CN106997057A - 用于水下探测器的定位系统及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水下探测器的定位系统及其定位方法，该系统包括位于在水下的水下探测器及超声波发生器和位于水面上的三个接收换能器及自动收放线轮浮标；超声波发生器安装在水下探测器的表面上，且水下探测器通过数据线缆连接到自动收放线轮浮标上，自动收放线轮浮标内置有GPS定位器和中央处理器，超声波发生器发出的超声波信号在水中直接进行传播；三个接收换能器呈三角结构固定在自动收放线轮浮标外，所述三个接收换能器分别接收超声波发生器发出的超声波信号，且三个接收换能器均与中央处理器连接。本发明位于水下的水下探测器只需发射超声波，水面上的接收换能器只需接收超声波即可，不用两端双向收发。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种用于水下探测器的定位系统及其定位方法。
背景技术
由于GPS信号属于短波信号，短波无线信号在水中衰减极快，因此无法通过水下设备自带的GPS模块进行水下定位。但对于带有动力推进装置的水下探测器而言，其所在的位置并非位于释放设备所对应的水面正下方位置，因此设备在水下的位置信息对于水面以上的工作人员来说是非常重要的。
超声波是指频率在20000Hz以上，不能引起正常人听觉反应的机械振动波，将超声波作用于水下能够极大提高传播距离且不会产生明显衰减。水下探测器发射超声波，利用超声波的反射原理可以准确知道水下设备与超声波接收换能器之间的距离。
虽然利用超声波能够测量水下探测器的距离，但是对于岸上的人依然需要知道水下探测器的具体位置坐标，因此，除了使用超声波测距定位以外，还需要借助水面上漂浮的GPS定位模块进行物理坐标采集。
目前市面上主要采用以下两种方式：
第一种：采用水面GPS物理定位和水下超声波定位两者相结合的方式。位于水面的接收换能器内置GPS模块，可以通过卫星定位确定自身所在水面的物理位置信息。同时，接收换能器自带超声波收发器，每个接收换能器均能够通过超声波测量自身与水下探测器之间的距离，进行水下位置的确定。这样，水下探测器就可以通过超声波+GPS系统进行水下坐标定位了。这种方式存在以下缺陷：
1.按照传统方式，接收换能器需要放置于水面或者安装于大型水面船只下方，对于普通水下探索太过复杂。
2.水面接收换能器自由放置于水面会随水流逐渐偏离较远的位置，不易回收。
3.这个定位系统中，利用超声波测距需要水下探测器和接收换能器双向接收并发射超声波，系统通过于复杂。
4.多个接收换能器要保持在水下探测器合适的范围内，就需要动力随水下探测器移动，驱动方式设计复杂。如果固定在大型水面船只下方，则需要船只在水面随水下探测器移动，对普通水下探测而言大型船只使用成本过高。
第二种是采用水下探测器自身所携带的陀螺仪，根据陀螺仪的姿态，速度和加速度值，计算出水下探测器的位移，跟初始位置比较，可以推算出此时所在的位置坐标。这种存在以下缺陷：
1.定位误差随时间而增大，长期精度差。
2.每次使用之前需要较长的初始对准时间。
3.设备价格较昂贵。
发明内容
针对上述中存在的不足之处，本发明提供一种用于水下探测器的定位系统及其定位方法，位于水下的水下探测器只需发射超声波，水面上的接收换能器只需接收超声波即可，不用两端双向收发。
为实现上述目的，本发明提供一种用于水下探测器的定位系统，包括位于在水下的水下探测器及对外发出固定频率的超声波的超声波发生器和位于水面上的三个接收换能器及自动收放线轮浮标；
所述超声波发生器安装在水下探测器的表面上，且水下探测器通过数据线缆连接到自动收放线轮浮标上，所述自动收放线轮浮标内置有GPS定位器和中央处理器，所述超声波发生器发出的超声波信号在水中直接进行传播，且所述超声波发生器发出的时钟信号通过数据线缆向上传输；
