CN108828605A - 水下定位装置及水下定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下定位装置及水下定位方法。水下定位装置包括：多个寻鱼器，包括一个主寻鱼器和至少两个从寻鱼器，其中每一所述寻鱼器用于测量其至水下目标的距离值；至少三根连接杆，每一连接杆用于连接相邻的两个寻鱼器；其中，所述主寻鱼器和至少两个所述从寻鱼器被所述连接杆连接而呈非共线分布；以及控制单元，根据各所述寻鱼器所测量的距离值和各所述寻鱼器的坐标得到所述水下目标的坐标。本发明通过非共线排布的至少三个寻鱼器能够快速方便地获得水下目标的正确位置，即充分利用现有设备实现水下目标的精确定位，成本低廉、极易携带，使用维护灵活方便。

Description

水下定位装置及水下定位方法
技术领域
本发明涉及水下定位技术领域，尤其涉及一种水下定位装置及应用该装置的水下定位方法。
背景技术
在当前人们对江河、湖海的探索利用中，都需要对水下目标进行定位。由于水介质对无线电波的强烈吸收作用，以声波作为信息载体的水下声学定位技术成为主要选择。通过在水面工作船只、水下移动平台以及作业海区上加装和布放声学定位设备，可实现水面对水下目标位置的实时监控。根据声学定位系统基线长度以及工作模式的差别，一般将其划分为长基线系统(LBL)、短基线系统(SBL)和超短基线系统(USBL)。
长基线定位系统采用完全的测距定位技术，通常由基线长度为几千米的海底应答器阵和被定位载体上的问答机组成，其定位通过测量载体到相对/绝对位置已知的海底应答器的相对距离，利用距离交汇的方法解算目标坐标。长基线定位系统能实现独立于水深的高精度定位，但其布阵、测阵与回收操作十分复杂、耗时，导致设计安装、使用维护成本较高。
超短基线定位系统所采用的技术为相控测量技术，即通过测时得到目标距；通过相位测量测得目标的水平几垂直角度，进而确定目标的相对位置。由于基线非常短(厘米级)，因此其测量角度的分辨率不可能很高，因此该技术所能提供的定位精度与斜距有关，距离越远定位精度越低。
短基线定位系统所采用的技术为测距定位技术，即通过测时得到目标距每个发射接收机的距离，进而确定目标的相对位置，通常至少需要四个接收机组成阵列，基线距离约为几十米。短基线定位系统尺寸庞大，不利于安装使用。
因此，需要提供一种成本低廉、携带方便、安装使用维护灵活方便的高精度水下定位装置。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种成本低廉、携带方便、安装使用维护灵活方便的高精度水下定位装置及水下定位方法。
为达成上述目的，本发明提供了一种水下定位装置，包括：多个寻鱼器，包括一个主寻鱼器和至少两个从寻鱼器，其中每一所述寻鱼器用于测量其至水下目标的距离值；至少三根连接杆，每一连接杆用于连接相邻的两个寻鱼器；其中，所述主寻鱼器和至少两个所述从寻鱼器被所述连接杆连接而呈非共线分布；以及控制单元，根据各所述寻鱼器所测量的距离值和各所述寻鱼器的坐标得到所述水下目标的坐标。
优选地，每一所述寻鱼器包括声呐探测器，其包括：声纳收发换能器，用于发射超声波信号以及接收超声波信号；信号处理单元，用于至少根据接收的超声波信号获得所述寻鱼器至水下目标的距离值。
优选地，所述寻鱼器还包括与所述信号处理单元连接的无线通信单元，和/或所述连接杆中穿设信号线使相邻所述寻鱼器电气连接。
优选地，所述寻鱼器还包括无线通信单元，所述主寻鱼器通过所述无线通信单元或通过所述信号线控制各所述从寻鱼器与之同步发出所述超声波信号。
优选地，所述控制单元设于所述主寻鱼器之内，各所述从寻鱼器通过其无线通信单元或通过所述信号线将测量的距离值发送至所述控制单元。
