阅读说明：本技术 一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法及装置 (Three-dimensional measurement method and device for shape of net mouth of marine fishery fishing trawl ) 是由 李国栋 谌志新 陈军 汤涛林 张玉涛 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法及装置,涉及海洋渔业拖网捕捞领域,解决了传统拖网网口测量无法获得整个网口形状影响捕捞效率的弊端,其技术方案要点是包括有均匀间隔设置于拖网网口上进行定位的若干定位阵元、对定位阵元进行控制并对定位检测到的位置信息进行接收处理的主控机、对主控机与各定位阵元之间进行数据信号传输的数据传输电缆；所述主控机获取各定位阵元的位置信息,并根据各定位阵元的相对位置确定拖网网口的形状,本发明的一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法及装置,能够准确的确定拖网网口的精确三维形状,便于调节网口以提高拖网捕捞效率。(The invention discloses a three-dimensional measuring method and a three-dimensional measuring device for the shape of a trawl opening of marine fishery fishing trawl, which relate to the field of marine fishery trawl fishing and solve the problem that the trawl opening measurement cannot obtain the shape of the whole trawl opening to influence the fishing efficiency; the main control computer acquires the position information of each positioning array element and determines the shape of the trawl door according to the relative position of each positioning array element.)

一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法及装置

技术领域

本发明涉及海洋渔业拖网捕捞领域，特别涉及一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法及装置。

背景技术

拖网渔业是海洋渔业的主要作业方式之一。由于具有捕捞对象广泛、捕捞效率高、生产主动灵活、作业范围广等优点,拖网在现代渔业生产中仍占有相当重要的地位。拖网渔船在捕捞作业过程中，为了实现更高的捕捞效率，采用几十米到几百米总长不等的拖网，在知道网口当前状态的情况下，可以通过调节渔船航向深度、方向，及拖网绳索长短等方式使网口不同作业环境下尽量张大，以提高拖网捕捞效率。

传统的网口当前状态测量方法是通过在网口两端分别加装声学长距装置，即通常说的网位仪，来测量靠近网口附近两个绳索之间的距离，无法获得整个网口的形状，难以精确获取拖网网口形状，进而无法及时的调整网口的大小以进行捕捞，影响拖网捕捞效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法及装置，能够准确的确定拖网网口的精确三维形状，便于调节网口以提高拖网捕捞效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法，包括有以下步骤：

主控机发送自检指令至安装于拖网网口上的若干定位阵元，以确定各阵元处于工作状态；

各定位阵元进入工作状态，定位阵元根据在拖网网口上的位置划分为第一组阵元与第二组阵元；

主控机发送定位指令，第一组阵元及第二组阵元的各定位阵元接收定位指令，且相互之间按照设定的周期交替进行位置信号的发射和接收；

定位阵元获得相互之间的相对位置信息，并输送至主控机；

主控机对各定位阵元的相对位置信息进行接收处理，计算获得各定位阵元之间的相对位置，根据定位阵元的相对位置确定拖网的网口形状。

作为优选，各定位阵元的发射和接收状态交替具体步骤为：

每个定位阵元均设置有一一对应的阵元编号；

主控机发送带有阵元编号的定位指令；

各阵元接收到定位指令并进行比较，在判别到定位指令中包含有与自身对应的阵元编号时，定位阵元进入发射状态；反之，进入接收状态。

作为优选，第一组阵元及第二组阵元的各定位阵元获得相互之间的相对位置信息的步骤具体为：

第一组阵元和第二组阵元的定位阵元交替进入接收状态和发射状态；

处于发射状态的各定位阵元获取自身的深度信息，并且通过水声测距测量与处于接收状态的各定位阵元之间的相对距离；

处于接收状态的各定位阵元获取自身的深度信息，并且接收获取与发射状态下的定位阵元的相对距离信息；

接收状态下的同一定位阵元根据与发射状态下的各定位阵元之间的相对距离及深度信息，计算确定各定位阵元之间的相对位置。

作为优选，各定位阵元的定位具体步骤为：

定位阵元初始化参数，包括对应的阵元编号；

定位阵元接收传输的自检指令，各阵元进行时钟同步并进入等待状态，等待接收定位指令以设置工作状态，工作状态包括有发射及接收；

当定位阵元进入发射状态时，调用发射子程序，使定位阵元进行定位信号的发射；

当定位阵元进入接收状态时，调取声学接收子程序、压力接收子程序、角度子程序、数据打包子程序及数据传输子程序，接收并打包传输相对位置信息；

各定位阵元按照设定的周期进行定位信号的交替接收与发射，完成各定位阵元相互之间的定位。

一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量装置，包括有均匀间隔设置于拖网网口上进行定位的若干定位阵元、对定位阵元进行控制并对定位检测到的位置信息进行接收处理的主控机、对主控机与各定位阵元之间进行数据信号传输的数据传输电缆；