所述三个接收换能器呈三角结构固定在自动收放线轮浮标外，所述三个接收换能器分别接收超声波发生器发出的超声波信号，且三个接收换能器均与中央处理器连接；由三个接收换能器各自接收超声波信号，且将接收到的超声波信号传至位于中央的自动收放线轮浮标的中央处理器，并由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置，并结合GPS定位器的定位确定水下探测器的物理坐标。
其中，每个接收换能器均通过三根安装固定件连接至自动收放线轮浮标上，且每相邻两个接收换能器共用一根安装固定件。
其中，每根安装固定件均由塑料材质制成塑料桶的结构，不需使用时卷成卷状结构存放；需要使用时，通过充气方式将该塑料桶充满气体后饱胀舒展成为一个中空的直桶。
其中，所述自动收放线轮浮标包括浮标壳体、浮标绕线轮、绕线电机和绕线轴，每根安装固定件的一端固定在对应的接收换能器上，每根安装固定件的另一端均固定在浮标壳体的边缘处；所述浮标壳体的上方固定有两个挡板，所述绕线轴安装在两个挡板之间且与绕线电机驱动连接；所述数据线缆的一端绕在浮标绕线轮上再缠绕在绕线轴后另一端延伸进水下，数据线缆的长度可进行自由收放线调节。
其中，所述自动收放线轮浮标还包括用于判断是否自动收放线的传感器，所述传感器与中央处理器的输入端连接，且所述中央处理器的输出端与绕线电机连接。
其中，所述自动收放线轮浮标还包括电源，所述电源与绕线电机连接。
其中，所述水下探测器的侧边安装有多个用于推进水下探测器的推进器。
为实现上述目的，本发明还提供一种用于水下探测器的定位系统的定位方法该定位方法为：水下探测器在移动过程中，搭载在水下探测器的表面上的超声波发生器会对外发出固有频率的超声波信号；超声波信号在水中直接进行传播，并由三个接收换能器进行接收，三个接收换能器各自独立编号，各自在接收到水下超声波后传输至收放线轮浮标的中央处理器上；由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置；并结合GPS定位器的定位确定水下探测器的物理坐标。
其中，安装固定件由塑胶材质制成塑料桶，平时储存可卷为一卷存放，节省空间，需要使用时通过充气方式将塑胶桶充满气体从而饱胀舒展成为一个中空的直桶。由于安装固定件内部有空气，故能抵御一定的弯折载荷。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的用于水下探测器的定位系统及其定位方法，该系统和方法均主要由水下探测器、超声波发生器、接收换能器和自动收放线轮浮标四个部分组成，由三个接收换能器各自接收超声波信号，且将接收到的超声波信号传至位于中央的自动收放线轮浮标的中央处理器，并由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置；上述的改进，能够通过数据线缆拖动漂浮在水面的接收换能器，使之保持在水下探测器上方附近水面，水面漂浮的自动收放线轮浮标具有自动收放线的绕线轮，可根据水下探测器的需要自动收放线缆。本发明的水下探测器只需发射超声波，水面接收换能器只需接收超声波即可，不用两端双向收发，本发明还具有定位准确、回收方便、成本低及适用范围广等特点。
附图说明
图1为本发明用于水下探测器的定位系统的结构图；
图2为安装固定件的充气状态图。
主要元件符号说明如下：
10、水下探测器 11、超声波发生器
12、接收换能器 13、自动收放线轮浮标
14、数据线缆 15、GPS定位器
16、中央处理器 17、安装固定件
18、推进器 131、浮标壳体
132、绕线电机 133、绕线轴
134、挡板。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1，本发明提供的用于水下探测器的定位系统，包括位于在水下的水下探测器10及对外发出固定频率的超声波的超声波发生器11和位于水面上的三个接收换能器12及自动收放线轮浮标13；
