CN111123368A - 一种基于水下低频电场的探测装置及水下探测定位方法 - Google Patents

一种基于水下低频电场的探测装置及水下探测定位方法 Download PDF

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CN111123368A CN201911410768.5A CN201911410768A CN111123368A CN 111123368 A CN111123368 A CN 111123368A CN 201911410768 A CN201911410768 A CN 201911410768A CN 111123368 A CN111123368 A CN 111123368A
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Abstract

本发明公开了一种基于水下低频电场的探测装置及水下探测定位方法，包括承载装置、驱动舱体和控制舱体，通过在承载装置下设置一个发生极以及多个接收极，利用多个滑动槽沿传动锥齿轮上同一圆周周向阵列设置的结构，在滑动槽内设有传动丝杠，传动丝杠一端固定有从动锥齿轮，从动锥齿轮与传动锥齿轮啮合，传动丝杠上套设有接收极固定滑块，实现每个接收极至发生极的距离相等，采取一对多的阵列电极布置形式，借助位于中心位置的发生极和多个接收极以实现对探测区域内各个方向的电场信号的实时采集，相对于单个传感器的布置形式采集到的电场信号更加精准同时信号的采集效率得以显著提高，能够快速准确获取发生极与多个接收极之间目标物的位置。

Description

一种基于水下低频电场的探测装置及水下探测定位方法
技术领域
本发明属于水下探测技术领域，具体涉及一种基于水下低频电场的探测装置及水下探测定位方法。
背景技术
水下目标物体的快速探测和精确识别成为现代国防与海洋工程领域的研究热点。按照探测方式的不同，目前传统的水下探测方式有两种，分别是:水下声学探测和水下光学探测。水下声学探测的基本原理是通过声学设备发射超声波，然后通过接受声波在物体表面产生的散射回波，根据散射强度的大小并且借助声波的多普勒效应等物理现象实现对目标物体的轮廓和位置的识别，其中应用较为广泛声学成像以及定位设备有单波束测深声呐、多波束测深与成像声呐、合成孔径声呐等，声学探测方法的优点是探测距离比较远，但是容易产生混响干扰并且一般成像精度不是很高；光学探测通常利用光学成像设备直接对水下目标进行照像，通过在物体表面照射一定的光源，然后接收目标物表面的反射回光来实现对目标物的光学成像。这种方法的优点是成像效果比较好，分辨率高但是光学探测以光传播的时间为一个重要指标，但在水质浑浊的时候探测效果差甚至无法应用，除此之外其近程测距的时间极短，需要高速的测时模块，对整个硬件系统提出了极高的要求；因此，如何实现水下物体高精度探测定位，提高水下探测定位精度成为研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水下低频电场的探测装置及水下探测定位方法，以克服现有技术水下物体探测定位精度低的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于水下低频电场的探测装置，包括承载装置、驱动舱体和控制舱体；
承载装置包括承载盘，承载盘上安装有传动锥齿轮，承载盘上开设多个滑动槽，多个滑动槽沿传动锥齿轮上同一圆周周向阵列设置，滑动槽内设有传动丝杠，传动丝杠一端固定有从动锥齿轮，从动锥齿轮与传动锥齿轮啮合，传动丝杠上套设有接收极固定滑块，接收极固定滑块与传动丝杠螺纹配合传动；承载盘下端中间固定有发生极，接收极固定滑块下端固定有接收极；每个接收极至发生极的距离相等；
驱动舱体与承载盘上端密封固定连接，驱动舱体内设有驱动电机；驱动电机的输出轴与传动锥齿轮固定连接；控制舱体一端与驱动舱体上端固定连接，控制舱体另一端接探测载体机器人，控制舱体内设有控制模块，驱动电机、发生极和接收极均连接于控制模块。
进一步的，承载盘上端设有密封连接孔，驱动舱体下端设有连接座，承载盘与驱动舱体通过螺钉密封连接，在承载盘与驱动舱体连接处设置密封胶。
进一步的，传动丝杠两端与承载盘之间设有传动轴承。
进一步的，驱动电机采用伺服电机；承载盘上的滑动槽沿承载盘周向均匀分布。
进一步的，承载盘下端设有发生极固定端，发生极采用过盈配合的方式和发生极固定端紧固连接；多个接收极均采用过盈配合的方式和接收极固定滑块紧固连接。
进一步的，接收极采用棒状纯钛。
进一步的，控制舱体内设有控制模块固定板，控制模块固定于控制模块固定板上，控制模块固定板上还固定有用于提供电源的电源模块。
