CN108957464B - 四点阵探鱼声呐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四点阵探鱼声呐，包括固定在底架上的所述四个声呐、控制中心和太阳能板，所述四个声呐呈一等距方阵分布，所述太阳能板分别与四个声呐和控制中心供电连接，所述控制中心包括处理单元、驱动模块、数据存储模块、光伏电源模块、无线收发器、温度传感器和通信模块，所述温度传感器、四个声呐与处理单元连接，通过设有继电器控制开关，信号接收回路连接有滤波器和放大电路；所述处理单元控制所述四个声呐中为发射接收声呐或接收声呐且依次循环工作，并根据接收到的声波信息和温度信息计算得到被测鱼群的位置坐标；本发明所述四点阵探鱼声呐通过在四个声呐中间放置控制中心可精准获得目标的位置坐标，测量误差少，且供电充足。

Description

四点阵探鱼声呐

技术领域

本发明是涉及一种四点阵探鱼声呐，属于鱼群追踪技术领域。

背景技术

声呐是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备，在发射控制器的控制下，发射机产生大功率的超声波脉冲振荡，经过转换装置由水声换能器向某一个方向发射超声波，在这个方向上，超声波遇到目标便反射回来，由水声换能器接收，变成电信号，再经过收发转换装置送到接收机放大，最后送到显示器显示目标的方向和距离。

根据声呐的工作方式，可以分为主动声呐和被动声呐。主动声呐是有目的地从系统中发射声波，然后接受回波进行计算，它主要包括换能器基阵(收发兼用)、发射机(波形发生器)、定时中心，接收机，显示器。被动声呐则是被动的接受其它设备发射的信号，与主动声呐相比，被动声呐没有发射机。目前采用的大多是单声呐或者双声呐来进行测距，单声呐或者双声呐在进行测距定位时存在误差，无法互相矫正或矫正程度不能满足现需的高精度定位要求。由于声呐设备定位工作任务重和作业时间久，易出现供电不足的问题。因而如何精准的获得被探测目标的位置坐标，减少测量误差，并且实现作业过程中的充足供电，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种四点阵探鱼声呐，精准的获得目标的位置坐标，减少测量误差，并且满足人们对探鱼声呐作业过程中充足供电的应用需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

四点阵探鱼声呐，其特征在于：包括固定在底架上的1号声呐、2号声呐、3号声呐、4号声呐、控制中心和太阳能板，所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐呈一等距方阵分布设置，所述太阳能板分别与所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐和所述控制中心供电连接，所述控制中心包括处理单元以及分别与所述处理单元电信息连接的驱动模块、数据存储模块、光伏电源模块、无线收发器、温度传感器和通信模块，所述温度传感器通过485总线与所述处理单元连接，用于实时测量水温的变化，所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐通过无线收发器与所述处理单元无线电信息连接，同时分别通过设有继电器的电路与所述处理单元电连接，所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐的声波的信号接收回路上连接有滤波器和放大电路；声波的信号发射与采集采用无线收发器，可实现远距离数据传输并可减少了有线冗余的问题；所述处理单元控制所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐中一个为发射接收声呐、其他三个为接收声呐依次循环工作，并根据接收到的所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐的声波信息和所述温度传感器检测的温度信息计算得到被测鱼群的位置坐标；

其中，通过下述公式计算得到探测目标的三维坐标：

首先根据公式Di＝(ti-t/2)*c计算各接收声呐到目标的距离；其中，Di为对应的声呐到目标的距离，ti为接收声呐定时器计量的自声波发射到接收对应的总时间，t为发射接收声呐自声波发射到接收对应的总时间，t/2为发射接收声呐的声波到达目标的时间，c为声波的速度，一般为344m/s；

将所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐和所述4号声呐分别作为发射接收声呐或接收声呐对应的ti、t分别带入上述公式获得所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐和所述4号声呐分别到目标的距离D₁、D₂、D₃和D₄；

