CN110703206A - 水下uuv通信定位一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下UUV通信定位一体化系统，包括：一个或多个信标、设置于水下UUV上的定位模块；所述信标包括：机箱、第一深度传感器、水声通信换能器A以及水声通信换能器吊放回收装置；所述设置于水下UUV上的定位模块包括：水声通信换能器B、通信及定位模块。本发明不增加水下UUV硬件规模的前提下，通过软件处理实现了水声通信与定位一体化；并通过采用直扩信号作为水声定位测距过程的信号形式、高速OFDM通信信号作为录影像资料(经压缩)传输的信号形式的通信定位一体化设计，在保证摄录影像资料传输的前提下，提高摄录影像资料的可用性(增加相应位置信息)。

Description

水下UUV通信定位一体化系统

技术领域

本发明涉及通信定位技术领域，具体地，涉及一种水下UUV通信定位一体化系统。尤其地，涉及一种针对水下设备检测、沉底目标搜寻等任务所需水下UUV的通信/定位系统。

背景技术

水下UUV携带高清摄像机，在执行水下设备检测、沉底目标搜寻等任务时，需要将摄录影像资料传输到控制端以便工作人员进行问题排查。由于电磁通信在水下传播距离近，不适用于水下远距离传输；有缆传输虽然传输速率高，但传输距离和灵活性较差。因此本发明采用水声通信作为摄录影像资料(经压缩)传输的载体，在保证摄录影像资料传输的前提下，提高水下UUV的灵活性和作用范围。为了提高摄录影像资料的可用性，需要为摄录影像资料添加对应位置信息。由于GPS信号水下传播损耗大、惯导价格较昂贵等原因，上述定位方法在以上水下场景不适用；其他水声定位方法中通过布放水下基线阵来进行单独定位，水下UUV需要大大增加硬件规模。

本发明以水声通信系统为基础，并在其基础上加以适应性改进，使其兼有通信和定位功能，且设备布放容易，携带、回收方便。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下UUV通信定位一体化系统。

根据本发明提供的一种水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，包括：

一个或多个信标、设置于水下UUV上的定位模块；

所述信标包括：机箱、第一深度传感器、水声通信换能器A以及水声通信换能器吊放回收装置；

所述设置于水下UUV上的定位模块包括：

水声通信换能器B、通信及定位模块。

优选地，还包括：显控平台；

所述机箱内包括：

GPS接收模块、串口通信模块、水声通信模块、电源模块以及WIFI模块。

优选地，所述GPS接收模块置于所述机箱上，用于捕获GPS信号，获取机箱的经纬度信息。

优选地，所述串口通信模块为水下UUV获得定位命令信息及水下UUV传输传感信息预留接口。

优选地，所述水声通信模块设置于所述机箱内部，实现所述一个或多个信标和设置于水下UUV上的定位模块之间的通信及数据传输，并利用通信信号完成信标与定位模块的距离测量，从而实现水下UUV定位。

优选地，所述WIFI模块设置于机箱内部，用于与显控平台进行数据和控制信息交互。

优选地，所述第一深度传感器设置于所述水声通信换能器A顶部，通过获取所述水声通信A处的水压从而得到所述水声通信换能器A的入水深度。

优选地，所述水声通信机换能器B设置于水下UUV壳体顶部，所述通信及定位模块设置于水下UUV壳体内部；

所述水下UUV还设置有第二深度传感器，用以提供水下UUV的深度信息。

优选地，所述水下UUV定时将水下图片信息通过水声通信换能器B传输至所述信标，再经所述WIFI模块将图片信息传输至显控平台；

经判别有定位需求时，显控平台向所述WIFI模块传输定位命令信息，并由所述水声通信模块进行定位命令信息的编码和调制，然后所述信标的水声通信换能器A将定位命令通过水声通信模块发送水声信号至水下UUV，水下UUV通过所述水声通信换能器B对水声信号进行接收，并经过所述通信及定位模块进行接收信号的解调和解码，恢复出传输信息，根据恢复出的传输信息来进行功能判决，区分是进行测距操作还是通信操作：若进行测距操作，则依据水声定位系统工作流程进行处理；若进行通信操作，则依据水声图像信息通信模块工作流程进行图片信息传输处理；

当所述通信及定位模块从恢复出的传输信息中获取到定位命令信息后，通过所述水声通信换能器B向所述信标发送定位请求，所述信标获取到定位请求后，获取所述GPS接收模块的定位信息和所述深度传感器的深度信息，并将获得的定位信息及深度信息通过所述信标的水声通信换能器A发送给水下UUV，水下UUV对多个不同位置处的所述信标信息和自身深度传感器的深度信息进行融合处理，得到水下UUV自身的水下坐标。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的基于水声通信的水下UUV定位系统，信标能够较灵活的在作业场景中布置，具有布置时间短，携带方便的优势；且水下UUV能够在不增加硬件规模的前提下，实现水声通信与定位一体化。