一种基于水下低频电场的探测装置的水下探测定位方法，包括以下步骤：
步骤1)、获取待探测水域无干扰物时水体内接收极可接受到的原始信号强度
Figure BDA0002349908400000031
i为接收极个数；
步骤2)、在接收极与发生极距离不变情况下，将探测装置放置于待探测水域进行探测，通过接收极实时获取待探测水域的探测信号强度
Figure BDA0002349908400000032
步骤3)、若原始信号强度
Figure BDA0002349908400000033
与探测信号强度
Figure BDA0002349908400000034
相同，则无目标物；若原始信号强度
Figure BDA0002349908400000035
与探测信号强度
Figure BDA0002349908400000036
不同，且各接收极得到的探测信号强度
Figure BDA0002349908400000037
相同，则目标物体处于接收极所在圆周的中心位置；若原始信号强度
Figure BDA0002349908400000038
与探测信号强度
Figure BDA0002349908400000039
不同，且各接收极得到的探测信号强度
Figure BDA00023499084000000310
不完全相同，则计算各接收极所在方向上的受干扰程度
Figure BDA00023499084000000311
步骤4)、取受干扰程度最大的接收极所受干扰程度值为最大干扰程度dimax，若dimax≤e，e探测精度，则目标物体处于接收极所在圆周的中心位置；当dimax＞t，t为调整精度，t＞e，则以发生极为移动中心，沿发生极至受干扰程度最大的接收极方向移动，直至dimax≤t；
当dimax≤t，dimax＞e时，减小接收极所在圆周半径，直至dimax≤e，即可得到目标物中心位置为此时接收极所在圆周中心，目标物半径为为此时接收极所在圆周半径。
进一步的，步骤1)中，具体的，将探测装置放置于没有物体干扰的待测水域中，开启发生极产生低频电场，通过接收极获取待测水域各个方向的原始信号强度。
进一步的，以发生极为移动中心，每次沿发生极至受干扰程度最大的接收极方向移动距离为r/5，r为接收极所在圆周的半径
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于水下低频电场的探测装置，包括承载装置、驱动舱体和控制舱体，通过在承载装置下设置一个发生极以及多个接收极，利用多个滑动槽沿传动锥齿轮上同一圆周周向阵列设置的结构，在滑动槽内设有传动丝杠，传动丝杠一端固定有从动锥齿轮，从动锥齿轮与传动锥齿轮啮合，传动丝杠上套设有接收极固定滑块，实现每个接收极至发生极的距离相等，采取一对多的阵列电极布置形式，借助位于中心位置的发生极和多个接收极以实现对探测区域内各个方向的电场信号的实时采集，相对于单个传感器的布置形式采集到的电场信号更加精准同时信号的采集效率得以显著提高，能够快速准确获取发生极与多个接收极之间目标物的位置。
进一步的，电场信号接收极借助固定端滑块和丝杠导轨采用丝杠传动的方式，可以实现电场信号接收极和电场信号发生极之间距离的连续调整，使得整个装置具备更强的机动性和灵活性，提高复杂环境下的勘探能力和探测精度。
本发明一种基于水下低频电场的探测装置的水下探测定位方法，采用水下低频电场这一传播介质作为探测方式，能够有效的克服水体内杂质以及浑浊水体对探测带来的干扰，适用于多种环境的探测，实现目标物的精准定位。显著提高了水下目标物体探测的精度，采用收发电极间距连续可调的方法提高水下作业的机动性及适应性，支持多种场景下的探测，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明探测装置的结构图；
图2为本发明承载装置结构示意图；
图3为本发明接收极安装结构示意图；
图4为本发明的控制舱体内部结构示意图；
图5为本发明传动锥齿轮和从动锥齿轮连接结构示意图；
图6为本发明的工作流程图；
图中：1、承载装置；2、驱动舱体；3、控制舱体；4、承载盘；5、传动锥齿轮；6、滑动槽；7、传动丝杠；8、从动锥齿轮；9、接收极固定滑块；10、发生极；11、接收极；12、驱动电机；13、密封连接孔；14、发生极固定端；15、传动轴承；16、控制模块固定板；17、控制模块；18、电场信号发生模块；19、单片机；20、电场信号接收模块；21、电源管理板；22、电源模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和技术方案更加明显，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更详细、完整的描述。需要特别说明的是，为了便于描述，附图中仅给出了跟本发明相关的部分结构示意图，而不是全部的实施例。
