CN111398905B - 一种基于多声学信标引导的auv水下回收对接系统 - Google Patents

一种基于多声学信标引导的auv水下回收对接系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111398905B
CN111398905B CN202010138694.0A CN202010138694A CN111398905B CN 111398905 B CN111398905 B CN 111398905B CN 202010138694 A CN202010138694 A CN 202010138694A CN 111398905 B CN111398905 B CN 111398905B
Authority
CN
China
Prior art keywords
auv
transducers
central axis
recovery platform
underwater recovery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010138694.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111398905A (zh
Inventor
徐元欣
黄弛骋
阮亮
曾大亨
周杰
马鑫奇
李曾妮
战元龙
林佳祥
裴鹏辉
李铭凯
郑少波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202010138694.0A priority Critical patent/CN111398905B/zh
Publication of CN111398905A publication Critical patent/CN111398905A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111398905B publication Critical patent/CN111398905B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/24—Position of single direction-finder fixed by determining direction of a plurality of spaced sources of known location
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
    • G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/26—Position of receiver fixed by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • B63G2008/002—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned
    • B63G2008/005—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned remotely controlled

Abstract

本发明公开了一种基于多声学信标引导的AUV水下回收对接系统，包括AUV和水下回收平台，回收平台上安装多个换能器作为声学回收信标，水下航行器上装有能接收换能器信号的声学接收器和相应的处理模块；回收平台上的换能器发出声定位信号，水下航行器通过接收到的声学信号间的相位差或到达时间差计算出其与回收平台中轴线的相对偏差，并以此修正自身的水平位置、垂直位置或者两者兼顾，水下航行器控制部分可由此控制航行器在回收过程中的位置、方向在水平面、垂直面上尽量位于回收平台的中轴线上，同时航行器通过其他所载传感器修正自身的前进姿态、速度等，以实现与回收平台的精准对接。

Description

一种基于多声学信标引导的AUV水下回收对接系统
技术领域
本发明属于海洋工程及自动化控制技术领域，具体涉及一种基于多声学信标引导的AUV水下回收对接系统。
背景技术
为了充分了解、保护、开发并利用江河湖海的资源，行动灵活，使用方便，数据交互快速便捷的水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)现已广泛应用于水质勘查、海军反水雷作战、水生生物调查、水面与水下工程开发与检测等方面。但是，受到电池技术的制约，AUV无法进行长时间航行，且AUV也必须定期进行数据上传和任务下载，因此其不得不频繁返回水下回收平台进行能源补充、数据交互、任务发布、保障维护等工作。由于水下具有环境复杂多变、信号衰减严重、干扰众多等特点，AUV水下回收技术面临着极大的挑战，常见的回收对接方式有：悬浮捕获绳对接、固定对接杆回收、水中平台落坐式对接和圆锥导向罩回收。为了准确的完成回收对接目标，必须通过传感器测量AUV与对接装置间的相对位置，常用的传感器包括声学传感器、光学传感器和电磁传感器，其中光学传感器和电磁传感器都具有较高精度，但两者有效距离都极短，大致只有30m左右，这严重限制了AUV的可活动范围；相比其他两种传感器，声学传感器具有作用距离远，受环境干扰小等优点，被广泛采用。
目前基于声学传感器的水下回收对接方法一般都采用基线定位系统，包括长基线LBL、短基线SBL和超短基线USBL等，具体定位方法为：
(1)基于长基线的声学定位系统，该方式需要事先将多个声学信标固定在海底，且信标之间相距较远，从几公里到几十公里不等，距离越远精度越高；使用之前，必须先测得所有信标在海底的坐标，之后AUV通过实时的测量自身与各个信标之间的距离来解算出AUV的相对位置；该方式需要事先在海底进行大范围的信标布置，使用起来极其繁琐且不够灵活。
