专利名称：带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种带缆水下物体的运动轨迹探测装置，具体是指带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统
背景技术：
带缆水下潜器是一种进行水下环境进行观测或进行某种水下作业的机构，它的主要类型包括带缆遥控水下机器人、水下拖曳系统等。水下潜器通常由水面工作母船通过脐带缆对水下潜器发出动力和控制信号来操纵特定的控制机构从而对其实施轨迹与姿态控制并将潜器自带的观测传感器所获取的水下探测信息传递回工作母船上。随着人类水下观测、开发活动的不断展开，对利用带缆�？厮虑逼骼唇兴绿讲庾饕档男枨蟛欢显黾�。 虽然人们一直在致力于建立了各种各样的数学模型来预报不同类型的带缆�？厮虑逼鞯乃ο煊捌淇刂莆侍猓捎谟跋齑乱？厮虑逼魉π阅艿亩σ蛩厍Ｉ娴叫矶喾窍咝院拖嗷ヱ詈衔侍舛涞孟嗟备丛樱滤虑逼髯饕倒讨械男矶嗨ο窒竽壳盎鼓岩杂美砺酆褪捣椒ɡ聪嗟弊既返孛枋�。因此带缆水下潜器操纵控制过程中的水动力响应问题最终还需要通过试验来验证或确定。目前在实验室里常见的对运动中带缆水下潜器定位与轨迹监测方法有电测法、摄像法、传感器测量法以及水下摄影测量法。但是这些试验方法都有不同的技术缺陷。由于试验设备的限制，电测法和摄像法只能应用于小型的带缆遥控水下潜器模型，由于模型尺度过�。匝橥岩哉媸捣从乘芯康拇乱？厍逼飨低车乃ρП局剩淮衅鞑饬糠ㄖ校捎谠硕衅鞅匦肷柚迷谒赂哐够肪诚碌哪Ｐ突蛘哐校褂酶眉际醭３Ｔ谑匝楣讨写衅鞴ぷ鞑晃榷ㄉ踔潦Я榈奈侍猓欢律阌安饬考际踉虼嬖谧攀匝榍氨甓ü谈丛拥娜毕�。如何在克服现有的带缆�？厮虑逼魇笛槭沂匝榉椒ㄋ嬖诘娜毕萦胛侍猓岢鲆恢旨虮�、可靠的对运动中带缆�？厮虑逼鞫ㄎ挥牍旒＜嗖獾氖笛槭曳椒ǎ杂谝允匝槭侄喂鄄煊胙芯看滤虑逼鞯乃τ肟刂铺匦跃哂谢囊庖�。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种简便、可靠，定位精确的运动中带缆�？厮鲁ǘㄎ挥牍旒＜嗖庀低�。带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统测定水下潜器运动轨迹的基本原理是 通过测定固定在被测水下潜器上的标志点与预先固定在水池底部的监测基点之间的距离， 以三边测量术原理来确定出水下潜器标志点在被测时刻的空间坐标。而每一时刻标志点与监测基点之间的距离的测量，则是通过在水下潜器标志点上安装超声波发射探头、在监测基点安装超声波接收探头，通过测定超声波从超声波发射探头到超声波接收探头的传播时间进而确定其距离。本实用新型的目的通过如下技术方案实现一种带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统，包括中央控制计算机、信号发生器、功率放大器、超声波发射探头、超声波接收探头和计时器；至少有三个超声波接收探头不处在同一直线上；中央控制计算机与信号发生器信号连接，信号发生器与功率放大器信号连接，功率放大器与超声波发射探头信号连接，超声波发射探头分别与多个超声波接收探头和计时器信号连接，多个超声波接收探头分别与计时器信号连接，计时器与中央控制计算机信号连接。为进一步实现本实用新型目的，所述中央控制计算机优选带有RS232/RS485或 USB 接口。所述信号发生器为可编程信号发生器。所述超声波定位与轨迹监测系统还包括另一个或者多个超声波接收探头；另一个或者多个超声波接收探头与超声波发射探头以及计时器信号连接。本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果(1)本检测系统定位精度较高，在优选的参数条件下测量的理论精度为0. 15cm, 满足一般水池中带缆水下潜器位置探测精度要求。(2)环境适应性强，由于自然环境中很少超声波波源，因此少有背景超声波干扰。(3)实施相对简便，本系统安装与调试相对简便。(4)由于它是一种大型的非接触式和非介入式的测量方式，从而有效地克服了传统的带缆�？厮虑逼髟硕旒２饬考际踔惺匝椴饬恳瞧魃柚迷诖滤虑逼髂Ｐ突蜓写佣菀滓鸩饬啃Ч晃榷�、测量仪器容易损坏、或试验前标定过程复杂等缺陷。
