CN113900062A

CN113900062A - 一种auv水下回收电磁导引装置

Info

Publication number: CN113900062A
Application number: CN202111496039.3A
Authority: CN
Inventors: 林鸣威; 赵玉成; 杨灿军; 李德骏; 林日; 张卓玉
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-01-07

Abstract

本发明公开了一种AUV水下回收电磁导引装置，包括安装在AUV回收基站上的发射端和安装在AUV上的接收端；所述的发射端包括相互电连接的发射端线圈和发射端处理电路；所述的发射端通过谐振调理，由发射端线圈输出目标频率下的正弦电力信号；所述的接收端包括相互电连接的接收端三轴感应线圈和接收端处理电路；所述的接收端三轴感应线圈的三个线圈电感量相同且两两互相垂直，接收发射端发出的正弦电路信号，接收端处理电路分析由三个线圈接收的三路信号的幅值与相位差距，进而求解发射端与接收端的相对位姿关系。本发明的导引装置适用于AUV回收，不受使用场景约束。

Description

一种AUV水下回收电磁导引装置

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，尤其涉及一种AUV水下回收电磁导引装置。

背景技术

自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。自主式水下机器人是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。AUV的准确回收是其能够推广使用的基础。

在AUV水下回收技术方案中，声学与光学导引是最常用的两种方案。声学导引方式具有作用距离远，不易受水质影响的优点，但是存在定位信号更新速率慢（0.1Hz~1Hz）、近距离定位精度不高的缺陷。

光学导引做为一种高精度导航手段，定位更新速率快，通常在10Hz至20Hz之间，被广泛用于AUV末端对接。例如，公开号为CN113592958A的中国专利文献公开了一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法，包括：设置引导光源；通过单目相机拍摄水下引导光源图像，其中所述单目相机通过采用改进的张正友标定法进行标定；获取相机水下非线性成像模型，并通过像素校正公式将引导光源图像映射到空气中，生成校正图像；基于改进的自适应OTSU算法对所述校正图像进行光源分割，基于像素加权质心的坐标计算获取光源中心坐标；基于光源中心坐标，采用三对已知坐标点进行P3P计算对相机的位姿进行解算，进而获得相机相对的位置信息。但是光导引的有效作用距离极易受到环境光以及水质的影响，因此不适合在近水面以及浑浊水域（近海岸、东海等）使用。

浙江大学硕士学位论文《基于RSS和单目视觉信息融合的自主水下航行器入坞导航技术研究》提出了一种基于电磁信号强度的水下定位方法，具有定位速率高的优点，但不足之处在于需要提前在AUV对接地点布置好发射天线，且信号发射器采用商业无线电台模块，无法调节发射功率进行远距离定位与导引。

电子罗盘是一种广泛应用的商业产品，它的测量原理是利用三轴磁阻传感器检测每个轴上的磁场强度进而进行欧拉角求解。但磁阻传感器通常仅适用于静态弱磁场检测，在一些铁磁环境中极易受到干扰。

因此，亟需研发一种适用于AUV回收的、不易受使用场景约束的水下电磁导引装置。

发明内容

本发明提供了一种AUV水下回收电磁导引装置，该导引装置适用于AUV回收，不受使用场景约束。

本发明的技术方案如下：

一种AUV水下回收电磁导引装置，包括安装在AUV回收基站上的发射端和安装在AUV上的接收端；

所述的发射端包括相互电连接的发射端线圈和发射端处理电路；所述的发射端通过谐振调理，由发射端线圈输出目标频率下的正弦电力信号；

所述的接收端包括相互电连接的接收端三轴感应线圈和接收端处理电路；所述的接收端三轴感应线圈的三个线圈电感量相同且两两互相垂直，接收发射端发出的正弦电路信号，接收端处理电路分析由三个线圈接收的三路信号的幅值与相位差距，进而求解发射端与接收端的相对位姿关系。

本发明的AUV水下回收电磁导引装置是检测特定频率的交流电磁场，通过感应耦合原理获得三轴导引信号，且信号发射源功率以及接收量程可调节，能够适应不同水质、导引距离以及不同铁磁环境，适应性能强。

优选的，所述的发射端处理电路包括：直流电源、DC-DC、发射端DSP处理器、运算放大器、高频逆变器、可编程直流电阻、谐振补偿电容；

发射端DSP处理器产生4路两两互补的方波信号输出，通过运算放大器将4路方波信号进行放大输入至高频逆变器；高频逆变器将方波信号进行功率放大输出给可编程直流电阻-发射端线圈-谐振补偿电容（R-L-C）单元进行调理滤波，通过谐振作用输出目标频率下的正弦电力信号。