2、本发明以水声通信系统为基础，并在其基础上加以适应性改进，使其兼有通信和定位功能。此系统在不增加水下UUV硬件规模的前提下，通过软件处理实现了水声通信与定位一体化；并通过采用直扩信号作为水声定位测距过程的信号形式、高速OFDM通信信号作为录影像资料(经压缩)传输的信号形式的通信定位一体化设计，在保证摄录影像资料传输的前提下，提高摄录影像资料的可用性(增加相应位置信息)。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的水声定位系统布置场景示意图；

图2为本发明提供的水声通信定位系统组成图；

图3为本发明提供的信标结构示意图；

图4为本发明提供的水下UUV内部模块连接示意图；

图5为本发明提供的水声通信定位系统软处理示意图；

图6为本发明提供的水声通信定位系统工作流程示意图；

图7为本发明提供的水声图像信息通信模块工作流程示意图；

图8为本发明提供的水声定位指令通信模块工作流程示意图；

图9为本发明提供的水下UUV的GPS坐标解算流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，包括：

一个或多个信标、设置于水下UUV上的定位模块；

所述信标包括：机箱、第一深度传感器、水声通信换能器A以及水声通信换能器吊放回收装置；

所述设置于水下UUV上的定位模块包括：

水声通信换能器B、通信及定位模块。

具体地，还包括：显控平台；

所述机箱内包括：

GPS接收模块、串口通信模块、水声通信模块、电源模块以及WIFI模块。

具体地，所述GPS接收模块置于所述机箱上，用于捕获GPS信号，获取机箱的经纬度信息。

具体地，所述串口通信模块为水下UUV获得定位命令信息及水下UUV传输传感信息预留接口。

具体地，所述水声通信模块设置于所述机箱内部，实现所述一个或多个信标和设置于水下UUV上的定位模块之间的通信及数据传输，并利用通信信号完成信标与定位模块的距离测量，从而实现水下UUV定位。

具体地，所述WIFI模块设置于机箱内部，用于与显控平台进行数据和控制信息交互。

具体地，所述第一深度传感器设置于所述水声通信换能器A顶部，通过获取所述水声通信A处的水压从而得到所述水声通信换能器A的入水深度。

具体地，所述水声通信机换能器B设置于水下UUV壳体顶部，所述通信及定位模块设置于水下UUV壳体内部；

所述水下UUV还设置有第二深度传感器，用以提供水下UUV的深度信息。

具体地，所述水下UUV定时将水下图片信息通过水声通信换能器B传输至所述信标，再经所述WIFI模块将图片信息传输至显控平台；

经判别有定位需求时，显控平台向所述WIFI模块传输定位命令信息，并由所述水声通信模块进行定位命令信息的编码和调制，然后所述信标的水声通信换能器A将定位命令通过水声通信模块发送水声信号至水下UUV，水下UUV通过所述水声通信换能器B对水声信号进行接收，并经过所述通信及定位模块进行接收信号的解调和解码，恢复出传输信息，根据恢复出的传输信息来进行功能判决，区分是进行测距操作还是通信操作：若进行测距操作，则依据水声定位系统工作流程进行处理；若进行通信操作，则依据水声图像信息通信模块工作流程进行图片信息传输处理；

当所述通信及定位模块从恢复出的传输信息中获取到定位命令信息后，通过所述水声通信换能器B向所述信标发送定位请求，所述信标获取到定位请求后，获取所述GPS接收模块的定位信息和所述深度传感器的深度信息，并将获得的定位信息及深度信息通过所述信标的水声通信换能器A发送给水下UUV，水下UUV对多个不同位置处的所述信标信息和自身深度传感器的深度信息进行融合处理，得到水下UUV自身的水下坐标。

下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。

优选例1：

下面结合具体实例对本发明作进一步描述。以下实施仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下面结合附图和实例对本发明专利进行进一步说明。

本水声定位系统主要由三个信标、集成于水下UUV上的定位模块组成。

三个信标布放在相对作业区域较开阔的位置，如图1中信标的布放位置。信标由机箱、深度传感器、水声通信换能器和水声通信换能器吊放回收装置等组成。其中机箱内包含GPS接收模块、串口通信模块、水声通信模块、电源模块等组成。

