水下機器人水聲定位系統硬件的設計與實現

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1 水下機器人水聲定位系統概述

水聲定位大致可分為兩類: 基于距離的定位和無距離的定位?；诰嚯x的方案首先通過 ToA、 RSS、 AoA 甚至網絡連通性測量或估計少數錨節點的距離或角度，然后應用三角測量或多方法將范圍轉換為坐標。無距離方案探索局部拓撲，并從周圍錨節點的位置推導出位置估計。一般來說，基于距離的方案具有較高的位置精度，而無距離的方案提供了較粗的位置估計。

2 水下機器人定位系統硬件設計需求分析

2.1 研究現狀

與海洋研究有關的關鍵技術方面的最新進展使科學界能夠將其努力引向提升水下機器人航行器，使其在海上執行的海洋干預任務具有更高的自主性。一些目標，如自主知覺，任務識別，以及機器人操作器的干預，正在進行中的研究。干預式自主水下機器人（I-AUV）在海洋打撈、環境監測和監視、河口、港口、石油鉆機和管道的水下檢查、地質和生物調查等廣泛的研究和商業領域中得到應用。在諸如機械臂操縱器、推進器、方向舵和鰭等系統中，海洋水面和水下機器人車輛上的導航系統起著一個關鍵作用，它允許車輛相對于一個固定的坐標框架或相對于另一個車輛進行合作導航和自導/對接操作。此外，這些導航系統的開發必須牢記低成本、緊湊、高性能、通用性和魯棒性等關鍵特性。

2.2 需求分析

從無數可用的水下導航輔助傳感器，如多普勒測速儀（DVL） ，深度壓力傳感器，磁羅盤，聲學定位系統，如長基線（LBL） ，短基線（SBL）和超短基線（USBL）常常作為水下定位的主要選擇。超短基線傳感器由小型緊湊的聲學換能器陣列組成，可以根據應答器發出的聲波信號的傳播時間，計算應答器在車輛坐標系中的位置[1]。

3 水下機器人水聲定位系統硬件設計

3.1 功能分析

盡管長基線（LBL）和短基線技術等其他聲學定位系統具有優勢（和固有的缺點） ，但我們選擇USBL技術的主要原因與設計一種低成本、快速部署的水下環境定位工具有關。例如，LBL 技術以昂貴著稱，并且在任何時候改變操作區域都需要一個先驗校準階段。此外，從一個潛水員的角度來看，我們的目標是開發一個快速部署和高機動性的原型，用于目標跟蹤場景。例如，假設一個潛水員想要一直跟蹤母船的位置，反之亦然。在這種情況下，只使用我們的原型可以提供一個快速和方便的解決方案。因此，根據 PONTUS 發展的主要目標，并針對上述商業解決方案，我們的目標是為科學界提供一個多功能的、高性能的、低成本的水下跟蹤移動目標的工具，提出一個高度可配置的陣列，除了能夠訪問該系統的物理變量，這在未來可用于設計新的緊耦合定位和導航算法。此外，應答器與USBL 陣列（或陣列）之間實現的聲音通信依賴于直接序列擴頻（DSSS）調制信號，允許多個同時組成的操作。

圖1 便攜式水下場景導航工具（PONTUS）概念設計示意圖

本文提出了兩種估計超短基線參考坐標系中轉發器位置的封閉式方法，并利用從無到有開發的超短基線中的實際實驗數據對這種定位方案進行了實驗驗證。第一種方法采用到達超短基線陣的聲波的平面近似，這種方法適用于遠程作戰（例如車輛自動導引到某個站點） ，因為超短基線與應答器之間的距離遠大于基線。提出的第二種方法不采用平面波近似，保持了基本的非線性框架。考慮后一種方法是因為在非常近距離的作業中需要精確定位（例如水下航行器與三叉戟項目中將考慮的自主水面航行器的對接作業） ，在這種作業中，平面波近似可能無效。在此基礎上本文介紹了一種用于水下目標定位的低成本移動導航工具 PONTUS 的研制過程。龐圖斯由一個綜合的超短基線聲學定位系統輔助一個慣性導航系統組成。根據實際設計，它可以安裝在水下機器人車輛或由潛水員操作。

3.2 電路設計

對于任何相干檢測問題，通過將輸入信號通過一個脈沖響應為期望信號時間反轉副本的匹配濾波器，可以很好地估計信號的到達時間（TOA）。在理想情況下，濾波器輸出與接收信號的自相關函數有關。特別設計的擴頻調制信號具有良好的自相關特性 ，使匹配濾波器的輸出更加清晰，并提高了檢測器的性能。此外，幾個擴頻信號之間可以獲得良好的互相關特性，從而允許多用戶配置，在這種配置中，幾個實體可以同時傳輸信號而不受干擾。