优选地，每一所述寻鱼器的外壳上设有至少两个安装孔，用于与所述连接杆连接。
优选地，所述寻鱼器还包括惯性测量单元，用于探测寻鱼器的姿态。
优选地，所述声呐探测器为主动声呐探测器，所述声纳收发换能器发射超声波信号以及接收超声波回波信号。
优选地，所述声呐探测器为被动声呐探测器，所述水下目标发射特定的超声波信号，所述声纳收发换能器接收所述特定的超声波信号。
优选地，所述控制单元包括判断模块，根据各所述寻鱼器所接收的所述超声波信号的信号特征判断所述水下目标是否正确；当判断所述水下目标正确时，所述控制单元计算所述水下目标的坐标。
根据本发明的另一方面，还提供了一种应用于上述水下定位装置的水下定位方法，包括以下步骤：
S01，通过每一所述寻鱼器测量其至水下目标的距离值；
S02，根据各所述寻鱼器所测量的距离值和各所述寻鱼器的坐标得到所述水下目标的坐标。
优选地，步骤S01包括：
S011，每一所述寻鱼器发射超声波信号以及接受超声波信号；
S012，至少根据接收的超声波信号获得每一所述寻鱼器至水下目标的距离值。
优选地，步骤S011中，所述主寻鱼器通过无线信号传输和/或有线信号传输控制各所述从寻鱼器与之同步发射所述超声波信号。
优选地，所述控制单元设于所述主寻鱼器之内；步骤S02中，各所述从寻鱼器通过无线信号传输和/或有线信号传输将其测量的距离值发送至所述控制单元。
优选地，步骤S011之后还包括：根据各所述寻鱼器所接收的所述超声波信号的信号特征判断所述水下目标是否正确；当判断所述水下目标正确时，执行步骤S02。
相较于现有技术，本发明提供了一种水下定位装置，通过非共线排布的至少三个寻鱼器能够快速方便地获得水下目标的正确位置，即充分利用现有设备实现水下目标的精确定位，成本低廉、极易携带，使用维护灵活方便。此外，可以通过调节连接杆长度和组合方式实现各种寻鱼器阵列，满足定位精度及安装方式等各种要求。
附图说明
图1所示为本发明一实施例的水下定位装置的示意图；
图2所示为本发明一实施例的寻鱼器的结构示意图；
图3所示为本发明一实施例的寻鱼器的剖视图；
图4所示为本发明一实施例的寻鱼器的方块图；
图5所示为本发明一实施例的水下定位方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电气连接。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述属于在本发明中的具体含义。
图1所示为本发明的水下定位装置的示意图，图2所示为本发明一实施例的寻鱼器的结构示意图，图3所示为本发明一实施例的寻鱼器的剖视图，图4所示为本发明一实施例的寻鱼器的方块图，图5所示为本发明一实施例的水下定位方法的流程图。以下将结合图1至图5对本发明水下定位装置及方法进行详细说明。
本发明的水下定位装置包括多个寻鱼器、多个连接杆和控制单元。其中，多个寻鱼器包括一个主寻鱼器和至少两个从寻鱼器，每一个寻鱼器用于测量其至水下目标的距离值。连接杆的数量至少为3根，每个连接杆连接相邻的两个寻鱼器。其中，主寻鱼器和至少两个从寻鱼器被连接杆连接而呈非共线分布。控制单元根据各寻鱼器所测量的距离值和各寻鱼器的坐标得到水下目标的坐标。
如图1所示，本实施例中，寻鱼器和连杆的数量均为4个。主寻鱼器101、从寻鱼器102-104通过连接杆201-204顺序连接而构成非共线的封闭环形组合结构。请参见图2和图3，通过在每个寻鱼器的外壳上设置至少两个安装孔使其与连接杆连接。本实施例中，安装孔的数量为两个，与寻鱼器中心连线呈90度设置。由此，四个寻鱼器构成矩形形状。当然，每个安装孔的位置和连接杆的长度也可以根据需要来设置，以形成不同形状、排布的寻鱼器组合。