(2)基于超短基线的声学定位系统，该方式只需要一个换能器作为声学信标，该信标的安装位置没有具体要求，不过一般都安装在回收装置上，除此之外还需要相应的应答器和接收基阵；使用之前，需要将声学信标与对接装置间的相对位置告诉AUV，之后AUV通过自身搭载的超短基线基阵接收声学信标所发送的声学定位信号，并根据基阵中不同阵元接收到的信号间的相位差进行定位解算；该方式的主要缺点是AUV与声学信标之间需要进行信息交互，降低了抗干扰性，也缺乏隐蔽性。
上述方法或前期布置复杂繁琐，或缺乏抗干扰性和隐蔽性，为了高效可靠的完成AUV水下回收对接任务，研究人员迫切需要一种结构简单、无交互、高可靠、高精度的AUV自主回收对接系统。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于多声学信标引导的AUV水下回收对接系统，其采用2～4个换能器作为声学信标，回收装置采用漏斗形回收架，所有换能器都安装在回收架上，信标布置十分简单，且定位方法不需要AUV与声学信标间进行信息交互(AUV单向接收即可)，具有较高的抗干扰性和隐蔽性以及结构简单、无交互、高更新率、低功耗、高可靠、高精度的优点。
一种基于多声学信标引导的AUV水下回收对接系统，包括AUV和水下回收平台，所述水下回收平台包括漏斗形的回收架、供电模块以及换能器，所述供电模块插电接口的一端与回收架的漏斗窄口相连接，回收架的漏斗内壁上布置有2～4个换能器作为声学信标，这些换能器处于同一平面T且该平面与漏斗的中轴线z垂直；
所述AUV搭载有用于接收声定位信号的声学接收器，AUV根据不同换能器所发出声学定位信号的到达时间差或基带信号相位差解算出自身位置与水下回收平台的相对偏差，进而根据该偏差控制自身上下左右移动以与水下回收平台对接，使得AUV在整个回坞过程中与水下回收平台之间无需信息交互，只需单向接收即可进行相对定位。由于AUV单向接收，无需回发信号，拥有低功耗的优点。
进一步地，若换能器相互间的安装间距d≤λ/2，λ为基带信号的波长，则换能器发送的声定位信号为调频信号，该调频信号上调制有携带信息的基带信号，不同换能器发出的调频信号频率不同，但调制的基带信号相同，AUV对接收到的调频信号进行解调后得到基带信号相位差；若布置的换能器个数为2个，AUV能根据基带信号相位差修正自身的水平位置或垂直位置；若布置的换能器个数为3～4个，AUV能根据基带信号相位差同时修正自身的水平位置和垂直位置。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为水平方向对称分布，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线AB的夹角α，进而根据夹角α控制自身左右移动使得α最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，AB为水平方向2个换能器之间的连线；
Figure BDA0002398253570000031
其中：
Figure BDA0002398253570000032
为AUV接收到来自水平方向2个换能器的基带信号的相位差，dx为水平方向2个换能器的安装间距。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为垂直方向对称分布，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线CD的夹角β，进而根据夹角β控制自身上下移动使得β最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，CD为垂直方向2个换能器之间的连线；
Figure BDA0002398253570000033
其中：
Figure BDA0002398253570000034
为AUV接收到来自垂直方向2个换能器的基带信号的相位差，dy为垂直方向2个换能器的安装间距。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为4个且为水平和垂直方向各对称布置一对，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线AB的夹角α以及连线OS与连线CD的夹角β，进而根据夹角α控制自身左右移动使得α最终为90°，根据夹角β控制自身上下移动使得β最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，AB为水平方向2个换能器之间的连线，CD为垂直方向2个换能器之间的连线；
Figure BDA0002398253570000041
其中：
Figure BDA0002398253570000042
为AUV接收到来自水平方向2个换能器的基带信号的相位差，
Figure BDA0002398253570000043
为AUV接收到来自垂直方向2个换能器的基带信号的相位差，dx为水平方向2个换能器的安装间距，dy为垂直方向2个换能器的安装间距。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为3个且为水平方向布置一对垂直方向布置一个，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线AB的夹角α以及连线O'S与连线AC的夹角γ，进而根据夹角α控制自身左右移动使得α最终为90°，根据夹角γ控制自身上下移动使得γ最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，AB为水平方向2个换能器之间的连线，AC为水平方向任一换能器与垂直方向换能器之间的连线，O'S为参考点O'与AUV中心点S的连线，参考点O'为连线AC的中点；
Figure BDA0002398253570000044
其中：
Figure BDA0002398253570000045
为AUV接收到来自水平方向2个换能器的基带信号的相位差，
Figure BDA0002398253570000046
