无线通信方式或有限通信方式与外部控制装置通信连接，接收外部控制装置的投放信号；电子控制舱2-1内设置有充电电池。

如图6所示，为本发明提供的一种机载水文探头无人投放方法，包括以下步骤：

s1：装填多个探头于机载水文探头无人投放装置探头舱的探头容纳空间内；

s2：通过外部控制装置预设输入任务于探头舱内的电子控制舱内；

s3：无人投放装置通过智能摄像机获取预投放目标图像信息，电子控制舱通过传感器进行所在环境的指标感应，进行智能任务值守；

s4：电子控制舱接收到触发任务信号，触发任务；

s5：自动释放探头容纳空间内探头投放出口处的探头，探头投放出口处探头释放脱落；

如图5所示，探头在接收到触发任务后，自动释放与右侧壁2-9通过卡扣2-10的连接，从舱内的位置1进行释放，此时探头与左侧壁2-8依然保持铰接，逐步由于重力从位置1移动至位置2，最终移动至位置3后，探头与投放出口2-6保持一致的与地面垂直的方向，此时探头与右侧壁2-8脱离，最终垂直自由落体，于指定位置被释放；

s6：探头尾盖释放丢弃，将探头投放至指定地点，探头投放任务标记完成；

s7：探头舱内的第一步进转轴与第二步进转轴同时转动，驱动与其齿轮转动连接的下一个探头进入探头投放出口；

s8：下一个探头就位，电子控制舱继续进行智能任务值守。

其中，s5步骤中机载水文探头无人投放装置自动打开位于探头舱右侧壁的卡扣，将探头释放。

其中，电子控制感应到的触发信号为达到投放地点坐标位置、满足预设时间周期或收到外部触发信号中的一种。

如图7所示，s5步骤中的探头释放路线确定方法，包括以下步骤：

1)确定所述探头的站心坐标系位置，构建所述探头的站心坐标系定位矩阵[n^obj,e^obj,1]^t，公式如下：

其中，gne为智能摄像机的参数矩阵，代表摄像机姿态和位置，[u，v，1]^t为摄像机的视觉导航传感器测量获得的归一化的均匀像素坐标；

2)计算智能摄像机的参数矩阵gne，为智能摄像机的视觉导航传感器测量的参数，pcam为以站心坐标系表示的探头所在中心位置，r1为第一列向量，r2为第二列向量，k为通过标准相机校准算法估计的摄像机的内在参数，[u，v，1]^t为归一化的均匀像素坐标，[n^obj,e^obj,1]^t为探头的站心坐标系的定位矩阵，λ是分离探头所在的站心坐标系定位矩阵[n^obj,e^obj,1]^t的标准化齐次坐标所需的比例因子；

通过设置第一列向量量r1和第二列向量r2，形成智能摄像机的参数矩阵gne，k为通过标准相机校准算法估计的摄像机的内在参数，通过乘以智能摄像机的参数矩阵gne、摄像机的内在参数k，可以将归一化的均匀像素坐标[u，v，1]^t从图像坐标转换为摄像机坐标转换为属于站心坐标系的定位矩阵[n^obj,e^obj,1]^t，λ是探头所在的站心坐标系定位矩阵[n^obj,e^obj,1]^t的标准化齐次坐标所需的比例因子；

3)构建探头投放路线模型，计算投放目标地理坐标系的位置(x,y,z)：

惯性系中探头相对于空气的速度vr的公式为：

其中矢量x为站心坐标系的北方向位置和速度，矢量y为站心坐标系的东方向位置和速度，矢量z为站心坐标系的下方向位置和速度；vx为无人机的北方向速度，vy为无人机的东方向速度，vz为无人机的下方向速度；

wx惯性系中北方向的风速，wy惯性系中东方向的风速，wz是惯性系中的下方向的风速；

常数cd为阻力系数，常数m为释放物体的质量，常数a为释放物体的面积、常数ρ为空气密度和常数g为重力引起的标准加速度；

4)构建导航路径矢量导航模块将引导无人机沿着参考线逆风飞行，同时保持恒定、稳定的高度。由于释放点取决于释放速度矢量的方向，因此这对必须构建导航路径的矢量本发明提供的探头路径确定方法使用视距制导律，这不仅决定了飞行的最终目的地，而且也决定了无人机将朝着目的地飞行的路线，而不是朝着释放点进行简单的路径追求，导航路径矢量公式如下：

其中vg＝||vx,vy,vz||代表地面速度；l1为矢量的可调长度，可调长度为无人机与无人机期望路径相交点的距离；η为矢量和无人机速度矢量之间的夹角；

6)计算导航路径期望侧倾角度φd，公式如下：

其中，θ为无人机的俯仰姿态角；

由于下落位置对无人机横向运动的敏感性，接近释放点的长度d足够大，以使横滚姿态角和横滚道误差的瞬态可以忽略不计；

7)计算导航路径期望的倾斜角θd，公式如下：

θd＝-c1(γ-γd)+γd+αtrim

其中c1为常数，d为无人机位置的距离至探头降落点p，γ为飞行轨迹角，γd为期望飞行轨迹角，αtrim是修正角；其中，

γp是无人机绕y轴的旋转角度，kph和kih分别为控制器对倾斜角的比例增益和积分增益，δ是探头释放点至探头降落点p的前方距离，ev是垂直跟踪误差；

8)计算导航路径期望动力δthr，公式如下：

其中，δthr为期望动力，δthr,trim为修正角αtrim所需期望动力，和分别为控制器对矢量的速度va的比例增益和积分增益，即为矢量的速度va与其期望速度之差va,desired的期望值；是使垂直轨道误差ev最小的比例增益；

9)无人机的自动驾驶仪使用控制器对侧倾、俯仰和油门动力进行控制，并提供估计的风速以及无人机的位置、速度和姿态，无人投放装置按照探头投放路线模型计算投放目标地理坐标系的位置(x,y,z)进行投放。

本申请搭载探头的无人投放装置的无人机保持恒定的高度和速度。

进一步地，安装架1中心的处具有安装角镂空圆与安装角镂空圆的面积比为3:1。

进一步地，安装架1中心的处具有安装角镂空圆与安装角镂空圆的面积比为10:1。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。