專利名稱：一種水下目標(biāo)定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下目標(biāo)定位裝置。特別是涉及水下陣列式主動(dòng)電場(chǎng)近距 離目標(biāo)定位裝置，屬于水下導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二十一世紀(jì)是人類向海洋進(jìn)軍的世紀(jì)。作為探索海洋的重要手段，甚至在 某些情況下是唯一的手段，水下機(jī)器人在開發(fā)利用海洋中的中起著十分重要的 作用。水下機(jī)器人工程化和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一是水下導(dǎo)航定位技術(shù)。它用 丁研究復(fù)雜海洋環(huán)境下水下航行器的全局導(dǎo)航(遠(yuǎn)距離導(dǎo)航從幾千米到1米) 和局部環(huán)境近距離定位(近距離一般小于1米)精確定位技術(shù)、滿足實(shí)際海洋 環(huán)境下和不同任務(wù)要求的路徑規(guī)劃與任務(wù)規(guī)劃技術(shù)等。目前潛水器全局導(dǎo)航最 有效的方法是基于慣性寧件和羅經(jīng)的推算導(dǎo)航和水聲導(dǎo)航，常用的近距離定位 方式是基于水聲原理的聲成像聲吶和基于光學(xué)成像的水下電視。聲成像聲吶應(yīng) 用于水下近距離定位時(shí)，需要很高的聲波頻率以提高探測(cè)精度，而近距離定位 要求探測(cè)系統(tǒng)具有很快的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新率以適應(yīng)系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性的需要。為提高聲 成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，不得不增加其硬件復(fù)雜性，致使系統(tǒng)開銷很大，不適合水 下機(jī)器人小型化趨勢(shì)和長(zhǎng)時(shí)間水下工作的要求。為克服聲成像聲納的上述缺點(diǎn)， 基于光學(xué)成像的水下電視成為水下近距離定位的重要手段，它很好的解決了聲 成像聲吶在近距離定位中的開銷過大的問題。但是在存在大量懸浮物渾濁水體 中，光會(huì)被水中懸浮物散射和反射，影響水下的視野，使水下電視無法正常進(jìn) 行工作。隨著海洋資源探測(cè)及海洋資源開發(fā)的深入，水下機(jī)器人的工作環(huán)境日 趨復(fù)雜對(duì)于近海工作的水下機(jī)器人，由于內(nèi)河泥沙和富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流入海洋， 很多淺海都是渾濁水體，水下電視工作受到極大的限制。對(duì)于用于海洋水下考古、海洋資源探測(cè)、深海科學(xué)考察、海底油井的維護(hù)等領(lǐng)域的水下機(jī)器人，一
方面深海中存在大量的浮游生物；另一方面，當(dāng)潛水器靠近目標(biāo)時(shí)，由于潛水 器的運(yùn)動(dòng)會(huì)攪動(dòng)目標(biāo)附近的淤泥使水體渾濁，這也影響到水下電視近距離定位。 所以對(duì)于水下機(jī)器人而言，水體渾濁成為影響近距離定位的重要因素。水下機(jī) 器人如何高效地在渾濁水體中進(jìn)行近距離定位，已經(jīng)成為水下機(jī)器人發(fā)展過程 中迫切需要解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在之不足，提供一種水下機(jī)器人能夠 高效地在渾濁水體中進(jìn)行近距離定位的主動(dòng)電場(chǎng)定位裝置。
本發(fā)明技術(shù)問題解決的方案是本裝置由發(fā)射器(1)，接收器(2)，數(shù)據(jù)
采樣器(3)，數(shù)據(jù)處理器(4)四部分組成。所說的發(fā)射器由信號(hào)發(fā)生器(1-1) 和一對(duì)發(fā)射電極(1-2)組成；所說的發(fā)射器的信號(hào)發(fā)生器(1-1)用于產(chǎn)生(100HZ —2000HZ)的正弦或方波信號(hào)，作為發(fā)射器的發(fā)射電極的激勵(lì)源；所說的發(fā)射電 極(1-2)是放入水(或?qū)щ娨后w)(5)中高導(dǎo)電率的金屬電極。接收器由呈陣 列排列的多個(gè)接收電極(2-1)和接收電路(2-2)組成；所說的接收電極是放 入水(或?qū)щ娨后w)5中沿曲線排列的n個(gè)高導(dǎo)電率的金屬電極；所說的接收電 路安裝在接收電極輸出端，接收電路將接收電極接收到的微弱電流信號(hào)通過轉(zhuǎn) 換放大后變成可以進(jìn)行處理的電壓信號(hào)，接收電路為n輸入n輸出電路。