图1为本实用新型带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统示意图；图2为本实用新型带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。如图1所示，一种带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统，包括中央控制计算机4、信号发生器5、功率放大器6、超声波发射探头2、超声波接收探头3和计时器7 ；超声波接收探头3数量不少于3个，至少有三个超声波接收探头3不处在同一直线上；中央控制计算机4与信号发生器5信号连接，信号发生器5与功率放大器6信号连接，功率放大器6 与超声波发射探头2信号连接，超声波发射探头2分别与多个超声波接收探头3和计时器 7信号连接，多个超声波接收探头3分别与计时器7信号连接，计时器7与中央控制计算机 4信号连接。工作时，中央控制计算机4提交脉冲参数给信号发生器5，信号发生器5产生脉冲信号，并将该脉冲信号传输给功率放大器6，脉冲信号经功率放大器放大后传输给超声波发射探头2，超声波发射探头2在发射超声波信号的同时发出信号给计时器7触发计时器7 开始计时，计时器7开始计时的同时将当前时间、传输给中央控制计算机4，中央控制计算机4记录下时间、。多个超声波接收探头3接收到超声波信号后立即发出信号触发计时器 7报时，计时器7将每个超声波接收探头接收到超声波信号的时间tx传输给中央控制计算机，中央控制计算机记录下时间tx。中央控制计算机再根据水中声速以及所记录的时间解算出超声波发射探头的空间坐标。中央控制计算机4带有RS232/RS485或USB接口，具备较强计算能力。通过预装的软件系统设置所需脉冲信号的各项参数，包括脉冲宽度D、脉冲时间间隔T，并将这些参数经由RS232/RS485或USB通信协议传输给信号发生器5。同时，中央控制计算机还负责记录计时器经由RS232/RS485或USB通信协议传输过来的时间数据，并将此时间数据解算得到超声波发射探头的空间坐标及轨迹。信号发生器5为可编程信号发生器，优选型号为EaSyARM2100(周立功公司)；可以根据不同的波形参数产生不同的波形信号。信号发生器5接收到来自中央控制计算机4 发出的脉冲宽度D、脉冲时间间隔T等参数后，产生所需的脉冲信号，并将信号传输给功率放大器6。信号功率放大器6用于提高脉冲信号强度，使其达到超声波发射探头的发射功率和探测距离要求，功率放大器优选型号为NTPPA-040800(北京琅拓科电子设备有限公司)。超声波发射探头2用于在水体中产生超声波脉冲，在发射超声波脉冲的同时发出信号给计时器触发计时开始，超声波发射探头优选型号为RST-4935D-40H(昆山日盛电子有限公司)。超声波接收探头3用于接收超声波脉冲，在接收到超声波脉冲的同时发出信号给计时器7出发计时器报时，超声波接收探头优选型号为TCT40-16R(深圳汇纳通电子有限公司)。计时器7用于测定超声波脉冲在超声波发射探头到超声波接收探头之间的传播时间，计时器优选型号为6ES5385-8MA11 (西门子公司)。计时器7由超声波发射探头发出信号触发计时器开始计时，并将开始计时的时间经由RS232/RS485或USB通信协议传输给中央控制计算机；述计时器7由各个超声波接收探头发出信号触发计时器报时，并将每次触发报时的时间经由RS232/RS485或USB通信协议传输至中央控制计算机。超声波发射探头发射角度可进行360度发射，避免超声波接收探头超出超声波发射探头的覆盖范围；优选发射超声波频率为40KHz。在测试区域较小的水域中，为避免池壁反射超声波导致超声波接收探头接收到错误的超声波脉冲，将每个超声波接收探头设置为在单个探测周期内第一次接收到超声波信号就发出信息给计时器触发报时，在此周期内再次接收到超声波信号便不再响应；将脉冲信号的脉冲时间间隔T加长，以保证超声波接收探头在下一个探测周期内接收到的超声波信号不是池壁反射的上一周期的超声波信号。