为AUV接收到来自连线AC两端换能器的基带信号的相位差，dx为水平方向2个换能器的安装间距，dz为连线AC两端换能器的安装间距。
进一步地，若换能器相互间的安装间距d＞λ/2，则换能器周期性地发送声定位信号，不同换能器发出的信号频率不同，AUV根据接收到的信号之间的到达时间差解算出自身位置与水下回收平台的相对偏差。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为水平方向对称分布，这2个换能器A和B分别位于中轴线z的左右两侧，AUV接收到来自换能器A和B的信号到达时间分别为tA和tB，若tA＝tB，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tA-tB＜0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏左，AUV需控制自身向右移动；若tA-tB＞0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏右，AUV需控制自身向左移动。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为垂直方向对称分布，这2个换能器C和D分别位于中轴线z的上下两侧，AUV接收到来自换能器C和D的信号到达时间分别为tC和tD，若tC＝tD，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tD＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动；若tC-tD＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为4个且为水平和垂直方向各对称布置一对，其中水平方向的换能器A和B分别位于中轴线z的左右两侧，垂直方向的换能器C和D分别位于中轴线z的上下两侧，AUV接收到来自换能器A和B的信号到达时间分别为tA和tB，若tA＝tB，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tA-tB＜0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏左，AUV需控制自身向右移动；若tA-tB＞0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏右，AUV需控制自身向左移动；AUV接收到来自换能器C和D的信号到达时间分别为tC和tD，若tC＝tD，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tD＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动；若tC-tD＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动。
当所述水下回收平台布置的换能器个数为3个且为水平方向布置一对垂直方向布置一个，其中水平方向的换能器A和B分别位于中轴线z的左右两侧，AUV接收到来自换能器A和B的信号到达时间分别为tA和tB，若tA＝tB，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tA-tB＜0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏左，AUV需控制自身向右移动；若tA-tB＞0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏右，AUV需控制自身向左移动；若垂直方向的换能器C位于中轴线z的上侧，AUV接收到来自换能器C的信号到达时间为tC，若tC＝tA，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tA＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动；若tC-tA＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动；若垂直方向的换能器C位于中轴线z的下侧，当tC＝tA，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tA＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动；若tC-tA＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动。
进一步地，所述AUV还搭载有能输出自身航向、航速和姿态的传感器。
鉴于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.结构简单可靠，易实现、易改装；本发明采用多个水下换能器和漏斗形回收装置实现水下回收平台，不需要实现复杂的机器结构也能顺利引导AUV进行回收。
2.信标校准容易；本发明所采用的声学信标不需要随着使用环境的不同而不断进行校准，只需要校准过一次后便可永久使用。
3.回收阶段不需要信息交互；本发明数据通信采用单工方式，水下回收装置只需要发送声学信号，AUV也只需要接收该信息，定位更新率和安全性高。
4.航行器的装置成本低、占用空间小、消耗功率低；本发明只需要AUV搭载一个声学接收器和核心处理模块就能完成回收接驳任务，AUV所需搭载的装置较少，不需要占用过多的空间。
附图说明
图1为本发明水下回收平台的结构示意图。
图2为采用2个换能器时本发明的声学信标引导方法原理示意图。
图3为采用4个换能器时本发明的声学信标引导方法原理示意图。