這種特殊設計的信號通常使用跳頻擴頻（FHSS）或直接序列擴頻（DSSS）碼產生。一般來說，與傳統信令（正弦脈沖和 CHIRP 突發）相比，擴頻信號在水下距離估計方面有幾個優點：它們具有更好的信噪比（SNR）、對周圍環境和干擾噪聲的魯棒性、多用戶能力、改進的檢測抖動以及更好地解決水聲信道傳播中最大的問題之一——多徑問題。

本節介紹兩種在參考坐標系中估計應答器位置的封閉形式的方法。第一種方法是利用聲波的平面近似計算轉發器的位置，這里稱為平面波法。對于水下航行器的實際任務情況，接收機之間的距離比傳感器陣列和應答機之間的距離小得多，因此對于聲波的平面波近似是有效的。PW 方法是基于這種近似來獲得轉發器的距離和方向的。然后在體坐標系中計算位置，該坐標系的原點被認為與水聽器的質心重合。球面插值（SI）方法是基于方程誤差公式。該方法不需要平面近似，直接計算應答機在體框架中的位置。球面交點法的優點是定位精度在整個定位范圍內不會發生很大變化，但其基于同步定位方式，對系統時鐘要求較高。用水聽器精確地測量了聲波傳遞時間。在進行定位之前，應避免影響系統時鐘定位的工作環境變化、設備老化等因素，確保定位精度。雙曲型交點法對時鐘精度要求不高，可避免同步定位法帶來的系統誤差，但由于陣元之間的延遲差一般只比其他測量值小，因而對延遲差的測量精度也有很高的要求。另外，雙曲線交點定位法在整個測量范圍內的精度是不同的。當目標到矩陣的距離增大時，目標的定位精度將下降。實驗結果表明，該定位算法的穩定性優于球面交點解的穩定性。兩者都有各自的優點和不足，在實際應用中還要根據具體情況來決定[2]。

3.3 系統綜合

本文系統的主電源為236.8-Wh 鋰聚合物（LiPo）蓄電池組件，由416ah 電池組裝而成，每個電池額定電壓為14.8v。電池監視器（BATMONIT）板，內部開發，監測整個電池終端的充電和放電率，也電流，因此防止短路，過載或充滿放電，可能會造成不可逆損害的電池。此外，BATMONIT還可以讀取連接在丙烯酸管內壁上的電動轉換開關的輸出，提供一個開/關開關，用于電池供電。該板可以不間斷地監控系統的剩余功耗（關閉電流 ＜ 1μA）與系統的總電流消耗。在進行數字處理之前，原始的聲信號（每個水聽器一個）首先通過以25kHz為中心的帶通二階巴特沃斯濾波器。產生的濾波/輸出信號然后通過VGAmps傳遞，其增益通過DSP的數字模擬輸出來控制，方法是利用它們的能量或它們的瞬時最大值作為調整標準。主板是一個高性能的32位浮點 D.Module.C6713，操作頻率為300mhz，具有直接內存訪問（DMA）控制器，允許后臺數據傳輸與高優先級計算同時進行。該板（通過自堆疊設計）連接到16位D.Module.ADDA16板，其中包括4個16位分辨率的每秒250千取樣ADC，以及4個16位分辨率的數模轉換器。四個水聽器中的每一個都與一個 VGAmp 相連，VGAmp 的輸出為 d. module.adda16上的四個 ADC 終端供電。為了實現聲學投影儀的接口，除了需要一個升壓和阻抗匹配電路外，還需要一個開關功率放大器。就此而言，設計了一塊名為 PwrAmpD 的新板。簡而言之，阻抗匹配電路由一個簡單的 RLC 電路組成，使用了單螺線管在新的25khz 諧振頻率范圍內調諧成一個非常窄的頻帶傳輸函數?？傊?，PwrAmpD 是一種高效的D類開關模式放大器板，具有高于90% 的效率和低信號失真的特點。此外，它優化驅動聲學投影機和驅動的脈沖寬度調制（PWM）波形的最高頻率為1兆赫。模塊集成了一個用于實現 PWM 調制器的復雜可編程邏輯器件，由此產生的 PWM 信號驅動 PwrAmpD。因此，水下聲學投影儀。此外，使用 PwrAmpD 中實現的阻抗匹配電路，可以對后一塊板和聲學投影儀進行微調，以最大限度地提高20到30千赫頻段內的發送訊號的能量。然而，放大僅僅是信號發射優化過程的第一部分，目標是最小化接收端的故障百分比。為了充分利用直接序列擴頻信號的優點，需要考慮聲學投射器的帶寬限制和非線性。簡而言之，擴頻信號的帶寬并不完全在聲學投射器的帶寬之內; 因此，發射的信號永遠不會完全與所需的信號相似。當在接收端運行匹配濾波器時，傳輸端的這些突然失真將產生負面后果。通過改變傳輸信號的方式，使后者在通過聲學投影儀時形成信號，使其更接近預期信號。這種還原失真的過程被廣泛地認為是一種均衡過程，其結果已成功地應用于水聲投影機中。

