阅读说明：本技术 一种遥控无人潜航器水下定位方法及系统 (Underwater positioning method and system for remote control unmanned underwater vehicle ) 是由 商志刚 杨丰茂 安妍妍 楚立鹏 付圣峰 张博 于 2020-04-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种遥控无人潜航器水下定位方法及系统,本发明由遥控无人潜航器上的声信标发射定位信号,通过水面平台上设有矢量水听器监测该信号,最后由控制器对该定位信号进行处理,最终确定了ROV的位置,从而低成本了实现了对ROV的定位。(The invention discloses a method and a system for positioning a remote-control unmanned underwater vehicle underwater, which are characterized in that a positioning signal is transmitted by an acoustic beacon on the remote-control unmanned underwater vehicle, a vector hydrophone is arranged on a water surface platform to monitor the signal, and finally the positioning signal is processed by a controller to finally determine the position of an ROV, so that the ROV is positioned at low cost.)

一种遥控无人潜航器水下定位方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种遥控无人潜航器水下定位方法及系统。

背景技术

遥控无人潜航器(Remote Operated Vehicle，ROV)，能在水下游动、携带特定器具以执行、完成特定任务。这类水下机器人的最大优点是母船可以为其源源不断地提供能源，因此它能在水下长时间地工作。ROV应用广泛，可以安装机械手等作业工具，在水下资源开发、考古、打捞、救助等方面都已经有实际应用。ROV在执行任务之前，首先要明确自身位置。目前通用的方法是利用基线定位系统对ROV本体位置进行测量，并辅以其他的姿态传感器，组成组合导航系统，得到高精度的水下位置信息。但是由于基线定位系统价格比较贵，所以现有的遥控无人潜航器的成本都比较高。

发明内容

本发明提供了一种遥控无人潜航器水下定位方法及系统，以解决现有技术中的遥控无人潜航器的成本较高的问题。

第一方面，本发明提供了一种遥控无人潜航器水下定位方法，该方法包括：设置在遥控无人潜航器ROV上的声信标、以及设置在水面平台上的矢量水听器和控制器；

所述声信标在所述控制器的触发下发射定位信号；

所述矢量水听器监听到所述定位信号后，根据所述定位信号获取所述声信标的声压和振速，并发送给所述控制器；

所述控制器根据所述矢量水听器发送来的声压和振速、以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

可选地，所述根据所述定位信号获取所述声信标的声压和振速，包括：

根据所述定位信号获取所述声信标的声压和三维方向上的振速；

所述控制器根据所述矢量水听器发送来的声压和振速、以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息，包括：

所述控制器将所述声压和所述三维方向上的振速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和自由场补偿后，基于补偿后的声压数字信号、三维方向上的振速数字信号，以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

可选地，基于补偿后的声压数字信号、三维方向上的振速数字信号，以及所述水面平台的姿态信息得到所述ROV的位置信息，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所述声信标之间的距离信息；

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声信标相对于所述矢量水听器的方位信息；

根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

可选地，根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息，包括：

根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息解算出所述ROV相对于水面平台的位置；

获取所述水面平台的位置，根据所述ROV相对于水面平台的位置，以及所述水面平台的位置，计算所述所述ROV的位置。

第二方面，本发明提供了一种遥控无人潜航器水下定位系统，该系统包括：设置在遥控无人潜航器ROV上的声信标、以及设置在水面平台上的矢量水听器和控制器；

所述声信标，用于在所述控制器的触发下发射定位信号；

所述矢量水听器，用于监听到所述定位信号后，根据所述定位信号获取所述声信标的声压和振速，并发送给所述控制器；

所述控制器，用于根据所述矢量水听器发送来的声压和振速、以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

可选地，所述控制器进一步包括：

信号预处理模块，用于将所述声压和所述三维方向上的振速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和自由场补偿；

处理模块，用于基于所述信号预处理模块补偿后的声压数字信号、三维方向上的振速数字信号，以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

可选地，所述处理模块还用于，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所述声信标之间的距离信息；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声信标相对于所述矢量水听器的方位信息；根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

可选地，所述处理模块还用于，根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息解算出所述ROV相对于水面平台的位置；获取所述水面平台的位置，根据所述ROV相对于水面平台的位置，以及所述水面平台的位置，计算所述所述ROV的位置。

可选地，该系统还包括：姿态传感器，所述姿态传感器设置所述水面平台上；所述姿态传感器，用于获取所述水面平台的姿态信息，并将获取的所述姿态信息发送给所述控制器。

第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有信号映射的计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现上述任一种所述的遥控无人潜航器水下定位方法。