图4为采用3个换能器时本发明的声学信标引导方法原理示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明所采用的水下回收平台如图1所示，所安装的换能器个数以4个为例(实际可2～4个)，该水下回收平台由漏斗形回收架、换能器、水下支架、供电模块所组成。换能器安装在漏斗形回收架窄口的水平中轴线和垂直中轴线上，不同换能器发送不同频段的调频信号，但其基带信号都相同。本发明所使用的自主式水下机器人AUV主要由声学接收器、GPS模块、陀螺仪、惯导模块、水下摄像头和中控系统组成。首先GPS模块和惯导模块主要用于将AUV引导到水下回收平台的作用范围内，之后AUV通过声学接收器获得自身与水下回收平台中轴线的相对偏差，当使用信号相位差来进行相对偏差解算的时候，为了对抗相位测量模糊，换能器间距d需要满足d≤λ/2，λ为换能器发送的调频信号的基带信号波长；若换能器安装间距d无法满足d≤λ/2，则可以使用信号到达时间差来计算相对偏差，具体实施方法如下：
(1)相位差定位。
假设换能器安装间距d可以满足d≤λ/2，则可以采用计算换能器信号相位差的方式获得AUV与水下回收平台中轴线的相对偏差，安装在漏斗形回收架上的换能器通过发送不同频段的调频信号进行区分，其基带信号都相同。
为了控制AUV在水平面上修正自身的水平位置，在水下回收平台x轴上安装有两个换能器，如图2所示，令AUV自身坐标S与水下回收平台坐标系原点O间的连线OS与水下回收平台x轴的夹角为α。假设潜器与换能器距离够远，换能器间距足够小，采用平面波近似，则有：
Figure BDA0002398253570000071
其中：d为换能器间距，λ为基带信号波长，
Figure BDA0002398253570000072
为x轴上安装的换能器A和换能器B发送信号的相位差；之后根据上式计算出α的值，控制AUV左右移动，使得最终α为90°，此时OS与水下回收平台x轴垂直。
类似的，为了控制AUV在垂直面上修正自身的垂直位置，可以在水下回收平台y轴上安装两个换能器，令AUV自身坐标S与水下回收平台坐标系原点O间的连线OS与水下回收平台y轴的夹角为β，如图3所示。同理，采用平面波近似，则有：
Figure BDA0002398253570000073
其中：
Figure BDA0002398253570000074
为y轴上安装的换能器C和换能器D发送信号的相位差；根据上式计算出β的值，控制AUV上下移动，使得最终β为90°，此时OS与水下回收平台y轴垂直，最终AUV行驶到了在回收平台的中心线上。
若x轴上已经如上安装了两个换能器，同时y轴上只安装有一个换能器C，则我们通过y轴上安装的换能器C和x轴上安装的换能器A发送的信号计算出两者间相位差。令换能器A和C间的连线AC的中点为O'，AVU自身坐标S与O'的连线为O'S，O'S与AC间的夹角为β，计算出β的值，控制AUV上下移动，使得最终β为90°，此时AUV在回收平台的中心线上，如图4所示。
同时回坞过程中AUV也会利用陀螺仪和惯导模块所输出的航向、航速和姿态等信息，来修正自身的前进方向，使得自身航向垂直于水下回收平台。
也就是说，若如水下回收平台只安装2个换能器，则AUV能修正自身的水平位置或垂直位置；若水下回收平台只安装3～4个换能器，则AUV能同时修正自身的水平位置和垂直位置。
(2)时间差定位。
若换能器安装间距d无法满足d≤λ/2，则可以采用计算换能器信号到达时间差的方式获得AUV与水下回收平台中轴线的相对偏差；换能器每隔一段时间发送一段信号，AUV通过接收到的不同换能器信号间的到达时间差判断自身当前所在位置，安装在漏斗形回收架上的换能器通过发送不同频率的信息进行区分。
对于水平方向，假设AUV接收到换能器A和换能器B信号的时间分别为tA和tB，且规定图2中x轴负方向为左，正方向为右。若tA-tB＝0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线无偏移，若tA-tB＜0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线左偏，AUV应向右移动，若tA-tB＞0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线右偏，AUV应向左移动。
对于垂直方向，若y轴上安装有两个换能器C和D，假设AUV接收到换能器C和换能器D信号的时间分别为tC和tD，且规定图2中y轴负方向为上，正方向为下。若tC-tD＝0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线无偏移，若tC-tD＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线上偏，AUV应向下移动，若tC-tD＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线下偏，AUV应向上移动。
若x轴上已经如上安装了两个换能器，同时y轴上只安装有一个换能器C，如图4所示，则我们通过y轴上安装的换能器C和x轴上安装的换能器A发送的信号计算出两者间达到AUV声学接收器的时间差。若tC-tA＝0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线无偏移，若tC-tA＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线上偏，AUV应向下移动，若tC-tA＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线下偏，AUV应向上移动。
和相位差定位一样，若如水下回收平台只安装2个换能器，则AUV能修正自身的水平位置或垂直位置；若水下回收平台只安装3～4个换能器，则AUV能同时修正自身的水平位置和垂直位置。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多声学信标引导的AUV水下回收对接系统，包括AUV和水下回收平台，其特征在于：所述水下回收平台包括漏斗形的回收架、供电模块以及换能器，所述供电模块插电接口的一端与回收架的漏斗窄口相连接，回收架的漏斗内壁上布置有2～4个换能器作为声学信标，这些换能器处于同一平面T且该平面与漏斗的中轴线z垂直；
