CN110702064B - 基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法和系统，包括如下步骤：S10，在接收线圈与预先部署在目标涵洞区域底部的发送线圈之间磁场耦合产生感应电流时，获取所述接收线圈的当前电压；其中，所述接收线圈设置在无人航行器上；S20，根据线圈电压‑角度对应关系解算所述当前电压对应的当前角度；所述线圈电压‑角度对应关系记录各组姿态角对应的线圈电压；S30，根据所述当前角度确定所述无人航行器当前的姿态信息。采用本方法有效降低了姿态信息的获取成本。

Description

基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法和系统

技术领域

本发明涉及近场磁感应通信技术领域，尤其涉及一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法和系统。

背景技术

水下无人航行器在自主返回涵洞维护、充电时，由于水下涵洞入口窄、水下地形复杂及水流扰动影响，无人航行器姿态无法保持稳定。现有的解决方案，是在航行器中放置陀螺仪，在涵洞周围水底部署传感器节点，通过水声定位导航技术引导水下无人航行器不断调制姿态、航向，顺利返回涵洞。无人航行器在运行时的姿态信息是引导无人航行器返回涵洞的主要依据。传统方案往往采用基于陀螺仪的姿态获取方案获得所需姿态信息，该方案存在成本高的问题，且每隔一段时间还需要对陀螺仪进行校准，使相应姿态信息的获取过程变得复杂。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法和系统。

为实现本发明的目的，提供一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法，包括如下步骤：

S10，在接收线圈与预先部署在目标涵洞区域底部的发送线圈之间磁场耦合产生感应电流时，获取所述接收线圈的当前电压；其中，所述接收线圈设置在无人航行器上；

S20，根据线圈电压-角度对应关系解算所述当前电压对应的当前角度；所述线圈电压-角度对应关系记录各组姿态角对应的线圈电压；

S30，根据所述当前角度确定所述无人航行器当前的姿态信息。

在一个实施例中，上述线圈电压-角度对应关系的获取过程包括：

获取无人航行器的各组姿态角；

根据角度-电压计算公式计算各组姿态角分别对应的感应电压；所述角度-电压计算公式为无人航行器的姿态角与接收线圈的感应电压之间的计算公式。

作为一个实施例，上述角度-电压计算公式包括：

a_k＝3x_kz_k，b_k＝3y_kz_k，c_k＝2z_k ²-x_k ²-y_k ²，

式中，U表示接收线圈的感应电压，U_k表示第k个发送线圈所产生磁场在接收线圈产生的感应电压，k＝1,2,…,K，K表示发送线圈的个数，(x_k,y_k,z_k)表示以第k个发送线圈为原点时接收线圈的坐标，α表示航偏角，θ表示俯仰角，

表示横滚角，I_m表示发送线圈正弦激励电流幅值，ω表示角频率，t表示时间，μ₀表示磁导率，N_t表示发送线圈的匝数，N_r表示接收线圈的匝数，S_t表示发送线圈的面积，S_r表示接收线圈的面积，r表示发送线圈与接收线圈之间的距离。

在一个实施例中，所述姿态角包括俯仰角、偏航角和横滚角。

一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取系统，包括发送线圈，接收线圈，电压传感器和数据处理模块；

所述发送线圈部署在目标涵洞区域底部，所述接收线圈，电压传感器和数据处理模块分别设置在无人航行器内；

所述接收线圈块与所述发送线圈块的磁场耦合产生感应电流；所述电压传感器测量所述接收线圈的当前电压，将所述当前电压发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块执行上述任一实施例所述的基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法。

上述基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法和系统，可以在接收线圈与预先部署在目标涵洞区域底部的发送线圈之间磁场耦合产生感应电流时，获取所述接收线圈的当前电压，以根据线圈电压-角度对应关系解算所述当前电压对应的当前角度，再根据当前角度确定无人航行器当前的姿态信息，以引导无人航行器顺利返回涵洞，其中所获取的当前的姿态信息具有较高的准确性，且获取过程相对简单，有效降低了姿态信息的获取成本。

附图说明

图1是一个实施例的基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法流程图；

图2是一个实施例的无人航行器与目标涵洞之间的位置关系示意图；

图3是一个实施例的基于磁感应的无人航行器姿态信息获取系统结构示意图；

图4是一个实施例的无人航行器姿态角度示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法流程图，包括如下步骤：

