CN111427012A - 一种水下机器人定位监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下机器人定位监测系统，通过采用短基线与超短基线结合以及即时GPS定位信息构成的时差定位算法，来对被施救黄标进行定位，且岸上监控设备进行数据无线通讯时，分别采用信道均衡器滤波处理、门限内搜索和归一化处理，本发明涉及水下机器人水下监测技术领域。该水下机器人水下定位监测系统，可实现精确确定水下机器人的实时位置、对水下机器人生命体征实时掌控以及确定被施救对象位置，减轻消防部门的水上救援任务，无需在水下机器人身上系安全绳进行水下救援作业，避免了安全绳发生缠绕危及水下机器人安全的情况发生，降低实施救援的难度，使地上指挥人员能够实时掌控水下机器人在水下实施救援的情况，来方便对于是否增派或调动水下救援力量进行快速决策。

Description

一种水下机器人定位监测系统
技术领域
本发明涉及水下机器人水下监测技术领域，具体为一种水下机器人定位监测系统。
背景技术
水下机器人是指长时间在水下游动而戴着面罩、备有脚蹼、橡皮衣、氧气筒等担负特殊任务的两栖部队，挑选队员时是极其严格的，水下机器人部队肩负的任务极其隐蔽、危险，在敌后方海域、地区进行侦察，消灭机动发射装置、防空设施、水利工程、指挥所等，为此，要求水下机器人们必须具有娴熟的专业技术技能和超人的身体素质，随着人们生活水平的不断提高，越来越多的极限运动爱好者也开始体验水下机器人潜水，因此水下机器人潜水越来越受到人们的喜爱，在水下机器人潜水中，需要在体验者身上安装许多安全设备，来保证体验者的生命安全，泰国“野猪”足球队12名队员和教练在洞穴探险时失联。洞穴中GPS定位不可用给搜救造成极大 困难，一名搜救人员在救援中丧生。
目前的水下机器人潜水安全设备存在以下缺陷：
1）、水下机器人实时位置未知：消防部门的水上救援任务繁重，目前水下机器人水下救援作业主要靠在身上系安全绳来固定，地上指挥人员无法实时判断水下机器人位置，而且安全绳也容易发生缠绕危及水下机器人安全；
2）、水下机器人生命体征未知：水下行径不明，水深等情况未知，对于实施救援产生很大难度；
3）、被施救对象位置未知：水下机器人在水下实施救援的情况地上指挥人员完全无法掌控情况，对于是否增派或调动水下救援力量造成很大困难；
4）、国内适用于湖泊、水库和溶洞的水下定位产品空白，国外有类似水下机器人导航的水下定位装置，但没有大量装备，部分水声定位技术对我国进行封锁、禁运，且价格昂贵，国内同类产品目前空白。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种水下机器人定位监测系统，解决了现有的水下机器人潜水安全设备，水下机器人实时位置未知，水下机器人生命体征未知，被施救对象位置未知以及国内适用于湖泊、水库和溶洞的水下定位产品空白的问题。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种水下机器人定位监测系统，包括水声信标、中继浮标、岸上监控设备和便携手提式配件箱，所述水声信标包括水下机器人红标和被施救黄标，且中继浮标是由收放式基阵架、发射换能器、四个接收水听器、GPS、磁罗盘、数据收发单元、无线天线和接线盒组成，所述岸上监控设备为防水终端，且便携手提式配件箱用于存放电源模块和充电器配件，所述岸上监控设备是采用短基线与超短基线结合以及即时GPS定位信息构成的时差定位算法，来对被施救黄标进行定位，且岸上监控设备进行数据无线通讯时，分别采用信道均衡器滤波处理、门限内搜索和归一化处理，用于提高定位精度，所述水声信标和中继浮标之间通过水声信号通讯，且中继浮标与岸上监控设备之间是通过Zigbee局域网络协议进行通讯。