所述AUV搭载有用于接收声定位信号的声学接收器，AUV根据不同换能器所发出声学定位信号的到达时间差或基带信号相位差解算出自身位置与水下回收平台的相对偏差，进而根据该偏差控制自身上下左右移动以与水下回收平台对接，使得AUV在整个回坞过程中与水下回收平台之间无需信息交互，只需单向接收即可进行相对定位；
若换能器相互间的安装间距d≤λ/2，λ为基带信号的波长，则换能器发送的声定位信号为调频信号，该调频信号上调制有携带信息的基带信号，不同换能器发出的调频信号频率不同，但调制的基带信号相同，AUV对接收到的调频信号进行解调后得到基带信号相位差；若布置的换能器个数为2个，AUV能根据基带信号相位差修正自身的水平位置或垂直位置；若布置的换能器个数为3～4个，AUV能根据基带信号相位差同时修正自身的水平位置和垂直位置；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为水平方向对称分布，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线AB的夹角α，进而根据夹角α控制自身左右移动使得α最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，AB为水平方向2个换能器之间的连线；
Figure FDA0003472944860000011
其中：
Figure FDA0003472944860000012
为AUV接收到来自水平方向2个换能器的基带信号的相位差，dx为水平方向2个换能器的安装间距；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为垂直方向对称分布，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线CD的夹角β，进而根据夹角β控制自身上下移动使得β最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，CD为垂直方向2个换能器之间的连线；
Figure FDA0003472944860000021
其中：
Figure FDA0003472944860000022
为AUV接收到来自垂直方向2个换能器的基带信号的相位差，dy为垂直方向2个换能器的安装间距；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为4个且为水平和垂直方向各对称布置一对，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线AB的夹角α以及连线OS与连线CD的夹角β，进而根据夹角α控制自身左右移动使得α最终为90°，根据夹角β控制自身上下移动使得β最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，AB为水平方向2个换能器之间的连线，CD为垂直方向2个换能器之间的连线；
Figure FDA0003472944860000023
其中：
Figure FDA0003472944860000024
为AUV接收到来自水平方向2个换能器的基带信号的相位差，
Figure FDA0003472944860000025
为AUV接收到来自垂直方向2个换能器的基带信号的相位差，dx为水平方向2个换能器的安装间距，dy为垂直方向2个换能器的安装间距；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为3个且为水平方向布置一对垂直方向布置一个，则AUV通过以下公式解算出连线OS与连线AB的夹角α以及连线O'S与连线AC的夹角γ，进而根据夹角α控制自身左右移动使得α最终为90°，根据夹角γ控制自身上下移动使得γ最终为90°，其中OS为原点O与AUV中心点S的连线，原点O为平面T与中轴线z的交点，AB为水平方向2个换能器之间的连线，AC为水平方向任一换能器与垂直方向换能器之间的连线，O'S为参考点O'与AUV中心点S的连线，参考点O'为连线AC的中点；
Figure FDA0003472944860000026
其中：
Figure FDA0003472944860000027
为AUV接收到来自水平方向2个换能器的基带信号的相位差，
Figure FDA0003472944860000028
为AUV接收到来自连线AC两端换能器的基带信号的相位差，dx为水平方向2个换能器的安装间距，dz为连线AC两端换能器的安装间距；
若换能器相互间的安装间距d＞λ/2，则换能器周期性地发送声定位信号，不同换能器发出的信号频率不同，AUV根据接收到的信号之间的到达时间差解算出自身位置与水下回收平台的相对偏差；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为水平方向对称分布，这2个换能器A和B分别位于中轴线z的左右两侧，AUV接收到来自换能器A和B的信号到达时间分别为tA和tB，若tA＝tB，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tA-tB＜0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏左，AUV需控制自身向右移动；若tA-tB＞0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏右，AUV需控制自身向左移动；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为2个且为垂直方向对称分布，这2个换能器C和D分别位于中轴线z的上下两侧，AUV接收到来自换能器C和D的信号到达时间分别为tC和tD，若tC＝tD，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