所述主控机获取各定位阵元的位置信息，并根据各定位阵元的相对位置确定拖网网口的形状。

作为优选，若干所述定位阵元按照在网口上的位置，对称划分为于设定的周期交替进行位置信息发射及接收的第一组阵元及第二组阵元；每一所述定位阵元均包括有一用于测量深度位置的压力传感器、一用于测量偏移角度的罗盘、一用于测量与其它定位阵元之间的相对距离的水声传感器。

作为优选，所述定位阵元包括有通过通信连接的主控DSP、水声发射机和接收机、通信电路、压力传感器、声学换能器、磁罗盘、电源模块、***电路。

作为优选，所述定位阵元均设置有与其一一对应的阵元编号，所述主控机发送有对应于阵元编号以控制定位阵元工作的定位指令。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过在拖网网口设置的若干定位阵元的设置，能够根据定位阵元之间的相对位置确定网口的形状，通过各定位阵元之间的互定位，以及主控机的控制及计算处理，能够获取各定位阵元之间的相对位置，进而能够确定拖网网口的精确三维形状，进而能够方便调节渔船航向深度、方向，及拖网绳索长短等方式使网口不同作业环境下尽量张大，提高拖网捕捞效率，使用更加的精确、高效。

附图说明

图1为海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量装置的示意图；

图2为各定位阵元进行定位操作的主要流程框图；

图3为第一组阵元进入发射状态的示意图；

图4为第二阵元进入发射状态的示意图；

图5为初始化模块的流程框图；

图6为接收指令子程序的流程框图；

图7为发射子程序的流程框图；

图8为水声接收子程序的流程框图；

图9为压力接收子程序的流程框图；

图10为角度接收子程序的流程框图；

图11为数据打包子程序及数据传输子程序的流程框图；

图12为水下网口形状测量原理示意图；

图13为定位阵元的硬件框图；

图14为定位阵元内部结构示意图；

图15为BF533的系统框图；

图16为主控板FPGA内部逻辑框图

图17为水声接收机结构框图；

图18为水声发射机结构框图；

图19为电源管理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据一个或多个实施例，公开的一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量方法，如图1所示，包括有渔船拖网、安装在渔船拖网网口上的若干定位阵元、进行控制及处理的主控机以及进行数据传输的数据传输电缆，具体通过以下步骤：

主控机发送自检指令至安装于拖网网口上的若干定位阵元，以确定各阵元处于工作状态；

各定位阵元进入工作状态，定位阵元根据在拖网网口上的位置划分为第一组阵元与第二组阵元；

主控机发送定位指令，第一组阵元及第二组阵元的各定位阵元接收定位指令，且相互之间按照设定的周期交替进行位置信号的发射和接收；

定位阵元获得相互之间的相对位置信息，并输送至主控机；

主控机对各定位阵元的相对位置信息进行接收处理，计算获得各定位阵元之间的相对位置，根据定位阵元的相对位置确定拖网的网口形状。

具体的，各定位阵元的发射和接收状态交替具体步骤为：

每个定位阵元均设置有一一对应的阵元编号；

主控机发送带有阵元编号的定位指令；

各阵元接收到定位指令并进行比较，在判别到定位指令中包含有与自身对应的阵元编号时，定位阵元进入发射状态；反之，进入接收状态。

具体的，第一组阵元及第二组阵元的各定位阵元获得相互之间的相对位置信息的步骤具体为：

第一组阵元和第二组阵元的定位阵元交替进入接收状态和发射状态；

处于发射状态的各定位阵元获取自身的深度信息，并且通过水声测距测量与处于接收状态的各定位阵元之间的相对距离；

处于接收状态的各定位阵元获取自身的深度信息，并且接收获取与发射状态下的定位阵元的相对距离信息；

接收状态下的同一定位阵元根据与发射状态下的各定位阵元之间的相对距离及深度信息，计算确定各定位阵元之间的相对位置。

进一步的，如图2所示，各定位阵元的定位具体步骤为：

定位阵元初始化参数，包括对应的阵元编号；

定位阵元调用接收指令子程序以接收传输的自检指令，各阵元进行时钟同步并进入等待状态，等待接收主控机的定位指令以设置工作状态，工作状态包括有发射及接收；

当定位阵元进入发射状态时，调用发射子程序，使定位阵元进行定位信号的发射；

当定位阵元进入接收状态时，调取声学接收子程序、压力接收子程序、角度子程序、数据打包子程序及数据传输子程序；通过调取声学接收子程序来采集、保存、滤波和计算各路水声时延值；调压力接收子程序来采集、平滑和计算压力值，并转换为深度；调角度接收子程序来接收罗盘测得的指北角度值。将这些测得数据通过约定传输协议打包发送到数据包，主控机接收以计算相对位置；

各定位阵元按照设定的周期进行定位信号的交替接收与发射，完成各定位阵元相互之间的定位。

如图3及图4所示，若设置有八个定位阵元，分别对应阵元编号为1#至8#，优选对称划分为两组，主控机发送定位指令，此次定位指令中包含有1#、2#、3#、4#，则1#、2#、3#、4#定位阵元进入发射状态，其余定位阵元进入接收状态。主控机接收数据并初步解算各定位阵元位置。在设定的延时时间后，主控机发送带有5#、6#、7#、8#编号的定位指令，则5#、6#、7#、8#编号对应的定位阵元进入发射状态，其余定位阵元进入接收状态。主控机接收数据并初步解算各定位阵元位置，如此按照时间间隔周期进行周期***替。

定位阵元初始化参数通过初始化模块进行处理，系统上电后，首先要进行初始化，如图5所示，初始化模块进行阵元参数初始化之外，还包括系统初始化、片内外设初始化和一些变量初始化。

系统初始化包括影响CPU运行的内部初始化和影响各个片内外设工作的外设初始化。由于片内外设只是在需要时才会启动，因此对外设的初始化不必纳入系统初始化。这里只针对堆栈、中断进行初始化。当程序调用中断服务程序或子程序时，将程序计数器的PC值和一些重要的寄存器值进行压栈保护，以便程序返回时能从间断处正常地继续执行。片内外设初始化包括对时钟发生器、串行口、UART口、PF、通用定时器、外部总线接口部件等初始化。变量初始化包括对一些变量的初始化。参数初始化对设置不同阵元编号，发射频率等。

如图6所示，为接收指令子程序的流程示意图，主控机发送全部的自检指令后，接收回传的数据，以确定定位阵元处于工作状态；通过串口接收经由数据包传输的主控机指令，当接收一帧数据后产生中断，对定位阵元进行同步。对指令中阵元编号经行判别，并与本阵元编号进行比较，如果指令中阵元编号列号与本阵元编号列好相同则该定位阵元进入发射状态，不同则进入接收状态。

如图7所示，为发射子程序的流程示意图。样机发射机采用D类功放，当阵元进入发射状态，通过DSP SPORT口发送指定参数的方波信号。发射信号频率根据阵元所在缆不同而定：1#缆为65KHz；2#缆为68KHz；3#缆为71KHz；4#缆为74KHz。

当阵元进入接收状态，DSP通过SPORT0口采集水声信号，如图8所示，为水声接收子程序的流程示意图，采集信号长度为接收0.5秒，并通过DMA将数据保存，此后反复调取此数据对其进行不同频点的滤波，求时延。这里AD采样率为500KHz,NOTCH滤波器中心f1为65KHz，f2为68KHz，f3为71KHz，f4为74KHz。

当阵元进入接收状态，DSP通过SPORT1口采集压力信号，如图9所示，为压力接收子程序的流程图，具体为采集10组数据，进行求平均，将压力值转换为深度值并保存。这里AD采样率选定为500KHz。

当阵元进入接收状态，DSP通过SPI口接收角度数据，如图10所示，为角度接收子程序的流程图，罗盘模块通过RS232口发送测量数据，通过将SPI口转RS232将数据接收进DSP。采集10组数据，进行求平均后保存。这里AD采样率暂定为为500KHz。

如图11所示。数据打包子程序及数据传输子程序的流程图，阵元经过测量、计算获得全部需要的深度、角度、时延数据后，将这些数据按照通信协议打包，并发送。

拖网网口形状测量中，可以使用更多的定位装置，为水下拖缆的高精度定位提供了可能。对网口各段的定位应充分考虑多传感器定位的特点，发挥多种定位手段的优点来提高水下网口定位精度，基于长基线的水下多缆定位系统的多传感器融合的阵元定位原理进行解算。如图12所示，定位阵元的深度信息是通过压力传感器直接获得的。通过结合深度信息，水声定位系统由两端向中间对称求解拖缆各段X坐标、Y坐标。又由于拖缆上阵元的纵向定位误差大于横向定位误差，并且随着阶数的增加这一现象表现得越明显。这里引入罗盘数据重新确定拖缆的纵向位置，这样能在一定程度上改善系统的定位精度，并且可以提高系统的可靠性。

根据一个或多个实施例，公开的一种海洋渔业捕捞拖网网口形状三维测量装置，包括有拖网，如图1所示，包括有若干定位阵元、主控机及数据传输电缆。各定位阵元均匀间隔安装在拖网网口上，进行定位操作获取位置信息；主控机安装于拖网渔船上，对各定位阵元进行控制，并且接收及计算处理定位阵元的位置信息，计算获得各定位阵元之间的相对位置信息，根据在拖网网口上的定位阵元的相对位置关系得到拖网网口的三维形状；主控机与各定位阵元之间通过数据传输电缆进行信号数据的传输。

若干的定位阵元按照在拖网网口上的位置，对称划分为第一组阵元及第二组阵元，每个定位阵元均对应设置有一唯一可识别的阵元编号。主控机发送有对应于阵元编号以控制定位阵元进行定位操作的定位指令。如图3至图4所示，若设置有八个定位阵元，分别对应阵元编号为1#至8#，优选对称划分为两组，主控机发送定位指令，此次定位指令中包含有1#、2#、3#、4#时，则1#、2#、3#、4#定位阵元进入发射状态，其余定位阵元进入接收状态。主控机接收数据并初步解算各定位阵元位置。在设定的延时时间后，主控机发送带有5#、6#、7#、8#编号的定位指令，则5#、6#、7#、8#编号对应的定位阵元进入发射状态，其余定位阵元进入接收状态。主控机接收数据并初步解算各定位阵元位置，如此按照时间间隔周期进行周期***替，完成各定位阵元之间的相互定位。

定位阵元均为同一型号，如图13所示，均包括有一用于测量深度位置的压力传感器、一用于测量偏移角度的罗盘、一用于测量与其它定位阵元之间的相对距离的水声传感器，水声传感器包括有水声发射机和接收机；还包括有通过通信连接的主控DSP、通信电路、声学换能器、电源模块、***电路。如图14所示，则为各定位阵元的内部结构示意图。

罗盘优选采用型号为HMR3000，其结构小，航向测量精度可以达到0.50。HMR3000罗盘采用RS232串行接口输出数据，DSP的UART口已用来进行数据传输，因此采用SPI口转RS232口的方法实现接收罗盘数据。压力传感器接收到的信号经过放大经过ADC转换后送DSP SPORT1口；同时，系统也具有电池电压监测能力，将电池的输出电压通过分压之后送给模数转换器ADC采样，经过ADC转后送DSP SPORT1口。电池电压和压力数据测量器件均ADC优选型号为ADS8320EB。

DSP处理器是阵元的核心部分，完成接收数据实时分析、发射声脉冲信号和电源监测等功能。同时系统又要求DSP处理器低功耗，具有PWM信号输出，可直接驱动功率放大器，接口丰富等。DSP处理器选用Blackfin533。Blackfin533(下面简称BF533)是在BlackfinDSP系列的基础上，推出增强型Blackfin DSP三种引脚完全兼容的新品ADSP-BF533，ADSP-BF532和ADSP-BF531之一，它们在同类产品中具有最快的速度和最低的功耗。其中ADSP-BF533具有600MHZ时钟频率和1.2GMACS运算速度。该处理器系列集成了一个片内开关稳压器，利用2.25V－3.6V外接电源电压可产生0.7V－1.2V可设置的内核工作电压，实现了增强的动态电源管理功能，从而降低了总体成本，并节省了外部电源元器件。如图15所示，为BF533的系统框图。

BF533其主要特点如下：

1)16位定点DSP内核，可以实现最高600MHz的持续工作；

2)2个16位乘法累加器(MAC)，2个40位算术逻辑单元(ALU)，在600MHz速度下，可达到1.2GMACS的运算速度；

3)灵活的软件控制动态电源管理，支持4种运行模式；

4)L1指令存储器包括80KB SRAM，其中16KB可配置成4路组联合Cache；

5)L1数据存储器包括2个32KB SRAM的Bank，每个Bank均由两个16KB；

6)SRAM组成其中1个16KB可配置成Cache；

7)支持片外同步或异步存储器(包括PCI33 SDRAM)；

8)灵活的引导方式(SPI或外部存储资源)；

9)内存管理单元提供内存保护；

10)2级中断事件处理；

11)具有RTC模块；

12)具有WatchDog定时器；

13)具有两个32bit计算器；

14)16个GPIO；

15)1个支持IrDA的通用串行口；

16)并行外设接口(PPI)，可与并行AD、DA无缝连接；

17)1个SPI兼容端口(支持7个通道)；

18)2个双通道全双工同步串行接口(SPORT)；

19)12通道DMA，包括外设DMA和内存DMA。

针对阵元结构设计了小型化的主控DSP模组，如图13，由核心处理器DSP、FLASH存储器、SDRAM等组成，既方便调试又可以节约费用。

FLASH存储器(快闪存储器)是一种电可擦、可重写的非易失性的存储器，即使系统掉电，也能保证己存入的数据不会丢失。由于FLASH存储器容量大、非易失、存取速度快，因而特别适用做大容量数据采集系统的存储介质。优选SST39V160。其容量为16Mbit(1M×16bit)，只需2.7V的电压就可完成读、写和擦除操作，写入一个字(16bit)仅需14μs，整块存储器的擦除只需70ms。

SDRAM用作数据的缓冲以及当内部SRAM空间不足时缓存应用程序。具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，己经广泛应用在各种嵌入式系统中。BF533的EBIU中的同步存储器控制提供与标准SDRAM的无缝接口。EBIU使用系统时钟(SCLK)作为SDRAM的时钟，并且SCLK可由DSP内部PLL系统MMR编程获得，因此可以根据不同系统对缓存速度的要求来设定访问外部SDRAM的速度，提高嵌入式系统对功耗控制的灵活性。优选采用HY57V561620C(32MBytes)。

主控DSP的外设接口的具体分配如图13所示，具体包括为：通过UART接口与通信电路进行输入输出连接，实现数据的通信；SPI接口转两路RS232，一路接收罗盘数据，另一路备用；SPORT0的输入接口接收水声接收机获取的水声相关信息，输出接口则连接水声发射机进行信号的发射；SPORT1的输入接口连接接收压力传感器检测输出的电压信号；通过EBIU接口与FLASH存储器及SDRAM进行连接，实现储存程序和数据。

对于水声接收机获取的水声相关信息，通过FPGA完成数据的采集及相关运算，以将相关结果数据送给DSP。FPGA优选采用Cyclone III，它是低成本低功耗的器件，它采用TSMC的65nm低功耗器件制造，具有优化的软件特性，以最大限度降低功耗。如图16所示，为阵元主板FPGA的内部逻辑框图，其实现是通过VHDL完成。如图17所示，换能器将水声信号转换成微弱的电信号，需要经过接收机的放大滤波再通过单比特量化后送FPGA处理。水声接收机工作频段：60kHz～80kHz；模拟输出电压范围：-3.0V～+3.0V；输出信号形式为模拟信号和过零检测数字脉冲；可调放大增益范围为20dB；工作电源：5V；工作温度：-10℃～+55℃。

如图18所示，水声发射机优选采用D类功放结构，中心频率70kHz、频带20kHz；发射信号形式为单频填充脉冲；发射源级180dB；脉冲宽度为小于2ms；占空比小于1：3000，供电电压14.4V输入信号形式：反向双数字电平(最小3.0V)

硬件系统采用电池供电，优选采用了高转换效率的开关电源。

系统的电源需求具体如下：

1)功放电源：3.6V*4节＝14.2V；

2)DSP处理器：+3.3V；

3)FPGA及***电路：+3.3V，+2.5V，+1.2V；

4)接收机电源：+5V；

5)通信电路电源：+5V、-5V；

6)磁罗盘电源：+5V。

以上的各种电源(除功放)都是通过电池组转换得到的。具体电源管理如图19所示，开关电源一将电池输出的+14.2V分别转换成+3.8V和+3.0V，其中3.8V提供给LDO1、LDO2，+3V提供给LDO3。开关电源二将电池输出的+14.2V分别转换成+1.6V和+5.5V，其中+1.6V提供给LDO4，+5.5V提供给LDO5、LDO6。LDO7将+5V转为-5V。开关电源优选采用型号为LT1940EFE。低压差线性电源LDO1、LDO2、LDO3、LDO4、LDO5、LDO6优选采用型号为LT1763IS8；LDO7优选采用型号为LT1054lL；为降低样机系统平均功耗，LDO2、LDO3、LDO4、LDO5采用DSP程控，当系统处于长时间等待状态LDO2、LDO3、LDO4、LDO5下电，关闭对应电路。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。