一种水下机器人的超短基线定位系统技术方案

本发明专利技术提供一种水下机器人的超短基线定位系统，包括水面设备和水下超短基线潜水器，其特征在于，所述水面设备包括用于信号处理单元、船载声学换能器阵列和内置惯导组件；所述水下超短基线潜水器上设置有超短基线应答器和同步时钟模块；所述内置惯导组件用于采集不同声基阵基站的位置、姿态以及船艏方向，进而通过信号处理单元计算进而定位获得所述水下机器人的目标绝对位置；所述超短基线定位系统采用声学应答模式或同步时钟触发模式进行定位。本发明专利技术提供的系统能够独立完成水下定位任务，在进行滤波降噪处理前先匹配滤波处理，进而提高声呐信号计算最终目标绝对位置准确性的，提高了系统的精度、便捷性和操作性。

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人的超短基线定位系统
本专利技术属于水下机器人定位
，具体涉及一种水下机器人的超短基线定位系统。
技术介绍
由于声波是迄今为止人类发现的水下唯一有效的信息载体，水声定位技术是目前水下目标定位与跟踪的主要手段。水声定位导航技术是一种以基线的方式激励，通过测量声波传播的时间、相位、频率等信息实现定位与导航的技术。超短基线定位定位系统则是由多元声基阵与声信标组成，通过测量距离和方位定位。其优点为尺寸小、便于安装，具有良好的便携性和独立性，适用于低成本潜航器大范围作业区域跟踪。超短基线定位系统使用时要确定目标的绝对位置，首先要知道声基阵的位置、姿态以及船艏方向，这些参数可以由GPS、运动传感器和电罗经提供，然后是确定目标在声头坐标系中的位置。因此以往的超短基线定位系统需MRU和电罗经提供姿态和船艏方向。但由于在载体上的安装位置不同，就需要在每次使用前对安装误差角进行标定，不仅复杂而且增加了外设数量。
技术实现思路
本专利技术针对上述缺陷，提供能够独立完成水下定位任务，在进行滤波降噪处理前先匹配滤波处理，进而提高声呐信号计算最终目标绝对位置准确性的，使用时不需再进行相关工作，进一步提高了系统的精度、便捷性和操作性的水下机器人的超短基线定位系统。本专利技术提供如下技术方案一种水下机器人的超短基线定位系统，包括水面设备和水下超短基线潜水器，其特征在于，所述水面设备包括用于信号处理单元、船载声学换能器阵列和内置惯导组件；所述水下超短基线潜水器上设置有超短基线应答器和同步时钟模块，用于接收不同声基阵基站发出的应答信号；所述内置惯导组件用于采集不同声基阵基站的位置、姿态以及船艏方向，进而通过信号处理单元计算进而定位获得所述水下机器人的目标绝对位置；所述超短基线定位系统采用声学应答模式或同步时钟触发模式进行定位：所述声学应答模式为信号处理单元向所述不同声基阵基站发送询问信号，所述超短基线应答器接收到不同声基阵基站发送的应答信号后，传输至所述信号处理单元，所述信号处理单元计算发出询问信号到收到应答信号的时间差来计算所述水下机器人与不同声基阵基站的距离，进而获得所述目标绝对位置；所述同步时钟触发模式为所述信号处理单元向所述同步时钟模块发出指令，所述同步时钟模块同步触发所述超短基线应答器和所述船载声学换能器阵列，通过计算同步脉冲触发时刻到收到应答信号的时间差计算所述水下机器人与不同声基阵基站的距离，将所述内置惯导组件所采集的数据与所述水下机器人与不同声基阵基站的距离的定位结果相结合，进而获得所述目标绝对位置。进一步地，所述信号处理单元包括多个水听器组成的收发模块、控制模块、计算模块、询问控制与发射器、显示模块、卡尔曼滤波器。其中控制模块即位置计算机。进一步地，所述卡尔曼滤波器在进行滤波之前，所述控制模块对所述多个水听器收集到的声呐信号数据进行匹配滤波，包括以下步骤：1)构建第i个水听器接收到的信号xi[n]和所述信号xi[n]中带有的噪声h[n]的之间的卷积输出计算模型：其中1≤k≤n，n为水听器的总数量；2)卷积输出在第i个水听器接收到的信号xi[n]最接近所述噪声h[n]的第i个水听器接收到的信号xi[n]处，达到最大值，通过计算多个所述信号xi[n]的标准偏差σ，作为卷积输出yi[n]计算结果有效性的度量标准：3)将所述步骤2)计算得到的标准偏差σ与阈值比较，进而判断所述卷积输出yi[n]是否为有效结果，当所述计算得到的卷积输出yi[n]为无效结果时，将n个水听器的卷积输出进行移动平均平滑y′[n]计算：其中，i≠j，1≤i，j≤n；4)将所述步骤3)得到的移动平均平滑y′[n]进行归一化计算，最终得到匹配滤波后的归一化卷积输出y[n]，并传递给卡尔曼滤波器进行滤波降噪处理，所述归一化计算公式如下：进一步地，所述步骤3)中的所述阈值为n+1，判断标准为当σ＜n+1时，计算得到的卷积输出yi[n]为有效结果；当σ≥n+1时，计算得到的卷积输出yi[n]为无效结果。进一步地，所述船载声学换能器阵列安装在船舶底部或侧舷。进一步地，所述声基阵基站包括询问控制与发射器、发射/接收开关、向所述超短基线应答器发射应答信号的第一水听器以及用于向所述询问控制与发射器发射接收到的询问信号的第二水听器。进一步地，所述内置惯导组件包括GPS定位模块、姿态传感器和电罗经模块。进一步地，所述计算模块包括方向角处理器和距离处理器。进一步地，所述超短基线应答器安装在水下载体的背部，其半球形指向性可覆盖整个上半空间，保证在水下各种深度和倾角状态下超短基线定位系统都能够正常工作。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提供的超短基线定位系统采用了声学应答模式和同步时钟触发模式，采用声学应答模式时，水面分别向各应答器发送询问信号，各应答器接收到针对自己的询问信号后发送应答信号，通过计算发出询问信号到收到应答信号的时间差来计算距离。采用同步时钟触发模式时，通过计算同步脉冲触发时刻到收到应答信号的时间差计算距离，将惯导组件数据与超短基线定位结果相结合，能够准确判断水下应答器的精确位置，能够在不同的情况下采用不同的信号传输方式进行目标定位，2、本专利技术提供的水下机器人的超短基线定位系统，通过不同声基站阵向所述定位系统水下的应答器发送应答信号，应答器再向水面的船用设备部分发送声呐信号，采用同步时钟触发模式时，系统使用了一个与水下机器人上的时钟时间同步的声信标，并且只需要单程发送声呐信号即可，声学阵列驻留在水下机器人上而不是信标上，最终水面船用设备中的计算模块，即位置计算器使用阵列收集声学数据，并对其进行处理，以确定阵列声源的距离、方位角和倾斜度；如果源位于已知位置，则可使用该信息和水下机器人罗盘数据计算目标的瞬时绝对位置。本专利技术所采用的在水下机器人上是声学被动的，即水下机器人不输出应答信号，这大大降低了功耗和成本，同时也实现了一个单一的声源可以用于多个水下机器人的定位，而不需要时间或频率共享。3、本专利技术提供的水下机器人的超短基线定位系统的位置计算器采用了卡尔曼滤波器对采集到的声呐信号进行滤波处理，卡尔曼滤波通过实时更新均值和协方差从一组带有测量噪声的观测序列中去估计动态系统的概率分布，实现滤波过程，它是一种高效的递归滤波器，通过卡尔曼滤波，位置的测量噪声点被剔除，提高了定位准确度。4、本专利技术提供的水下机器人的超短基线定位系统的位置计算器采用卡尔曼滤波器对采集到的声呐信号进行滤波处理前，首先进行匹配滤波，能够对同步时钟触发模式下，不同的触发时间所采集到的声呐信号进行匹配，卷积输出、移动平均平滑后最终获得归一化的卷积输出y[n]，防止不同触发时间的声呐信号被同时混杂滤波处理，提高了卡尔曼滤波器对不同触发时间所采集到的声呐信号的准确性。