阅读说明：本技术 一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法及相关装置 (Position determination method for underwater autonomous vehicle cluster and related device ) 是由 商志刚 杨丰茂 安妍妍 王成才 何宇帆 付圣峰 张博 楚立鹏 于 2020-04-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法及相关装置,本发明在每个水下自主航行器上均设置声源、矢量水听器和控制器,通过声源发射声源信号,矢量水听器监测该声源信号,最后通过控制器对声源信号进行处理,最终确定各个水下自主航行器的位置,进而实现对水下自主航行器集群的整体控制,从而有效解决了现有技术中不能精确对水下自主航行器集群进行定位的问题。(The invention discloses a position determination method and a related device for an underwater autonomous vehicle cluster.)

一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法及相关装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法及相关装置。

背景技术

众所周知，地球大部分都是被海洋覆盖着的，所以对海洋的认识和探索非常重要，但受限于能源、通信、海洋施工等问题，水下监测设备常常单独作业，而相比于其他通信技术，水下自主航行器集群技术还处于起步阶段，所以如何实现水下自主航行器集群的精确定位成为了现在亟待需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法及相关装置，用以解决现有技术不能精确对水下自主航行器集群进行定位的问题。

第一方面，本发明提供了一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法，其特征在于，包括：所述水下自主航行器集群包括多个水下自主航行器，且每个水下自主航行器上均设有声源、矢量水听器和控制器；

在预设时间点触发所有声源发射声源信号，其中，每个声源均唯一对应一个发射频率；

每一个矢量水听器根据其他水下自主航行器上的声源信号，获取各个声源信号的声压信号和三维方向上的振速信号，并将所述声压信号和三维方向上的振速信号发送给该矢量水听器所在的水下自主航行器上的控制器；

所述控制器根据所述声压信号、三维方向上的振速信号以及自身的水下自主航行器的姿态信息，确定其他水下自主航行器的位置。

可选地，所述在预设时间点触发所有声源发射声源信号之前，还包括：对所有水下自主航行器进行统一授时。

可选地，所述控制器根据所述声压信号、三维方向上的振速信号以及自身的水下自主航行器的姿态信息，确定其他水下自主航行器的位置，包括：

所述控制器将所述声压信号、三维方向上的振速信号转换为声压数字信号和三维方向上的振速数字信号；

对所述声压数字信号和所述三维方向上的振速数字信号进行预处理及自由场补偿后，基于补偿后的声压数字信号和三维方向上的振速数字信号确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息；

并根据自身的水下自主航行器的姿态信息、地理位置以及与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，确定其他水下自主航行器的位置信息。

可选地，基于补偿后的声压数字信号和三维方向上的振速数字信号确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，包括：

根据补偿后的声压数字信号确定时延信息，并基于所述时延信息确定所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的距离信息；

根据补偿后的三维方向上的振速数字信号，通过测向算法计算所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的方位信息；

根据所述距离信息、所述方位信息确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息。

第二方面，本发明提供了一种用于水下自主航行器集群的位置测定装置，该装置包括：

所述声源，用于在预设时间点根据触发发射声源信号，其中，每个声源均唯一对应一个发射频率；

所述矢量水听器，根据其他水下自主航行器上的声源信号，获取各个声源信号的声压信号和三维方向上的振速信号，并将的所述声压信号和三维方向上的振速信号发送给对应的控制器；

所述控制器，用于根据所述声压信号、三维方向上的振速信号以及自身的水下自主航行器的姿态信息，确定其他水下自主航行器的位置。

可选地，该装置还包括：授时单元；所述授时单元，用于根据触发进行统一授时。

可选地，所述控制器进一步包括：

数字采集卡，用于所述控制器将所述声压信号、三维方向上的振速信号转换为声压数字信号和三维方向上的振速数字信号，并对所述声压数字信号和所述三维方向上的振速数字信号进行预处理；

信号处理板，用于对预处理后的所述声压数字信号和所述三维方向上的振速数字信号进行自由场补偿后，基于补偿后的声压数字信号和三维方向上的振速数字信号确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息；并根据自身的水下自主航行器的姿态信息、地理位置以及与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，确定其他水下自主航行器的位置信息。

