本发明涉及无人船，尤其是双模态海洋无人智能科考船。
背景技术：
1、无人船是一种可以无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，英文缩写为usv。当前，随着科技的进步，利用无人船开展海洋观测调查，已不存在技术障碍，且成本低、灵活性强，能收事半功倍之效，必将成为海洋调查的新趋势。
2、cn110182343a公开了一种无人船。该无人船包括船体和设置在船体的尾部的主推进器。无人船还包括侧向推进器，侧向推进器设置在船体的首部，侧向推进器用于产生与船体的长度方向呈角度的推进力。应用本发明的技术方案，无人船主要通过船体的尾部的主推进器产生推进力来实现运动，当无人船需要实现极小的转弯半径运动时，让侧向推进器产生侧向推进力与主推进器配合，从而实现无人船在动态状态下就可以在很小的范围内自由调整姿态，以便于与水下机器人更灵活的配合，保证无人船与水下机器人的协同工作。但是无人船由于吃水浅，抗高海况能力比较差，在风浪较大的水域条件下无法保证其航行稳定性以及数据有效性，在复杂水域、大面积水域、作业任务繁多的情况下，其执行作业任务的效率也会大打折扣。
3、“湍流”是流体中的一种小尺度不规则运动，被称为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题”（费曼语，1963），无法用准确的物理和数学表达式进行阐释，是物理海洋学及整个流体力学理论中尚未被突破的瓶颈。造成该现状的原因是缺少足够多的观测数据，无法认清不同条件下小尺度湍流混合发生规律。如，数值模拟结果表明，但模式的分辨率能够更充分地分辨亚中尺度时，海表面湍流热通量呈现系统性改变且其强度接近平均值（suetal，2008），意味着亚中尺度等多尺度海洋过程对湍流的影响，但这些结果还无法从观测中得到证实。因此，如何突破传统思维桎梏，采取创新性技术方案，获取足够多的一手湍流数据，成为实现湍流理论突破的关键，也是国际海洋和流体力学中竞争的焦点之一。
4、湍流除了通过影响海洋热量在垂直方向上的再分布从而对大尺度环流、水团、二氧化碳分布产生影响外，还具有显著的气候学效应。在当前的海洋科学及大气科学研究中，尺度为o(0.1m)–o(1m）的小尺度海洋湍流过程是一个热点方向，其主要通过影响海气界面热通量对气候变化产生影响。比如，当在海洋模式中改变大洋内部的湍流混合系数时，海洋中深层环流结构会发生急剧改变（如simmonsetal，2003）；当在海洋-气候模式中改变海洋障碍层或温跃层湍流混合强度时，厄尔尼诺和南方涛动（enso）的强度会发生显著变化，enso甚至会被压制甚至被消除掉（如maesetal.，2005；meehl et al，2011），因此湍流混合被认为是将来增进enso预报的一条重要理论路径（wengeletal，2021）。
5、当前，对湍流混合发生规律，包括其时间、空间分布变异特征及其与多尺度海洋与大气过程的相互关系缺乏深刻认识，不能建立准确的湍流与其他过程的关系，进一步制约了对其所导致的海洋热量、盐度、二氧化碳浓度等再分配过程的认识，使得传统的海洋及海洋-大气动力模式不能很好地实现次网格过程参数化，影响了海洋和海洋大气数值模式的准确构建，导致了其对台风、enso等高影响时间的预报预测偏差，也影响了对海洋吸收、转存二氧化碳过程的认识。同时，湍流混合影响深度可达上百米，显著改变水体垂直方向上的密度结构，从而影响水声传播方向和强度，对水下平台的运行稳定性、可操控性及通讯安全具有重要影响。对“湍流”过程和机理的认识不足，导致不能准确预测海洋背景变异情况及水声传播场变异情况，限制了水下移动平台的机动性和安全性，因此成为一项亟需解决的重大需求问题。