再将距离D₁、D₂、D₃和D₄代入下列公式：

1号声呐为发射接收声呐，2号声呐、3号声呐、4号声呐为接收声呐：

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

2号声呐为发射接收声呐，1号声呐、3号声呐、4号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

3号声呐为发射接收声呐，1号声呐、2号声呐、4号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

4号声呐为发射接收声呐，1号声呐、2号声呐、3号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

其中，L为相邻声呐之间的距离，x,y,z为目标的三维坐标；通过上述公式求值得出目标的三维坐标，并且通过处理单元的控制实现四个声呐依次循环工作，最终在显示器终端实时显示目标的三维坐标。

作为优选方案，所述底架呈正方形结构设置，所述1号声呐、2号声呐、3号声呐和4号声呐分别设置于所述底架四个角上，所述处理单元设置于所述底架的中心位置，所述太阳能电池板填充在所述处理单元和所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐之间的所述底架上。

作为进一步优选方案，所述底架上设有4块太阳能发电板，为设备整体提供足够电量的同时，所述太阳能发电板设置于所述底架形成的内部框架内，防止太阳能发电板损坏，也使得装置连接为整体，增加了探鱼声呐的连接稳固性。

作为优选方案，所述处理单元采用stm32F103单片机；通过stm32系列微控制器的程序控制，来实现发射声波和接收声波的声呐的快速轮流变换，扩大探鱼范围。

作为优选方案，所述滤波器通过最小二乘法算法对接收到的声波信号进行滤波处理，来增加对鱼探测和三维坐标的准确性。

作为优选方案，所述光伏电源模块为太阳能板先与串联的两个1K电阻和A/D转换器并联，再分别与两个电容C36，C37(100pF)和一个单向二极管并联，之后再连接滑动变阻器R42和三极管，最终形成与电池并联电路。

作为优选方案，上述四点阵探鱼声呐的程序运行包括如下步骤：

步骤1、开始初始化，让控制中心处于原始状态；

步骤2、进行人工接收操作指令完成后，使控制中心运行；

步骤3、判断，若是1号声呐发射声波，则2,3,4号声呐接收声波；若是2号声呐发射声波，则1,3,4号声呐接收声波；若是3号声呐发射声波，则1,2,4号声呐接收声波；若是4号声呐发射声波，则1,2,3号声呐接收声波；否则继续从1号判断；直至完成声呐对声波的接收；

步骤4、对接收到的声波信号进行滤波处理和信号放大处理；

步骤5、控制中心的处理单元通过采集到的声波信息和温度信息计算目标三维坐标值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所述四点阵探鱼声呐通过在四个声呐中间放置控制中心，并与之连接来实现利用stm32F103单片机进行探鱼声呐工作过程中的控制与数据的快速处理，保证每次只有一个声呐发射接受声波，另外三个只接收声波，来实现对水下目标的距离的测算，精准的获得目标的位置坐标，减少测量误差，且发射接收声呐和接收声呐的轮流变换快速，探鱼范围大，通过最小二乘法算法，来实现对声波进行滤波，进一步减小误差、增加三维坐标的准确性，还通过四块太阳能板发电，来实现对四个声呐的长期供电，满足人们对探鱼声呐作业过程中充足供电的应用需求，本发明具有显著的进步性和良好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种四点阵探鱼声呐结构示意图；

图2为本发明实施例提供的控制中心的连接关系示意图；

图3为本发明实施例提供的处理单元电路结构图；

图4为本发明实施例提供的驱动模块和光伏电源模块电路结构图；

图5为本发明实施例提供的四点阵探鱼声呐的流程图。

图中标号示意如下：1、1号声呐；2、2号声呐；3、3号声呐；4、4号声呐；5、控制中心；6、太阳能板；7、底架。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例