参照图1至图5，一种基于水下低频电场的探测装置，包括承载装置1、驱动舱体2和控制舱体3；
承载装置1包括承载盘4，承载盘4上设有安装有传动锥齿轮5，承载盘4上开设多个滑动槽6，多个滑动槽6沿传动锥齿轮5上同一圆周周向阵列设置，即多个滑动槽6长度方向中心轴线过传动锥齿轮5圆心，滑动槽6内设有传动丝杠7，传动丝杠7一端固定有从动锥齿轮8，从动锥齿轮8与传动锥齿轮5啮合，传动丝杠7上套设有接收极固定滑块9，接收极固定滑块9与传动丝杠7螺纹配合传动，接收极固定滑块9通过传动丝杠7传动在滑动槽6内沿承载盘4径向滑动；承载盘4下端中间固定有发生极10，接收极固定滑块9下端固定有接收极11；每个接收极11至发生极10的距离相等；
驱动舱体2与承载盘4上端密封固定连接，驱动舱体2内设有驱动电机12；驱动电机12的输出轴与传动锥齿轮5固定连接，用于驱动传动锥齿轮5转动；控制舱体3一端与驱动舱体2上端固定连接，控制舱体3另一端接探测载体机器人，控制舱体3内设有控制模块17，驱动电机12、发生极10和接收极11均连接于控制模块。整个装置由控制舱体顶部的螺纹孔通过螺栓和探测载体机器人连接在一起，探测载体机器人采用水下航行器。
承载盘4上端设有密封连接孔13，驱动舱体2下端设有连接座，承载盘4与驱动舱体2通过螺钉密封连接，确保承载盘4与驱动舱体2连接部密封，在承载盘4与驱动舱体2连接处设置密封胶。驱动舱体2为筒状体。
传动丝杠7两端与承载盘4之间设有传动轴承15，承载装置1内的传动为二级传动，其一级传动机构采用锥齿轮啮合的方式，由驱动电机12驱动传动锥齿轮5，进而通过齿轮啮合驱动传动丝杠7顶部的从动锥齿轮8转动；其二级传动机构采用丝杠滑块传动的方式，传动丝杠7两端分别由传动轴承15承载并与承载盘4连接在一起。
驱动电机12采用伺服电机。承载盘4上的滑动槽6沿承载盘4周向均匀分布。承载盘4下端设有发生极固定端14，发生极10采用过盈配合的方式和发生极固定端14紧固连接。接收极11采用棒状纯钛，直径根据需求设计，本申请采用直径为10mm的棒状纯钛；多个接收极11均采用过盈配合的方式和接收极固定滑块9紧固连接。
控制舱体3内设有控制模块固定板16，控制模块17固定于控制模块固定板16上，控制模块固定板16采用电路板结构，控制模块固定板16为一圆形和长方形组成的T形结构；控制模块17包括电场信号发生模块18、单片机19、电场信号接收模块20和电源管理板21，控制模块固定板16上还固定有电源模块22。控制模块17通过上位机控制，控制模块17与上位机控制通过无线传输；驱动舱体2和控制舱体3可以为一体结构，控制模块集成到驱动舱体2内。
本发明采用丝杠滑块机构来实现调整接收极和用于电场信号发射的发生极10之间距离的功能，借助改变收发电极距离的大小来满足不同的精度测量需求。承载盘4上的接收极并采用圆周排布的布置方式，这种布置方式有利于扩大被测水域的面积。
本发明所采用的电场信号发生模块发生信号为正弦交流信号，幅值为5V，频率为100Hz，信号的发生主要由电场信号发生模块18来完成，电场信号发生模块18所生成信号的数字信息在其内部生成，通过控制数模转换器完成数字信号与模拟信号的转换，然后通过控制模块内部功率放大电路将信号传送给电场信号发生极10，进而在所探测的区域形成水下低频电场。
电场信号接收模块20主要负责采集接收极11所接收到的电场信号，接收极11将所处位置处的电信号传送至电场信号接收模块20，电场信号接收模块20对所收到的信号进行放大和滤波，并将所得的信号送至其内部的多路信号采集模块进行采样，完成模拟信号与数字信号的转换。
单片机19通过串口通信的方式与上位机进行信号交流，同时向驱动电机12发出控制指令，从而控制驱动电机12的转动进而驱动接收极11沿着滑动槽6径向移动从而调整收发电极之间的距离；将经电场信号接收模块20所处理的探测区域内的电场信号传输至上位机进行处理；上位机在对探测装置所处位置的电信号进行处理，进而对装置载体位置做出调整，同时发出控制信号由单片机19进一步调整驱动电机12的运行。
参照图6，为整个装置的的工作流程图，整个探测过程可以分为准备阶段、探测阶段和调整阶段三个阶段。
在准备阶段首先在上位机进行系统各个变量的初始化并设置好所需求的调整精度t和探测精度e，之后即可启动装置并将装置放置于没有物体干扰的水域中，所述水域的水质应和被测水域水质相同，此时电场信号发生极10会在被测水域产生一低频电场，同时接收极11可以记录在无干扰被测水域各个方向的原始信号强度
Figure BDA0002349908400000081
i为接收极个数，本申请i取值12；探测过程中接收极为最大探测半径，即初始探测半径。