5、本专利技术将高精度的内置惯导组件集成到超短基线中，不仅可以为超短基线定位实时提供高精度姿态，还可以输出惯性导航结果，高速率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机器人的超短基线定位系统，包括水面设备和水下超短基线潜水器，其特征在于，所述水面设备包括用于信号处理单元、船载声学换能器阵列和内置惯导组件；/n所述水下超短基线潜水器上设置有超短基线应答器和同步时钟模块，用于接收不同声基阵基站发出的应答信号；/n所述内置惯导组件用于采集不同声基阵基站的位置、姿态以及船艏方向，进而通过信号处理单元计算进而定位获得所述水下机器人的目标绝对位置；/n所述超短基线定位系统采用声学应答模式或同步时钟触发模式进行定位：/n所述声学应答模式为信号处理单元向所述不同声基阵基站发送询问信号，所述超短基线应答器接收到不同声基阵基站发送的应答信号后，传输至所述信号处理单元，所述信号处理单元计算发出询问信号到收到应答信号的时间差来计算所述水下机器人与不同声基阵基站的距离，进而获得所述目标绝对位置；/n所述同步时钟触发模式为所述信号处理单元向所述同步时钟模块发出指令，所述同步时钟模块同步触发所述超短基线应答器和所述船载声学换能器阵列，通过计算同步脉冲触发时刻到收到应答信号的时间差计算所述水下机器人与不同声基阵基站的距离，将所述内置惯导组件所采集的数据与所述水下机器人与不同声基阵基站的距离的定位结果相结合，进而获得所述目标绝对位置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人的超短基线定位系统，包括水面设备和水下超短基线潜水器，其特征在于，所述水面设备包括用于信号处理单元、船载声学换能器阵列和内置惯导组件；
所述水下超短基线潜水器上设置有超短基线应答器和同步时钟模块，用于接收不同声基阵基站发出的应答信号；
所述内置惯导组件用于采集不同声基阵基站的位置、姿态以及船艏方向，进而通过信号处理单元计算进而定位获得所述水下机器人的目标绝对位置；
所述超短基线定位系统采用声学应答模式或同步时钟触发模式进行定位：
所述声学应答模式为信号处理单元向所述不同声基阵基站发送询问信号，所述超短基线应答器接收到不同声基阵基站发送的应答信号后，传输至所述信号处理单元，所述信号处理单元计算发出询问信号到收到应答信号的时间差来计算所述水下机器人与不同声基阵基站的距离，进而获得所述目标绝对位置；
所述同步时钟触发模式为所述信号处理单元向所述同步时钟模块发出指令，所述同步时钟模块同步触发所述超短基线应答器和所述船载声学换能器阵列，通过计算同步脉冲触发时刻到收到应答信号的时间差计算所述水下机器人与不同声基阵基站的距离，将所述内置惯导组件所采集的数据与所述水下机器人与不同声基阵基站的距离的定位结果相结合，进而获得所述目标绝对位置。


2.根据权利要求1所述的一种超短基线定位系统，其特征在于，所述信号处理单元包括多个水听器组成的收发模块、控制模块(位置计算机)、计算模块、询问控制与发射器、显示模块、卡尔曼滤波器。


3.根据权利要求2所述的一种超短基线定位系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波器在进行滤波之前，所述控制模块对所述多个水听器收集到的声呐信号数据进行匹配滤波，包括以下步骤：
1)构建第i个水听器接收到的信号xi[n]和所述信号xi[n]中带有的噪声h[n]的之间的卷积输出计算模型：



其中1≤k≤n，n为水听器的总数量；
2)卷积输出在第i个水听器接收到的信号xi[n]最接近所述噪声h[...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈路，陈新，苏卡尼，吕冰冰，
申请(专利权)人：湖南国天电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43