S10，在接收线圈与预先部署在目标涵洞区域底部的发送线圈之间磁场耦合产生感应电流时，获取所述接收线圈的当前电压；其中，所述接收线圈设置在无人航行器上。

上述步骤可以采用放置于航行器内的接收线圈与预先部署在水底的发送线圈之间的磁场耦合，利用感应磁场在接收线圈上产生感应电流，通过电压传感器输出相应的感应电压数据，这样便能实现接收线圈的当前电压的获取。

在一个示例中，水下无人航行器与目标涵洞之间的位置关系可以参考图2所示。具体地，目标涵洞区域水底放置发送线圈。相应的接收线圈可以包括三个半径相同的圆形导体线圈，每两个导体线圈所在的平面相互垂直且三个接收线圈共用一个圆心，构成全向接收线圈，接收线圈可以接入电压传感器模块，用于获取接收线圈上产生的感应电压值。目标涵洞区域水底可以固定多个发送线圈，上述发送线圈可以为单线圈。

S20，根据线圈电压-角度对应关系解算所述当前电压对应的当前角度；所述线圈电压-角度对应关系记录各组姿态角对应的线圈电压。

线圈电压-角度对应关系记录无人航行器在运行过程中可能出现的各组姿态角分别对应的线圈电压。具体地，可以依据发送线圈和接收线圈分别对应的参数对各组姿态角对应的线圈电压进行计算，以获得准确的线圈电压-角度对应关系。

S30，根据所述当前角度确定所述无人航行器当前的姿态信息。

上述姿态角包括俯仰角、偏航角和横滚角。上述当前角度可以包括无人航行器当前运行过程中的俯仰角、偏航角和横滚角等角度，依据当前角度可以准确估计无人航行器当前的姿态信息。

本实施例利用放置于航行器内的接收线圈与预先部署在水底的发送线圈之间的磁场耦合，利用感应磁场在接收线圈上产生感应电流，通过电压传感器输出相应的感应电压数据，以获得接收线圈的当前电压，通过电压与姿态角的数学关系模型(线圈电压-角度对应关系)，解算出当前角度，即航行器的俯仰角、偏航角和横滚角，以确定姿态信息。进一步地，还可以通过无人航行器反馈控制系统，调整自身位姿。无人航行器通过不断的与激励节点感应，引导其顺利通过涵洞，保证安全。

上述基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法，可以在接收线圈与预先部署在目标涵洞区域底部的发送线圈之间磁场耦合产生感应电流时，获取所述接收线圈的当前电压，以根据线圈电压-角度对应关系解算所述当前电压对应的当前角度，再根据当前角度确定无人航行器当前的姿态信息，以引导无人航行器顺利返回涵洞，其中所获取的当前的姿态信息具有较高的准确性，且获取过程相对简单，有效降低了姿态信息的获取成本。

在一个实施例中，所述线圈电压-角度对应关系的获取过程包括：

获取无人航行器的各组姿态角；

根据角度-电压计算公式计算各组姿态角分别对应的感应电压；所述角度-电压计算公式为无人航行器的姿态角与接收线圈的感应电压之间的计算公式。

一组姿态角可以包括俯仰角θ、偏航角α和横滚角

三个角度信息。具体地，α∈(-90°,90°)，θ∈(-90°,90°)，

可以10度为间隔，这样俯仰角θ、偏航角α和横滚角

分别可以具有如下取值特征：α＝(-90,…,-80°,0°,…,90°)，θ＝(-90°,…,-80°,0°,…,90°)，

此时，姿态角可以依据俯仰角θ、偏航角α和横滚角

的具体取值组合确定，姿态角的组数可以为俯仰角θ、偏航角α和横滚角

的具体取值的组合数确定。

作为一个实施例，所述角度-电压计算公式包括：

a_k＝3x_kz_k，b_k＝3y_kz_k，c_k＝2z_k ²-x_k ²-y_k ²，

式中，U表示接收线圈的感应电压，U_k表示第k个发送线圈所产生磁场在接收线圈产生的感应电压，k＝1,2,…,K，K表示发送线圈的个数，(x_k,y_k,z_k)表示以第k个发送线圈为原点时接收线圈的坐标，α表示航偏角，θ表示俯仰角，