结合图1至图5所示，本实施例提供的一种四点阵探鱼声呐，包括固定在底架7上的1号声呐1、2号声呐2、3号声呐3、4号声呐4、控制中心5和太阳能板6，所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3、所述4号声呐4呈一等距方阵分布设置，所述太阳能板6分别与所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3、所述4号声呐4和所述控制中心5供电连接，所述控制中心5包括处理单元以及分别与所述处理单元电信息连接的驱动模块、数据存储模块(如SD卡)、光伏电源模块、无线收发器、温度传感器和通信模块，所述温度传感器设置于水下，所述温度传感器通过485总线与所述处理单元连接，用于实时测量水温的变化，所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3、所述4号声呐4通过无线收发器与所述处理单元无线电信息连接，同时分别通过设有继电器的电路与所述处理单元电连接，所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3、所述4号声呐4的声波的信号接收回路上连接有滤波器和放大电路；声波的信号发射与采集采用无线收发器，可实现远距离数据传输并可减少了有线冗余的问题；所述处理单元控制所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3、所述4号声呐4中一个为发射接收声呐、其他三个为接收声呐依次循环工作，并根据接收到的所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3、所述4号声呐4的声波信息和所述温度传感器检测的温度信息计算得到被测鱼群的位置坐标。

在本实施例中，所述底架7呈正方形结构设置，所述1号声呐1、2号声呐2、3号声呐3和4号声呐4分别设置于所述底架7四个角上，所述处理单元设置于所述底架7的中心位置，所述太阳能电池板填充在所述处理单元和所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3、所述4号声呐4之间的所述底架7上，如图1所示。

在本实施例中，所述底架7上设有4块太阳能发电板，为设备整体提供足够电量的同时，所述太阳能发电板设置于所述底架7形成的内部框架内，防止太阳能发电板损坏，也使得装置连接为整体，增加了探鱼声呐的连接稳固性，如图1所示。

在本实施例中，所述处理单元采用stm32F103单片机；通过stm32系列微控制器的程序控制，来实现发射声波和接收声波的声呐的快速轮流变换，扩大探鱼范围，如图3、图4所示。

在本实施例中，所述滤波器通过最小二乘法算法对接收到的声波信号进行滤波处理，来增加对鱼探测和三维坐标的准确性。

本发明所述探鱼器在工作时，通过所述处理器单元发送指令，控制内部电路中继电器的开和关来使其中一个声呐发射声波且不接收声波，当探测到目标物时，声波会向各个方向发射，此时，使其他三个声呐接收发射回来的声波，接收到的发射回来的声波经过滤波后把信号传输给放大电路，无线收发器采集经滤波、放大处理后的声波信号，结合温度传感器采集到的温度数据，通过控制中心计算三维坐标值。

在本实施例中，可以通过下述公式计算得到探测目标的三维坐标：

首先根据公式Di＝(ti-t/2)*c计算各接收声呐到目标的距离；其中，Di为对应的声呐到目标的距离，ti为接收声呐定时器计量的自声波发射到接收对应的总时间，t为发射接收声呐自声波发射到接收对应的总时间，t/2为发射接收声呐的声波到达目标的时间，c为声波的速度，一般为344m/s；

将所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3和所述4号声呐4分别作为发射接收声呐或接收声呐对应的ti、t分别带入上述公式获得所述1号声呐1、所述2号声呐2、所述3号声呐3和所述4号声呐4分别到目标的距离D₁、D₂、D₃和D₄；

再将距离D₁、D₂、D₃和D₄代入下列公式：

1号声呐为发射接收声呐，2号声呐、3号声呐、4号声呐为接收声呐：

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

2号声呐为发射接收声呐，1号声呐、3号声呐、4号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

3号声呐为发射接收声呐，1号声呐、2号声呐、4号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

4号声呐为发射接收声呐，1号声呐、2号声呐、3号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

其中，L为相邻声呐之间的距离，x,y,z为目标的三维坐标；通过上述公式求值得出目标的三维坐标，并且通过处理单元的控制实现四个声呐依次循环工作，最终在显示器终端实时显示目标的三维坐标。

结合图3、图4所示，本实施例所述控制中心5选用的处理芯片为stm32F103单片机，其中管脚1、24、36、48接VCC，其电压值为3.3V，管脚3、4、8、20、23、39、44、45、47接GND；PA为无线收发器，其中管脚0,1和PB9接指示灯管脚接口，管脚2,3接485数据传输总线，管脚4,5,6,分别与无线收发器的对应的管脚相连接，管脚7为电池的输入管脚。