tD＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动；若tC-tD＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为4个且为水平和垂直方向各对称布置一对，其中水平方向的换能器A和B分别位于中轴线z的左右两侧，垂直方向的换能器C和D分别位于中轴线z的上下两侧，AUV接收到来自换能器A和B的信号到达时间分别为tA和tB，若tA＝tB，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tA-tB＜0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏左，AUV需控制自身向右移动；若tA-tB＞0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏右，AUV需控制自身向左移动；AUV接收到来自换能器C和D的信号到达时间分别为tC和tD，若tC＝tD，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tD＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动；若tC-tD＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动；
当所述水下回收平台布置的换能器个数为3个且为水平方向布置一对垂直方向布置一个，其中水平方向的换能器A和B分别位于中轴线z的左右两侧，AUV接收到来自换能器A和B的信号到达时间分别为tA和tB，若tA＝tB，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tA-tB＜0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏左，AUV需控制自身向右移动；若tA-tB＞0，则说明AUV在水平方向上相对水下回收平台中轴线z偏右，AUV需控制自身向左移动；若垂直方向的换能器C位于中轴线z的上侧，AUV接收到来自换能器C的信号到达时间为tC，若tC＝tA，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tA＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动；若tC-tA＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动；若垂直方向的换能器C位于中轴线z的下侧，当tC＝tA，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z无偏移；若tC-tA＜0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏下，AUV需控制自身向上移动；若tC-tA＞0，则说明AUV在垂直方向上相对水下回收平台中轴线z偏上，AUV需控制自身向下移动。
2.根据权利要求1所述的AUV水下回收对接系统，其特征在于：所述AUV还搭载有能输出自身航向、航速和姿态的传感器。
CN202010138694.0A 2020-03-03 2020-03-03 一种基于多声学信标引导的auv水下回收对接系统 Active CN111398905B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010138694.0A CN111398905B (zh) 2020-03-03 2020-03-03 一种基于多声学信标引导的auv水下回收对接系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010138694.0A CN111398905B (zh) 2020-03-03 2020-03-03 一种基于多声学信标引导的auv水下回收对接系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111398905A CN111398905A (zh) 2020-07-10
CN111398905B true CN111398905B (zh) 2022-06-10

Family

ID=71430517

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010138694.0A Active CN111398905B (zh) 2020-03-03 2020-03-03 一种基于多声学信标引导的auv水下回收对接系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111398905B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111982117B (zh) * 2020-08-17 2022-05-10 电子科技大学 一种基于深度学习的auv光学引导与测向方法
CN113602452B (zh) * 2021-08-02 2022-09-09 自然资源部第二海洋研究所 一种声学打捞装置及方法
CN113734391A (zh) * 2021-09-22 2021-12-03 中国船舶重工集团公司第七0七研究所九江分部 一种基于环流动量矩的动态回收平台
CN114852294B (zh) * 2022-04-30 2023-11-21 西北工业大学 一种联动自锁回收与释放auv的装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100831646B1 (ko) * 2007-02-15 2008-05-22 한국해양연구원 4개의 1/4 환형원판 배열 음향 트랜스듀서와 수중 카메라를이용한 무인잠수정의 수중 도킹 유도 장치
