[發明專利]一種水下機器人的超短基線定位系統

有效

• 申請號: 202110584036.9
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113311388B
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 陳路;陳新;蘇卡尼;呂冰冰
• 申請（專利權）人: 湖南國天電子科技有限公司
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18;G01S11/14;G01S15/06;G01C21/16
• 代理公司: 長沙大珂知識產權代理事務所(普通合伙) 43236
• 代理人: 馬良濤

本發明提供一種水下機器人的超短基線定位系統，包括水面設備和水下超短基線潛水器，其特征在于，所述水面設備包括用于信號處理單元、船載聲學換能器陣列和內置慣導組件；所述水下超短基線潛水器上設置有超短基線應答器和同步時鐘模塊；所述內置慣導組件用于采集不同聲基陣基站的位置、姿態以及船艏方向，進而通過信號處理單元計算進而定位獲得所述水下機器人的目標絕對位置；所述超短基線定位系統采用聲學應答模式或同步時鐘觸發模式進行定位。本發明提供的系統能夠獨立完成水下定位任務，在進行濾波降噪處理前先匹配濾波處理，進而提高聲吶信號計算最終目標絕對位置準確性的，提高了系統的精度、便捷性和操作性。

技術領域

本發明屬于水下機器人定位技術領域，具體涉及一種水下機器人的超短基線定位系統。

背景技術

由于聲波是迄今為止人類發現的水下唯一有效的信息載體，水聲定位技術是目前水下目標定位與跟蹤的主要手段。水聲定位導航技術是一種以基線的方式激勵，通過測量聲波傳播的時間、相位、頻率等信息實現定位與導航的技術。超短基線定位定位系統則是由多元聲基陣與聲信標組成，通過測量距離和方位定位。其優點為尺寸小、便于安裝，具有良好的便攜性和獨立性，適用于低成本潛航器大范圍作業區域跟蹤。

超短基線定位系統使用時要確定目標的絕對位置，首先要知道聲基陣的位置、姿態以及船艏方向，這些參數可以由GPS、運動傳感器和電羅經提供，然后是確定目標在聲頭坐標系中的位置。因此以往的超短基線定位系統需MRU和電羅經提供姿態和船艏方向。但由于在載體上的安裝位置不同，就需要在每次使用前對安裝誤差角進行標定，不僅復雜而且增加了外設數量。

發明內容

本發明針對上述缺陷，提供能夠獨立完成水下定位任務，在進行濾波降噪處理前先匹配濾波處理，進而提高聲吶信號計算最終目標絕對位置準確性的，使用時不需再進行相關工作，進一步提高了系統的精度、便捷性和操作性的水下機器人的超短基線定位系統。

本發明提供如下技術方案一種水下機器人的超短基線定位系統，包括水面設備和水下超短基線潛水器，其特征在于，所述水面設備包括用于信號處理單元、船載聲學換能器陣列和內置慣導組件；

所述水下超短基線潛水器上設置有超短基線應答器和同步時鐘模塊，用于接收不同聲基陣基站發出的應答信號；

所述內置慣導組件用于采集不同聲基陣基站的位置、姿態以及船艏方向，進而通過信號處理單元計算進而定位獲得所述水下機器人的目標絕對位置；

所述超短基線定位系統采用聲學應答模式或同步時鐘觸發模式進行定位：

所述聲學應答模式為信號處理單元向所述不同聲基陣基站發送詢問信號，所述超短基線應答器接收到不同聲基陣基站發送的應答信號后，傳輸至所述信號處理單元，所述信號處理單元計算發出詢問信號到收到應答信號的時間差來計算所述水下機器人與不同聲基陣基站的距離，進而獲得所述目標絕對位置；

所述同步時鐘觸發模式為所述信號處理單元向所述同步時鐘模塊發出指令，所述同步時鐘模塊同步觸發所述超短基線應答器和所述船載聲學換能器陣列，通過計算同步脈沖觸發時刻到收到應答信號的時間差計算所述水下機器人與不同聲基陣基站的距離，將所述內置慣導組件所采集的數據與所述水下機器人與不同聲基陣基站的距離的定位結果相結合，進而獲得所述目標絕對位置。

進一步地，所述信號處理單元包括多個水聽器組成的收發模塊、控制模塊、計算模塊、詢問控制與發射器、顯示模塊、卡爾曼濾波器。其中控制模塊即位置計算機。

進一步地，所述卡爾曼濾波器在進行濾波之前，所述控制模塊對所述多個水聽器收集到的聲吶信號數據進行匹配濾波，包括以下步驟：

1)構建第i個水聽器接收到的信號x_i[n]和所述信號x_i[n]中帶有的噪聲h[n]的之間的卷積輸出計算模型：