數(shù)據(jù) 采樣器(3)是用于將從接收電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便于計(jì) 算機(jī)進(jìn)行處理，所說的數(shù)據(jù)采樣器是對(duì)n路并行采樣的數(shù)據(jù)采樣卡，數(shù)據(jù)采樣 器(3)通過計(jì)算機(jī)外部總線和數(shù)據(jù)處理器(4)互聯(lián)。數(shù)據(jù)處理器(4)用于對(duì) 輸入信號(hào)進(jìn)行濾波并分析接收電極陣列輸出的電壓變化從而對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行定 位，所說的數(shù)據(jù)處理器4是具有高速運(yùn)算功能的計(jì)算機(jī)。本裝置通過發(fā)射器在裝置附近建立低頻探測(cè)電場(chǎng)，并由接收器感知由于附近物體引起的電場(chǎng)變化， 最后通過數(shù)據(jù)處理器推演出物體的位置。
裝置的發(fā)射器(1)的發(fā)射電極(1-2)和接收器(2)的接收電極(2-1) 被放入水(或?qū)щ娨后w)(5)中。發(fā)射電極(1-2)被信號(hào)發(fā)生器(1-1)驅(qū)動(dòng) 在介質(zhì)中產(chǎn)生探測(cè)電場(chǎng)，接收電極(2-1)布置于左發(fā)射電極(1-2-1)的左側(cè) 或右發(fā)射電極(1-2-2)的右側(cè)，由多個(gè)呈陣列排列的電極組成，接收電極的電 流變化被接收電路(2-2)轉(zhuǎn)換放大后輸入數(shù)據(jù)采樣器(3)，數(shù)據(jù)采樣器(3) 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入數(shù)據(jù)處理器(4)進(jìn)行分析處理。
本發(fā)明的工作過程如下發(fā)射電極(1-2)和接收電極(2-1)被放入水(或 導(dǎo)電液體)(5)中，以用于水下近距離定位。發(fā)射器的信號(hào)發(fā)生器(1-1)產(chǎn)生 的低頻(100HZ—2000HZ)正弦或方波信號(hào)作為激勵(lì)源，輸入發(fā)射電極(1-2)。兩 個(gè)發(fā)射電極(1-2-1)、 (1-2-2)，除了電荷或電壓的變化，硬件結(jié)構(gòu)是完全相同 的。其中一個(gè)發(fā)射電極獲得的電荷量為Q或電壓為V。而另一個(gè)被認(rèn)為是"地"， 因此電荷量或電壓為0。這兩個(gè)電極在分析區(qū)域內(nèi)共同形成了一個(gè)有規(guī)律變化的 電場(chǎng)。接收電極(2-1)接收到這個(gè)電場(chǎng)信號(hào)后，將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)輸出， 此信號(hào)通過接收電路(2-2)進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后通過數(shù)據(jù)采 樣器(3)將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理器(4)進(jìn)行處理。
一旦呈陣列排列的接收電極(2-1)與發(fā)射電極(1-2)的相對(duì)位置被固定， 當(dāng)電場(chǎng)中沒有目標(biāo)體時(shí)，接收電極的電流輸出將和發(fā)射電極的電壓變化規(guī)律相 同。當(dāng)電場(chǎng)中有目標(biāo)體存在時(shí)，接收電極的電流變化幅度將發(fā)生變化，電流變 化的幅度將隨目標(biāo)體位置和發(fā)射電極的相對(duì)位置變化相應(yīng)發(fā)生有規(guī)律的變化， 這樣可通過物體位置和運(yùn)行軌跡的導(dǎo)航算法得到目標(biāo)體的位置信息。
本發(fā)明的有益效果是1、本裝置硬件簡(jiǎn)單，其低頻電場(chǎng)的特點(diǎn)克服了聲成像聲納產(chǎn)生和處理高頻聲波硬件和能量開銷過大的問題，特別適用于水下機(jī)器 人小型化趨勢(shì)和長(zhǎng)時(shí)間水下工作的要求。
2、 在使用本裝置實(shí)現(xiàn)主動(dòng)電場(chǎng)定位過程中，其電場(chǎng)定位原理克服了光學(xué)成 像在渾濁水體中無法工作的機(jī)理限制。
圖1是本發(fā)明水下目標(biāo)定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是本發(fā)明的工作狀態(tài)示意圖
