CN103926934B - 一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声纳检测领域，具体涉及一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置及其检测方法。该装置包括引导系统、接收系统和控制系统，引导系统安装在水下工作平台的对接群口周围，接收系统安装在水下机器人的尾部底端，用于接收引导系统发出的引导信号，控制系统均安装在水下机器人的干舱中，接收系统通过电缆与控制系统连接；控制系统包括滤波放大电路、采样电路和控制模块。本发明实时检测水下机器人与水下工作平台的相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的角度控制水下机器人的航行方向和倾斜角度，使对接精确度提高了50%以上。

Description

一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及声纳检测领域，具体涉及一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置及其检测方法。

背景技术

随着海洋开发技术的快速发展，人类的脚步已从浅水层的活动迈向深海甚至海底。目前大量的工程实施或者科学研究都需要建立水下工作平台，此时水下机器人便成为了水下的一种重要交通工具，水下机器人水下导航以及与水下平台的对接成为重要的技术基础。另外，对于失事水下机器人的救援，同样需要引导与对接技术。电磁波由于波长较短无法实现在海水中的远距离传输，因为无法采用无线电雷达定位或者视觉引导来完成水下机器人的引导任务，而只能借助传播特性较好的声波信号。因此，水下导航与对接引导技术对于海洋开发十分重要。

发明内容

本发明为了解决水下机器人与水下工作平台对接时由于电磁波的波长较短，无法实现在海水中的远距离传输，导致对接工作无法完成的问题，提出了一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置，本发明的目的还在于提供一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置包括引导系统、接收系统和控制系统，所述引导系统安装在水下工作平台的对接群口周围，接收系统安装在水下机器人的尾部底端，用于接收引导系统发出的引导信号，控制系统均安装在水下机器人的干舱中，接收系统通过电缆与控制系统连接。

引导系统包括3个引导信号发射系统，所述引导信号发射系统包括发射换能器、引导信号生成系统、电池组和外壳，引导信号生成系统和电池组均被密封在外壳的内部，电池组用于提供引导信号生成系统的工作电源，发射换能器固定在外壳的上表面，发射换能器用于向水中发射引导声信号，引导信号生成系统包括功放电路、引导电信号生成电路和时钟电路，时钟电路的时钟信号输出端与引导电信号生成电路的时钟信号输入端连接，引导电信号生成电路的引导电信号输出端与功放电路的引导电信号输入端连接，功放电路的引导电信号输出端与发射换能器的电信号输入端连接。

接收系统包括4个接收换能器、圆桶形水密外壳和前置放大器，4个接收换能器均匀分布在圆桶形水密外壳的外侧底部，接收换能器用于接收发射换能器发射的引导声信号，前置放大器固定在圆桶形水密外壳的侧面上，接收换能器的电信号输出端与前置放大器的电信号输入端连接，前置放大器的电信号输出端与控制系统的电信号输入端连接。

控制系统包括滤波放大电路、采样电路和控制模块，滤波放大电路的电信号输入端通过电缆与前置放大器的电信号输出端连接，滤波放大电路的滤波放大信号输出端与采样电路的采样信号输入端连接，采样电路的采样信号输出端与控制模块的采样信号输入端连接，控制模块包括接收水下机器人航行方向的端口，接收水下机器人航行姿态的端口，接收声速的端口和接收水下压力的端口。

所述控制模块中包括嵌入由软件实现的检测模块，所述检测模块包括：

用于接收采样电路发送的采样信号的采样信号接收模块，

用于判断采样信号是否存在引导声信号的信号判断模块，是，则继续进行检测过程，否，则继续对采样信号是否存在引导声信号进行判断，

用于估算引导声信号传播时延的时延估计模块，

用于接收水下机器人航行方向的方向信号接收模块，

用于接收水下机器人航行姿态的姿态信号接收模块，

用于接收声速的声速信号接收模块，

用于接收水下压力的水下压力信号接收模块，

用于根据水下机器人航行方向、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人与水下工作平台相对坐标的相对坐标计算模块，

用于根据水下机器人航行姿态、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的相对角度计算模块，

用于向水下机器人信息处理控制系统发送水下机器人与水下工作平台相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的数据发送模块。