表示横滚角，I_m表示发送线圈正弦激励电流幅值，ω表示角频率，t表示时间，μ₀表示磁导率，N_t表示发送线圈的匝数，N_r表示接收线圈的匝数，S_t表示发送线圈的面积，S_r表示接收线圈的面积，r表示发送线圈与接收线圈之间的距离。

作为一个实施例，线圈电压-角度对应关系(即电压-姿态角数学模型)的推导过程也可以包括：

单个发送线圈产生的磁场穿过接收线圈的磁通量为：

Φ＝(B₀·n)S_r，

其中，n为接收线圈的法向量，B₀为接收线圈中心的磁感应强度，S_r为接收线圈的面积。

航行器的姿态角由

表示，α为航行器的航偏角，θ为航行器的俯仰角，

为航行器的横滚角，r为发送线圈与接收线圈的距离，可以得到接收线圈所包括的3个线圈的法向量：

发送线圈k(第k个发送线圈)产生的磁场穿过三个接收线圈的磁通量为：

其中，Φ_k为发送线圈k产生的磁场穿过接收线圈的磁通量，

μ₀为磁导率，I为发送线圈激励电流，N_t表示发送线圈的匝数，S_t、S_r分别表示发送线圈和接收线圈的面积，r为发送线圈与接收线圈的距离，(x_k,y_k,z_k)表示以发送线圈k为原点时接收线圈的坐标，a_k＝3x_kz_k，b_k＝3y_kz_k，c_k＝2z_k ²-x_k ²-y_k ²。

根据法拉第电磁感应定律

可得接收线圈上的感应电压为：

其中，

I_m为发送线圈激励电流幅值，N_r表示接收线圈的匝数。

K个发送线圈分别工作，测量所有情况下的感应电压得到：

Ψ是与

有关的矩阵，α∈(-90°,90°),θ∈(-90°,90°),

以10度为间隔，此时有：α＝(-90,…,-80°,0°,…,90°)，θ＝(-90°,…,-80°,0°,…,90°)，

矩阵Θ为一个过完备字典，x为一个稀疏向量，可以采用压缩感知中正交匹配追踪的方法解算出稀疏向量x，得到其中非零项对应的

的值，即识别了无人航行器的姿态信息。

根据上式便可以计算各组姿态角分别对应的感应电压，以此确定线圈电压-角度对应关系。

再以1度为间隔，则有α＝(α₀-1°,…,α₀,…,α₀+1°)，θ＝(θ₀-1°,…,θ₀,…,θ₀+1°)，

与上述过程同理，再从根据下式：

恢复出x，得到其中非零项对应的

的精确估计值，即

至此，即获得了无人航行器的姿态信息。

上述基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法，利用放置于航行器内的接收线圈与预先部署在水底的发送线圈之间的磁场耦合，利用感应磁场在线圈上产生感应电流，具体可以通过电压传感器输出相应的感应电压数据，通过建立电压与姿态角的数学关系模型，获取姿态信息，即航行器的俯仰角、偏航角和横滚角，进而调整自身姿态。其中利用磁感应信道稳定、无多径效应、磁场穿透性强的特点，同时部署成本低，解决传统无人航行器使用水声传感节点不稳定，设备成本较高的问题。

在一个实施例中，参考图3所示，提供一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取系统包括发送线圈，接收线圈，电压传感器和数据处理模块；

所述发送线圈部署在目标涵洞区域底部，所述接收线圈，电压传感器和数据处理模块分别设置在无人航行器内；

所述接收线圈块与所述发送线圈块的磁场耦合产生感应电流；所述电压传感器测量所述接收线圈的当前电压，将当前电压发送至数据处理模块；数据处理模块执行上述任一实施例所述的基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法。

具体地，上述接收线圈模块可以包括三个半径相同的圆形导体线圈，每两个导体线圈所在的平面相互垂直且三个导体线圈共用一个圆心，构成全向接收线圈，导体线圈接入电压传感器模块，用于获取线圈上产生的感应电压值。目标涵洞区域固定K个发送线圈，发送线圈可以为单线圈。

上述基于磁感应的无人航行器姿态信息获取系统的工作过程可以包括：

当无人航行器行驶到涵洞障碍区域时，预先部署在涵洞周围的发送线圈模块受到电流激励，产生磁场，有此磁场穿过航行器接收线圈的磁通量会引发感应电流，通过电压传感器读取其线圈电压值。