PA10、9、8和PB7、13、14、15接驱动继电器的驱动电路管脚，从而控制继电器的动作；PA10接OUTPUT_SW，为指令输出管脚，把控制中心的相关指令传送到继电器中，控制继电器的开关，来控制声呐是否发射声波；PB5接SIGNAL_SW，接收发射的声波信号，并进行滤波操作；PB6接SIGNAL_RECEIVE，接收经过滤波操作和放大后的信号；PB8和管脚Vss_3共同接GND，P3为电源接口，其中P3的管脚1和管脚2接VCC，其电压值为5V，而P3的管脚7和管脚8接GND。

U2为无线收发模块，管脚1、7、9共同接GND，在VCC和GND1之间连接着电容C7(0.1uF),其余管脚分别接对应的U1上的管脚。

U3-U6为声呐发射装置中的继电器，管脚1分别接1K的电阻R5-R8,最终接3.3V电压；管脚2与三极管的正极相连，管脚三为声波发射管脚，与继电器驱动电路相连接，管脚4分别外接四个对应的声呐。

U7-U10为声呐接收装置中的继电器，管脚1和2的作用与发射装置相同，管脚3和4分别可与声呐连接或者与电感(22uF)相连，并联12nF，1nF的三个电容和一个1M的电阻，形成滤波电路。

U11-UI2为运算放大器，与滤波电路相连接，对信号进行放大。

U13为接收外来信息的485总线模块，其中U13的管脚2和管脚10接GND，管脚1接VCC，在VCC与GND之间连接着并联的电容C14(0.1uF)和电容C15(10uF)；在管脚8、管脚9与GND之间连接着三个二极管分别为D4、D5和D6；同时管脚8、管脚9还分别连接PA的管脚11和管脚12；管脚3和管脚4的RxD、TxD接外来的传输信号。

U15为ttl转485总线模块的模块，这个模块是将作为电路板母体的处理单元上的温度传感器传输指令，传给温度传感器模块；其中U15的管脚2和管脚10接GND，管脚1接VCC，在VCC与GND之间连接着并联的电容C16(0.1uF)和电容C17(10uF)；在管脚8、管脚9与GND之间连接着三个二极管分别为D9、D10和D11；同时管脚8、管脚9还分别连接U14的管脚2和管脚3；管脚3和管脚4分别接PA的管脚2和管脚3，用于接收处理器发出的温度传感器信号。

U16-U19为驱动芯片，分别与U20-U23的MOS场效应管的管脚对应连接，组成继电器的驱动电路，控制声呐声波的发射与接收。

所述光伏电源模块为太阳能板6先与串联的两个1K电阻和A/D转换器并联，再分别与两个电容C36，C37(100pF)和一个单向二极管并联，之后再连接滑动变阻器R42和三极管，最终形成与电池并联电路。

在本实施例中，结合图5所示，上述四点阵探鱼声呐的程序运行包括如下步骤：

步骤1、开始初始化，让控制中心5处于原始状态；

步骤2、进行人工接收操作指令完成后，使控制中心5运行；

步骤3、判断，若是1号声呐1发射声波，则2,3,4号声呐4接收声波；若是2号声呐2发射声波，则1,3,4号声呐4接收声波；若是3号声呐3发射声波，则1,2,4号声呐4接收声波；若是4号声呐4发射声波，则1,2,3号声呐3接收声波；否则继续从1号判断；直至完成声呐对声波的接收；