可选地，所述信号处理板还用于，根据补偿后的声压数字信号确定时延信息，并基于所述时延信息确定所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的距离信息；根据补偿后的三维方向上的振速数字信号，通过测向算法计算所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的方位信息；根据所述距离信息、所述方位信息确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息。

可选地，所述控制器进一步包括：信号发生器和发射模块；

所述信号发生器，用于产生预设波形的声源信号；

所述发射模块，用于对所述声源信号进行放大处理，并将放大后的声源信号发送给所述声源，并触发所述声源发射所述声源信号。

第三方面，本发明提供了一种水下自主航行器，其该水下自主航行器包括上述所述的用于水下自主航行器集群的位置测定装置。

本发明有益效果如下：

本发明在每个水下自主航行器上均设置声源、矢量水听器和控制器，通过声源发射声源信号，矢量水听器监测该声源信号，最后通过控制器对声源信号进行处理，最终确定各个水下自主航行器的位置，进而实现对水下自主航行器集群的整体控制，从而有效解决了现有技术中不能精确对水下自主航行器集群进行控制的问题。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法的流程示意图；

图2是本发明第一实施例提供的一种用于水下自主航行器集群的位置测定装置的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的用于水下自主航行器集群的位置测定的原理示意图；

图4是本发明第一实施例提供的一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法的工作流程示意图；

图5是本发明第一实施例提供的一种用于水下自主航行器集群的位置测定装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例针对现有技术不能精确对水下自主航行器集群进行控制的问题，通过在每个水下自主航行器上均设置声源、矢量水听器和控制器，由过声源发射声源信号，矢量水听器监测该声源信号，最后通过控制器对声源信号进行处理，最终确定水下自主航行器集群的位置，进而实现对水下自主航行器集群的整体控制，从而有效解决了现有技术中不能精确对水下自主航行器集群进行控制的问题。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明第一实施例提供了一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法，本发明实施例中水下自主航行器集群包括多个水下自主航行器，且每个水下自主航行器上均设有声源、矢量水听器和控制器；参见图1，该方法包括：

S101、在预设时间点触发所有声源发射声源信号，其中，每个声源均唯一对应一个发射频率；

由于水下自主航行器是通过时延的方式进行距离测量的，所以不同水下自主航行器之间的时钟统一是测距准确性的关键，因此需要对各个水下自主航行器进行精确授时，例如，可以在各水下自主航行器下水前进行统一授时，并且为了进一步保证测定位置的准确性，本发明实施例采用了高精度晶振模块用于计时，且每隔一段时间出水进行GPS/北斗授时，从而进一步确保各水下自主航行器之间的时钟保持统一。

在具体实施时，为了对不同的水下自主航行器发射的声源信号进行区分，在本发明实施例中，使得每个声源发射的声源信号均唯一对应一个发射频率，也就是说，本发明实施例采用的是频分多址方式，即每个节点(即，水下自主航行器)专有一个频段的信号，各节点也通过收到信号的频谱信息来区分其他节点，具体的信号形式需采用易于进行相关提取的信号，如线性调频信号等。通过在统一规定的时间点来触发声源发射声源信号，后续通过对该声源信号进行处理，从而确定水下自主航行器的位置。

S102、每一个矢量水听器根据其他水下自主航行器上的声源信号，获取各个声源信号的声压信号和三维方向上的振速信号，并将所述声压信号和三维方向上的振速信号发送给该矢量水听器所在的水下自主航行器上的控制器；

具体来说，本发明实施例中的矢量水听器处于实时监听状态，是用于感知布设位置处声压和振速的设备，并输出声压和振速两者的模拟信号；

具体实施时，本发明实施例的矢量水听器定位信号获取所述声信标的声压和三维方向上的振速，即矢量水听器具有一个声压通道和三个振速通道，可根据声信标发出的定位信号监测声压和三维方向上的振速；

S103、所述控制器根据所述声压信号、三维方向上的振速信号以及自身的水下自主航行器的姿态信息，确定其他水下自主航行器的位置。

具体来说，本发明实施例中，是通过控制器将所述声压信号、三维方向上的振速信号转换为声压数字信号和三维方向上的振速数字信号；对所述声压数字信号和所述三维方向上的振速数字信号进行预处理及自由场补偿后，基于补偿后的声压数字信号和三维方向上的振速数字信号确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息；并根据自身的水下自主航行器的姿态信息、地理位置以及与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，确定其他水下自主航行器的位置信息。