6、然而，当前导致海洋湍流理论长期以来难有突破的原因有三个，首先是缺少长期持续和高频的湍流观测，从而无法充分地观测到湍流过程中所蕴含的所有物理规律，不能找出湍流混合发生变异规律。当前大部分的小尺度湍流观测，多局限于单点单次的剖面观测，类似盲人摸象，不能形成有效的样本，不能发现真正的规律；其次，目前的科学调查船不具备自动同时下放湍流观测设备和温盐深/流观测设备的能力，而湍流与温盐深/流分开观测极为消耗人力，不可持续，不仅使得观测时间不同步，而且极大降低了时间连续性；也就是说，囿于仪器设备的限制，也不能实现湍流与温盐深/流的同步观测和高频的高遍历性采样，妨碍了对湍流生成和变异机理的研究。最后，当前的观测多是单船观测，或相距较远的潜标持续观测，两者都不能实现在亚中尺度及中尺度内的协同观测和高垂向分辨率观测，阻碍了多种尺度过程对湍流影响的研究。
7、cn115290056b公开了一种移动式液压升降海洋湍流观测基座，包括湍流仪绞车、可移动底座、液压托举装置以及通用式船舷安装装置。该移动式液压升降海洋湍流观测基座利用可移动底座运载湍流仪绞车、液压托举装置以及通用式船舷安装装置同步移动，湍流观测仪在观测船甲板上实现自由推动，以适应不同海况下在调查船上选择合适的观测位置安装固定；利用液压托举装置举起湍流仪绞车卡靠在船舷上安装固定，以适应不同高度的船舷，增强通用性；利用通用式船舷安装装置可以匹配不同结构的船舷，并且无需对船舶甲板和船舷进行打孔或焊接安装，减少湍流仪绞车安装作业周期，大幅提高海上观测作业的效率。
8、然而，湍流观测仪在观测时，需要保持自由状态，否则会影响湍流观测仪的观测准确度，上述现有技术采用湍流仪绞车进行湍流观测仪的下放，如果不对缆绳进行控制，湍流仪绞车产生向上牵引力会影响湍流观测仪的观测准确度。
9、另外，随着科学技术的发展，对无人船的应用研究越来越广泛，路径规划技术和自主导航技术是有关无人船研究的关键问题，也是无人船人工智能研究的重要内容，在一定程度上标志着无人船智能水平的高低。无人船需要在复杂的海洋环境中自主航行和作业，因此无人船对操纵性、控制性能和可靠性均提出了更为苛刻的要求。为了保证无人船安全、可靠、自主地完成各种复杂任务，这就需要研究更加先进的航控系统等技术。
10、目前用于无人船导航的参考数据仅仅是gps定位信息，对于航线上的动态障碍物，例如周围其他船只的信息无法接入，对于无人船航行时遇到的岸线、岛屿等静态障碍物，难以有效规避，这些都严重影响着无人船的航行安全。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的不足，提供了双模态海洋无人智能科考船，通过搭载集成式湍流观测系统，解决了小尺度湍流观测频率不足或时间分辨率低的问题，满足长期持续观测需求，以及湍流与温盐深/流的同步观测，且保证集成式湍流观测系统的观测准确度，并且实现了无人船的航行智能控制，确保在深海大洋多种海况条件下的长期自主安全稳定运行。
2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，双模态海洋无人智能科考船，包括无人船本体，所述无人船本体自艏向艉依次设置有艏尖舱、仪器设备舱、月池舱、后电池舱、机舱、艉舱，在仪器设备舱下方设有前电池舱，在前电池舱两侧设有燃油箱舱，
3、还包括任务作业总成和智能航控系统；以及用于下达指令至智能航控系统，并实时接收双模态半潜无人船的监测数据并进行显示及干预的母船/岸基遥控监测平台；
4、所述任务作业总成包括：
5、在月池舱两侧设置的通过控制压载，使无人船本体进行水面和半潜双模态切换的前压载舱，在两前压载舱内分别设有一具有正反转功能的且用于将两前压载舱注满海水或排空的压载水泵，以及用于检测两前压载舱内液位的液位传感器，在月池舱内设有集成式湍流观测系统，在机舱内设有2台船用柴油发动机，2台船用齿轮箱，在2台船用柴油发动机后方设有两具有动力定位功能的喷泵，在机舱上方设有用于将集成式湍流观测系统升降的升降机构，在月池舱底部设有允许集成式湍流观测系统通行的通行口，在集成式湍流观测系统底部两侧设有用于启闭通行口的自动开合式盖板，还包括控制器；
6、所述智能航控系统包括：