接下来请参考图4，每个寻鱼器包括壳体，壳体内设置声呐探测器11，声呐探测器包括声呐收发换能器11a，信号处理单元11b。可选的，寻鱼器还可以包括无线通信单元12。其中，声呐收发换能器11a是寻鱼器的重要部件，它是声能和其它形式的能相互转换的装置，用于发射和接收超声波脉冲信号。在一实施例中，声呐探测器为主动声呐探测器，声纳收发换能器11a可发射各个频率的超声波分别对不同距离的水域进行探测。具体地，声纳收发换能器发出声波后，开始接收水底返回的超声波回波信号，并将其转换为电信号发送至信号处理单元11b。信号处理单元11b根据超声波往返时间差计算出寻鱼器至水下目标的距离值。信号处理单元可采用现有的主动声呐测距法对接收到的超声波回波信号进行处理得到距离值，在此不再另行赘述。需要强调的是，本发明中将寻鱼器分成主寻鱼器和从寻鱼器两类，其中主寻鱼器的数量为一个，其发送指令使得其他从寻鱼器与之同步发出超声波脉冲信号。
在另一实施例中，声呐探测器为被动声呐探测器，此时水下目标可主动发射特定声纳频率及脉冲编码方式的超声波信号，声纳收发换能器接收超声波信号后将其转换为电信号发送至信号处理单元11b，信号处理单元可采用现有的被动声呐测距法进行处理得到距离值。
优选地，每个寻鱼器内还可包括惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，简称IMU)，惯性测量单元内置加速度计和陀螺仪，有时也包含地磁传感器，可以在不需要额外参考的情况下经由寻鱼器初始位置、方向和速度推算出寻鱼器的三轴姿态角。信号处理单元根据寻鱼器的三轴姿态角进一步修正水下目标至寻鱼器的距离值，已得到更精准的定位。
在确定距离值后，所有寻鱼器所测量的距离值均发送至控制单元，由控制单元对全部寻鱼器测量的距离值进行计算，最终得出水下目标的坐标值。在本实施例中，控制单元设于主寻鱼器内，则所有从寻鱼器将测得的距离值发送至主寻鱼器。在其他实施例中，控制单元也可以是外部设备，如手机、电脑等。
较佳地，每个寻鱼器中还包括无线通信单元12，无线通信单元12与信号处理单元11b连接，通过无线通信单元12可以在寻鱼器和控制单元、主寻鱼器和从寻鱼器之间进行信号传输。具体地，本实施例中，主寻鱼器通过无线信号单元发出指令控制各个从寻鱼器与之同步发出超声波脉冲信号，各个从寻鱼器则将测得的距离值通过无线信号单元发送给主寻鱼器的控制单元。可选的，连接相邻寻鱼器的连接杆中可以穿设信号线使得相邻的寻鱼器电气连接，主寻鱼器通过信号线发出指令控制各个从寻鱼器与之同步发出超声波脉冲，而各个从寻鱼器则将测得的距离值通过信号线发送给主寻鱼器的控制单元。此外，无线通信单元和信号线还可共同作用，即部分从寻鱼器通过无线通信单元与主寻鱼器和/或控制单元进行信号传输，部分从寻鱼器通过连接杆中的信号线与主寻鱼器进行信号传输。
为避免将其它水下物体误认为水下目标，本发明中的控制单元还包括判断模块，其根据各寻鱼器所接收的超声波信号的信号特征判断水下目标是否正确。当判断水下目标正确时，控制单元才计算水下目标的坐标。具体来说，当各寻鱼器采用主动声呐测距法进行水下目标测距时，判断模块对各个寻鱼器的声呐探测器所接收到的超声波回波信号的波形特征(如幅度、强度)进行识别。通常来说，相邻寻鱼器之间的距离要远远小于寻鱼器和水下目标之间的距离，也即使各个寻鱼器接收的超声波回波信号应基本相同。因此，若各个寻鱼器接收的超声波回波的波形特征基本一致，则判断各寻鱼器探测的水下目标正确。当各寻鱼器采用被动声呐测距法进行水下目标测距时，判断模块判断各个寻鱼器的声呐探测器是否接收到水下目标发出的特定超声波，若均接收到该特定超声波，则判断水下目标正确。