用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测方法，它是由下述装置实现的，所述装置包括引导系统、接收系统和控制系统，所述引导系统安装在水下工作平台的对接群口周围，接收系统安装在水下机器人的尾部底端，用于接收引导系统发出的引导信号，控制系统安装在水下机器人的干舱中，接收系统通过电缆与控制系统连接，控制系统包括滤波放大电路、采样电路和控制模块，滤波放大电路的电信号输入端通过电缆与前置放大器的电信号输出端连接，滤波放大电路的滤波放大信号输出端与采样电路的采样信号输入端连接，采样电路的采样信号输出端与控制模块的采样信号输入端连接，控制模块包括接收水下机器人航行方向的端口，接收水下机器人航行姿态的端口，接收声速的端口和接收水下压力的端口，其特征在于，所述检测方法是由嵌入在控制模块内部的检测模块实现的，它包括以下步骤：

用于接收采样信号的采样信号接收步骤，

用于判断采样信号是否存在引导声信号的信号判断步骤，是，则继续进行检测过程，否，则继续对采样信号是否存在引导声信号进行判断，

用于估算引导声信号传播时延的时延估计步骤，

用于接收水下机器人航行方向的方向信号接收步骤，

用于接收水下机器人航行姿态的姿态信号接收步骤，

用于接收声速的声速信号接收步骤，

用于接收水下压力的水下压力信号接收步骤，

用于根据水下机器人航行方向、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人与水下工作平台相对坐标的相对坐标计算步骤，

用于根据水下机器人航行姿态、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的相对角度计算步骤，

用于向水下机器人信息处理控制系统发送水下机器人与水下工作平台相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的数据发送步骤。

本发明的有益效果在于：本发明通过引导信号发射系统的发射换能器将电信号转换为声信号，声信号在海水中能够实现远距离传播，使处于较远距离的水下机器人也能够接收到发出的声信号，水下机器人将声信号再转换为电信号，对电信号进行采样并分析处理，同时实时检测水下机器人与水下工作平台的相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的角度控制水下机器人的航行方向和倾斜角度，使对接精确度提高了50%以上。

附图说明

图1为实施例一所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置的安装示意图；

图2为实施例四所述的接收系统的结构示意图；

图3为实施例二所述的引导系统的结构示意图；

图4为实施例五所述的控制系统的结构示意图；

图5为实施例七所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例一：结合图1说明本实施例，本实施例所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置包括引导系统3、接收系统2和控制系统1，所述引导系统3安装在水下工作平台的对接群口周围，接收系统2安装在水下机器人的尾部底端，用于接收引导系统3发出的引导信号，控制系统1均安装在水下机器人的干舱中，接收系统2通过电缆与控制系统1连接。

实施例二：结合图3说明本实施例，本实施例与实施例一所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置的区别在于，引导系统3包括3个引导信号发射系统，所述引导信号发射系统包括发射换能器7、引导信号生成系统8、电池组9和外壳，引导信号生成系统8和电池组9均被密封在外壳的内部，电池组9用于提供引导信号生成系统8的工作电源，发射换能器7固定在外壳的上表面，发射换能器7用于向水中发射引导声信号，引导信号生成系统8包括功放电路10、引导电信号生成电路11和时钟电路12，时钟电路12的时钟信号输出端与引导电信号生成电路11的时钟信号输入端连接，引导电信号生成电路11的引导电信号输出端与功放电路10的引导电信号输入端连接，功放电路10的引导电信号输出端与发射换能器7的电信号输入端连接。

实施例三：本实施例与实施例二所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置的区别在于，所述3个引导信号发射系统按照等腰直角三角形的阵型固定在水下工作平台的对接群口周围。

实施例四：结合图2说明本实施例，本实施例与实施例一或二所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置的区别在于，接收系统2包括4个接收换能器6、圆桶形水密外壳4和前置放大器5，4个接收换能器6均匀分布在圆桶形水密外壳4的外侧底部，接收换能器6用于接收发射换能器7发射的引导声信号，前置放大器5固定在圆桶形水密外壳4的侧面上，接收换能器6的电信号输出端与前置放大器5的电信号输入端连接，前置放大器5的电信号输出端与控制系统1的电信号输入端连接。

实施例五：结合图4说明本实施例，本实施例与实施例四所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置的区别在于，控制系统1包括滤波放大电路13、采样电路14和控制模块15，滤波放大电路13的电信号输入端通过电缆与前置放大器5的电信号输出端连接，滤波放大电路13的滤波放大信号输出端与采样电路14的采样信号输入端连接，采样电路14的采样信号输出端与控制模块15的采样信号输入端连接，控制模块15包括接收水下机器人航行方向的端口，接收水下机器人航行姿态的端口，接收声速的端口和接收水下压力的端口。

实施例六：本实施例与实施例五所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置的区别在于，所述控制模块15中包括嵌入由软件实现的检测模块，所述检测模块包括：

用于接收采样电路14发送的采样信号的采样信号接收模块，

用于判断采样信号是否存在引导声信号的信号判断模块，是，则继续进行检测过程，否，则继续对采样信号是否存在引导声信号进行判断，

用于估算引导声信号传播时延的时延估计模块，

用于接收水下机器人航行方向的方向信号接收模块，

用于接收水下机器人航行姿态的姿态信号接收模块，

用于接收声速的声速信号接收模块，

用于接收水下压力的水下压力信号接收模块，

用于根据水下机器人航行方向、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人与水下工作平台相对坐标的相对坐标计算模块，

用于根据水下机器人航行姿态、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的相对角度计算模块，

用于向水下机器人信息处理控制系统发送水下机器人与水下工作平台相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的数据发送模块。

本实施方式中，控制模块通过对引导电信号进行分析得到水下机器人与水下工作平台的相对坐标和相对角度，将相对坐标和相对角度发送至水下机器人的信息处理控制系统，为水下机器人的航行方向和姿态控制提供了数据参数支持。

实施例七：本实施例所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测方法，它是由下述装置实现的，所述装置包括引导系统3、接收系统2和控制系统1，所述引导系统3安装在水下工作平台的对接群口周围，接收系统2安装在水下机器人的尾部底端，用于接收引导系统3发出的引导信号，控制系统1安装在水下机器人的干舱中，接收系统2通过电缆与控制系统1连接，控制系统1包括滤波放大电路13、采样电路14和控制模块15，滤波放大电路13的电信号输入端通过电缆与前置放大器5的电信号输出端连接，滤波放大电路13的滤波放大信号输出端与采样电路14的采样信号输入端连接，采样电路14的采样信号输出端与控制模块15的采样信号输入端连接，控制模块15包括接收水下机器人航行方向的端口，接收水下机器人航行姿态的端口，接收声速的端口和接收水下压力的端口，其特征在于，所述检测方法是由嵌入在控制模块内部的检测模块实现的，它包括以下步骤：

用于接收采样信号的采样信号接收步骤，

用于判断采样信号是否存在引导声信号的信号判断步骤，是，则继续进行检测过程，否，则继续对采样信号是否存在引导声信号进行判断，

用于估算引导声信号传播时延的时延估计步骤，

用于接收水下机器人航行方向的方向信号接收步骤，

用于接收水下机器人航行姿态的姿态信号接收步骤，

用于接收声速的声速信号接收步骤，

用于接收水下压力的水下压力信号接收步骤，

用于根据水下机器人航行方向、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人与水下工作平台相对坐标的相对坐标计算步骤，

用于根据水下机器人航行姿态、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的相对角度计算步骤，

用于向水下机器人信息处理控制系统发送水下机器人与水下工作平台相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的数据发送步骤。

实施例八：结合图3说明本实施例，本实施例与实施例七所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测方法的区别在于，引导系统3包括3个引导信号发射系统，所述引导信号发射系统包括发射换能器7、引导信号生成系统8、电池组9和外壳，引导信号生成系统8和电池组9均被密封在外壳的内部，电池组9用于提供引导信号生成系统8的工作电源，发射换能器7固定在外壳的上表面，发射换能器7用于向水中发射引导声信号，引导信号生成系统8包括功放电路10、引导电信号生成电路11和时钟电路12，时钟电路12的时钟信号输出端与引导电信号生成电路11的时钟信号输入端连接，引导电信号生成电路11的引导电信号输出端与功放电路10的引导电信号输入端连接，功放电路10的引导电信号输出端与发射换能器7的电信号输入端连接。

结合图2说明本实施例，本实施例与实施例八所述的用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测方法的区别在于，接收系统2包括4个接收换能器6、圆桶形水密外壳4和前置放大器5，4个接收换能器6均匀分布在圆桶形水密外壳4的外侧底部，接收换能器6用于接收发射换能器7发射的引导声信号，前置放大器5固定在圆桶形水密外壳4的侧面上，接收换能器6的电信号输出端与前置放大器5的电信号输入端连接，前置放大器5的电信号输出端与控制系统1的电信号输入端连接。