步骤4、对接收到的声波信号进行滤波处理和信号放大处理；

步骤5、控制中心5的处理单元通过采集到的声波信息和温度信息计算目标三维坐标值。

本发明所述四点阵探鱼声呐通过在四个声呐中间放置控制中心5，并与之连接来实现利用stm32F103单片机进行探鱼声呐工作过程中的控制与数据的快速处理，保证每次只有一个声呐发射接受声波，另外三个只接收声波，来实现对水下目标的距离的测算，精准的获得目标的位置坐标，减少测量误差，且发射接收声呐和接收声呐的轮流变换快速，探鱼范围大，通过最小二乘法算法，来实现对声波进行滤波，进一步减小误差、增加三维坐标的准确性，还通过四块太阳能板6发电，来实现对四个声呐的长期供电，满足人们对探鱼声呐作业过程中充足供电的应用需求。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四点阵探鱼声呐，四点阵探鱼声呐，其特征在于：包括固定在底架上的1号声呐、2号声呐、3号声呐、4号声呐、控制中心和太阳能板，所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐呈一等距方阵分布设置，所述太阳能板分别与所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐和所述控制中心供电连接，所述控制中心包括处理单元以及分别与所述处理单元电信息连接的驱动模块、数据存储模块、光伏电源模块、无线收发器、温度传感器和通信模块，所述温度传感器通过485总线与所述处理单元连接，用于实时测量水温的变化，所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐通过无线收发器与所述处理单元无线电信息连接，同时分别通过设有继电器的电路与所述处理单元电连接，所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐的声波的信号接收回路上连接有滤波器和放大电路；所述处理单元控制所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐中一个为发射接收声呐、其他三个为接收声呐依次循环工作，并根据接收到的所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐的声波信息和所述温度传感器检测的温度信息计算得到被测鱼群的位置坐标；

其中，通过下述公式计算得到探测目标的三维坐标：

首先根据公式Di＝(ti-t/2)*c计算各接收声呐到目标的距离；其中，Di为对应的声呐到目标的距离，ti为接收声呐定时器计量的自声波发射到接收对应的总时间，t为发射接收声呐自声波发射到接收对应的总时间，t/2为发射接收声呐的声波到达目标的时间，c为声波的速度，一般为344m/s；

将所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐和所述4号声呐分别作为发射接收声呐或接收声呐对应的ti、t分别带入上述公式获得所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐和所述4号声呐分别到目标的距离D₁、D₂、D₃和D₄；

再将距离D₁、D₂、D₃和D₄代入下列公式：

1号声呐为发射接收声呐，2号声呐、3号声呐、4号声呐为接收声呐：

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

2号声呐为发射接收声呐，1号声呐、3号声呐、4号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

3号声呐为发射接收声呐，1号声呐、2号声呐、4号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ²；

4号声呐为发射接收声呐，1号声呐、2号声呐、3号声呐为接收声呐：

x²+y²+z²＝D₁ ²；

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ²；

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ²；

其中，L为相邻声呐之间的距离，x,y,z为目标的三维坐标；通过上述公式求值得出目标的三维坐标，并且通过处理单元的控制实现四个声呐依次循环工作，最终在显示器终端实时显示目标的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的四点阵探鱼声呐，其特征在于：所述底架呈正方形结构设置，所述1号声呐、2号声呐、3号声呐和4号声呐分别设置于所述底架四个角上，所述处理单元设置于所述底架的中心位置，所述太阳能电池板填充在所述处理单元和所述1号声呐、所述2号声呐、所述3号声呐、所述4号声呐之间的所述底架上。

3.根据权利要求2所述的四点阵探鱼声呐，其特征在于：所述底架上设有4块太阳能发电板。

4.根据权利要求1所述的四点阵探鱼声呐，其特征在于：所述处理单元采用stm32F103单片机。

5.根据权利要求1所述的四点阵探鱼声呐，其特征在于：通过最小二乘法算法对接收到的声波信号进行滤波处理。

6.根据权利要求1所述的四点阵探鱼声呐，其特征在于：所述光伏电源模块为太阳能板先与串联的两个1K电阻和A/D转换器并联，再分别与两个电容C36，C37(100pF)和一个单向二极管并联，之后再连接滑动变阻器R42和三极管，最终形成与电池并联电路。

7.根据权利要求1-6任一项所述的四点阵探鱼声呐，其特征在于：所述四点阵探鱼声呐的程序运行包括如下步骤：

步骤1、开始初始化，让控制中心处于原始状态；

步骤2、进行人工接收操作指令完成后，使控制中心运行；

步骤3、判断，若是1号声呐发射声波，则2,3,4号声呐接收声波；若是2号声呐发射声波，则1,3,4号声呐接收声波；若是3号声呐发射声波，则1,2,4号声呐接收声波；若是4号声呐发射声波，则1,2,3号声呐接收声波；否则继续从1号判断；直至完成声呐对声波的接收；

步骤4、对接收到的声波信号进行滤波处理和信号放大处理；

步骤5、控制中心的处理单元通过采集到的声波信息和温度信息计算目标三维坐标值。

Images