其中，本发明实施例所述基于补偿后的声压数字信号和三维方向上的振速数字信号确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，包括：

根据补偿后的声压数字信号确定时延信息，并基于所述时延信息确定所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的距离信息；

根据补偿后的三维方向上的振速数字信号，通过测向算法计算所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的方位信息；

根据所述距离信息、所述方位信息确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息。

具体来说，本发明实施例中，矢量水听器具有一个声压通道和三个振速通道。其中，通过声压通道获取声压信号，对该声压信号进行预处理和自由场补偿后，得到时延信息，再根据时延信息测得本水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的距离；然后根据预处理和自由场补偿后三维方向上的振速信号，可通过测向算法计算出本水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的方位。根据距离和方位可以解算出本水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的位置关系。

也就是说，本发明实施例通过信号处理得到周边节点的相对位置后，还需要根据本节点的姿态信息，将周边节点的位置信息映射到统一的不随时间变化的坐标系上，在利用卡尔曼滤波等优化算法对节点的最佳位置坐标进行估计。

图2是本发明第一实施例提供的一种用于水下自主航行器集群的位置测定装置的结构示意图，下面将结合图2对本发明实施例所述的方法进一步进行说明：

在每个水下自主航行器上均设有用于水下自主航行器集群的位置测定装置，该装置具体包括：矢量水听器、声源、GPS模块和姿态传感器，其中，数字采集板、信号处理板、发射模块、信号发生器、主控板和晶振模块整体构成本发明实施例上述的控制器，下面部件进行说明：

本发明实施例中的矢量水听器和声源为湿端设备，工作在水中。其他为干端设备，集成后部署在水下自主航行器舱内。矢量水听器：一种用于感知布设位置处声压和振速的设备，声压为标量信息、振速为矢量信息，数据输出为模拟信号；

数字采集卡，用于将矢量水听器采集的模拟信号转换为数字信号，同时包含信号预处理能力，所述预处理具体包括放大、滤波等；即，本发明实施例通过数字采集卡对矢量水听器采集的声压信号、三维方向上的振速信号转换为声压数字信号和三维方向上的振速数字信号，对转换后的信号进行放大、滤波等预处理。

信号处理板，对数字采集卡输出的数据进行分析处理，运行自由场补偿、高分辨测向、时延测距计算、坐标转换等算法，得到其他航行器与本机的相对位置。即，本发明实施例是通过信号处理板对预处理后的信号进行自由场补偿，并进一步根据自由场补偿的信号得到自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，最后根据自身的水下自主航行器的姿态信息、地理位置以及与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，确定其他水下自主航行器的位置信息。

主控板，协调声源与矢量水听器的工作时间，控制信号处理板、姿态传感器、GPS模块、晶振模块之间的数据采集与数据互通，将其他节点的位置信息发送给水下自主航行器控制系统；

信号发生器，根据各节点自身的波形设定，产生用于发射的模拟信号波形；

发射模块，对信号发生器产生的模拟信号进行放大处理，驱动声源发送指定波形信号；

声源，将电信号转化为声信号，通过水下声信道发送出去；

姿态传感器，用于获取本节点的姿态信息；

GPS模块，用于进行本节点的网络授时；

晶振模块，本发明需采用高精度时钟晶振模块，保证各节点在网络授时后能够有一段时间的精准计时。

如图3所示，本发明实施例中用于水下自主航行器集群的位置测定的原理包括：所有水下自主航行器均需搭载本发明中的相对位置测定装置，用来探测周边其他节点的发出的定位信号。通过矢量水听器处理各频段信号的声压和三维振速信息，得到其他节点的三维空间方位；通过发送时刻到各频段信号接收时刻的时延信息，计算得到其他节点的距离信息，将各节点方位与距离信息进行配对，从而获取了其他各个节点相对于本机的极坐标系位置。

本发明实施例中的测向采用高分辨测向算法，该算法的测向精度优于普通测向算法，本发明实施例中的测距采用时钟同步测距法，即要求两端保持高精度的时钟同步，发送端在固定时间发送定位信号，接收端根据接收时刻与约定发射时刻的差值，再结合声速信息计算获得发送端与接收端的距离信息。

