CN115113213B - 水下声呐、水下航行器及水下航行器在宽广水域巡航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下声呐、水下航行器及水下航行器在宽广水域巡航方法，属于水下声呐技术领域。其包括：第一声呐本体组件；第一声呐壳体，其具有一个容腔，第一声呐本体组件安装在容腔内，第一声呐壳体的周侧板上设置有环状轨道；垂直起吊装置，其一端与水下航行器的底板连接，另一端与第一声呐壳体连接，垂直起吊装置的与声呐本体组件连接的一端能够远离或靠近水下航行器；第二声呐本体组件，其安装在环状轨道上，且能在环状轨道运动；控制器，其与垂直起吊装置连接，用于控制垂直起吊装置工作。本申请通过第二声呐本体组件进行周向区域探测从而在第一声呐本体组件上升及下降的过程中，防止周围出现障碍物而导致第一声呐本体组件与障碍物相撞。

Description

水下声呐、水下航行器及水下航行器在宽广水域巡航方法

技术领域

本申请涉及水下声呐技术领域，具体涉及一种水下声呐、水下航行器以及水下航行器在宽广水域巡航方法。

背景技术

现有技术中，水下航行器通常通过声呐来进行水底地形绘制，在进行水底地形绘制过程中，一方面水下航行器可以下潜至预定水域，另一方面，一些地形较为复杂、或者沟壑的地区，水下航行器不适宜下潜，此时，声呐离想探测的位置可能距离还比较远，而通常通过声呐进行探测，声呐离探测地越近，其探测效果越好。

现有技术中，虽然有些声呐探测装置能够进行远离水下航行器的运动，但是，现有技术中的声呐探测装置也是有一定的体积的，且通常在探测过程中，水下航行器还是需要进行运动的，又或者可能会有大型鱼类靠近，这时，现有技术无法识别到可能危害到声呐探测装置的障碍物的存在，例如，在某些狭小的沟壑处，可能会出现局部区域特别狭小，此时，如果下放声呐探测装置，很可能会撞到某些地形障碍，又或者虽然在某些地方声呐探测装置能够下潜，但是随着水下航行器的运动，可能会导致撞到前方的障碍物的情况出现。

因此，希望有一种技术方案来解决或至少减轻现有技术的上述不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下声呐来至少解决上述的一个技术问题。

本发明的一个方面，提供一种水下声呐，用于水下航行器，所述水下声呐安装在所述水下航行器的底板上，所述水下声呐包括：

第一声呐本体组件；

第一声呐壳体，所述第一声呐壳体具有一个容腔，所述第一声呐本体组件安装在所述容腔内，所述第一声呐壳体的周侧板上设置有环状轨道；

垂直起吊装置，所述垂直起吊装置的一端与所述水下航行器的底板连接，另一端与所述第一声呐壳体连接，所述垂直起吊装置的与所述第一声呐壳体连接的一端能够远离或者靠近所述水下航行器；

第二声呐本体组件，所述第二声呐本体组件安装在所述环状轨道上，并且能够在所述环状轨道上运动；

控制器，所述控制器与所述垂直起吊装置连接，用于控制垂直起吊装置的与所述第一声呐壳体连接的一端远离所述水下航行器或靠近所述水下航行器；其中，

所述第一声呐本体组件用于进行第一角度范围的声波探测；

所述第二声呐本体组件用于在所述环状轨道上运动，并在运动过程中实时进行第二角度范围的声波探测，并将所探测的数据传递给所述控制器；

所述控制器用于根据第二声呐本体组件所探测的数据来控制所述垂直起吊装置的工作，以使所述垂直起吊装置的与所述第一声呐壳体连接的一端远离所述水下航行器或靠近所述水下航行器。

可选地，所述第一声呐本体组件包括第一基板、第一发射装置、第一接收装置、第一相控发射阵列以及第一接收阵列，其中，

所述第一发射装置、第一接收装置、第一相控发射阵列以及第一接收阵列设置在所述第一基板上；

所述第一相控发射阵列包括多个第一发射换能器，所述第一接收阵列包括多个第一接收换能器；其中，

所述第一发射装置用于向所述第一相控发射阵列中的各个第一发射换能器提供发射电信号；

第一相控发射阵列中的各个第一发射换能器用于将所述电信号转换成声波信号并进行发射；

所述第一接收阵列中的各个第一接收换能器用于接收反射的声信号，并将接收到的声信号转换成电信号传递第一接收装置。

可选地，所述第一声呐壳体包括第一板以及周侧板，所述第一板与所述垂直起吊装置连接，所述周侧板与所述第一板的一个面连接，所述周侧板与所述第一板之间形成所述容腔，所述第一声呐本体组件设置在所述容腔中，所述第一基板与所述第一板连接。