在本文的實驗過程中，使用水平放置的20厘米水聽器的初步測試，由一個小型陣列的四個水聽器放置在一個非平面3D 配置具有高度可配置的幾何形狀。接收聲學陣列如圖3所示，與其處理工作臺（數字信號處理器、聲學放大器、電池和其他幾個系統）連接。接收陣列中所有水聽器之間的距離大約為30厘米。接收陣列被綁在一個碼頭上，淹沒在水下2.5米左右。發射 DSSS 編碼信號的聲音傳感器被放置在距離 USBL 約21.5米的地方，左側約2米，深2.5米，因為發射和接收都與精度為1 mu 的 GPS 1PPS時鐘同步。為了產生 DSSS 信號，一個127芯片的 Gold Code 被用于 BPSK （二進制相移鍵控）調制25KHz 的載波信號。

圖2 聲學陣列和核心處理系統示意圖

在此基礎上揭示了一個改進的互相關方法（交叉方法）相比，計算 TDOA 直接從 TOA 計算在每個通道（直接方法）。接收陣列被綁在一個碼頭上，淹沒在水下2.5米左右。發射DSSS 編碼信號的聲音傳感器被放置在距離 USBL 約21.5米的地方，左側約2米，深2.5米，因為發射和接收都與精度為1 μ s 的GPS 1PPS 時鐘同步。為了產生直接序列擴頻信號，采用127芯片 Gold Code 對25KHz 的載波信號進行調制。本文提出了一種新的更簡單、更有效的測量各通道的 TOA 的方法: 一旦信號在聲處理緩沖器中被檢測到，首先對匹配濾波器的輸出進行預處理，去除所有只留下局部最大值和下降值的上行斜率的離散樣本，然后從匹配濾波器的輸出中減去基于匹配濾波器輸出最大值的閾值，并選擇第一個非負值作為信號的 TOA。在實踐中，70% 的最大值被發現產生非常好的結果。經過一些預處理去除違反聲學陣列物理限制的異常值之后，圖3顯示了定位策略與實際實驗數據的結果。即使這樣想，圖3中驗證和顯示的數據也代表了888個完成的測量實驗中的95% 左右[3]。

圖3 靜態定位結果示意圖

從圖3中的 XY 散射中可以看出，對于這個實驗數據集的特殊情況，PW 方法顯示了比 SI 方法更小的位置估計的離散度。實際上，SI 方法比 PW 方法對觀測到的 TDOA 噪聲更為敏感。在聲波的平面波近似無效的情況下，SI 方法應該在更近的范圍內更加精確。模擬結果預測，轉發器的基線與斜距之比的閾值約為4%（基線為0.2 cm，斜距為5米）。在這個實驗的特殊情況下，比率約為1.36% （基線為0.3厘米，斜距為21.5米）。因此，實際上應該在不久的將來進行更近距離的實驗試驗，以便用聲學數據驗證這一斷言。兩個點云證明了 PW 方法，這是一致的整體角度分辨率的陣列。也就是說，如果只用水平間隔的水聽器來計算方位角，聲學系統數字化實現的角分辨率將在1.15度左右。這在圖4中變得很明顯，它顯示了由 PW 方法計算的方位角，并與在處理數據集中發現的1個樣本聲學檢測噪聲相干。

圖4 用PW法測定方位角

在PW方法的深度計算方面，考慮到測試深度，結果是相當令人滿意的，其中約77.4% 的樣品測量深度為0米（正如預期的那樣，因為陣列和發射器都放在同一深度） ，其余測量深度約為0.43米。這些結果表明，相當令人滿意地考慮到嚴重的多路徑從底部和表面，這是預期的非常淺的水道，其中進行了試驗[4]。

4 結束語

綜上所述，本文提出了兩種利用超短基線定位系統估計水下應答機位置的封閉方法。利用自行研制的超短基線定位系統，利用實驗數據對定位方案進行了驗證，在高噪聲和多徑測試條件下，取得了滿意的初步結果和良好的性能。對于港口試驗中考慮的距離，基于平面波近似的方法比球面插值方法對傳感器噪聲的敏感性要低。未來的工作將集中在改進聲波陣列的校準，測試系統在更遠距離的試驗中的性能，以及通過實驗驗證 USBL 融合技術和慣性導航系統的進一步改進定位系統。在較長的時間范圍內，它還將著重考慮分層的水下聲速剖面，以適當地適應變化的水下聲速到濾波框架。