步骤一，设备布放；

将三套信标布放在相对作业区域较开阔的位置，如图1中信标的布放位置，如果作业区域离岸较远，可采用信标与浮力装置捆绑的方式，将信标锚在某一水域。

步骤二，水下UUV通信定位；

①等待信标自定位完成，包括信标换能器的深度和换能器的GPS坐标；

②操控端与某一信标(根据信号强度原则选取)通过WIFI互联；

③水下UUV根据前期设定进行作业，并通过水声通信将经过压缩处理的水下UUV摄录影像资料上传到操控端进行人为判别，水声图像信息通信模块工作流程如图7所示。如果通过观察上传的摄录影像资料发现感兴趣目标，则需要定位此时目标位置；

④操控端通过控制软件，经WIFI模块发送定位命令至与操控端互联的信标；

⑤与操控端互联的信标将定位指令通过水声通信告知水下UUV，水下UUV主控板通过RS232模块将定位指令传至水下UUV定位模块，水声定位指令通信模块工作流程如图8所示；

⑥水下UUV启动一次定位过程；

⑴水下UUV定位模块处理子模块发起测距命令，测距命令包含信标的选择码，首先选择信标1；

⑵水下UUV与信标1发起问询通信，信标1收到水下UUV问询信号后返回应答信号，应答信号同时包含信标1的深度信息和位置信息，水下UUV计算应答信号与问询信号之间的时延差T_c，计算与信标1之间的传播时间，结合声速计算与信标1之间的距离；

⑶水下UUV重复⑵步骤，得到水下UUV与信标2、3之间的距离。

定位信标和水下UUV之间的距离：

其中，r_i表示定位信标i和水下UUV之间的距离，c表示声速(一般取1500m/s)，T_c表示发射和接收的时间延迟。

⑦水下UUV定位模块处理子模块根据所有信标测距结果和信标位置及深度信息，计算水下UUV位置(x,y)，公式如下：

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)为信标1、2、3的位置坐标，z₁、z₂、z₃为信标1、2、3的深度，z为水下UUV的深度，r_i(i＝1,2,3)表示定位信标i和水下UUV之间的距离，上述变量为已知量。水下UUV的GPS坐标解算流程如图9所示；

⑧水下UUV将定位结果通过水声通信传至与操控端互联的信标，再通过WIFI模块将水下UUV定位结果传至用户端；

⑨完成定位过程，水下UUV重新进入作业状态。

步骤三，设备回收。

完成作业任务后，将水下UUV通过水声通信的方式召回并打捞；将三个通信与定位浮标打捞并保存。

最后所应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

优选例2：

本发明以水声通信系统为基础，并在其基础上加以适应性改进，使其兼有通信和定位功能。其特征在于：水下UUV能够在不增加硬件规模的前提下，实现了水声通信与定位一体化。

根据所述的水下UUV通信定位一体化系统，通过采用直扩信号作为水声定位测距过程的信号形式、采用高速OFDM通信信号作为录影像资料(经压缩)传输的信号形式的通信定位一体化设计。其特征在于：在保证摄录影像资料传输的前提下，提高摄录影像资料的可用性(增加相应位置信息)。

优选例3：

本发明为解决现有水下UUV作业过程的上传的摄录影像资料的可用性和单独定位系统中存在的上述缺陷与不足，提供了一种水下UUV通信定位一体化系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下UUV通信定位一体化系统，场景布置示意图如图1所示。

本水声通信、定位一体化系统主要由三个信标、集成于水下UUV上的定位模块组成，如图2虚线框所示。

所述信标包括机箱、深度传感器、水声通信换能器A和水声通信换能器吊放回收装置，所述定位模块包括水声通信换能器B和通信/定位信号处理板组成；

所述机箱内包含GPS接收模块、串口通信模块、水声通信模块、电源模块和WIFI模块。

所述GPS接收模块置于所述机箱上，用于捕获GPS信号，获取机箱的经纬度信息；

所述通信模块位于所述机箱内部，实现所述信标和水下UUV之间的通信及数据传输，并利用通信信号完成信标与水下UUV距离测量，从而实现水下UUV定位；

所述WIFI模块位于机箱内部，用于与显控平台(平板电脑)进行数据和控制信息交互；

所述深度传感器位于所述水声通信换能器A顶部，通过获取所述水声通信A处的水压从而得到所述水声通信换能器A的入水深度，如图3所示；

所述水声通信机换能器B置于水下UUV壳体顶部，所述通信/定位信号处理板置于水下UUV壳体内部(即通信/定位模块)。水下UUV配有一个深度传感器，用以提供水下UUV深度信息。水下UUV内部组成如图4所示。