本发明有益效果如下：

本发明通过在遥控无人潜航器上设置矢量水听器，使得遥控无人潜航器能够依据矢量水听器完成水下定位，由于矢量水听器价格比较低廉，所以本发明能够大大降低遥控无人潜航器的成本。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种遥控无人潜航器水下定位方法的流程示意图；

图2是本发明第一实施例提供的遥控无人潜航器水下定位系统的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的水下定位方法原理示意图；

图4是本发明第一实施例提供的水面平台姿态修正示意图；

图5是本发明第二实施例提供的一种遥控无人潜航器水下定位系统的结构示意图。

具体实施方式

针对现有遥控无人潜航器的成本较高的问题，本发明实施例通过设置价格比较低的矢量水听器来实现遥控无人潜航器水下定位，从而降低了遥控无人潜航器的成本，继而提高了用户体验。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遥控无人潜航器水下定位方法，该遥控无人潜航器(Remote Operated Vehicle，ROV)上设有声信标，水平台上设有矢量水听器和控制器，参见图1，该方法包括：

S101、声信标在控制器的触发下发射定位信号；

即，本发明实施例的声信标是定位信号发生装置，在具体实施时，本发明实施例是通过控制器控制声信标来发射定位信号。

S102、矢量水听器监听到所述定位信号后，根据所述定位信号获取所述声信标的声压和振速，并发送给所述控制器；

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、控制器根据矢量水听器发送来的声压和振速、以及水面平台的姿态信息确定ROV的位置信息。

需要说明的是，本发明实施例的水面平台为各种水上载体，具体可以是各种舰船或者其他船只等等。本发明对此不作具体限定。

具体实施时，本发明实施例中的控制器将所述声压和所述三维方向上的振速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和自由场补偿后，基于补偿后的声压数字信号、三维方向上的振速数字信号，以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

具体来说，本发明实施例的控制器是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所述声信标之间的距离信息；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声信标相对于所述矢量水听器的方位信息；根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

其中，本发明实施例中，根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息，包括：

根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息解算出所述ROV相对于水面平台的位置；

获取所述水面平台的位置，根据所述ROV相对于水面平台的位置，以及所述水面平台的位置，计算所述所述ROV的位置。

即，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。声压通道与搭载于ROV的声信标组合使用，可根据时延信息，测得矢量水听器与声信标之间的距离；将声压和三个振速经过自由场补偿后，可通过测向算法计算出声信标相对于矢量水听器的方位。根据距离和方位信息可以解算出ROV相对于水面平台的位置。

下面将结合图2至图4通过一个具体的例子，对本发明所述的方法进行详细的说明：

图2是本发明第一实施例提供的遥控无人潜航器水下定位系统的结构示意图，如图2所示，本发明实施例的定位系统主要由水上部分、水面部分、水下部分组成。水上部分包括：信号预处理模块5、计算机6和姿态传感器；水面部分为矢量水听器3；水下部分包括声信标1。其中，信号预处理模块5、计算机6二者即为上述所述控制器，为了便于理解和实施，本发明实施例中特根据具体实施环境，而将控制器设置为信号预处理模块5和计算机6。

如图3所示，本发明实施例的水上部分为干端设备，部署在水面甲板以上；水面部分为湿端设备，需部署在水面以下，与水面平台4硬连接；声信标1搭载于ROV上。系统组成各模块解释如下：

声信标1：定位信号发送装置，受水上部分的计算机6控制。

矢量水听器3：用于感知布设位置处声压和振速的设备，输出两者的模拟信号；

信号预处理模块5：用于将矢量水听器3采集的模拟信号转换为数字信号，并进行放大、滤波等预处理工作；

姿态传感器：用于测量水面平台4的姿态信息；

北斗/GPS：用于获取水面平台4的大地坐标；

计算机6：系统的“大脑”，用于控制、运算、显示等功能。

在具体工作过程中，矢量水听器3具有一个声压通道和三个振速通道，即ROV传输揽2。声压通道与搭载于ROV的声信标1组合使用，可根据时延信息，测得矢量水听器3与声信标1之间的距离；将声压和三个振速经过预处理和自由场补偿后，可通过测向算法计算出声信标1相对于矢量水听器3的方位。根据距离和方位信息可以解算出ROV相对于水面平台4的位置。

本发明实施例中，距离测量采用同步测距方法，即计算机6通过ROV传输缆控制声信标1发射定位信号，并记录信号发射时刻t₁；矢量水听器3接收到信号后，经过信号预处理模块5将数据传输到计算机6，计算机6记录数据接收时刻t₂，t₂与t₁的差值再减去系统固有时延t_f，得到定位信号在声信道中的传播时间，结合声速信息，可计算出ROV与水面平台4之间的直线距离。即L＝c*(t₂-t₁-t_f)。