基于此目的，信号发生器5优选产生在D秒内为脉冲高电平、在T秒内为低电平的信号。脉冲宽度D优选1 μ s，脉冲时间间隔T优选T > (2倍超声波发射探头距超声波接收探头最大距离)/水中声速。由于超声波接收探头3设置为在单个探测周期内第一次接收到超声波信号就发出信息给计时器触发报时，计时器7的最大时间分辨率为1 X 10_6秒，在不考虑系统延迟和声音在淡水中的传播速度为1500m/s等条件下，测量的理论精度为0. 15cm。如图2所示，水下潜器1超声波定位与轨迹监测系统的工作原理基于三边测量技术。通过测量空间中一点距离空间中另外已知坐标且不共线的三个点的距离，即可得到该点的空间坐标。图2中，三个不共线的超声波接收探头分别为第一接收探头3. 1、第二接收
5探3. 2头、第三接收探头3. 3，另一个或者多个超声波接收探头标号为3. χ ；根据传输时间 Δ t = tx-t0,距离L = νΧ Δ t，其中ν为声音在水中的传播速度，常温下，声音在普通淡水中的传播速度为1500m/s ；通过测量超声波脉冲从超声波发射探头2到第一接收探头3. 1、第二接收探3. 2头、第三接收探头3. 3的各自传输时间，可求出超声波发射探头到相应第一接收探头3. 1、第二接收探3. 2头、第三接收探头3. 3的距离L1, L2和L3,若第一接收探头3. 1、 第二接收探3. 2头、第三接收探头3. 3的坐标分别为( , bi; C1)、(a2, b2，c2)、(a3, b3，c3)， 则可根据方程组
权利要求1.一种带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统，其特征在于包括中央控制计算机、信号发生器、功率放大器、超声波发射探头、超声波接收探头和计时器；至少有三个已知坐标的超声波接收探头不处在同一直线上；中央控制计算机与信号发生器信号连接，信号发生器与功率放大器信号连接，功率放大器与超声波发射探头信号连接，超声波发射探头分别与多个超声波接收探头和计时器信号连接，多个超声波接收探头分别与计时器信号连接，计时器与中央控制计算机信号连接。
2.根据权利要求书1所述的带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统，其特征在于 所述中央控制计算机带有RS232/RS485或USB接口。
3.根据权利要求书1所述的带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统，其特征在于 所述信号发生器为可编程信号发生器。
4 根据权利要求书1所述的带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统，其特征在于 所述超声波定位与轨迹监测系统还包括另一个或者多个超声波接收探头；另一个或者多个超声波接收探头与超声波发射探头以及计时器信号连接。
专利摘要本实用新型公开了一种带缆水下潜器超声波定位与轨迹监测系统，包括中央控制计算机、信号发生器、功率放大器、超声波发射探头、超声波接收探头和计时器；至少有三个超声波接收探头不处在同一直线上；中央控制计算机依次与信号发生器、功率放大器和超声波发射探头信号连接，超声波发射探头分别与多个超声波接收探头和计时器信号连接，多个超声波接收探头分别与计时器信号连接，计时器与中央控制计算机信号连接。本实用新型通过测定超声波发射探头发射超声波与各个超声波接收探头接收到超声波的时间差以测定超声波发射探头与各个超声波接收探头之间的距离，以三边测量术原理来确定超声波发射探头在被测时刻的空间坐标，定位精度高。
文档编号G01S13/48GK202230200SQ20112018217
公开日2012年5月23日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者冯伟文, 叶劲华, 吴家鸣, 吴颖刚, 杨德文, 陈宇庆 申请人:华南理工大学, 广州市番禺灵山造船厂有限公司
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