7、通信模块：实时传输母船/岸基遥控监测平台下达至半潜无人船的指令，以及双模态半潜无人船至母船/岸基遥控监测模块的数据反馈；
8、船载控制模块：接收、存储并传输母船/岸基遥控监测平台下达的指令，并通过通信模块实时向母船/岸基监测平台发送无人船航行时的基本数据信息及视频图像信息；
9、内部状态感知模块：实时采集双模态半潜无人船航行状态下的基本数据信息；
10、外部环境感知模块：通过远域传感器实时采集双模态半潜无人船航行状态下的环境数据信息并融合；
11、智能导航模块：接收船载控制模块传输的指令，并根据下达的指令，生成导航系统；
12、航行控制模块：执行船载控制模块的指令，并实时获取内部状态感知模块数据信息、外部环境感知模块数据信息、智能导航模块数据信息以及任务作业总成数据信息，并根据上述数据信息对双模态半潜无人船进行实时调控，并将上述数据信息发送至船载控制模块。
13、上述的双模态海洋无人智能科考船，所述集成式湍流观测系统包括仪器舱和探头舱，在仪器舱上部设有浮台，在仪器舱底部设有支架，在仪器舱内设有固定板，在固定板上设有微型电池仓，以及湍流剖面观测仪，在仪器舱的外壁上通过定位块垂直设有温盐深仪，在仪器舱底部设有一连接件，在连接件上对应设有下放式声学多普勒海流剖面仪及电池仓，在浮台下方对应设有减速翅膀。
14、上述的双模态海洋无人智能科考船，所述升降机构包括设于机舱上方的绞车座，设于绞车座上的绞车本体，缆绳以及两对应设置的导辊，还包括设于月池舱外部的第一座板，在第一座板下方设有第一滑轮及第一滑轮架，在第一滑轮架上设有与第一滑轮架转动连接的导杆，在导杆上设有导轮，在月池舱的内壁上设有第二座板，在第二座板上设有第二滑轮及第二滑轮架，在月池舱的舱壁上设有允许缆绳通行的导管，在微型电池仓上方设有吊板，在吊板上设有吊孔。
15、上述的双模态海洋无人智能科考船，还包括用于与升降机构配合，使集成式湍流观测系统观测时保持自由状态的检测系统，所述检测系统包括在月池舱内部的正上方设置的高清相机，在月池舱内壁上设置的紫外照明灯，在缆绳上涂覆的荧光涂层，以及放缆控制模块，所述放缆控制模块包括缆绳释放余量计算模块、升降机构控制模块以及放缆完成模块；
16、所述缆绳释放余量计算模块：对高清相机实时采集到的图像数据进行逐帧分析，并计算当前的释放余量；
17、升降机构控制模块: 根据缆绳释放余量控制电机速度来进行放缆操作；
18、放缆完成模块：循环进行缆绳释放余量计算模块和升降机构控制模块，直至放缆操作完成；
19、所述放缆控制模块的工作步骤为：
20、s1:
21、（1）、 对图像进行预处理，去除噪点 ；
22、（2）、 根据图像中缆绳独特的亮度特征，对处理后的图像进行区域分割，然后对每个子区域进行亮度特征比对，标记出符合缆绳亮度特征的像素点，将所有存在符合缆绳亮度特征像素点的子区域进行拼接即可得到缆绳的位置；
23、（3）、从图像边缘找到缆绳的起始位置，然后沿着缆绳的轨迹进行分段处理；
24、（4）、针对每一段的缆绳，拟合出匹配度最高的圆形并得到对应的圆心；
25、（5）、通过该段缆绳的起始点以及圆心点的位置，计算出对应的弧长作为该段缆绳的长度；
26、（6）、将全部分段缆绳的长度相加得到当前图像中缆绳的长度；
27、（7）、根据预设的缆绳最大释放长度阈值以及当前图像中的缆绳长度计算出当前的释放余量，
28、释放余量=释放长度阈值-当前图像中缆绳长度；
29、s2:根据缆绳释放余量控制绞车本体速度来进行放缆操作；
30、s3:循环进行s1和s2，直至放缆操作完成。
31、上述的双模态海洋无人智能科考船，在浮台上环形阵列有无线充电发射线圈，在无线充电发射线圈下方环形阵列有无线充电接收线圈装置，所述无线充电接收线圈装置包括第一圆座，在第一圆座内设有防水灌胶层，在防水灌胶层上方设有第二圆座，在第二圆座内设有耐压灌胶层，在耐压灌胶层上方设有无线充电接收线圈，还包括独立充电控制器。
32、上述的双模态海洋无人智能科考船，所述智能导航模块还包括由障碍物判断模块和避障决策模块组成的路径规划模块：接收外部环境感知模块数据信息，并根据外部环境感知模块数据信息，进行路径规划，生成航迹，进行导航；
33、障碍物判断模块：根据外部环境感知模块数据信息进行障碍物预测，对于具有不确定数据信息的障碍物，首先根据障碍物位置的预测数据对障碍物做进一步的膨化，从而将障碍物位置的不确定性数据转化为具体的数据，判断障碍物为静态障碍物或动态障碍物；
34、避障决策模块：对于动态障碍物，改变速度大小，不改变原有的轨迹进行避障；对于静态障碍物，判断与障碍物的航向角度差，判断采用何种海事规则，然后根据海事规则的内容进行速度方向的改变，从而改变路径避障，当改变路径避障之后，回到原来的路径上。
35、上述的双模态海洋无人智能科考船，所述智能导航模块还包括路径追踪模块：通过卫星导航和惯性导航，实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送信号至航行控制模块，调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变。
36、上述的双模态海洋无人智能科考船，所述智能导航模块还包括回航模块：通信中断时，智能导航模块生成回航航迹，航行控制模块根据回航航迹控制回航。
37、上述的双模态海洋无人智能科考船，所述基本数据信息包括航速、航向、艏向、位置、姿态、电池电量、剩余油量、发动机转速、舵角；所述环境数据信息包括惯导信息、雷达信息、激光信息、视觉信息、ais信息和海图信息。
38、上述的半双模态海洋无人智能科考船，在机舱两侧设有向后方延伸的用于辅助船舶自扶正的后压载舱，还包括两用于调节后压载舱内水量的调节水泵。
39、本发明双模态海洋无人智能科考船的有益效果是，通过在无人船上集成湍流剖面仪/温盐深仪/下放式声学多普勒海流剖面仪（vmp/ctd/ladcp）等多位一体观测系统，并通过升降机构控制升降，下放一次便可完成湍流/温盐深/流（vmp/ctd/ladcp）三位一体的同步观测，下放至目标深度后可快速回收，然后迅速开始第二次释放，循环往复。据测算，其可实现一小时5–8次的高频观测，是人工观测速度的10倍，从而很好地解决小尺度湍流观测频率不足或时间分辨率低的问题。利用我国自主卫星通信、导航以及自主控制和环境感知等新技术，实现对海洋动力环境的一体化长期定点连续观测，实现大样本量湍流等海洋动力环境数据的获取，揭示海洋小尺度湍流机理，期以实现湍流理论突破，并阐明其气候效应，提高海洋-大气数值模拟精度，推动重大成果产出。
40、船体与集成式湍流观测系统采用共形一体化设计，采取嵌入式安装，不仅保证了船体结构的完整性以及水密性，而且改善耐波性与稳定性，减小了航行时的阻力，保证了推进效率。船体采用了中“v”船型设计，减小了波浪中高速航行阻力，提高了耐波性。
41、通过设置前压载舱、压载水泵、液位传感器、控制器，以及在机舱内设置2台船用柴油发动机，2台船用齿轮箱，在2台船用柴油发动机后方设有两具有动力定位功能的喷泵，实现水面高速航行状态和半潜低速航行状态，便于对台风、涡旋的快速跟踪、多点、高频的测量，实现一艘船相当于多艘船的同步检测。
42、在半潜航行时，船体处于水面以下，只有船体的部分附体处于水面之上。可大幅减弱水面风浪干扰，大大提高安全性和稳定性。在机舱两侧设有向后方延伸的用于辅助船舶自扶正的后压载舱，还包括两用于调节后压载舱内水量的调节水泵，加大船体底部的触水面积，起到减摇鳍的作用。改善半潜状态恒稳性，从而为湍流观测设备的精确测量提供一个稳定的环境。在双模态下都具有自扶正能力，成为海上“不倒翁”，满足3级海况下正常作业和4级海况下安全航行。根据双模态作业需求，兼顾船体重量、航速及续航力性能，双模态转换顺畅、耗时少。
43、半潜式海洋智能观测无人船可与“科学”号母船可组成编队，开展同步协同观测，既可实现双方都固定位置的协同观测，也可实现同步移动位置的协同观测，且其相互位置和距离可据海洋现场情况灵活设定，从而很好地解决观测空间分辨率低的问题。