在确认水下目标正确后，控制单元根据各寻鱼器测量的距离值以及已知的所有寻鱼器的坐标值就能够计算出水下目标的坐标值。假设水下目标的坐标为(x,y,z)，配合相同时间点对应的至少3个寻鱼器的坐标即可解出水下目标的坐标(x,y,z)值。以本实施例的四个寻鱼器为例，这四个寻鱼器分别测量的距离值为L1-L4：
通过式(1－1)、(1－2)、(1－3)、(1－4)可以解出水下目标的坐标(x,y,z)。寻鱼器的数量越多，就可以得到越多的解，再通过数据拟合等数学方法(如求平均值)达到更高的定位精度。
请参考图5，本发明还提供了一种应用于上述水下定位装置的水下定位方法，其包括以下步骤：
S01，通过每一寻鱼器测量其至水下目标的距离值。
S02，根据各寻鱼器所测量的距离值和各寻鱼器的坐标得到水下目标的坐标。
步骤S01进一步包括：
S011，每一寻鱼器发射超声波信号以及接受超声波信号。其中，主寻鱼器通过无线信号传输和/或有线信号传输控制各从寻鱼器与之同步发射超声波信号，以确保时间同步性。
S012，至少根据接收的超声波信号获得每一寻鱼器至水下目标的距离值。
优选地，步骤S011之后还包括：根据各寻鱼器所接收的超声波信号的信号特征判断所述水下目标是否正确；当判断水下目标正确时，执行步骤S02。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种水下定位装置，其特征在于，包括：
多个寻鱼器，包括一个主寻鱼器和至少两个从寻鱼器，其中每一所述寻鱼器用于测量其至水下目标的距离值；
至少三根连接杆，每一连接杆用于连接相邻的两个寻鱼器；其中，所述主寻鱼器和至少两个所述从寻鱼器被所述连接杆连接而呈非共线分布；以及
控制单元，根据各所述寻鱼器所测量的距离值和各所述寻鱼器的坐标得到所述水下目标的坐标。
2.根据权利要求1所述的水下定位装置，其特征在于，每一所述寻鱼器包括声呐探测器，其包括：
声纳收发换能器，用于发射超声波信号以及接收超声波信号；
信号处理单元，用于至少根据接收的超声波信号获得所述寻鱼器至水下目标的距离值。
3.根据权利要求2所述的水下定位装置，其特征在于，所述寻鱼器还包括与所述信号处理单元连接的无线通信单元，和/或所述连接杆中穿设信号线使相邻所述寻鱼器电气连接。
4.根据权利要求3所述的水下定位装置，其特征在于，所述主寻鱼器通过所述无线通信单元或通过所述信号线控制各所述从寻鱼器与之同步发出所述超声波信号。
5.根据权利要求3所述的水下定位装置，其特征在于，所述控制单元设于所述主寻鱼器之内，各所述从寻鱼器通过其无线通信单元或通过所述信号线将测量的距离值发送至所述控制单元。
6.根据权利要求1所述的水下定位装置，其特征在于，所述寻鱼器还包括惯性测量单元，用于探测寻鱼器的姿态。
7.根据权利要求1所述的水下定位装置，其特征在于，所述控制单元包括判断模块，根据各所述寻鱼器所接收的所述超声波信号的信号特征判断所述水下目标是否正确；当判断所述水下目标正确时，所述控制单元计算所述水下目标的坐标。
8.一种水下定位方法，应用于如权利要求1所述的水下定位装置，其特征在于，包括：
S01，通过每一所述寻鱼器测量其至水下目标的距离值；
S02，根据各所述寻鱼器所测量的距离值和各所述寻鱼器的坐标得到所述水下目标的坐标。
9.根据权利要求8所述的水下定位方法，其特征在于，步骤S011中，所述主寻鱼器通过无线信号传输和/或有线信号传输控制各所述从寻鱼器与之同步发射所述超声波信号。
10.根据权利要求8所述的水下定位方法，其特征在于，所述控制单元设于所述主寻鱼器之内；步骤S02中，各所述从寻鱼器通过无线信号传输和/或有线信号传输将其测量的距离值发送至所述控制单元。
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