优选的，所述岸上监控设备与应急救援指挥中心之间通过5G网络进行通讯，且防水终端内含显控软件及上传远程监控数据的接口，且防水终端通过上传远程监控数据的接口与应急救援指挥中心无线通讯连接，用于上传水下机器人数据信息及接收救援信息指令。
优选的，所述中继浮标的接线盒内装有四路接收信号调理电路和FSK信号发射电路。
优选的，所述时差定位算法是根据来自水下机器人红标、被施救黄标和中继浮标三个已知位置的接收机接收某一个未知位置的辐射源的信号，来确定该辐射源的位置，两个信号点采集到的信号到达时间差确定一对双曲线，多个双曲线相交即可得到目标位置。
优选的，所述信道均衡器滤波处理是采用自适应滤波的最小均方误差算法进行信道均衡处理。
优选的，所述水下机器人红标的连续工作时间≥2h，且被施救黄标的连续工作时间≥72h。
优选的，所述防水终端的显示方式为实时显示水下水下机器人运动轨迹信息（距离、方位、深度）和生命体征信息（脉搏），且水下机器人运动轨迹1min无变化，防水终端立即报警。
优选的，所述水声信标和中继浮标的工作温度均为0-60℃，且岸上监控设备的工作温度为-20℃-60℃。
（三）有益效果
本发明提供了一种水下机器人定位监测系统。与现有技术相比具备以下有益效果：
（1）、该水下机器人水下定位监测系统，包括水声信标、中继浮标、岸上监控设备和便携手提式配件箱，水声信标包括水下机器人红标和被施救黄标，且中继浮标是由收放式基阵架、发射换能器、四个接收水听器、GPS、磁罗盘、数据收发单元、无线天线和接线盒组成，岸上监控设备为防水终端，且便携手提式配件箱用于存放电源模块和充电器配件，岸上监控设备是采用短基线与超短基线结合以及即时GPS定位信息构成的时差定位算法，来对被施救黄标进行定位，且岸上监控设备进行数据无线通讯时，分别采用信道均衡器滤波处理、门限内搜索和归一化处理，用于提高定位精度，水声信标和中继浮标之间通过水声信号通讯，且中继浮标与岸上监控设备之间是通过Zigbee局域网络协议进行通讯，可实现通过采用短基线与超短基线结合以及即时GPS定位信息构成的时差定位算法，来对被施救黄标进行定位，且岸上监控设备进行数据无线通讯时，分别采用信道均衡器滤波处理、门限内搜索和归一化处理，用于提高定位精度，来确定水下机器人的实时位置、对水下机器人生命体征实时掌控以及确定被施救对象位置，大大减轻了消防部门的水上救援任务，无需在水下机器人身上系安全绳进行水下救援作业，很好的避免了安全绳发生缠绕危及水下机器人安全的情况发生，大大降低了实施救援的难度，使地上指挥人员能够实时掌控水下机器人在水下实施救援的情况，来方便对于是否增派或调动水下救援力量进行快速决策。
（2）、该水下机器人水下定位监测系统，通过高可靠性和小型化阵型设计，来达到减小系统体积以及便于布放的目的，且定位精度高，基线长度长，使用前无需校准，使水下机器人能够快速进行追踪和监测，且远程控制指挥简洁高效。
附图说明
图1为本发明系统的原理示意图；
图2为本发明时差定位算法的模拟示意图；
图3为本发明系统的工作原理框图。
图中，1水声信标、11水下机器人红标、12被施救黄标、2中继浮标、3岸上监控设备、4应急救援指挥中心。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种技术方案：一种水下机器人定位监测系统，包括水声信标1、中继浮标2、岸上监控设备3和便携手提式配件箱，中继浮标2的尺寸为600*1800mm，重量为15kg（空气），水声信标1包括水下机器人红标11和被施救黄标12，水下机器人红标11的重量为120g，直径为60mm,长度为280mm，工作时长>=3小时，充电时间为2小时，充电间隔为每月至少一次，被施救黄标12的重量为640g，直径为45mm,长度为240mm，水下待机时间>=7天，工作时长>=10小时，充电时间为2小时，充电间隔为每月至少一次，且中继浮标2是由收放式基阵架、发射换能器、四个接收水听器、GPS、磁罗盘、数据收发单元、无线天线和接线盒组成，岸上监控设备3为防水终端，且便携手提式配件箱用于存放电源模块和充电器配件，岸上监控设备3是采用短基线与超短基线结合以及即时GPS定位信息构成的时差定位算法，来对被施救黄标12进行定位，且岸上监控设备3进行数据无线通讯时，分别采用信道均衡器滤波处理、门限内搜索和归一化处理，用于提高定位精度，水声信标1和中继浮标2之间通过水声信号通讯，且中继浮标3与岸上监控设备3之间是通过Zigbee局域网络协议进行通讯，岸上监控设备3与应急救援指挥中心4之间通过5G网络进行通讯，且防水终端内含显控软件及上传远程监控数据的接口，且防水终端通过上传远程监控数据的接口与应急救援指挥中心4无线通讯连接，用于上传水下机器人数据信息及接收救援信息指令，中继浮标2的接线盒内装有四路接收信号调理电路和FSK信号发射电路，时差定位算法是根据来自水下机器人红标11、被施救黄标12和中继浮标2三个已知位置的接收机接收某一个未知位置的辐射源的信号，来确定该辐射源的位置，两个信号点采集到的信号到达时间差确定一对双曲线，多个双曲线相交即可得到目标位置，信道均衡器滤波处理是采用自适应滤波的最小均方误差算法进行信道均衡处理，水下机器人红标11的连续工作时间≥2h，且被施救黄标12的连续工作时间≥72h，防水终端的显示方式为实时显示水下水下机器人运动轨迹信息（距离、方位、深度）和生命体征信息（脉搏），且水下机器人运动轨迹1min无变化，防水终端立即报警，水声信标1和中继浮标2的工作温度均为0-60℃，且岸上监控设备3的工作温度为-20℃-60℃，水下机器人水下定位系统主要技术指标：作用距离D：≥2km (水深≥5m），≥1km (水深3-5m）；水下定位精度≤2m+1％D；布放时间≤5min；工作水深≤50m。
如图2所示，时差定位算法具体为：被施救黄标12为目标T，其位置为(x，y)，S0(x0，y0)为岸上监控设备3，S1(x1，y1)和S2(x2，y2)分别为水下机器人红标11和中继浮标2，r0、r1、r2分别为目标T到S0、S1和S2的距离，距离差为△r，i=1，2，则定位方程为：
r0 2=(x-x0)2+(y-y0)2 （1）
ri 2=(x-xi)+(y-yi)2，(i=1，2) （2）
c△ti=c(ti-t0)=ri-r0 （3）
对上式(1）、（2）和（3）整理化简得：
(x0-xi)x+(yo-yi)y=ki+c△tir0 (4)
其中ki=1/2[(c△ti)2+(x0 2+y0 2)-(xi 2+yi 2)]，(i=1，2)，c=3*108m/s，解方程组即可得到目标位置。
使用最小均方误差算法中的最速下降法时，我们用到的迭代公式如下：
e(n)=4(n)-x(n)W(n) （6）
W(n+1)=W(n)+2ue(n)X(n) （7）
设步长因子μ，设自适应型的滤波器在n时的权向量W(n)，设n时刻的输入端的信号矢量表示为X(n)=[x(n)x(n-1)......x(n-L+1)]，设自适应型的滤波器长度为L，定义期望信号是d(n)，误差信号是e(n)，噪声信号是v(n)。
已知该使用该算法达到收敛的条件是：0<μ<1/λmax，定义自相关矩阵的最大特征值λmax是系统输入信号的最大特征值。自适应型的滤波算法有三项最重要的指标：使用的时变系统在最开始的收敛速度、得到稳定状态后测量误差和是否有能力继续跟踪，噪声信号在大部分情况下都是在输入端产生的，为了能有效的处理噪声，该算法会产生参数失调噪声，并且偏移噪声的大小取决于噪声信号，稳态误差的大小是和阶跃因子相关的，收敛速度也是如此:如果设定大的步长因子，就会得到较大的稳态误差，也就会有更快的收敛速度，如果取小的步长因子，就会相应的使收敛速度变慢，进而得到较快的R稳态误差。
综上，本发明可实现通过采用短基线与超短基线结合以及即时GPS定位信息构成的时差定位算法，来对被施救黄标12进行定位，且岸上监控设备3进行数据无线通讯时，分别采用信道均衡器滤波处理、门限内搜索和归一化处理，用于提高定位精度，来确定水下机器人的实时位置、对水下机器人生命体征实时掌控以及确定被施救对象位置，大大减轻了消防部门的水上救援任务，无需在水下机器人身上系安全绳进行水下救援作业，很好的避免了安全绳发生缠绕危及水下机器人安全的情况发生，大大降低了实施救援的难度，使地上指挥人员能够实时掌控水下机器人在水下实施救援的情况，来方便对于是否增派或调动水下救援力量进行快速决策，通过高可靠性和小型化阵型设计，来达到减小系统体积以及便于布放的目的，且定位精度高，基线长度长，使用前无需校准，使水下机器人能够快速进行追踪和监测。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：包括水声信标（1）、中继浮标（2）、岸上监控设备（3）和便携手提式配件箱，所述水声信标（1）包括水下机器人红标（11）和被施救黄标（12），且中继浮标（2）是由收放式基阵架、发射换能器、四个接收水听器、GPS、磁罗盘、数据收发单元、无线天线和接线盒组成，所述岸上监控设备（3）为防水终端，且便携手提式配件箱用于存放电源模块和充电器配件，所述岸上监控设备（3）是采用短基线与超短基线结合以及即时GPS定位信息构成的时差定位算法，来对被施救黄标（12）进行定位，且岸上监控设备（3）进行数据无线通讯时，分别采用信道均衡器滤波处理、门限内搜索和归一化处理，用于提高定位精度，所述水声信标（1）和中继浮标（2）之间通过水声信号通讯，且中继浮标（3）与岸上监控设备（3）之间是通过Zigbee局域网络协议进行通讯。
2.根据权利要求1所述的一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：所述岸上监控设备（3）与应急救援指挥中心（4）之间通过5G网络进行通讯，且防水终端内含显控软件及上传远程监控数据的接口，且防水终端通过上传远程监控数据的接口与应急救援指挥中心（4）无线通讯连接，用于上传水下机器人数据信息及接收救援信息指令。
3.根据权利要求1所述的一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：所述中继浮标（2）的接线盒内装有四路接收信号调理电路和FSK信号发射电路。
4.根据权利要求1所述的一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：所述时差定位算法是根据来自水下机器人红标（11）、被施救黄标（12）和中继浮标（2）三个已知位置的接收机接收某一个未知位置的辐射源的信号，来确定该辐射源的位置，两个信号点采集到的信号到达时间差确定一对双曲线，多个双曲线相交即可得到目标位置。
5.根据权利要求1所述的一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：所述信道均衡器滤波处理是采用自适应滤波的最小均方误差算法进行信道均衡处理。
6.根据权利要求1所述的一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：所述水下机器人红标（11）的连续工作时间≥2h，且被施救黄标（12）的连续工作时间≥72h。
7.根据权利要求1所述的一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：所述防水终端的显示方式为实时显示水下水下机器人运动轨迹信息和生命体征信息，且水下机器人运动轨迹1min无变化，防水终端立即报警。
8.根据权利要求1所述的一种水下机器人定位监测系统，其特征在于：所述水声信标（1）和中继浮标（2）的工作温度均为0-60℃，且岸上监控设备（3）的工作温度为-20℃-60℃。
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