Claims (2)

1.一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置，包括引导系统(3)、接收系统(2)和控制系统(1)，所述引导系统(3)安装在水下工作平台的对接群口周围，接收系统(2)安装在水下机器人的尾部底端，用于接收引导系统(3)发出的引导信号，控制系统(1)均安装在水下机器人的干舱中，接收系统(2)通过电缆与控制系统(1)连接；

引导系统(3)包括3个引导信号发射系统，所述引导信号发射系统包括发射换能器(7)、引导信号生成系统(8)、电池组(9)和外壳，引导信号生成系统(8)和电池组(9)均被密封在外壳的内部，电池组(9)用于提供引导信号生成系统(8)的工作电源，发射换能器(7)固定在外壳的上表面，发射换能器(7)用于向水中发射引导声信号，引导信号生成系统(8)包括功放电路(10)、引导电信号生成电路(11)和时钟电路(12)，时钟电路(12)的时钟信号输出端与引导电信号生成电路(11)的时钟信号输入端连接，引导电信号生成电路(11)的引导电信号输出端与功放电路(10)的引导电信号输入端连接，功放电路(10)的引导电信号输出端与发射换能器(7)的电信号输入端连接；

所述3个引导信号发射系统按照等腰直角三角形的阵型固定在水下工作平台的对接群口周围；

接收系统(2)包括4个接收换能器(6)、圆桶形水密外壳(4)和前置放大器(5)，4个接收换能器(6)均匀分布在圆桶形水密外壳(4)的外侧底部，接收换能器(6)用于接收发射换能器(7)发射的引导声信号，前置放大器(5)固定在圆桶形水密外壳(4)的侧面上，接收换能器(6)的电信号输出端与前置放大器(5)的电信号输入端连接，前置放大器(5)的电信号输出端与控制系统(1)的电信号输入端连接；

控制系统(1)包括滤波放大电路(13)、采样电路(14)和控制模块(15)，滤波放大电路(13)的电信号输入端通过电缆与前置放大器(5)的电信号输出端连接，滤波放大电路(13)的滤波放大信号输出端与采样电路(14)的采样信号输入端连接，采样电路(14)的采样信号输出端与控制模块(15)的采样信号输入端连接，控制模块(15)包括接收水下机器人航行方向的端口，接收水下机器人航行姿态的端口，接收声速的端口和接收水下压力的端口；

其特征在于：所述控制模块(15)中包括嵌入检测模块，所述检测模块包括：

用于接收采样电路(14)发送的采样信号的采样信号接收模块，

用于判断采样信号是否存在引导声信号的信号判断模块，是，则继续进行检测过程，否，则继续对采样信号是否存在引导声信号进行判断，

用于估算引导声信号传播时延的时延估计模块，

用于接收水下机器人航行方向的方向信号接收模块，

用于接收水下机器人航行姿态的姿态信号接收模块，

用于接收声速的声速信号接收模块，

用于接收水下压力的水下压力信号接收模块，

用于根据水下机器人航行方向、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人与水下工作平台相对坐标的相对坐标计算模块，

用于根据水下机器人航行姿态、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的相对角度计算模块，

用于向水下机器人信息处理控制系统发送水下机器人与水下工作平台相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的数据发送模块。

2.一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测方法，由引导系统(3)、接收系统(2)和控制系统(1)实现，其特征在于，包括以下步骤：

用于接收采样信号的采样信号接收步骤，

用于判断采样信号是否存在引导声信号的信号判断步骤，是，则继续进行检测过程，否，则继续对采样信号是否存在引导声信号进行判断，

用于估算引导声信号传播时延的时延估计步骤，

用于接收水下机器人航行方向的方向信号接收步骤，

用于接收水下机器人航行姿态的姿态信号接收步骤，

用于接收声速的声速信号接收步骤，

用于接收水下压力的水下压力信号接收步骤，

用于根据水下机器人航行方向、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人与水下工作平台相对坐标的相对坐标计算步骤，

用于根据水下机器人航行姿态、声速、水下压力和接收到的引导声信号计算水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的相对角度计算步骤，

用于向水下机器人信息处理控制系统发送水下机器人与水下工作平台相对坐标和水下机器人底面与水下工作平台的对接群口平面的相对角度的数据发送步骤。