具体实施时，本发明实施例的工作流程包括：

步骤1.计算机6通过ROV传输缆向声信标1发送控制指令；

步骤2.声信标1收到控制指令后，向水声信道发送定位信号；

步骤3.矢量水听器3全程处于接收状态，实时将接收到的数据发送给信号预处理模块5；

步骤4.信号预处理模块5进行信号调理，包括放大、滤波、AD转换等操作，输出数字信号给计算机6；

步骤5.计算机6利用矢量水听器3测向、同步测距等方法计算得到ROV相对于矢量水听器3的位置极坐标；

步骤6.计算机6读取通过姿态传感器获取的水面平台4姿态信息，具体如图4所示，对步骤5中得到的极坐标位置信息进行姿态修正，获取ROV相对于以矢量水听器3为原点、垂直方向为Z轴，水平方向为XY轴的极坐标位置；

步骤7.计算机6读取北斗/GPS提供的大地坐标信息，根据步骤6中得到的与ROV相对位置信息进行坐标转换，获取ROV在大地坐标系下的坐标；

步骤1.重复步骤1至步骤7，不断更新ROV坐标。

利用矢量水听器3进行水下合作目标定位：传统ROV的水下定位多采用超短基线定位系统，本发明中利用矢量水听器3代替了超短基线定位设备，工作原理基本相同，但成本大幅降低。

以ROV水下管线检测为例：海底石油管线在部署时都会记录路由坐标，当某些部位发生问题时，可以通过ROV准确地找到该位置，进行视频检测、故障排查，具体工作过程如下：

步骤1.设备安装、ROV下水；

步骤2.计算机6通过ROV传输缆向ROV发送控制指令；

步骤3.ROV收到控制指令后，立刻通过声信标1向水下声信道定位信号；

步骤4.安装于水面平台4下的矢量水听器3收到定位信号后，将数据传输给信号预处理模块5进行信号调理；

步骤5.信号调理后，将数据发送给计算机6，计算机6读取姿态传感器提供的姿态信息，北斗/GPS提供的大地坐标信息，进行分析处理得到ROV的水下大地坐标；

步骤6.计算机6根据ROV的大地坐标位置，驱动ROV向目标海底管线位置移动；

步骤7.重复步骤2到步骤6，不断更新ROV位置，直到任务结束。

总体来说，本发明实施例构思是由遥控无人潜航器上的声信标1发射定位信号，通过水平台上设有矢量水听器3监测该信号，最后由控制器对该定位信号进行处理，最终确定了ROV的位置，从而低成本了实现了对ROV的定位。

本发明第二实施例提供了一种遥控无人潜航器水下定位系统，参见图5，该系统包括：设置在遥控无人潜航器ROV上的声信标、以及设置在水面平台上的矢量水听器和控制器；

所述声信标，用于在所述控制器的触发下发射定位信号；

即，本发明实施例的声信标是定位信号发生装置，在具体实施时，本发明实施例是通过控制器控制声信标来发射定位信号。

所述矢量水听器，用于监听到所述定位信号后，根据所述定位信号获取所述声信标的声压和振速，并发送给所述控制器；

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；

所述控制器，用于根据所述矢量水听器发送来的声压和振速、以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

具体实施时，本发明实施例中，所述控制器进一步包括：

信号预处理模块，用于将所述声压和所述三维方向上的振速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和自由场补偿；

处理模块，用于基于所述信号预处理模块补偿后的声压数字信号、三维方向上的振速数字信号，以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

具体来说，本发明实施例中所述处理模块还用于，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所述声信标之间的距离信息；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声信标相对于所述矢量水听器的方位信息；根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息确定所述ROV的位置信息。

进一步地，本发明实施例中所述处理模块是根据所述距离信息、所述方位信息以及所述水面平台的姿态信息解算出所述ROV相对于水面平台的位置；获取所述水面平台的位置，根据所述ROV相对于水面平台的位置，以及所述水面平台的位置，计算所述所述ROV的位置。

具体实施时，本发明实施例中，所述系统还包括：姿态传感器，所述姿态传感器设置所述水面平台上；

所述姿态传感器，用于获取所述水面平台的姿态信息，并将获取的所述姿态信息发送给所述控制器。

总体来说，本发明实施例构思是由遥控无人潜航器上的声信标1发射定位信号，通过水平台上设有矢量水听器3监测该信号，最后由控制器对该定位信号进行处理，最终确定了ROV的位置，从而低成本了实现了对ROV的定位。

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计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有信号映射的计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现本发明第一实施例中任一种所述的遥控无人潜航器水下定位方法。

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。

本发明能够在ROV水下作业过程中获取ROV的大地坐标，与其他定位装置相比，本发明至少具有以下优点：与基于超短基线的定位方法相比，本发明价格低廉，并且本发明不需要很精准的安装，所以安装操作和使用操作都相对简化。

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。