CN104569917A (zh) * 2014-12-26 2015-04-29 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种auv平台自适应定位与导航系统及方法
CN106428485A (zh) * 2016-11-01 2017-02-22 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） 用于长距离声光双向导引捕获回收auv的新型潜水器
CN108414982A (zh) * 2018-05-29 2018-08-17 中国科学院声学研究所 一种用于水声定位的通信浮标及其组网
CN110727282A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 嘉兴中科声学科技有限公司 Auv的对接方法、装置及水下对接系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2974422B1 (fr) * 2011-04-21 2014-04-18 Ixsea Sas Procede de positionnement acoustique global d'une cible marine ou sous-marine
CN103777177B (zh) * 2013-11-08 2018-02-02 中国船舶重工集团公司七五○试验场 一种基于宽带信号时延检测的超短基线水下目标定位方法
GB2567373A (en) * 2016-08-25 2019-04-10 Intelligent Sciences Ltd Aircraft acoustic postion and orientation detection method and apparatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100831646B1 (ko) * 2007-02-15 2008-05-22 한국해양연구원 4개의 1/4 환형원판 배열 음향 트랜스듀서와 수중 카메라를이용한 무인잠수정의 수중 도킹 유도 장치
CN104569917A (zh) * 2014-12-26 2015-04-29 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种auv平台自适应定位与导航系统及方法
CN106428485A (zh) * 2016-11-01 2017-02-22 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） 用于长距离声光双向导引捕获回收auv的新型潜水器
CN108414982A (zh) * 2018-05-29 2018-08-17 中国科学院声学研究所 一种用于水声定位的通信浮标及其组网
CN110727282A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 嘉兴中科声学科技有限公司 Auv的对接方法、装置及水下对接系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111398905A (zh) 2020-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111398905B (zh) 一种基于多声学信标引导的auv水下回收对接系统
CN100495066C (zh) 无高稳定频标的水下gps定位导航方法及其系统
CN102495420B (zh) 一种水下目标精确定位系统及方法
CN109884647B (zh) 水声被动探测或被动定位的节点装置及分布式的节点系统
CN109319074B (zh) 一种多正交信号发射无人潜器声引导回收系统
CN208515797U (zh) 一种rov水下组合定位系统
CN110294080B (zh) 一种利用超短基线实现水下精确作业的方法
US9885794B2 (en) System and method for accurate positioning of control devices for instrumented cables
CN102923283A (zh) 水下定深定高拖曳装置
CN103057679A (zh) 双智能水下机器人相互对接装置及对接方法
CN211107934U (zh) 一种基于无人无缆潜水器的协同勘探系统
CN108680170A (zh) 基于电磁波衰减原理的auv回坞导航系统及方法
CN112346102A (zh) 一种水下声学定位导航授时系统
EP2796901A2 (en) Remotely Operated Modular Positioning Vehicle and Method
CN110068331A (zh) 水下导航定位设备及系统
CN111142144B (zh) 一种水声定位与授时浮标及水下定位方法
CN107092018B (zh) 用于堤坝水域的便携式水声定位系统及定位方法
CN114199224A (zh) 水下机器人的定位系统、定位方法及水下机器人组件
CN202987483U (zh) 水下定深定高拖曳装置
JPH09145821A (ja) 水中物体位置測定装置
CN112666936A (zh) 一种半潜式无人船智能避障系统及方法
CN108519620B (zh) 一种可自主布放回收的海底地震检波航行器
CN114966754B (zh) 大坝深水环境一体化精准定位装置与方法
CN201673258U (zh) 深海作业水下航行器组合导航系统
CN108828605A (zh) 水下定位装置及水下定位方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant