CN111711984A - 水下定位方法及水下电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开实施例公开了一种水下定位方法，所述方法执行于所述主设备中，包括：向从设备广播问讯信号，并标记发射时间戳及记录自身的轨迹状态；接收各从设备回复的应答信号，根据从设备应答信号的时间戳和本地发送问讯信号时间戳的时延计算各从设备和主设备间的斜距距离x_i；获取自身的深度信息，以及根据从设备的应答信号获取各从设备的深度信息，并计算主设备与各从设备的深度差Δh_i；根据所述斜距距离x_i及所述主从设备深度差Δh_i得到从设备在主设备建立球坐标系的坐标位置，以及将自身接收的运动轨迹带入坐标系中以修正各从设备的位置。本公开实施例采用水下方位估计和水声通信技术，通过信息回传广播的方式完成对水下电子设备的准确定位，进而可以使多台水下电子设备中一台设备可以获得其他设备水下的位置信息。

Description

水下定位方法及水下电子设备

技术领域

本公开的实施例涉及电子技术领域，尤其涉及一种水下定位方法及水下电子设备。

背景技术

水下声学定位技术是广泛使用的主流技术，近几年来发展非常迅速。声学定位系统根据基线的长度不同，可以分为3种主要的定位技术：长基线(Long Baseline，简称LBL)定位、短基线(Short Baseline，简称SBL)定位和超短基线(Ultra Short Baseline，简称USBL)定位。

长基线定位能在宽广的区域内提供高精度的位置，需要至少3个应答器组成的阵列部署在海底的已知点以及一个换能器，换能器测量出到水底应答器的斜距，从而计算出自身的坐标位置。短基线定位需要安装至少3个换能器阵，换能器之间的位置关系为已知，应答器安装在需要定位的目标上，多个换能器测量出到同一个应答器的距离，从而计算出目标的位置。超短基线定位要求换能器中有至少三个单元，应答器安装在需要定位的目标上，换能器测量出到应答器的水平和垂直角度及斜距。

但是，上述三种定位方式均需要布设基阵，复杂度和成本极高，并不适合应用于便携的水下电子设备。

发明内容

本公开实施例提供一种水下定位方法及水下电子设备，以解决对便携水下电子设备的精确定位问题。

本公开的一个实施例提供一种水下定位方法，所述方法执行于所述主设备中，包括：

向从设备广播问讯信号，并标记发射时间戳及记录自身的轨迹状态；

接收各从设备回复的应答信号，根据从设备应答信号的时间戳和本地发送问讯信号时间戳的时延计算各从设备和主设备间的斜距距离x_i；

获取自身的深度信息，以及根据从设备的应答信号获取各从设备的深度信息，并计算主设备与各从设备的深度差Δh_i；

根据所述斜距距离x_i及所述主从设备深度差Δh_i得到从设备在主设备建立球坐标系的坐标位置，以及将自身接收的运动轨迹带入坐标系中以修正各从设备的位置。

本公开的一个实施例提供一种水下电子设备，所述主设备包括：

存储器，用于存储可执行的计算机程序；以及

处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述的水下定位方法。

基于本实施例的水下定位方法及水下电子设备，无需布设基阵，可以广泛适用于便携式的水下电子设备，相对于传统定位方式成本比较低且解算方法简单。此外，该方法通过主设备的时间戳完成定位，减少了设备间时钟差异导致的定位误差，同时通过修正传输信号时设备运动引发的误差，进一步减少了定位误差。最后，该方法通过主设备统一调度，解决了由于设备间通信信号混乱导致的干扰问题，完成了稳定的多点信息交互。

附图说明

图1为本公开实施例提供的水下电子设备系统的示意图。

图2为本公开实施例提供的水下电子设备的立体示意图。

图3为本公开实施例提供的水下电子设备的功能模块示意图。

图4为本公开实施例提供的水下定位方法流程示意图。

图5为本公开实施例问讯信号及应答信号格式示意图。

具体实施方式

本公开实施例提供的一种水下定位方法及水下电子设备，采用水下方位估计和水声通信技术，通过信息回传广播的方式完成对水下电子设备的准确定位和通信，进而可以使多台应用于潜水的电子设备中一台设备可以获得其他设备水下的位置信息。

请参看图1，本公开实施例提供一种水下电子设备系统，所述系统包括多个应用于潜水的水下电子设备。在本实施例中，应用于潜水的水下电子设备根据潜水者的角色划分为主设备10和从设备20。在本实施例中，以一个主设备10和4个从设备20为例进行说明。