之后进行探测阶段，在探测阶段首先将装置置于被测水域，由电场信号的发生极10会在被测水域产生一低频电场，接收极11对探测水域多个方向的电场信号进行收集，所收集到的电场信号，经由电场信号接收模块20处理，再由单片机19的串口通信传输至上位机；
由于被测水域目标物体的存在会对已建立的电场强度产生一定的干扰，其变化量δV具体可以表达为：
Figure BDA0002349908400000082
式子中：a——目标物体的曲率半径
Ef——被测区域的电场强度
Xt——目标物体与发生极的距离
σwater——被测水域水的电导率
σtarget——目标物体的电导率
此时，由于目标物体的干扰，接收极11所测得的探测信号强度
Figure BDA0002349908400000096
会和不存在目标物体干扰时各个接收极的原始信号强度
Figure BDA0002349908400000095
的信号强度不同；此外当目标物体处于接收极11所在圆周的中心位置时，其对各个接收极所产生的干扰相同，因此当各接收极受干扰程度相同时此时装置的中心位置即为目标物体所在的位置。
对原始信号强度
Figure BDA0002349908400000091
和探测信号强度
Figure BDA0002349908400000092
做进一步的处理，求出接收极11所处的方向上受干扰程度
Figure BDA0002349908400000093
取受干扰程度最大的接收极所受干扰程度值为最大干扰程度dimax，并将最大干扰程度dimax与调整精度t进行比较，此时存在两种情况，当dimax≤t成立，此时可认为探测装置圆心所处的位置(即发生极所在位置)为目标物体所在的位置，进而调整接收极所在圆周半径，获取；当dimax＞t，此时需要就一步借助探测载体如航行器调整探测装置的所处位置，即进入调整阶段。
请参阅图5，装置的调整阶段分为两个步骤，首先是对探测装置位置的调整阶段，这一阶段的主要是借助探测装置的载体来实现对探测装置位置的调整，位置调整的方向为受干扰程度最大的接收电极所处的方位
Figure BDA0002349908400000094
具体指由发生极指向受干扰程度最大的接收电极方向，确定方位后将整个探测装置沿着该方向移动r/5(r为接收极所处圆周的初始半径)的距离；装置位置调整过后再一次进入探测阶段，直至dimax≤t成立。
调整阶段的第二个步骤为接收极11所处圆周的半径调整，主要是由驱动电机12、传动锥齿轮5、从动锥齿轮8、传动丝杠7、发生极固定端25来实现；当探测装置位置经过不断地调整而满足dimax≤t时候，开始进入第二阶段调整，取此时的最大干扰程度dimax与所需求的探测精度e进行比较，此时存在两种情况，当dimax≤e的，此时探测装置中心所处的位置满足本次探测精度的需求，发生极所对位置即为所需位置；当dimax＞e，即装置中心所处位置无法满足探测需求，此时通过传动丝杠7和发生极固定端25使得接收极11共同沿着承载装置1的径向移动r/5(r为接收极所在圆周的半径)，之后再对接收极1所收到的新的位置下的信号进行处理，不断对接收极11所接受到的电信号进行调整最终使得dimax≤e；从而使得探测装置实现在不同水域下高精度测量的功能。
本发明利用水下低频电场作为探测方式，突破了传统水下声学探测和水下光学探测所存在的诸多限制；同时利用水下低频电场作为探测方式优势，提高了整个探测装置的环境适应性，无论在清澈水域还是浑浊水域都能达到很好的探测效果；低频电场的利用也降低了整个装置的能耗，更加节能环保。
本发明将传统逐点探测的方式和移动电极结合在一起，首先通过装置的整体移动达到粗略定位的目的，之后通过传动机构不断调整收发电极之间的距离，对粗略定位的效果进行不断的校正从而实现高精度定位。
综上所述，本发明提出的基于水下电场的精确定位装置具有更强的环境适应性和更高的定位精度，在军民领域的水下任务中具有广阔的应用前景。
以上内容仅为说明本申请发明的技术思想，不能作为限定本发明的保护范围的依据，凡是按照本发明提出的设计构思和技术特征，在技术方案上所做的任何修改与替换，均在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于水下低频电场的探测装置，其特征在于，包括承载装置(1)、驱动舱体(2)和控制舱体(3)；
承载装置(1)包括承载盘(4)，承载盘(4)上安装有传动锥齿轮(5)，承载盘(4)上开设多个滑动槽(6)，多个滑动槽(6)沿传动锥齿轮(5)上同一圆周周向阵列设置，滑动槽(6)内设有传动丝杠(7)，传动丝杠(7)一端固定有从动锥齿轮(8)，从动锥齿轮(8)与传动锥齿轮(5)啮合，传动丝杠(7)上套设有接收极固定滑块(9)，接收极固定滑块(9)与传动丝杠(7)螺纹配合传动；承载盘(4)下端中间固定有发生极(10)，接收极固定滑块(9)下端固定有接收极(11)；每个接收极(11)至发生极(10)的距离相等；
驱动舱体(2)与承载盘(4)上端密封固定连接，驱动舱体(2)内设有驱动电机(12)；驱动电机(12)的输出轴与传动锥齿轮(5)固定连接；控制舱体(3)一端与驱动舱体(2)上端固定连接，控制舱体(3)另一端接探测载体机器人，控制舱体(3)内设有控制模块(17)，驱动电机(12)、发生极(10)和接收极(11)均连接于控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于水下低频电场的探测装置，其特征在于，承载盘(4)上端设有密封连接孔(13)，驱动舱体(2)下端设有连接座，承载盘(4)与驱动舱体(2)通过螺钉密封连接，在承载盘(4)与驱动舱体(2)连接处设置密封胶。
3.根据权利要求1所述的一种基于水下低频电场的探测装置，其特征在于，传动丝杠(7)两端与承载盘(4)之间设有传动轴承(15)。
4.根据权利要求1所述的一种基于水下低频电场的探测装置，其特征在于，驱动电机(12)采用伺服电机；承载盘(4)上的滑动槽(6)沿承载盘(4)周向均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于水下低频电场的探测装置，其特征在于，承载盘(4)下端设有发生极固定端(14)，发生极(10)采用过盈配合的方式和发生极固定端(14)紧固连接；多个接收极(11)均采用过盈配合的方式和接收极固定滑块(9)紧固连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于水下低频电场的探测装置，其特征在于，接收极(11)采用棒状纯钛。
7.根据权利要求1所述的一种基于水下低频电场的探测装置，其特征在于，控制舱体(3)内设有控制模块固定板(16)，控制模块(17)固定于控制模块固定板(16)上，控制模块固定板(16)上还固定有用于提供电源的电源模块(22)。
8.一种基于权利要求1所述水下低频电场的探测装置的水下探测定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、获取待探测水域无干扰物时水体内接收极可接受到的原始信号强度
Figure FDA0002349908390000021
i为接收极个数；
步骤2)、在接收极与发生极距离不变情况下，将探测装置放置于待探测水域进行探测，通过接收极实时获取待探测水域的探测信号强度
Figure FDA0002349908390000022
步骤3)、若原始信号强度
Figure FDA0002349908390000023
与探测信号强度
Figure FDA0002349908390000024
相同，则无目标物；若原始信号强度
Figure FDA0002349908390000025
与探测信号强度
Figure FDA0002349908390000026
不同，且各接收极得到的探测信号强度
Figure FDA0002349908390000027
相同，则目标物体处于接收极所在圆周的中心位置；若原始信号强度
Figure FDA0002349908390000028
与探测信号强度
Figure FDA0002349908390000029
不同，且各接收极得到的探测信号强度
Figure FDA00023499083900000210
不完全相同，则计算各接收极所在方向上的受干扰程度
Figure FDA00023499083900000211
步骤4)、取受干扰程度最大的接收极所受干扰程度值为最大干扰程度dimax，若dimax≤e，e探测精度，则目标物体处于接收极所在圆周的中心位置；当dimax＞t，t为调整精度，t＞e，则以发生极为移动中心，沿发生极至受干扰程度最大的接收极方向移动，直至dimax≤t；
当dimax≤t，dimax＞e时，减小接收极所在圆周半径，直至dimax≤e，即可得到目标物中心位置为此时接收极所在圆周中心，目标物半径为为此时接收极所在圆周半径。
9.根据权利要求8所述的一种基于水下低频电场的探测装置的水下探测定位方法，其特征在于，步骤1)中，具体的，将探测装置放置于没有物体干扰的待测水域中，开启发生极产生低频电场，通过接收极获取待测水域各个方向的原始信号强度。
10.根据权利要求8所述的一种基于水下低频电场的探测装置的水下探测定位方法，其特征在于，以发生极为移动中心，每次沿发生极至受干扰程度最大的接收极方向移动距离为r/5，r为接收极所在圆周的半径。
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