图4是本发明第一实施例提供的一种用于水下自主航行器集群的位置测定方法的工作流程示意图，如图4所示，本发明实施例的工作流程包括：

步骤1.各水下自主航行器下水前做好时统；

步骤2.水下自主航行器下水；

步骤3.保护时间过后，各水下自主航行器定时发送频分多址定位信号，发送时间段内，主控板控制数字采集卡停止数据采集；

步骤4.各水下自主航行器发送完成后，主控板控制数字采集卡开始采集信号；

步骤5.各水下自主航行器根据接收到的定位信号，计算邻节点的距离及方位，获取周边节点的极坐标位置；

步骤6.采用卡尔曼滤波等算法优化水下自主航行器实际位置及轨迹；

步骤7.将坐标数据发送给水下自主航行器控制器；

步骤8.判定是否到达指定时统时间，若未到达，则执行下一步，若达到，则出水进行GPS授时，授时完成后再下水；

步骤9.重复执行步骤1。

如表1所示，本发明实施例中的数据预处理部分均在数字采集卡中进行，主要包括灵敏度校正、相位补偿、滤波、放大、AD转换等；数据处理部分均在信号处理板中进行，需要进行信号检测、测距算法、测向算法、坐标转换、位置优化等过程，经过一系列运算，最终得到周边节点与本节点的相对位置关系。

表1本发明数字采集卡和信号处理板的功能表

下面将通过一个具体的例子对本发明进行详细说明：

水下航行器集群“一”字形行进及转弯

本发明实例中的集群包括4台水下自主航行器，效果为在水中呈“一”字形的阵型前进及转弯。实例工作步骤如下：

1、4台水下自主航行器安装好本发明中的相对位置测定装置，装置上电，布放于水池试验环境；

2、本发明中的装置进行时钟同步后，下潜至水下，开始行进；

3、行进过程中，本装置按照一秒钟一次的时间间隔向外发送定位信号；

4、其他节点上的本装置收到定位信号后，进行分析处理，获取了周边全部节点的相对位置信息，传送给水下航行器的控制系统；

5、水下航行器控制系统根据周边节点位置信息，更改自身航速、航向等航行信息，实现“一”字形行进；

6、集群内节点彼此之间始终为1秒钟更新一次位置信息；

7、到转弯处，外圈节点加速、大弧度转弯；内圈节点减速、小弧度转弯，总体效果上实现了“一”字形转弯。

总体来说，本发明实施例主要在水下自主航行器集群中应用，用于探测集群内其他节点相对于本节点的位置信息。准确获取位置信息后，本节点可通过调整自身位置来维持集群的相对稳定，避免碰撞与掉队。与其他定位装置相比，本发明所述方法不存在通信过程，不占用水声通信机等通信资源，而且本发明不需要提前在任务水域部署任何辅助设施，在水下自主航行器上安装好以后可直接工作，再者，相较于其他方案，本发明所述的方法能够提供更高的位置更新频率，使得集群中的节点能够快速更新周边节点的位置信息，从而避免碰撞和掉队的情况。

本发明第二实施例提供了一种用于水下自主航行器集群的位置测定装置，参见图5，该装置包括：

声源，用于在预设时间点根据触发发射声源信号，其中，每个声源均唯一对应一个发射频率；

在具体实施时，为了对不同的水下自主航行器发射的声源信号进行区分，在本发明实施例中，使得每个声源发射的声源信号均唯一对应一个发射频率，也就是说，本发明实施例采用的是频分多址方式，即每个节点(即，水下自主航行器)专有一个频段的信号，各节点也通过收到信号的频谱信息来区分其他节点，具体的信号形式需采用易于进行相关提取的信号，如线性调频信号等。通过在统一规定的时间点来触发声源发射声源信号，后续通过对该声源信号进行处理，从而确定水下自主航行器的位置。

矢量水听器，根据其他水下自主航行器上的声源信号，获取各个声源信号的声压信号和三维方向上的振速信号，并将的所述声压信号和三维方向上的振速信号发送给对应的控制器；

具体来说，本发明实施例中的矢量水听器处于实时监听状态，是用于感知布设位置处声压和振速的设备，并输出声压和振速两者的模拟信号；

具体实施时，本发明实施例的矢量水听器定位信号获取所述声信标的声压和三维方向上的振速，即矢量水听器具有一个声压通道和三个振速通道，可根据声信标发出的定位信号监测声压和三维方向上的振速；