请结合参看图1和2，其为水下电子设备的立体示意图和内部功能模块示意图。在本实施例中，主设备10设置为佩戴式，其外形为但不限于手环、手表等。在另外一些可行的实施例中，主设备10可以是臂带式或者头戴式，如眼镜等，还可以是手持式。

请结合参看图3，主设备10包括主体12、系带14、以及设置于主体12内的各功能电子器件。具体地，主设备10还包括输入装置105、显示器107、扬声器109、深度传感器102、磁罗经110、震动马达112、水听器108、陀螺仪111以及换能器114。换能器114包括超声波发射器和多个超声波接收器。其中，显示器107、扬声器109、震动马达112可视为输出装置，用于产生提示信息，如，显示信息、声音、震动等提示信息。输入装置105可以为但不限于实体按键，按钮、推扭、触摸屏按键等。

深度传感器102用于采集设备自身的深度信息。

水听器108用于对测向信号进行处理得到各从设备的水平方向。

磁罗经110用于测量大地磁场。

陀螺仪111用于感测主设备10的重力方向。

需要说明的是，从设备20和主设备10的外形基本一致。在一些可行的实施例中，从设备20的各功能模块与主设备10一致。优选地，从设备20可以省略主设备10中某些功能模块或者器件，例如，陀螺仪。在本实施例中，主设备10和从设备20的配置不同，主设备10具备的功能比从设备20多。如此，水下电子设备系统可以根据不同的角色配置适合的功能，无需全部采用相同的配置，使得应用于潜水的水下电子设备系统99解决潜水安全问题，还可以使水下电子设备系统的配置更加优化，节约成本。在一些可行的实施例中，从设备20和主设备10的配置可以相同。为了便于描述，本实施例将应用于潜水的电子设备称为主设备10和从设备20，在一些可行的适实施例中，应用于潜水的电子设备还可以称为但不限于第一定位设备10和第二定位设备20。

下面详细描述一种水下定位方法，具体以主设备10和从设备20为手持便携式电子设备，且在水下环境为例说明。

请参看图4，其为本公开实施例提供的水下定位方法，该方法包括下面步骤：

S1、主设备10向从设备20广播问讯信号，主设备10标记发射时间戳并在广播信号的同时开始记录自身的轨迹状态，其中，问讯信号如图5所示，包括同步信号，测向信号和通信信号，所述通信信号包括从设备的位置信息和通信信息。

在广播问讯信号时主设备10开始通过自身的陀螺仪采集信息，所述信息用于计算主设备位置变化，同时记录时间戳t_hq。

S2、从设备20接收到主设备10的问讯信号后记录时间戳，根据自身的从设备标号进行相应的延时，依次回复应答信号，其中，应答信号如图5所示，包括同步信号，测向信号和通信信号，通信信号包括自身的深度信息和对主设备10或其他从设备的通信信息，同时每个从设备在回复应答信号的同时开始记录自身的运动状态，进而推导得出自身的运动轨迹。

具体来说，从设备20接收到主设备10的问讯信号后记录下时间戳t_sqi＝{t_sq1，t_sq2，…，t_sqn}，根据自身的从设备标号进行相应的延时t_Δi＝{t_Δ1，t_Δ2，…，t_Δn}，依次在时间t_sai＝t_sqi+t_Δi回复应答信号，各从设备通过自身的深度传感器采集各自的深度信息h_i＝{h₁，h₂，…，h_n}，并通过应答信号的通信信号回复给主设备，每个从设备在回复应答信号的同时开始采集陀螺仪的信息，用于计算从设备位置变化。

S3、主设备10分别接收到各从设备20的应答信号，根据从设备20应答信号的时间戳和本地发送问讯信号时间戳的时延来计算各从设备20和主设备10间的斜距距离x_i。主设备10分离各从设备20回复的测向信号，并通过自身的水听器对测向信号进行处理得到各从设备20的水平方向。

具体地说，主设备10接收到各从设备20的应答信号时记录时间戳t_hai＝{t_sa1，t_sa2，…，t_san}，根据步骤S1记录的时间戳t_hq可计算出斜距

其中c为水中的声速，水听器用来测量主设备10到各从设备20的水平角度D_hi＝{D_h1，D_h2，…，D_hn}。

S4、主设备10分离各从设备20回复的通信信号，经解调后得到各从设备20的深度信息和设备间通信信息，同时获取自身的深度信息，并计算主设备10与各从设备20的深度差Δ_hi。