可选地，所述水下航行器的底板上设置有声呐容纳凹槽；

所述垂直起吊装置包括：

旋转轴，所述旋转轴设置在所述声呐容纳凹槽内；

驱动装置，所述驱动装置与所述旋转轴连接；

伸缩装置，所述伸缩装置包括固定端以及伸缩端，所述固定端与所述旋转轴连接，所述伸缩端与所述第一声呐壳体连接；其中，

所述控制器用于控制驱动装置和/或伸缩装置工作；

所述驱动装置用于驱动所述旋转轴旋转，从而使旋转轴带动所述伸缩装置旋转，以使伸缩装置能够容纳进所述声呐容纳凹槽内或自所述声呐容纳凹槽旋出；

所述伸缩装置用于使所述伸缩端靠近或远离所述固定端。

可选地，所述第二声呐本体组件的数量为多个，每个第二声呐本体组件包括第二声呐壳体、声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块；

所述第二声呐壳体通过连接装置连接在环状轨道上，且能够绕所述环状轨道运动，所述声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块设置在所述第二声呐壳体上；

所述声波发射模块用于发射声波信号，声波接收模块用于接收声波信号，数据处理模块分别与所述声波发射模块、声波接收模块以及控制器连接，所述数据处理模块用于根据所述控制器的控制来为所述声波发射模块发送工作信号，并接收所述声波接收模块所传递的声波信号并将声波信号转换为数据处理模块电信号传递给控制器；

所述控制器根据所述数据处理模块电信号分析周侧是否具有障碍物，当判断为没有障碍物时，为所述驱动装置发送工作信号，以使垂直起吊装置带动所述第一声呐壳体升降；其中，

所述第二声呐壳体包括壳本体以及驱动滑块，所述壳本体与所述驱动滑块连接，所述驱动滑块安装在环状轨道上，所述驱动滑块与所述控制器连接，控制器能够驱动所述驱动滑块运动，从而使所述驱动滑块沿着所述环状轨道运动。

本申请还提供了一种水下航行器，所述水下航行器包括：

航行器本体，所述航行器本体上设置有惯性导航系统，所述惯性导航系统用于获取所述水下航行器的姿态信息以及速度信息；

水下声呐，所述水下声呐安装在所述航行器本体上，所述水下声呐为如上所述的水下声呐，所述水下声呐中的第一声呐本体组件用于通过声波的方式获取水下点云数据；

航行器控制器，所述航行器控制器用于获取所述惯性导航系统所传递的水下航行器的姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据，并根据所述姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据获取水下航行器的位置信息。

可选地，所述水下航行器进一步包括：

多个辅助水下航行器，各个辅助水下航行器首尾衔接，其中一个辅助水下航行器与所述航行器本体通过电磁连接器连接，各个首尾衔接的水下航行器通过电磁连接器连接，每个所述电磁连接器均与所述航行器控制器连接，用于根据所述航行器控制器的指示进行断开，在所述电磁连接器断开时，断开连接的辅助水下航行器能够单独在水中运动；

每个所述辅助水下航行器包括：

辅助水下航行器本体；

激光测距装置，所述激光测距装置的数量为多个，每个激光测距装置均设置在辅助水下航行器本体上；

声呐发生装置，所述声呐发生装置设置在所述辅助水下航行器的顶部；

辅助水下航行器控制器，所述水下航行器控制器分别与所述激光测距装置以及声呐发生装置连接，用于控制所述激光测距装置以及所述声呐发生装置工作，并获取所述激光测距装置所传递的距离信息。

本申请还提供了一种水下航行器在宽广水域巡航方法，适用于如上所述的水下航行器，所述水下航行器在宽广水域巡航方法包括：

在水下航行器在水域巡航时，航行器控制器向控制器发送指令，控制器在收到指令后，向第二声呐本体组件发送工作指令，第二声呐本体组件接收指令后，控制所述驱动滑块在所述环状轨道上运动，并在所述驱动滑块运动过程中，控制第二声呐本体组件中的声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块工作；

控制器周期性获取各个第二声呐本体组件中的数据处理模块所传递的声波信号；

控制器周期性根据获取的声波信号判断第一预设距离内是否有障碍物，若否，则

控制器向垂直起吊装置发送信号，使垂直起吊装置的与所述第一声呐壳体连接的一端以预设运动距离为一个周期，周期性远离所述水下航行器直至第二预设距离，且每个周期与下一个周期之间停顿的时间大于所述控制器周期性根据获取的声波信号判断第一预设距离内是否有障碍物中的周期所用时间。

可选地，所述水下航行器在宽广水域巡航方法进一步包括：

当所述垂直起吊装置位于预设位置后，控制器控制所述第一声呐本体组件工作，从而获取水下声呐图像并将所述水下声呐图像传递给控制器；

控制器根据获取的水下声呐图像获取水下点云图像并将所述水下点云数据传递给所述航行器控制器；

所述航行器控制器根据所述水下点云数据判断是否具有特殊标志物，若是，则

航行器控制器获取经过训练的神经网络分类器；

航行器控制器提取所述水下点云数据中的特征；

航行器控制器将所述特征输入至所述神经网络分类器，从而获取分类标签，所述分类标签包括水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签以及未识别标签；

若所述分类标签为水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签，则所述航行器控制器根据所述姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据获取水下航行器的位置信息。

可选地，所述水下航行器在宽广水域巡航方法进一步包括：

若所述分类标签为未识别标签，则航行器控制器根据所述水下点云数据生成特殊标志物位置信息；

所述航行器控制器将所述特殊标志物位置信息传递给一个辅助水下航行器，并控制传递特殊标志物位置信息的辅助水下航行器的电磁连接器断开，从而使接收到特殊标志物位置信息的辅助水下航行器能够脱离所述水下航行器运动；

辅助水下航行器根据所述特殊标志物位置信息靠近所述特殊标志物；

辅助水下航行器在靠近所述特殊标志物后，围绕所述特殊标志物运动，并开启所述激光测距装置，从而获取激光测距信息并将激光测距信息传递给辅助水下航行器控制器；

在所述辅助水下航行器收集完所述激光测距信息后，辅助水下航行器控制器控制所述辅助水下航行器的声呐发生装置工作，从而使辅助水下航行器的声呐发生装置发出声波；

航行器本体在运动至能够接收到所述辅助水下航行器的声呐发生装置所发出的声波后，能够根据该声波获取到辅助水下航行器与航行器本体相对位置信息，航行器本体根据所述相对位置信息、特殊标志物位置信息以及所述惯性导航系统能够获取到自身的位置信息。

有益效果

本申请的水下声呐在进行第一声呐本体组件的升降时，可以通过第二声呐本体组件进行周向区域的探测，且根据需要，可以调制探测角度是垂直于第一声呐本体组件的上升或下降的方向，又或者与上升下降方向具有一定角度，从而在第一声呐本体组件上升以及下降的过程中，防止周围出现障碍物而导致第一声呐本体组件与障碍物相撞。

附图说明

图1是本申请一实施例的水下声呐安装在水下航行器的系统示意图；

图2是图1所示的水下声呐中的伸缩装置位于声呐容纳凹槽内的系统示意图。

附图标记：

1、水下航行器；2、垂直起吊装置；4、第一声呐壳体；5、第一声呐本体组件；6、第二声呐本体组件；11、声呐容纳凹槽；21、旋转轴；22、驱动装置；23、伸缩装置；41、环状轨道；51、第一板；52、周侧板；12、航行器本体；7、辅助水下航行器；71、辅助水下航行器本体；72、激光测距装置；73、声呐发生装置；74、辅助水下航行器控制器；8、航行器控制器。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

图1是本申请一实施例的水下声呐的流程示意图。

本申请的水下声呐，用于水下航行器1，所述水下声呐安装在所述水下航行器1的底板上。

如图1所示的水下声呐包括第一声呐本体组件5、第一声呐壳体4、垂直起吊装置2、第二声呐本体组件6以及控制器；其中，

第一声呐壳体4具有一个容腔，第一声呐本体组件5安装在容腔内，第一声呐壳体4的周侧板52上设置有环状轨道41；

垂直起吊装置2的一端与水下航行器1的底板连接，另一端与第一声呐壳体4连接，垂直起吊装置2的与第一声呐壳体4连接的一端能够远离或者靠近水下航行器1；

第二声呐本体组件6安装在环状轨道41上，并且能够在环状轨道41上运动；

控制器与垂直起吊装置连接，用于控制垂直起吊装置2的与第一声呐壳体4连接的一端远离水下航行器1或靠近水下航行器1；其中，

第一声呐本体组件5用于进行第一角度范围的声波探测；

第二声呐本体组件6用于在环状轨道41上运动，并在运动过程中实时进行第二角度范围的声波探测，并将所探测的数据传递给控制器；

控制器用于根据第二声呐本体组件6所探测的数据来控制垂直起吊装置2的工作，以使垂直起吊装置2的与第一声呐壳体4连接的一端远离水下航行器1或靠近水下航行器1。

本申请的水下声呐在进行第一声呐本体组件的升降时，可以通过第二声呐本体组件进行周向区域的探测，且根据需要，可以调制探测角度是垂直于第一声呐本体组件的上升或下降的方向，又或者与上升下降方向具有一定角度，从而在第一声呐本体组件上升以及下降的过程中，防止周围出现障碍物而导致第一声呐本体组件与障碍物相撞。

在本实施例中，第一声呐本体组件包括第一基板、第一发射装置、第一接收装置、第一相控发射阵列以及第一接收阵列，其中，

第一发射装置、第一接收装置、第一相控发射阵列以及第一接收阵列设置在所述第一基板上；

第一相控发射阵列包括多个第一发射换能器，所述第一接收阵列包括多个第一接收换能器；其中，

第一发射装置用于向所述第一相控发射阵列中的各个第一发射换能器提供发射电信号；

第一相控发射阵列中的各个第一发射换能器用于将所述电信号转换成声波信号并进行发射；

第一接收阵列中的各个第一接收换能器用于接收反射的声信号，并将接收到的声信号转换成电信号传递第一接收装置。

在本实施例中，第一声呐壳体5包括第一板51以及周侧板52，第一板51与垂直起吊装置2连接，周侧板52与第一板51的一个面连接，周侧板52与第一板51之间形成所述容腔，第一声呐本体组件5设置在所述容腔中，第一基板与第一板51连接。

在本实施例中，第一板51余周侧板52可以是一体成型，也可以通过螺栓连接。

在本实施例中，垂直起吊装置2与第一板51可以通过焊接的方式连接。

在本实施例中，水下航行器的底板上设置有声呐容纳凹槽11；

垂直起吊装置2包括旋转轴21、驱动装置22以及伸缩装置23，其中，

旋转轴21设置在声呐容纳凹槽11内；

驱动装置22与旋转轴21连接；

伸缩装置23包括固定端以及伸缩端，固定端与旋转轴21连接，伸缩端与第一声呐壳体4连接；其中，

控制器用于控制驱动装置22和/或伸缩装置23工作；

驱动装置22用于驱动旋转轴21旋转，从而使旋转轴21带动伸缩装置23旋转，以使伸缩装置23能够容纳进所述声呐容纳凹槽11内或自声呐容纳凹槽11旋出；

伸缩装置23用于使伸缩端靠近或远离固定端。

在本实施例中，驱动装置22为电机，伸缩装置23为多节伸缩液压缸，可以理解的是，多节伸缩液压缸的数量可以为多个。

参见图2，在本实施例中，通过控制旋转轴21旋转，从而能够将垂直起吊装置以及垂直起吊装置连接的第一声呐壳体等部件旋转进声呐容纳凹槽内，从而方便水下航行器在狭小水域中航行，防止垂直起吊装置、第一声呐壳体等部件在狭小水域中磕损。

举例来说，可以认为声呐容纳凹槽是一个长方体的凹槽，当旋转轴21旋转后，第一声呐壳体4可以旋转进声呐容纳凹槽中。

另外，通过对旋转轴21的控制，可以控制垂直起吊装置以及第一声呐本体组件、第二声呐本体组件相对于旋转轴21的角度，从而通过对旋转轴21的角度的旋转扩大了第一声呐本体组件、第二声呐本体组件的探测范围。

在另一个实施例中，垂直起吊装置包括多个固定装置、驱动装置以及缆绳，每个固定装置与所述水下航行器的底板连接，固定装置包括旋转轴21；驱动装置的数量与所述固定装置的数量相同，驱动装置与所述控制器连接，一个驱动装置与一个旋转轴21连接，驱动装置能够驱动其所连接的旋转轴21旋转；缆绳的数量为多个，每个缆绳均具有一个连接端以及一个运动端，所述连接端与所述旋转轴21连接，所述运动端与所述第一声呐壳体连接，一个缆绳缠绕在一个旋转轴21上；其中，所述控制器用于控制各个驱动装置工作，从而使旋转轴21旋转以释放缆绳长度或使缆绳缠绕在所述旋转轴21上，从而使缆绳带动所述第一声呐壳体升降。

本申请以缆绳的方式来进行第一声呐本体组件的升降，由于缆绳可以以缠绕的方式缠绕在旋转轴21上，因此，一方面其长度可调，另一方面其长度比一般刚性升降装置要长。

在本实施例中，第二声呐本体组件的数量为多个，每个第二声呐本体组件包括第二声呐壳体、声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块；

所述第二声呐壳体通过连接装置连接在环状轨道上，且能够绕所述环状轨道运动，所述声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块设置在所述第二声呐壳体上；

所述声波发射模块用于发射声波信号，声波接收模块用于接收声波信号，数据处理模块分别与所述声波发射模块、声波接收模块以及控制器连接，所述数据处理模块用于根据所述控制器的控制来为所述声波发射模块发送工作信号，并接收所述声波接收模块所传递的声波信号并将声波信号转换为数据处理模块电信号传递给控制器；

所述控制器根据所述数据处理模块电信号分析周侧是否具有障碍物，当判断为没有障碍物时，为所述驱动装置发送工作信号，以使垂直起吊装置的缆绳带动所述第一声呐壳体升降；其中，

所述第二声呐壳体包括壳本体以及驱动滑块，所述壳本体与所述驱动滑块连接，所述驱动滑块安装在环状轨道上，所述驱动滑块与所述控制器连接，控制器能够驱动所述驱动滑块运动，从而使所述驱动滑块沿着所述环状轨道运动。

在实施例中，驱动滑块上设置有驱动轮以及驱动马达，驱动马达与控制器连接，控制器控制驱动马达运动，驱动马达带动驱动轮转动，从而使驱动滑块沿着环状轨道41运动。

通过驱动滑块的移动，本申请的第二声呐本体组件可以绕着第一声呐壳体旋转，在本实施例中，第一声呐壳体的周侧板52为圆形，由于第二声呐本体组件用于进行障碍物的探测，第二声呐本体组件不能够太快速的进行移动，因此，通过设置多个第二声呐本体组件且绕着周侧板52的方向运动的方式，可以在同一时刻探测多个方向的障碍物的情况，从而防止有探测死角。

本申请还提供了一种水下航行器，所述水下航行器包括航行器本体、水下声呐以及航行器控制器，航行器本体上设置有惯性导航系统，所述惯性导航系统用于获取所述水下航行器的姿态信息以及速度信息；基水下声呐安装在所述航行器本体上，所述水下声呐为如上所述的水下声呐，所述水下声呐中的第一声呐本体组件用于通过声波的方式获取水下点云数据；航行器控制器用于获取所述惯性导航系统所传递的水下航行器的姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据，并根据所述姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据获取水下航行器的位置信息。

在水下航行器进行远距离巡航时，如果水下航行器在水下航行，一般的GPS系统定位都不会太精确，而通过惯性导航系统在巡航时间较长后，也会出现一定误差，本申请一方面使用惯性导航系统进行自身位置的定位，另一方面通过水下点云数据获取某些标志物，例如，水下管道、水下标识等，可以对惯性导航系统进行修正，从而实现更为精准的水下航行器的定位。

在本实施例中，水下航行器进一步包括多个辅助水下航行器7，各个辅助水下航行器7首尾衔接，其中一个辅助水下航行器7与航行器本体12通过电磁连接器连接，各个首尾衔接的辅助水下航行器7通过电磁连接器连接，每个电磁连接器均与航行器控制器连接，用于根据航行器控制器的指示进行断开，在电磁连接器断开时，断开连接的辅助水下航行器能够单独在水中运动；

每个辅助水下航行器7包括辅助水下航行器本体71、激光测距装置72、声呐发生装置73、辅助水下航行器控制器，其中，

激光测距装置72的数量为多个，每个激光测距装置均设置在辅助水下航行器本体71上；

声呐发生装置73设置在辅助水下航行器的顶部；

水下航行器控制器分别与激光测距装置72以及声呐发生装置73连接，用于控制激光测距装置72以及声呐发生装置73工作，并获取激光测距装置所传递的距离信息。

举例来说，假设本申请的水下航行器包括三个辅助水下航行器，分别为A辅助水下航行器、B辅助水下航行器、C辅助水下航行器，A辅助水下航行器、B辅助水下航行器、C辅助水下航行器首尾衔接，即A辅助水下航行器的尾部与B辅助水下航行器通过电磁连接器连接，B辅助水下航行器的尾部与C辅助水下航行器通过电磁连接器连接，A辅助水下航行器与水下航行器通过电磁连接器连接，每个电磁连接器均可以单独进行控制。

在本实施例中，控制器还与第二声呐本体组件6连接，能够为第二声呐本体组件6发送工作信号。

本申请还提供了一种水下航行器在宽广水域巡航方法，适用于如上所述的水下航行器，所述水下航行器在宽广水域巡航方法包括：

在水下航行器在水域巡航时，航行器控制器8向控制器发送指令，控制器在收到指令后，向第二声呐本体组件6发送工作指令，第二声呐本体组件6接收指令后，控制驱动滑块在环状轨道上运动，并在驱动滑块运动过程中，控制第二声呐本体组件6中的声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块工作；

控制器周期性获取各个第二声呐本体组件6中的数据处理模块所传递的声波信号；

控制器周期性根据获取的声波信号判断第一预设距离（可以理解的是，该第一预设距离可以根据自身需求而定，例如，可以是50米以内）内是否有障碍物，若否，则

控制器向垂直起吊装置发送信号，使垂直起吊装置2的与所述第一声呐壳体4连接的一端以预设运动距离（在本实施例中，预设运动距离可以根据需要自行设定，例如，每10CM为一个预设运动距离，或者每20CM为一个预设运动距离）为一个周期，周期性远离所述水下航行器直至第二预设距离（可以理解的，该第二预设距离可以根据需要自行设定，例如，第二预设距离可以设置为15米，10米或者其他距离），且每个周期与下一个周期之间停顿的时间大于所述控制器周期性根据获取的声波信号判断第一预设距离内是否有障碍物中的周期所用时间。

举例来说，在一个周期内，垂直起吊装置的与第一声呐壳体连接的一端以15CM的距离远离水下航行器，这个周期结束后，会停顿一会，停顿时间可以根据需要任意设置，例如，可以停顿2秒钟，该停顿时间要大于控制器获取的声波信号判断第一预设距离内是否有障碍物中的周期所用时间，即在这2秒钟内，控制器至少又判断了一次是否有障碍物。

采用这种方式，可以一边下方垂直起吊装置，一边探测周围地形情况，防止障碍物撞到第一声呐本体组件以及第一声呐壳体，尤其是在一些可移动障碍物比较多的地区，例如，有沉船等区域。

在本实施例中，水下航行器在宽广水域巡航方法进一步包括：

当垂直起吊装置位于预设位置（可以理解的是，该预设位置可以根据需要自行设定，例如，该预设位置可以是旋转轴旋转至任意一个使用者想需要的角度）后，控制器控制所述第一声呐本体组件工作，从而获取水下声呐图像并将所述水下声呐图像传递给控制器；

控制器根据获取的水下声呐图像获取水下点云图像并将所述水下点云数据传递给所述航行器控制器；

所述航行器控制器根据所述水下点云数据判断是否具有特殊标志物（在本实施例中，特殊标志物是指具有一定形状的结构物体，这种物体能够区别于平整的海面，例如，可以是水下的管道、水下的电缆、水底的山丘又或者一些不会移动的珊瑚等，具体来说，通过水下点云数据可以获取到水下物体的轮廓形状，通过轮廓形状即可以知道该轮廓是否为特殊轮廓，可以理解的是，可以设置一个特殊轮廓数据库，该特殊轮廓数据库中包括多种特殊轮廓，只要获取的水下点云数据的轮廓跟特殊轮廓数据库中的任意一个特殊轮廓相似度高于某个阈值，就认为是特殊标志物），若是，则

航行器控制器获取经过训练的神经网络分类器（可以理解的是，只要是能够进行分类的分类器均可以实现本申请的分类，而神经网络分类器属于现有技术，在此不再赘述）；

航行器控制器提取所述水下点云数据中的特征；

航行器控制器将所述特征输入至所述神经网络分类器，从而获取分类标签，所述分类标签包括水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签以及未识别标签（在本实施例中，水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签以及未识别标签均为特殊标志物）；

若所述分类标签为水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签，则所述航行器控制器根据所述姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据获取水下航行器的位置信息（可以理解的是，根据姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据获取水下航行器的位置信息为现有技术，例如，本申请设置有位置数据库，该位置数据库中包括多个预设标志物以及每个预设标志物的具体经纬度信息，当分类标签获取到该类型时，例如，为水底山丘标签，而位置数据库中的预设标志物有这个水底山丘作为预设标志物，则此时就能知道该水底山丘的经纬度信息，有了该经纬度信息，再通过现有的惯性导航技术或者SLAM技术，即可以获取到水下航行器的精确位置）。

在本实施例中，通过本申请的第一声呐本体组件进行声波扫描，可以获取发射波束面内的水下信息，并且使水下航行器沿着某个方向运行，即可以收集行进方向的各个回波数据，对回波信号进行波束形成，得到不同方位角度下的波束图像，根据波束的角度和回波采样点，完成坐标转换，得到水体的各个探测位置的位置信息，最后通过差值、动态亮度调节等处理，完成水下声图像的获取。

在获取到水下声图像后，进行目标边缘特征提取，通过SOBEL边缘检测的方式，提取一些特殊形状的边缘，并通过多PING图像的按序拼接，实现二维图像到三维点云的转换，并进行滤波去噪。

在进行滤波去噪以后，即得到了三维点云数据，将三维点云数据输入到分类器中，从而获取三维点云数据的分类。

当分类为水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签后，获取预设数据库，预设数据库中包括巡航区域的预设水下电缆图像信息、预设水下铺设管道图像信息以及预设水底山丘图像信息；

将获取到的三维点云数据与对应的水下电缆图像信息、预设水下铺设管道图像信息以及预设水底山丘图像信息进行配准，从而能够获取到的三维点云数据所对应的是具体哪个位置，从而就能够获取三维点云数据所对应的具体位置。

例如，假设三维点云数据进行分类后为水底山丘标签，而水下航行器的数据库中预存了巡航海域的水底山丘图像，通过配准发现，三维点云数据对应的是经纬度为A、B的区域的水底山丘图像，则获取到的一个比较精确的位置信息，用该位置信息对现在水下航行器通过惯性导航系统所获取的位置信息进行修正即可。

在本实施例中，水下航行器在宽广水域巡航方法进一步包括：

若所述分类标签为未识别标签，则航行器控制器根据所述水下点云数据生成特殊标志物位置信息（可以理解的是，在本实施例中，未识别标签的对象也是特殊标志物，可以理解的是，由于是通过声呐获取的特殊标志物的信息，因此，也同样知道该特殊标志物的相对位置关系，因此，即可以根据相对位置关系生成特殊标志物位置信息）；

航行器控制器8将特殊标志物位置信息传递给一个辅助水下航行器7，并控制传递特殊标志物位置信息的辅助水下航行器7的电磁连接器断开，从而使接收到特殊标志物位置信息的辅助水下航行器7能够脱离航行器本体运动；

辅助水下航行器7根据所述特殊标志物位置信息靠近所述特殊标志物；

辅助水下航行器7在靠近特殊标志物后，围绕特殊标志物运动，并开启激光测距装置72，从而获取激光测距信息并将激光测距信息传递给辅助水下航行器控制器74；

在所述辅助水下航行器7收集完所述激光测距信息后，辅助水下航行器控制器74控制所述辅助水下航行器7的声呐发生装置73工作，从而使辅助水下航行器7的声呐发生装置73发出声波；

航行器本体12在运动至能够接收到辅助水下航行器7的声呐发生装置73所发出的声波后，能够根据该声波获取到相对位置信息，航行器本体12根据所述相对位置信息以及所述惯性导航系统能够获取到自身的位置信息。

如果标签为未识别标签，则说明此处可能之前没有探索过，或者有什么变化（即位置数据库中没有该特殊标志物的记录），此时，通过辅助水下航行器7去进一步进行探索，一方面不妨碍航行器本体12继续进行巡航工作，另一方面，可以让辅助水下航行器7去靠近特殊位置进行详细的探测，并且通过辅助水下航行器7发送声呐信号，航行器本体12很容易能够确定辅助水下航行器7的位置，从而方便辅助水下航行器7的回收。

另外，当航行器本体12继续进行巡航时，还可以通过辅助水下航行器7的声呐所传递的信息来作为定位信息的一部分来进行航行器本体12的位置修正，具体而言，就是当辅助水下航行器7去独自执行任务时，辅助水下航行器7也就成为了一个新的特殊标志物，用来辅佐航行器本体12。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种水下声呐，用于水下航行器，所述水下声呐安装在所述水下航行器（1）的底板上，其特征在于，所述水下声呐包括：

第一声呐本体组件（5）；

第一声呐壳体（4），所述第一声呐壳体（4）具有一个容腔，所述第一声呐本体组件（5）安装在所述容腔内，所述第一声呐壳体（4）的周侧板（52）上设置有环状轨道（41）；

垂直起吊装置（2），所述垂直起吊装置（2）的一端与所述水下航行器（1）的底板连接，另一端与所述第一声呐壳体（4）连接，所述垂直起吊装置（2）的与所述第一声呐壳体（4）连接的一端能够远离或者靠近所述水下航行器（1）；

第二声呐本体组件（6），所述第二声呐本体组件（6）安装在所述环状轨道（41）上，并且能够在所述环状轨道（41）上运动；

控制器，所述控制器与所述垂直起吊装置（2）连接，用于控制垂直起吊装置（2）的与所述第一声呐壳体（4）连接的一端远离所述水下航行器（1）或靠近所述水下航行器（1）；其中，

所述第一声呐本体组件（5）用于进行第一角度范围的声波探测；

所述第二声呐本体组件（6）用于在所述环状轨道（41）上运动，并在运动过程中实时进行第二角度范围的声波探测，并将所探测的数据传递给所述控制器；

所述控制器用于根据第二声呐本体组件（6）所探测的数据来控制所述垂直起吊装置（2）的工作，以使所述垂直起吊装置（2）的与所述第一声呐壳体（4）连接的一端远离所述水下航行器（1）或靠近所述水下航行器（1）。

2.如权利要求1所述的水下声呐，其特征在于，所述第一声呐本体组件（5）包括第一基板、第一发射装置、第一接收装置、第一相控发射阵列以及第一接收阵列，其中，

所述第一发射装置、第一接收装置、第一相控发射阵列以及第一接收阵列设置在所述第一基板上；

所述第一相控发射阵列包括多个第一发射换能器，所述第一接收阵列包括多个第一接收换能器；其中，

所述第一发射装置用于向所述第一相控发射阵列中的各个第一发射换能器提供发射电信号；

第一相控发射阵列中的各个第一发射换能器用于将所述电信号转换成声波信号并进行发射；

所述第一接收阵列中的各个第一接收换能器用于接收反射的声信号，并将接收到的声信号转换成电信号传递第一接收装置。

3.如权利要求2所述的水下声呐，其特征在于，所述第一声呐壳体（4）包括第一板（51）以及周侧板（52），所述第一板（51）与所述垂直起吊装置连接，所述周侧板（52）与所述第一板（51）的一个面连接，所述周侧板（52）与所述第一板（51）之间形成所述容腔，所述第一声呐本体组件（5）设置在所述容腔中，所述第一基板与所述第一板（51）连接。

4.如权利要求3所述的水下声呐，其特征在于，所述水下航行器的底板上设置有声呐容纳凹槽（11）；

所述垂直起吊装置（2）包括：

旋转轴（21），所述旋转轴（21）设置在所述声呐容纳凹槽（11）内；

驱动装置（22），所述驱动装置（22）与所述旋转轴（21）连接；

伸缩装置（23），所述伸缩装置（23）包括固定端以及伸缩端，所述固定端与所述旋转轴（21）连接，所述伸缩端与所述第一声呐壳体（4）连接；其中，

所述控制器用于控制驱动装置（22）和/或伸缩装置（23）工作；

所述驱动装置（22）用于驱动所述旋转轴（21）旋转，从而使旋转轴（21）带动所述伸缩装置（23）旋转，以使伸缩装置（23）能够容纳进所述声呐容纳凹槽（11）内或自所述声呐容纳凹槽（11）旋出；

所述伸缩装置（23）用于使所述伸缩端靠近或远离所述固定端。

5.如权利要求4所述的水下声呐，其特征在于，所述第二声呐本体组件（6）的数量为多个，每个第二声呐本体组件（6）包括第二声呐壳体、声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块；

所述第二声呐壳体通过连接装置连接在环状轨道（41）上，且能够绕所述环状轨道（41）运动，所述声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块设置在所述第二声呐壳体上；

所述声波发射模块用于发射声波信号，声波接收模块用于接收声波信号，数据处理模块分别与所述声波发射模块、声波接收模块以及控制器连接，所述数据处理模块用于根据所述控制器的控制来为所述声波发射模块发送工作信号，并接收所述声波接收模块所传递的声波信号并将声波信号转换为数据处理模块电信号传递给控制器；

所述控制器根据所述数据处理模块电信号分析周侧是否具有障碍物，当判断为没有障碍物时，为所述驱动装置发送工作信号，以使垂直起吊装置（2）带动所述第一声呐壳体（4）升降；其中，

所述第二声呐壳体包括壳本体以及驱动滑块，所述壳本体与所述驱动滑块连接，所述驱动滑块安装在环状轨道（41）上，所述驱动滑块与所述控制器连接，控制器能够驱动所述驱动滑块运动，从而使所述驱动滑块沿着所述环状轨道（41）运动。

6.一种水下航行器，其特征在于，所述水下航行器（1）包括：

航行器本体（12），所述航行器本体上设置有惯性导航系统，所述惯性导航系统用于获取所述水下航行器的姿态信息以及速度信息；

水下声呐，所述水下声呐安装在所述航行器本体（12）上，所述水下声呐为如权利要求1至5中任意一项所述的水下声呐，所述水下声呐中的第一声呐本体组件用于通过声波的方式获取水下点云数据；