1.双模态海洋无人智能科考船，其特征在于：包括无人船本体，所述无人船本体自艏向艉依次设置有艏尖舱、仪器设备舱、月池舱、后电池舱、机舱、艉舱，在仪器设备舱下方设有前电池舱，在前电池舱两侧设有燃油箱舱，
2.根据权利要求1所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，所述集成式湍流观测系统包括仪器舱和探头舱，在仪器舱上部设有浮台，在仪器舱底部设有支架，在仪器舱内设有固定板，在固定板上设有微型电池仓，以及湍流剖面观测仪，在仪器舱的外壁上通过定位块垂直设有温盐深仪，在仪器舱底部设有一连接件，在连接件上对应设有下放式声学多普勒海流剖面仪及电池仓，在浮台下方对应设有减速翅膀。
3.根据权利要求2所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，所述升降机构包括设于机舱上方的绞车座，设于绞车座上的绞车本体，缆绳以及两对应设置的导辊，还包括设于月池舱外部的第一座板，在第一座板下方设有第一滑轮及第一滑轮架，在第一滑轮架上设有与第一滑轮架转动连接的导杆，在导杆上设有导轮，在月池舱的内壁上设有第二座板，在第二座板上设有第二滑轮及第二滑轮架，在月池舱的舱壁上设有允许缆绳通行的导管，在微型电池仓上方设有吊板，在吊板上设有吊孔。
4.根据权利要求3所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，还包括用于与升降机构配合，使集成式湍流观测系统观测时保持自由状态的检测系统，所述检测系统包括在月池舱内部的正上方设置的高清相机，在月池舱内壁上设置的紫外照明灯，在缆绳上涂覆的荧光涂层，以及放缆控制模块，所述放缆控制模块包括缆绳释放余量计算模块、升降机构控制模块以及放缆完成模块；
5.根据权利要求4所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，在浮台上环形阵列有无线充电发射线圈，在无线充电发射线圈下方环形阵列有无线充电接收线圈装置，所述无线充电接收线圈装置包括第一圆座，在第一圆座内设有防水灌胶层，在防水灌胶层上方设有第二圆座，在第二圆座内设有耐压灌胶层，在耐压灌胶层上方设有无线充电接收线圈，还包括独立充电控制器。
6.根据权利要求5所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，所述智能导航模块还包括由障碍物判断模块和避障决策模块组成的路径规划模块：接收外部环境感知模块数据信息，并根据外部环境感知模块数据信息，进行路径规划，生成航迹，进行导航；
7.根据权利要求6所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，所述智能导航模块还包括路径追踪模块：通过卫星导航和惯性导航，实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送信号至航行控制模块，调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变。
8.根据权利要求7所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，所述智能导航模块还包括回航模块：通信中断时，智能导航模块生成回航航迹，航行控制模块根据回航航迹控制回航。
9.根据权利要求8所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，所述基本数据信息包括航速、航向、艏向、位置、姿态、电池电量、剩余油量、发动机转速、舵角；所述环境数据信息包括惯导信息、雷达信息、激光信息、视觉信息、ais信息和海图信息。
10.根据权利要求9所述的双模态海洋无人智能科考船，其特征是，在机舱两侧设有向后方延伸的用于辅助船舶自扶正的后压载舱，还包括两用于调节后压载舱内水量的调节水泵。