具体地，主设备10通过深度传感器采集自身的深度信息h₀；再根据接收到的从设备20深度信息h_i＝{h₁，h₂，…，h_n}以及自身的深度信息h₀计算主从设备深度差Δh_i＝h₀-h_i；同时主设备10也可以获得从设备20的通信数据，通过逻辑指向判断是发给其他设备还是发给自己，若发给自己则直接进行出路，若发给其他设备就将数据存入数据缓冲池，在下次问询信号中发送给对应的设备。

S5、主设备10建立球坐标系，根据斜距距离x_i及所述主从设备深度差Δh_i得到从设备在主设备建立球坐标系的坐标位置，主设备10将自身接收时的运动轨迹带入坐标系中来修正每个从设备20的位置。

具体地说，主设备10以自身水听器位置为极点建立球坐标系，以水听器零点方向为平面极轴正方向，垂直设备水平面是空间z轴，可以通过步骤S3得到的斜距x_i和步骤S4得到的深度差Δh_i计算出球坐标系中的仰角

得出各从设备在球坐标系下坐标表达式为p_i＝(x_i，θ_i，D_hi)。

主设备10通过自身的陀螺仪输出的信息计算出不同从设备20信号到达时间点时主设备10的运动轨迹s_hi＝{s_h1，s_h2，…，s_hn}，通过在球坐标系上修正可以计算出不同从设备20信号到达主设备10时从设备20的坐标p_hci＝p_i-s_hi＝(x_hci，θ_hci，D_hci)。

主设备10通过自身的陀螺仪可以获得空间正北方向和主机平面极轴正方向的角度差

将修正后的坐标系极轴旋转到正北方向可以得到从设备20在球坐标系下的坐标

需要说明的是，该方法是周期循环流程，在主设备10下一轮广播问讯信号即进行下一个周期的定位通信；各从设备20接收主设备10的下一轮问讯信号后将自身的运动轨迹带入坐标系中来修正自身位置。

在主设备10每轮广播问讯信号后，主设备10将数据缓冲中的信息重新标定指向设备进行发送；此外，循环流程后步骤S1中所传输的数据信息和位置信息是前一轮的信息。

在本实施例中，主设备10和从设备20都设置深度传感器、陀螺仪、水听器和发射换能器。

需要说明的是，各从设备20接收主设备10的下一轮问讯信号后将自身的运动轨迹带入坐标系中来修正自身位置具体包括：

从设备20通过陀螺仪输出的信息计算出从步骤S2开始记录时到下一轮主设备10问讯信号到达时从设备20的运动轨迹s_si＝{s_s1，s_s2，…，s_sn}；

从设备20通过通信信号获取到主设备1广播的通信信息p_hi，通过修正可以得到从设备的相对坐标p_si＝(x_si，θ_si，D_si)。

基于本实施例的水下定位方法，无需布设基阵，可以广泛适用于便携式的水下电子设备，相对于传统定位方式成本比较低且解算方法简单。此外，该方法通过主设备的时间戳完成定位，减少了设备间时钟差异导致的定位误差，同时通过修正传输信号时设备运动引发的误差，进一步减少了定位误差。最后，该方法通过主设备统一调度，解决了由于设备间通信信号混乱导致的干扰问题，完成了稳定的多点信息交互。

请再次参看图2和图3，应用于潜水的电子设备还包括处理器101和存储器103。

存储器103至少包括一种类型的可读存储介质。存储器103不仅可以用于存储安装于主设备10的应用软件及各类数据，例如控制程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

处理器101在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器101中存储的程序代码或处理数据。具体地，处理器101执行控制程序以实现上述水下定位方法。

本领域技术人员可以理解的是，图2和图3示出的结构并不构成对应用于潜水的电子设备的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，该单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

该作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

需要说明的是，上述本公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“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、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，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、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上仅为本公开的优选实施例，并非因此限制本公开的专利范围，凡是利用本公开说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本公开的专利保护范围内。

显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘且本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。

以上所列举的仅为本公开较佳实施例而已，当然不能以此来限定本公开之权利范围，因此依本公开权利要求所作的等同变化，仍属本公开所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种水下定位方法，其特征在于，所述方法执行于所述主设备中，包括：