进一步优选的，所述的发射端处理电路还包括电压电流采样电路，对发射端线圈的两端电压、电流进行采样；发射端DSP处理器根据发射端线圈的两端电压、电流值对正弦电力信号进行调频，使发射端线圈两端的电压、电流处于同相位。

当发射端与接收端相互靠近时，接收端的反射阻抗将影响发射端的谐振状态，使正弦电力信号产生畸变，此时接收端通过电压电流采样电路，对正弦电力信号进行调频，使发射端线圈两端的电压、电流始终处于同相位。发射端通过电压电流采样电路能保持发射端发射的信号无畸变。

优选的，所述的接收端处理电路括：多级增益电路串联回路、带通滤波器、整流器、AD采样电路、接收端DSP处理器；

接收端三轴感应线圈将接收到的三路信号分别给到多级增益电路串联回路进行自适应放大，通过带通滤波器将目标频率以外的频段杂波滤波，进而通过整流器将交流信号转成直流信号输入AD采样电路中，进而输入到接受端DSP处理器进行处理，分析三路信号的幅值与相位差距，进而求解发射端与接收端的相对位姿关系。

优选的，所述的发射端还包括水密件、水密折弯转接件、PVC圆柱面外壳，以及线圈主体支座；

所述的发射端线圈环绕在线圈主体支座上并由PVC圆柱面外壳封装；所述的发射端线圈通过水密件、水密折弯转接件与发射端处理电路电连接。

所述的发射端的制作方法包括：

（a）在线圈主体支座上绕制发射端线圈；

（b）将水密件与水密折弯转接件固连，水密件的导线从水密折弯转接件的通孔中穿出，与发射端线圈的两根引线焊接；

（c）将水密折弯转接件固定在线圈主体支座上，并用电子胶将水密件与水密折弯转接件的孔道密封；

（d）将发射端线圈封装到PVC圆柱面外壳内，并灌注入环氧树脂，风干即可。

所述的接收端还包括密封盖、接收端支座、耐压密封壳；

所述的接收端三轴感应线圈安装在接收端支座上并采用耐压密封壳封装；所述的接收端支座通过密封盖连接在AUV上。

优选的，密封盖与接收端支座、接收端支座与耐压密封壳之间采用径向密封方式；密封盖与AUV之间采用端面密封方式。

优选的，密封盖、接收端支座、耐压密封壳的材质为高强度非金属材料；进一步优选为PEEK或者尼龙PA6。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明的AUV水下回收电磁导引装置的发射端通过谐振调理，能够发射千赫兹级别的大功率简谐电磁波，作用距离远，并且能够在接收端反射阻抗影响下自动进行电压、电流同相位跟踪，保持发射信号无畸变；

（2）本发明的AUV水下回收电磁导引装置的接收端具有自适应量程调节功能，能够检测到较远距离的电磁场信号；

（3）本发明的AUV水下回收电磁导引装置几乎不受光照强度、水质，以及静态铁磁环境影响，并且电磁波传播速率极快，能够保证高频定位数据更新。

附图说明

图1是电磁导引装置接收端在AUV上的搭载示意图；

图2是电磁导引装置接收端（不含顶端密封半球壳）示意图；

图3是电磁导引装置发射线圈结构示意图；

图4是电磁导引装置发射线圈结构俯视与剖视示意图，其中（a）为图3的俯视图，（b）为沿（a）中A-A线的剖视图；

图5是电磁导引装置硬件电路组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

AUV水下回收的电磁导引装置包含一个圆柱面螺旋线圈发射端以及三轴感应接收端2；发射端前端连接高频逆变器作为大功率交变电磁场发射源；如图1所示，接收端2安装于AUV1上，三轴线圈后端连接调理电路滤除干扰信号，并根据三路信号幅值与相位求解接收端与发射端的相对姿态；

如图2所示，三轴感应接收端2包含与AUV 1连接的密封盖3，接收端支座4，三个相互垂直的圆柱面螺旋线圈5、6、7，外侧安装有密封半球壳；其中密封盖3、接收端支座4、耐压球壳材料为高强度非金属材料，可以是PEEK或者尼龙PA6；密封盖3与接收端支座4，接收端支座4与耐压半球壳之间采用径向密封，密封盖3与AUV 1之间采用端面密封方式；三个相互垂直的利兹线圈绕在非金属空心圆柱筒外壁面上，三个线圈电感量相同；每个线圈筒伸出2根引线，共6根引线，分别与馈线焊接，并从接收端支座4以及密封盖3的中间空心部分穿过，接入AUV1内部的信号调理电路；