水下UUV定时将水下图片信息利用水下UUV的所述水声通信换能器B发送到所述信标，经所述WIFI模块将图片信息传输至显控模块；经过人员判别有定位需求时，显控平台向所述WIFI模块传输定位信息，并由所述水声通信模块进行处理，然后所述信标的水声通信换能器A将定位命令通过水声通信发送给水下UUV，水下UUV通过所述水声通信换能器B对水声信号进行接收，并经过所述通信/定位信号处理板进行处理，根据数据信号标志来进行功能判决，区分是进行测距处理还是通信处理；所述通信/定位信号处理板获取到定位命令后，通过所述水声通信换能器B向所述信标发送定位请求，所述信标获取到定位请求后，获取所述GPS接收模块的定位信息和所述深度传感器的深度信息，并将数据信息通过所述信标的水声通信换能器A发送给水下UUV，水下UUV对多个不同位置处的所述信标信息和自身深度传感器的深度信息进行融合处理，得到水下UUV自身的水下坐标。

水声通信和水声测距的硬件基本相同，信息流程在发射端均需通过信源编码、信号调制、功率驱动、水声换能器发射等过程，在接收端均需要通过水听器信号接收放大、信息解调、信息解码等过程。由于水声通信和水声测距定位存在诸多共同之处，本系统在同一套硬件设备上，通过软件处理等方式，实现水声定位和水声通信的功能一体化，在通信的同时，实现了定位，不需要增加额外硬件；并且通信传递的额外测距校准信息(实测声速)，增加了测距的精度。水声通信定位系统软处理示意图如图5所示。

进一步，水下UUV上的水声通信与定位换能器的位置最好放置在水下UUV的背部；

进一步，摄录影像资料需要在水下UUV端进行压缩处理，从而能够适应水声通信速率较低的特点；

进一步，采用直扩信号作为水声定位测距过程的信号形式，采用高速OFDM通信信号作为录影像资料(经压缩)传输的信号形式。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，包括：

一个或多个信标、设置于水下UUV上的定位模块；

所述信标包括：机箱、第一深度传感器、水声通信换能器A以及水声通信换能器吊放回收装置；

所述设置于水下UUV上的定位模块包括：

水声通信换能器B、通信及定位模块。

2.根据权利要求1所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，还包括：显控平台；

所述机箱内包括：

GPS接收模块、串口通信模块、水声通信模块、电源模块以及WIFI模块。

3.根据权利要求2所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，所述GPS接收模块置于所述机箱上，用于捕获GPS信号，获取机箱的经纬度信息。

4.根据权利要求3所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，所述串口通信模块为水下UUV获得定位命令信息及水下UUV传输传感信息预留接口。

5.根据权利要求4所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，所述水声通信模块设置于所述机箱内部，实现所述一个或多个信标和设置于水下UUV上的定位模块之间的通信及数据传输，并利用通信信号完成信标与定位模块的距离测量，从而实现水下UUV定位。

6.根据权利要求5所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，所述WIFI模块设置于机箱内部，用于与显控平台进行数据和控制信息交互。

7.根据权利要求6所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，所述第一深度传感器设置于所述水声通信换能器A顶部，通过获取所述水声通信A处的水压从而得到所述水声通信换能器A的入水深度。

8.根据权利要求7所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，所述水声通信机换能器B设置于水下UUV壳体顶部，所述通信及定位模块设置于水下UUV壳体内部；

所述水下UUV还设置有第二深度传感器，用以提供水下UUV的深度信息。

9.根据权利要求8所述的水下UUV通信定位一体化系统，其特征在于，所述水下UUV定时将水下图片信息通过水声通信换能器B传输至所述信标，再经所述WIFI模块将图片信息传输至显控平台；

经判别有定位需求时，显控平台向所述WIFI模块传输定位命令信息，并由所述水声通信模块进行定位命令信息的编码和调制，然后所述信标的水声通信换能器A将定位命令通过水声通信模块发送水声信号至水下UUV，水下UUV通过所述水声通信换能器B对水声信号进行接收，并经过所述通信及定位模块进行接收信号的解调和解码，恢复出传输信息，根据恢复出的传输信息来进行功能判决，区分是进行测距操作还是通信操作：若进行测距操作，则依据水声定位系统工作流程进行处理；若进行通信操作，则依据水声图像信息通信模块工作流程进行图片信息传输处理；

当所述通信及定位模块从恢复出的传输信息中获取到定位命令信息后，通过所述水声通信换能器B向所述信标发送定位请求，所述信标获取到定位请求后，获取所述GPS接收模块的定位信息和所述深度传感器的深度信息，并将获得的定位信息及深度信息通过所述信标的水声通信换能器A发送给水下UUV，水下UUV对多个不同位置处的所述信标信息和自身深度传感器的深度信息进行融合处理，得到水下UUV自身的水下坐标。

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