向从设备广播问讯信号，并标记发射时间戳及记录自身的轨迹状态；

接收各从设备回复的应答信号，根据从设备应答信号的时间戳和本地发送问讯信号时间戳的时延计算各从设备和主设备间的斜距距离x_i；

获取自身的深度信息，以及根据从设备的应答信号获取各从设备的深度信息，并计算主设备与各从设备的深度差Δh_i；

根据所述斜距距离x_i及所述主从设备深度差Δh_i得到从设备在主设备建立球坐标系的坐标位置，以及将自身接收的运动轨迹带入坐标系中以修正各从设备的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向从设备广播问讯信号标记发射时间戳的步骤包括：

在广播问讯信号时主设备开始通过自身的陀螺仪采集信息，所述信息用于计算主设备位置变化，同时记录时间戳。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

从设备接收到主设备的问讯信号后记录时间戳，根据自身的从设备标号进行相应的延时依次回复应答信号，各从设备在回复应答信号的同时开始记录自身运动状态。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述从设备接收到主设备的问讯信号后记录下时间戳，根据自身的从设备标号进行相应的延时依次回复应答信号的步骤包括：

从设备接收到主设备的问讯信号后记录下时间戳t_sqi＝{t_sq1，t_sq2，…，t_sqn}，根据自身的从设备标号进行相应的延时t_Δi＝{t_Δ1，t_Δ2，…，t_Δn}，依次在时间t_sai＝t_sqi+t_Δi回复应答信号。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述各从设备在回复应答信号的同时开始记录自身运动的轨迹步骤包括：

各从设备通过自身的深度传感器采集各自的深度信息h_i＝{h₁，h₂，…，h_n}，并回复给主设备，各从设备在回复应答信号的同时开始采集陀螺仪的信息，用于计算从设备位置变化。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据从设备应答信号的时间戳和本地发送问讯信号时间戳的时延计算各从设备和主设备间的斜距距离步骤包括：

主设备接收各从设备的应答信号并记录时间戳t_hai＝{t_sa1，t_sa2，…，t_san}，根据本地发送问讯信号时间戳t_hq计算斜距距离

其中c为水中的声速。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述斜距距离x_i及所述主从设备深度差Δh_i得到从设备在主设备建立球坐标系的坐标位置，以及将自身接收的运动轨迹带入坐标系中以修正每个从设备的位置的步骤包括：

主设备以自身水听器位置为极点建立球坐标系，以水听器零点方向为平面极轴正方向，垂直设备水平面是空间z轴，根据所述斜距距离x_i和深度差Δh_i计算出球坐标系中的仰角

得出各从设备在球坐标系下坐标表达式为p_i＝(x_i，θ_i，D_hi)；

主设备通过自身陀螺仪输出的信息计算出不同从设备信号到达时间点时主设备的运动轨迹s_hi＝{s_h1，s_h2，…，s_hn}，通过在球坐标系上修正计算出不同从设备信号到达主设备时从设备的坐标p_hci＝p_i-s_hi＝(x_hci，θ_hci，D_hci)；

主设备通过陀螺仪获得空间正北方向和主设备平面极轴正方向的角度差

将修正后的坐标系极轴旋转到正北方向得到从设备在球坐标系下的坐标

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述问讯信号包括同步信号、测向信号和通信信号，所述通信信号包括各从设备的位置信息和通信信息。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还进一步包括：

在下一轮广播问讯信号中插入各从设备的位置信息进行下一个周期的定位通信；

各从设备接收主设备广播的位置信息时将此时的运动轨迹带入坐标系中来修正自身位置。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述各从设备接收主设备广播的位置信息时将此时的运动轨迹带入坐标系中来修正自身位置的步骤包括：

从设备通过陀螺仪输出的信息计算从设备开始记录时到主设备问讯信号到达时从设备的运动轨迹s_si＝{s_s1，s_s2，…，s_sn}；

从设备获取到主设备广播的通信信息p_hi，通过修正得到从设备的相对坐标p_si＝(x_si，θ_si，D_si)。

11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述应答信号包括同步信号、测向信号和通信信号，通信信号包括自身的深度信息和对主设备或其他从设备的通信信息。

12.一种水下电子设备，其特征在于，所述水下电子设备为主设备，包括：

存储器，用于存储可执行的计算机程序；以及

处理器，用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1～11任意一项所述的方法。

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