航行器控制器（8），所述航行器控制器（8）用于获取所述惯性导航系统所传递的水下航行器（1）的姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据，并根据所述姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据获取水下航行器（1）的位置信息。

7.如权利要求6所述的水下航行器，其特征在于，所述水下航行器（1）进一步包括：

多个辅助水下航行器（7），各个辅助水下航行器（7）首尾衔接，其中一个辅助水下航行器（7）与所述航行器本体（12）通过电磁连接器连接，各个首尾衔接的辅助水下航行器（7）通过电磁连接器连接，每个所述电磁连接器均与所述航行器控制器（8）连接，用于根据所述航行器控制器（8）的指示进行断开，在所述电磁连接器断开时，断开连接的辅助水下航行器（7）能够单独在水中运动；

每个所述辅助水下航行器（7）包括：

辅助水下航行器本体（71）；

激光测距装置（72），所述激光测距装置（72）的数量为多个，每个激光测距装置（72）均设置在辅助水下航行器本体（71）上；

声呐发生装置（73），所述声呐发生装置（73）设置在所述辅助水下航行器（7）的顶部；

辅助水下航行器控制器（74），所述辅助水下航行器控制器（74）分别与所述激光测距装置（72）以及声呐发生装置（73）连接，用于控制所述激光测距装置（72）以及所述声呐发生装置（73）工作，并获取所述激光测距装置（72）所传递的距离信息。

8.一种水下航行器在宽广水域巡航方法，适用于如权利要求6或7所述的水下航行器，其特征在于，所述水下航行器在宽广水域巡航方法包括：

在水下航行器（1）在水域巡航时，航行器控制器（8）向控制器发送指令，控制器在收到指令后，向第二声呐本体组件（6）发送工作指令，第二声呐本体组件（6）接收指令后，控制驱动滑块在环状轨道（41）上运动，并在所述驱动滑块运动过程中，控制第二声呐本体组件（6）中的声波发射模块、声波接收模块以及数据处理模块工作；

控制器周期性获取各个第二声呐本体组件（6）中的数据处理模块所传递的声波信号；

控制器周期性根据获取的声波信号判断第一预设距离内是否有障碍物，若否，则

控制器向垂直起吊装置（2）发送信号，使垂直起吊装置（2）的与所述第一声呐壳体（4）连接的一端以预设运动距离为一个周期，周期性远离所述水下航行器（1）直至第二预设距离，且每个周期与下一个周期之间停顿的时间大于所述控制器周期性根据获取的声波信号判断第一预设距离内是否有障碍物中的周期所用时间。

9.如权利要求8所述的水下航行器在宽广水域巡航方法，其特征在于，所述水下航行器在宽广水域巡航方法进一步包括：

当所述垂直起吊装置（2）位于预设位置后，控制器控制所述第一声呐本体组件（5）工作，从而获取水下声呐图像并将所述水下声呐图像传递给控制器；

控制器根据获取的水下声呐图像获取水下点云图像并将所述水下点云数据传递给所述航行器控制器（8）；

所述航行器控制器（8）根据所述水下点云数据判断是否具有特殊标志物，若是，则

航行器控制器（8）获取经过训练的神经网络分类器；

航行器控制器（8）提取所述水下点云数据中的特征；

航行器控制器（8）将所述特征输入至所述神经网络分类器，从而获取分类标签，所述分类标签包括水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签以及未识别标签；

若所述分类标签为水下电缆标签、水下铺设管道标签、水底山丘标签，则所述航行器控制器根据所述姿态信息、速度信息以及所述水下点云数据获取水下航行器（1）的位置信息。

10.如权利要求9所述的水下航行器在宽广水域巡航方法，其特征在于，所述水下航行器在宽广水域巡航方法进一步包括：

若所述分类标签为未识别标签，则航行器控制器（8）根据所述水下点云数据生成特殊标志物位置信息；

所述航行器控制器（8）将所述特殊标志物位置信息传递给一个辅助水下航行器（7），并控制传递特殊标志物位置信息的辅助水下航行器的电磁连接器断开，从而使接收到特殊标志物位置信息的辅助水下航行器（7）能够脱离所述航行器本体运动；

辅助水下航行器（7）根据所述特殊标志物位置信息靠近所述特殊标志物；

辅助水下航行器（7）在靠近所述特殊标志物后，围绕所述特殊标志物运动，并开启激光测距装置（72），从而获取激光测距信息并将激光测距信息传递给辅助水下航行器控制器；

在所述辅助水下航行器收集完所述激光测距信息后，辅助水下航行器控制器控制所述辅助水下航行器的声呐发生装置（73）工作，从而使辅助水下航行器的声呐发生装置发出声波；

航行器本体（12）在运动至能够接收到所述辅助水下航行器（7）的声呐发生装置（73）所发出的声波后，能够根据该声波获取到辅助水下航行器（7）与航行器本体（12）相对位置信息，航行器本体（12）根据所述相对位置信息、特殊标志物位置信息以及所述惯性导航系统能够获取到自身的位置信息。

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