圖3是本發(fā)明的另一種工作狀態(tài)示意圖
圖4是本發(fā)明的信號(hào)發(fā)生器的電路圖
圖5是本發(fā)明的單個(gè)接收電極轉(zhuǎn)換放大電路的電路圖
圖中標(biāo)識(shí)
1、發(fā)射器 1-1、信號(hào)發(fā)生器 1-2、發(fā)射電極 2 、 接收器2 - 1 、 接收電極2 - 2 、 接收電路
3、 數(shù)據(jù)采樣器 4、數(shù)據(jù)處理器 5探測(cè)介質(zhì) 6目標(biāo)物體
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
如圖2所示，在可導(dǎo)電液體介質(zhì)(5)中，發(fā)射電極(1-2)和接收電極(2-1) 的位置是固定的。目標(biāo)體(6)在液體介質(zhì)(5)中在介質(zhì)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)。信號(hào)產(chǎn) 生器(1-1)產(chǎn)生正弦或方波信號(hào)作為激勵(lì)源，輸入發(fā)射電極(1-2)。在介質(zhì)中 形成了一個(gè)規(guī)律變化的電場(chǎng)。接收電極(2-1)接收到電流將發(fā)生相應(yīng)變化，此 信號(hào)通過接收電路(2-2)進(jìn)行變換，放大后轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，最后通過數(shù) 據(jù)釆樣器(3)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理器(4)進(jìn)行處理。當(dāng)電場(chǎng)中有目標(biāo)體存在時(shí)，接收電極的電流變化幅度將發(fā)生變化，電流變化的幅度將隨目標(biāo) 體位置和發(fā)射電極的相對(duì)位置變化相應(yīng)發(fā)生有規(guī)律的變化，這樣可通過物體位 置和運(yùn)行軌跡的導(dǎo)航算法得到目標(biāo)體的位置信息。 實(shí)施例2:
如圖3所示，目標(biāo)體(6)在液體介質(zhì)(5)中的位置是固定的。在液體介 質(zhì)(5)中，發(fā)射電極(1-2)和接收電極(2-1)被固定一個(gè)固定板7上。固定 板(7)在介質(zhì)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦或方波信號(hào)作為激勵(lì)源，輸 入發(fā)射電極(1-2)。在介質(zhì)中形成了一個(gè)規(guī)律變化的電場(chǎng)。接收電極(2-1)接 收到電流將發(fā)生相應(yīng)變化，此信號(hào)通過接收電路(2-2)進(jìn)行變換，放大后轉(zhuǎn)換 成模擬電壓信號(hào)，最后通過數(shù)據(jù)采樣器(3)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理器(4) 進(jìn)行處理。當(dāng)電場(chǎng)中有目標(biāo)體存在時(shí)，接收電極的電流變化幅度將發(fā)生變化， 電流變化的幅度將隨目標(biāo)體位置和發(fā)射電極的相對(duì)位置變化相應(yīng)發(fā)生有規(guī)律的 變化，這樣可通過物體位置和運(yùn)行軌跡的導(dǎo)航算法得到目標(biāo)體的位置信息。
雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在所附 權(quán)利要求的范圍內(nèi)不需要?jiǎng)?chuàng)造性的勞動(dòng)就能作出的各種變形或修改仍屬本專利 的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種水下目標(biāo)定位裝置，本裝置由發(fā)射器(1)，接收器(2)，數(shù)據(jù)采樣器(3)，數(shù)據(jù)處理器(4)四部分組成，其特征在于所說的發(fā)射器由信號(hào)發(fā)生器(1-1)和一對(duì)發(fā)射電極(1-2)組成；所說的發(fā)射電極(1-2)是放入水(或?qū)щ娨后w)5中高導(dǎo)電率的金屬電極，接收器由呈陣列排列的多個(gè)接收電極(2-1)和接收電路(2-2)組成；所說的接收電極是放入水(或?qū)щ娨后w)(5)中沿曲線排列的n個(gè)高導(dǎo)電率的金屬電極；所說的接收電路安裝在接收電極輸出端，接收電路將接收電極接收到的微弱電流信號(hào)通過轉(zhuǎn)換放大后變成可以進(jìn)行處理的電壓信號(hào)，接收電路為n輸入n輸出電路；數(shù)據