如图3、图4所示，圆柱面螺旋线圈发射端包含水密件8、水密折弯转接件9、PVC圆柱面外壳11，以及线圈主体支座10，水密件8通过水密缆将线圈与谐振驱动电路相连；线圈主体支座包含有进胶孔道与出气复用孔道12，以及将环氧树脂胶引入水密折弯转接件的孔道16、17；

上述发射端制作方法为：第一步，在线圈主体支座10上绕制线圈，线圈与圆柱面14贴合；第二步，将线圈两根引线穿过孔道16，从孔17穿出；第三步，将水密件8与水密折弯转接件9拧紧固连，水密件8导线从折弯转接件9通孔中穿出，与孔17穿出的两根引线焊接；第四步，将水密折弯转接件9通过机械连接固定在线圈主体支座10上，并用电子胶将孔道18堵死；第五步，将PVC柔性板绕在线圈主体支座10外侧，形成圆柱面，圆柱面内侧与线圈主体制作通过双面胶粘合密封；第六步，将环氧树脂从进胶孔道与出气复用孔道12灌入风干完成制作；

如图5所示，电磁导引发射端电路组成单元主要包括：直流电源、DC-DC、DSP处理器、运算放大器、高频逆变器、可编程直流电阻、谐振补偿电容以及发射端线圈；DSP产生4路两两互补方波输出，通过运算放大器将4路方波信号进行放大输入高频逆变器；高频逆变器将方波信号进行功率放大输出给R-L-C（可编程直流电阻-发射端线圈-谐振补偿电容）单元进行调理滤波，通过谐振作用输出目标频率下的正弦电力信号；

当发射端线圈与接收端相互靠近时，接收端的反射阻抗将影响发射端的谐振状态，使正弦电力信号产生畸变，此时通过发射线圈的电压、电路采样电路，对方波信号进行调频，使发射线圈两端的电压、电流始终处于同相位；

电磁导引接收端电路组成单元主要包括：接收端三轴感应线圈、多级增益电路串联回路、带通滤波器、整流器、AD采样电路、DSP处理器；接收端三轴感应线圈两两互相垂直，三路信号分别给到多级增益电路串联回路进行自适应放大，接着通过带通滤波器将目标频率以外的频段杂波滤波，进而通过整流器将交流信号转成直流输入AD采样中，进而给DSP进行处理，分析三路信号的幅值与相位差距，进而求解AUV（接收端）所处姿态与空间磁感线的夹角关系，即发射端与接收端的相对位姿关系。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，包括安装在AUV回收基站上的发射端和安装在AUV上的接收端；

2.根据权利要求1所述的AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，所述的发射端处理电路包括：直流电源、DC-DC、发射端DSP处理器、运算放大器、高频逆变器、可编程直流电阻、谐振补偿电容；

发射端DSP处理器产生4路两两互补的方波信号输出，通过运算放大器将4路方波信号进行放大输入至高频逆变器；高频逆变器将方波信号进行功率放大输出给可编程直流电阻-发射端线圈-谐振补偿电容单元进行调理滤波，通过谐振作用输出目标频率下的正弦电力信号。

3.根据权利要求2所述的AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，所述的发射端处理电路还包括电压电流采样电路，对发射端线圈的两端电压、电流进行采样；发射端DSP处理器根据发射端线圈的两端电压、电流值对正弦电力信号进行调频，使发射端线圈两端的电压、电流处于同相位。

4.根据权利要求1所述的AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，所述的接收端处理电路括：多级增益电路串联回路、带通滤波器、整流器、AD采样电路、接收端DSP处理器；

5.根据权利要求1所述的AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，所述的发射端还包括水密件、水密折弯转接件、PVC圆柱面外壳，以及线圈主体支座；

6.根据权利要求1所述的AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，所述的接收端还包括密封盖、接收端支座、耐压密封壳；

7.根据权利要求6所述的AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，密封盖与接收端支座、接收端支座与耐压密封壳之间采用径向密封方式；密封盖与AUV之间采用端面密封方式。

8.根据权利要求6所述的AUV水下回收电磁导引装置，其特征在于，密封盖、接收端支座、耐压密封壳的材质为高强度非金属材料。