建立接收线圈上的电压与姿态角的数学模型(电压-角度对应关系)，明确姿态角位置信息，如图4所示，以发送线圈位置为原点建立坐标系，航行器的姿态角由

表示，令α为航行器的航偏角，θ为航行器的俯仰角，

为航行器的横滚角。

单个发送线圈产生的磁场穿过接收线圈的磁通量为：

Φ＝(B₀·n)S_r，

其中，n为接收线圈的法向量，B₀为接收线圈中心的磁感应强度，S_r为接收线圈的面积。

发送线圈k产生的磁场穿过三个接收线圈的磁通量为

其中，Φ_k为发送线圈k产生的磁场穿过接收线圈的磁通量，

(x_k,y_k,z_k)表示以发送线圈k为原点时接收线圈的坐标，a_k＝3x_kz_k，b_k＝3y_kz_k，c_k＝2z_k ²-x_k ²-y_k ²；

根据法拉第电磁感应定律

可得接收线圈上的感应电压为：

其中，

K个发送线圈分别工作，测量所有情况下的感应电压得到：

通过对空间中的角度进行分解，查找电压对应的姿态信息。Ψ是与

有关的矩阵，α∈(-90°,90°),θ∈(-90°,90°),

以10度为间隔，此时有：α＝(-90°,-80°,…,0°,…,90°),θ＝(-90°,-80°,…,0°,…,90°)，

U＝Θx

其中，Θ为k×19³的矩阵，每一列为不同的

组合代入上式的结果，x＝(0,0,…,1,…,0)^T为19³×1的稀疏向量，通过压缩感知中正交匹配追踪算法解算出x中非零元素的位置，得到其中非零项对应的

的值；

再以1度为间隔，则有α＝(α₀-1°,…,α₀,…,α₀+1°)，θ＝(θ₀-1°,…,θ₀,…,θ₀+1°)，

与上述过程同理，再恢复出x，即得到其中非零项对应的

的精确估计值，即

至此，即获得了无人航行器的姿态信息。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，在接收线圈与预先部署在目标涵洞区域底部的发送线圈之间磁场耦合产生感应电流时，获取所述接收线圈的当前电压；其中，所述接收线圈设置在无人航行器上；

S20，根据线圈电压-角度对应关系解算所述当前电压对应的当前角度；所述线圈电压-角度对应关系记录各组姿态角对应的线圈电压；

S30，根据所述当前角度确定所述无人航行器当前的姿态信息；

所述线圈电压-角度对应关系的获取过程包括：获取无人航行器的各组姿态角；根据角度-电压计算公式计算各组姿态角分别对应的感应电压；所述角度-电压计算公式为无人航行器的姿态角与接收线圈的感应电压之间的计算公式；所述角度-电压计算公式包括：

a_k＝3x_kz_k，b_k＝3y_kz_k，c_k＝2z_k ²-x_k ²-y_k ²，

式中，U表示接收线圈的感应电压，U_k表示第k个发送线圈所产生磁场在接收线圈产生的感应电压，k＝1,2,…,K，K表示发送线圈的个数，(x_k,y_k,z_k)表示以第k个发送线圈为原点时接收线圈的坐标，α表示航偏角，θ表示俯仰角，

表示横滚角，I_m表示发送线圈正弦激励电流幅值，ω表示角频率，t表示时间，μ₀表示磁导率，N_t表示发送线圈的匝数，N_r表示接收线圈的匝数，S_t表示发送线圈的面积，S_r表示接收线圈的面积，r表示发送线圈与接收线圈之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法，其特征在于，所述姿态角包括俯仰角、偏航角和横滚角。

3.一种基于磁感应的无人航行器姿态信息获取系统，其特征在于，包括发送线圈，接收线圈，电压传感器和数据处理模块；

所述发送线圈部署在目标涵洞区域底部，所述接收线圈，电压传感器和数据处理模块分别设置在无人航行器内；

所述接收线圈块与所述发送线圈块的磁场耦合产生感应电流；所述电压传感器测量所述接收线圈的当前电压，将所述当前电压发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块执行如权利要求1或2所述的基于磁感应的无人航行器姿态信息获取方法。

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