(jù)采樣器(3)用于將從接收電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，所說的數(shù)據(jù)采樣器是對(duì)n路并行采樣的數(shù)據(jù)采樣卡，數(shù)據(jù)采樣器(3)通過計(jì)算機(jī)外部總線和數(shù)據(jù)處理器(4)互聯(lián)；數(shù)據(jù)處理器(4)用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波并分析接收電極陣列輸出的電壓變化從而對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行定位，所說的數(shù)據(jù)處理器(4)是具有高速數(shù)據(jù)處理功能的計(jì)算機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水下目標(biāo)定位裝置，其特征是所述的發(fā)射器(1) 的信號(hào)發(fā)生器1-1發(fā)射的信號(hào)為100~2000HZ的電壓幅度為1~10V的正弦或方 波信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水下目標(biāo)定位裝置，其特征是所述的發(fā)射器(1) 的發(fā)射電極(1-2)的左發(fā)射電極(1-2-1)和右發(fā)射電極(1-2-2)間的相互距離 L在10 10000mm之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水下目標(biāo)定位裝置，其特征是所述的接收器(2) 的接收電極(2-1)應(yīng)布置在發(fā)射器(1)的發(fā)射電極(1-2)的左發(fā)射電極(1-2-1) 的左側(cè)或右發(fā)射電極(1-2-2)的右側(cè)。 .
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水下目標(biāo)定位裝置，其特征是所述的接收器(2)的接收電極(2-1)由多個(gè)單立的電極組成，電極個(gè)數(shù)n在10 1000個(gè)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下目標(biāo)定位裝置的接收器(2)的接收電極(2-l)， 其特征是所述的接收電極(2-1)由多個(gè)單立電極呈曲線排列組成，該單立電極 的排列曲線的曲率從1/2P到無窮大(直線)，該排列曲線的曲率中心分布在與兩 個(gè)發(fā)射電極形成的直線互相平行的直線上，發(fā)射電極和接收電極最小水平距離 M是在0.4 400cm之間，發(fā)射電極和接收電極最小垂直距離O是在0.4 400cm 之間，接收電極的分布長(zhǎng)度P在10 10000mm之間。
全文摘要
一種水下目標(biāo)定位裝置，屬水下導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域。本裝置由發(fā)射器1，接受器2，數(shù)據(jù)采樣器3，數(shù)據(jù)處理器4四部分組成。所說的發(fā)射器1由信號(hào)發(fā)生器1-1和一對(duì)發(fā)射電極1-2組成。所說的接收器2由呈陣列排列的接受電極2-1和接受電路2-2組成。數(shù)據(jù)采樣器3是用于將從接收電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)采樣器3通過計(jì)算機(jī)外部總線和數(shù)據(jù)處理器4互聯(lián)。數(shù)據(jù)處理器4用于對(duì)接收電極陣列輸出的電壓變化信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理從而對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行定位。本裝置有以下優(yōu)點(diǎn)1.本裝置是低頻系統(tǒng)，較近距離高頻聲納定位具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量效率高等特點(diǎn)。2.本裝置是基于探測(cè)電場(chǎng)變化來進(jìn)行定位，克服了光學(xué)定位視野受限的問題。
文檔編號(hào)G01S17/06GK101526618SQ200910058779
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者靜 寧, 兵 張, 彭杰鋼, 鮑利華 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)