超声波发生器11安装在水下探测器10的表面上，且水下探测器通过数据线缆14连接到自动收放线轮浮标上，自动收放线轮浮标内置有GPS定位器15和中央处理器16，超声波发生器发出的超声波信号在水中直接进行传播，且所述超声波发生器发出的时钟信号通过数据线缆向上传输，由此得出超声波发出的时间信息；
三个接收换能器12呈三角结构固定在自动收放线轮浮标13外，三个接收换能器分别接收超声波发生器发出的超声波信号，且三个接收换能器均与中央处理器连接；由三个接收换能器各自接收超声波信号，且将接收到的超声波信号传至位于中央的自动收放线轮浮标的中央处理器，并由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置，并结合GPS定位器的定位确定水下探测器的物理坐标。
请进一步参阅图2，每个接收换能器12均通过三根安装固定件17连接至自动收放线轮浮标13上，且每相邻两个接收换能器共用一根安装固定件。每根安装固定件17均由塑料材质制成塑料桶的结构，不需使用时卷成卷状结构存放，节省空间；需要使用时，通过充气方式将该塑料桶充满气体后饱胀舒展成为一个中空的直桶。由于内部有空气，故能抵御一定的弯折载荷。
在本实施例中，自动收放线轮浮标13包括浮标绕线轮、浮标壳体131、绕线电机132和绕线轴133，每根安装固定件17的一端固定在对应的接收换能器上，每根安装固定件的另一端均固定在浮标壳体的边缘处；浮标壳体的上方固定有两个挡板134，绕线轴安装在两个挡板之间且与绕线电机驱动连接；数据线缆的一端绕在浮标绕线轮上再缠绕在绕线轴后另一端延伸进水下，数据线缆的长度可进行自由收放线调节。自动收放线轮浮标还包括用于判断是否自动收放线的传感器，传感器与中央处理器的输入端连接，且中央处理器的输出端与绕线电机连接。可根据传感器的信息自动收放数据线缆，保证水下探测器行动时不会受到太多约束。
在本实施例中，自动收放线轮浮标13还包括电源，电源与绕线电机连接。通过绕线电机的正反转实现数据线缆的收放。
在本实施例中，水下探测器的侧边安装有多个用于推进水下探测器的推进器18。利用该推进器给水下探测器提供的动力，使得浮标始终保持在水下探测器正上方附近水域，保持测量精度
为实现上述目的，本发明还提供一种用于水下。探测器的定位系统的定位方法该定位方法为：水下探测器在移动过程中，搭载在水下探测器的表面上的超声波发生器会对外发出固有频率的超声波信号；超声波信号在水中直接进行传播，并由三个接收换能器进行接收，三个接收换能器各自独立编号，各自在接收到水下超声波后传输至收放线轮浮标的中央处理器上；由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置；并结合GPS定位器的定位确定水下探测器的物理坐标。
在本实施例中，安装固定件由塑胶材质制成塑料桶。平时储存可卷为一卷存放，节省空间，需要使用时通过充气方式将塑胶桶充满气体从而饱胀舒展成为一个中空的直桶。由于安装固定件内部有空气，故能抵御一定的弯折载荷。
相较于现有技术的情况，本发明提供的用于水下探测器的定位系统及其定位方法，该系统和方法均主要由水下探测器、超声波发生器、接收换能器和自动收放线轮浮标四个部分组成，由三个接收换能器各自接收超声波信号，且将接收到的超声波信号传至位于中央的自动收放线轮浮标的中央处理器，并由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置；上述的改进，能够通过数据线缆拖动漂浮在水面的接收换能器，使之保持在水下探测器上方附近水面，水面漂浮的自动收放线轮浮标具有自动收放线的绕线轮，可根据水下探测器的需要自动收放线缆。本发明的水下探测器只需发射超声波，水面接收换能器只需接收超声波即可，不用两端双向收发，本发明还具有定位准确、回收方便、成本低及适用范围广等特点。
本发明的水下探测器通过推进器所带的动力推进，通过数据线缆与水面的自动收放线轮浮标连接，自动收放线轮浮标可通过超声波定位水下探测器的位置信息，同时在数据线缆拖拽下可以随水下探测器移动。水下探测器在水中运行，所需数据线缆的的长度可由自动收放线轮浮标进行收放线调节。该技术还具有如下优势：