控制器，用于根据所述声压信号、三维方向上的振速信号以及自身的水下自主航行器的姿态信息，确定其他水下自主航行器的位置。

具体来说，本发明实施例中，是通过控制器将所述声压信号、三维方向上的振速信号转换为声压数字信号和三维方向上的振速数字信号；对所述声压数字信号和所述三维方向上的振速数字信号进行预处理及自由场补偿后，基于补偿后的声压数字信号和三维方向上的振速数字信号确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息；并根据自身的水下自主航行器的姿态信息、地理位置以及与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，确定其他水下自主航行器的位置信息。

具体实施时，本发明实施例所述的装置还包括：授时单元；所述授时单元，用于根据触发进行统一授时。

由于水下自主航行器是通过时延的方式进行距离测量的，所以不同水下自主航行器之间的时钟统一是测距准确性的关键，因此需要对各个水下自主航行器进行精确授时，例如，可以在各水下自主航行器下水前进行统一授时，并且为了进一步保证测定位置的准确性，本发明实施例采用了高精度晶振模块用于计时，且每隔一段时间出水进行GPS/北斗授时，从而进一步确保各水下自主航行器之间的时钟保持统一。

进一步地，本发明实施例中，所述控制器进一步包括：

数字采集卡，用于所述控制器将所述声压信号、三维方向上的振速信号转换为声压数字信号和三维方向上的振速数字信号，并对所述声压数字信号和所述三维方向上的振速数字信号进行预处理；

信号处理板，用于对预处理后的所述声压数字信号和所述三维方向上的振速数字信号进行自由场补偿后，基于补偿后的声压数字信号和三维方向上的振速数字信号确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息；并根据自身的水下自主航行器的姿态信息、地理位置以及与其他水下自主航行器之间的相对位置信息，确定其他水下自主航行器的位置信息。

具体实施时本发明实施例中，所述信号处理板还用于，根据补偿后的声压数字信号确定时延信息，并基于所述时延信息确定所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的距离信息；根据补偿后的三维方向上的振速数字信号，通过测向算法计算所述矢量水听器与其他各个水下自主航行器之间的方位信息；根据所述距离信息、所述方位信息确定自身的水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的相对位置信息。

具体来说，本发明实施例中，矢量水听器具有一个声压通道和三个振速通道。其中，通过声压通道获取声压信号，对该声压信号进行预处理和自由场补偿后，得到时延信息，再根据时延信息测得本水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的距离；然后根据预处理和自由场补偿后三维方向上的振速信号，可通过测向算法计算出本水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的方位。根据距离和方位可以解算出本水下自主航行器与其他水下自主航行器之间的位置关系。

也就是说，本发明实施例通过信号处理得到周边节点的相对位置后，还需要根据本节点的姿态信息，将周边节点的位置信息映射到统一的不随时间变化的坐标系上，在利用卡尔曼滤波等优化算法对节点的最佳位置坐标进行估计。

具体实施时，本发明实施例中，所述控制器进一步包括：信号发生器和发射模块；所述信号发生器，用于产生预设波形的声源信号；所述发射模块，用于对所述声源信号进行放大处理，并将放大后的声源信号发送给所述声源，并触发所述声源发射所述声源信号。

进一步地，本发明实施例所述的装置还包括姿态传感器，本发明实施例通过姿态传感器来获取本水下自主航行器的姿态信息，以供确定水下自主航行器的位置使用。

总体来说，本发明实施例主要在水下自主航行器集群中应用，用于探测集群内其他节点相对于本节点的位置信息。准确获取位置信息后，本节点可通过调整自身位置来维持集群的相对稳定，避免碰撞与掉队。

本发明实施例的相关内容可参见本发明第一实施例进行理解，在此不做详细论述。

本发明第三实施例提供了一种水下自主航行器，该水下自主航行器包括本发明第二实施例中任意一种所述的用于水下自主航行器集群的位置测定装置。具体可参见本发明第一实施例和第二实施例进行理解，在此不做详细论述。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。