1）采用充气式安装固定件，水面上的接收换能器和自动收放线轮浮标可以方便拆卸，方便携带；
2）可利用水下探测器的推进器的动力，使得自动收放线轮浮标始终保持在水下探测器正上方附近水域，保持测量精度；
3）可根据位置和传感器的信息自动收放数据线缆，保证水下探测器行动时不会受到太多约束；
4）接收换能器与绕线轮之间通过数据线缆对接，读数据取线缆传上来的水下探测器的数据；
5）采用这种方案，成本比较低廉，适合大范围推广。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于水下探测器的定位系统，其特征在于，包括位于在水下的水下探测器及对外发出固定频率的超声波的超声波发生器和位于水面上的三个接收换能器及自动收放线轮浮标；
所述超声波发生器安装在水下探测器的表面上，且水下探测器通过数据线缆连接到自动收放线轮浮标上，所述自动收放线轮浮标内置有GPS定位器和中央处理器，所述超声波发生器发出的超声波信号在水中直接进行传播，且所述超声波发生器发出的时钟信号通过数据线缆向上传输；
所述三个接收换能器呈三角结构固定在自动收放线轮浮标外，所述三个接收换能器分别接收超声波发生器发出的超声波信号，且三个接收换能器均与中央处理器连接；由三个接收换能器各自接收超声波信号，且将接收到的超声波信号传至位于中央的自动收放线轮浮标的中央处理器，并由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置，并结合GPS定位器的定位确定水下探测器的物理坐标。
2.根据权利要求1所述的用于水下探测器的定位系统，其特征在于，每个接收换能器均通过三根安装固定件连接至自动收放线轮浮标上，且每相邻两个接收换能器共用一根安装固定件。
3.根据权利要求2所述的用于水下探测器的定位系统，其特征在于，每根安装固定件均由塑料材质制成塑料桶的结构，不需使用时卷成卷状结构存放；需要使用时，通过充气方式将该塑料桶充满气体后饱胀舒展成为一个中空的直桶。
4.根据权利要求3所述的用于水下探测器的定位系统，其特征在于，所述自动收放线轮浮标包括浮标壳体、浮标绕线轮、绕线电机和绕线轴，每根安装固定件的一端固定在对应的接收换能器上，每根安装固定件的另一端均固定在浮标壳体的边缘处；所述浮标壳体的上方固定有两个挡板，所述绕线轴安装在两个挡板之间且与绕线电机驱动连接；所述数据线缆的一端绕在浮标绕线轮上再缠绕在绕线轴后另一端延伸进水下，数据线缆的长度可进行自由收放线调节。
5.根据权利要求4所述的用于水下探测器的定位系统，其特征在于，所述自动收放线轮浮标还包括用于判断是否自动收放线的传感器，所述传感器与中央处理器的输入端连接，且所述中央处理器的输出端与绕线电机连接。
6.根据权利要求5所述的用于水下探测器的定位系统，其特征在于，所述自动收放线轮浮标还包括电源，所述电源与绕线电机连接。
7.根据权利要求1所述的用于水下探测器的定位系统，其特征在于，所述水下探测器的侧边安装有多个用于推进水下探测器的推进器。
8.一种用于水下探测器的定位系统的定位方法，其特征在于，该定位方法为：水下探测器在移动过程中，搭载在水下探测器的表面上的超声波发生器会对外发出固有频率的超声波信号；超声波信号在水中直接进行传播，并由三个接收换能器进行接收，三个接收换能器各自独立编号，各自在接收到水下超声波后传输至收放线轮浮标的中央处理器上；由中央处理器计算每个接收换能器距离水下探测器的距离，进而确定水下探测器的位置；并结合GPS定位器的定位确定水下探测器的物理坐标。
9.根据权利要求8所述的用于水下探测器的定位系统的定位方法，其特征在于，安装固定件由塑胶材质制成塑料桶，平时储存可卷为一卷存放，节省空间，需要使用时通过充气方式将塑胶桶充满气体从而饱胀舒展成为一个中空的直桶。由于安装固定件内部有空气，故能抵御一定的弯折载荷。
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