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专利名称：一种适用于水下auv/uuv平台的自主避碰装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于水下装置探测并避免碰撞的装置。
背景技术：
21世纪是人类向海洋进军的世纪。深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上激烈竞争的焦点之一。水下机器人作为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性不亚于宇宙飞船和火箭在探索宇宙空间中的作用。水下机器人是在水下具备视觉和感知功能的一套特殊的探测系统，通过各种各样的操作方式使用一些辅助探测工具代替人类去完成部分水下任务的装置，通常称之为“无人自治潜水器”(AUV或UUV)。AUV在执行各种使命时，可以依据携带的电子海图数据信息，进行全局路径规划，再根据规划出的全局路径进行作业，但由于海底地形地貌的复杂性和水下存在未知和难以预测的障碍物，为了及时感知这些信息，需要给AUV安装避碰声纳系统进行障碍物的探测，为局部路径规划提供静止或运动的障碍物的位置和形状等信息。AUV能否顺利完成航程，顺利完成任务，避碰声纳将起到至关重要的作用。AUV所装备的避碰声纳属于主动声纳范畴，根据工作方式的不同可分为两类一类是测距式声纳，主要是通过检测反射的回波实现障碍物距离的测量，也可以通过机械转动换能器在不同的角度定向发射一系列距离测量声波，获取障碍物目标的距离和方位参数，传输给AUV的控制平台，可以直接指导AUV的行动。该类声纳的优点是换能器基阵尺度小、便于安装、易于操作，可利用的工作频率较低、能够实现较远的作用距离，输出结果直观，无需AUV进行二次判别；缺点是这种声纳分辨率较低、信息量较少、准确率也不高，机械扫描式测距声纳数据更新速率限制了 AUV的水下移动速度。另一类是成像声纳，主要是通过机械或电子扫描的方式生成水下局部范围或大范围的图像，AUV的控制平台通过对图像的分析和处理后获取能够指导AUV行动的障碍物方位、大小和形态等信息。该声纳的优点是分辨率高，可利用的信息量丰富，准确率高；缺点是小孔径的声纳阵列导致工作频率较高，限制了作用距离的提高，安装和校准等工作较为复杂，需要处理的数据量较大、对功耗的要求较高，输出的测量结果不够直观，需要AUV进行二次判别和路径规划。专利申请号为200810137590. 7的专利申请文件公开了一种“AUV智能避碰装置及避碰方法”，该发明的主要目的在于应用多波束前视声纳及其它相关传感器信息，使AUV做出正确的避碰决策，所使用的多波束前视声纳设备为国外采购产品。国外引进的避碰设备虽然具有体积小、分辨率高等优点，但输出为障碍物的图像信息，自主性比较差，需要经过 AUV平台的进一步处理提取有用信息进而指导AUV的行动，对AUV的识别和判断能力提出了较高的要求。随着AUV和UUV平台技术的发展，研制具有自主知识产权的避碰设备已经成为当务之急。

发明内容
本发明的目的在于提供高精度和高可靠性，具有自主探测和识别能力的，能够输出障碍物的具体方位和距离信息并为AUV在水下安全行驶和回收提供保障的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置。本发明的目的是这样实现的本发明一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是壳体、水平方向换能器阵、垂直向上换能器、垂直向下换能器、水声信号调理单元、发射单元、水声信号处理单元、输入输出接口单元、压力传感器和电池组，水平方向换能器阵安装在壳体的前端，垂直向上换能器和垂直向下换能器分别安装在壳体的上方和下方，发射单元、水声信号调理单元、水声信号处理单元、输入输出接口单元、压力传感器和电池组均安装在壳体里，电池组连接水声信号处理单元和输入输出接口单元，水平方向换能器阵、垂直向上换能器和垂直向下换能器均通过发射单元连接水声信号调理单元，水声信号调理单元、压力传感器、输入输出接口单元均连接水声信号处理单元。本发明还可以包括1、所述的信号调理单元包括相互连接的6路水声信号接收机和6路光耦电路，水声信号接收机包括依次连接的第一射随、前级放大器、带通滤波器、后级放大器、第二射随。2、所述的发射单元包括依次相连的光耦隔离电路、发射电路、匹配电路、收发转换开关。3、所述的信号处理单元包括处理器、6路D/A、低通滤波器、6路A/D、FLASH、预留A/ D和D/A接口，低通滤波器连接6路D/A，6路D/A、6路A/D、FLASH、预留A/D和D/A接口均与处理器相连。4、所述的接口单元包括RS232接口、网口控制芯片、USB 口和网口，RS232接口、网口控制芯片、USB 口均与网口相连。本发明的优势在于针对AUV工作态势和自身结构的特点，将相控多波束声纳和测距声纳相结合，不仅能够保障AUV在高速运动条件下水平方向上的安全航行，也能够保证AUV在下潜和回收过程中的安全；能够自主完成水声信号的发射、接收、信号检测和障碍物识别，并输出障碍物的距离和方位信息，无需AUV的控制平台进行二次判别；易于安装和操作，可靠性高、使用范围广。


图1为本发明的系统框图；图2为本发明的设计框图；图3为本发明的水声信号接收机框图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1 3，本发明是一种适用于水下AUV平台的自主避碰声纳设备包括水平方向换能器阵1、垂直向上换能器2、垂直向下换能器3、水声信号调理单元5、水声信号处理单元6、输入输出接口单元7、压力传感器9、发射单元11和电池组10 ；收发合置换能器阵1 安装在AUV壳体8的前端用于探测水平方向上的障碍物，接收到的回波信号经电缆4送入信号调理单元5，进行预处理后送入信号处理单元6。单个收发合置换能器2、3分别安装在AUV壳体的正上方和正下方，负责探测垂直上方和下方的障碍物，接收到的回波信号送入信号调理单元5和信号处理单元6。压力传感器9将采集到的压力数据经电缆4传输给信号处理单元6。电池组10负责对信号调理单元5、信号处理单元6和输入输出接口单元7供电。信号处理单元6控制着整个系统的工作，具有信号检测和障碍物识别的能力，并将解算出的障碍物方位和距离数据通过输入输出接口单元7传送给AUV的控制平台。如图1所示，本发明是一种适用于水下AUV平台的自主避碰声纳设备包括水平方向换能器阵1、垂直向上换能器2、垂直向下换能器3、水声信号调理单元5、水声信号处理单元6、输入输出接口单元7、压力传感器9、发射单元11和电池组10。结合图2和图3，信号调理单元5由6路水声信号接收机12和6路光耦电路13 组成。水声信号接收机负责完成信号的预处理，由射随观、前级放大器四、带通滤波器30、 后级放大器31组成。发射单元11由6路光耦隔离电路23、发射电路对、匹配电路25和收发转换开关26组成。信号处理单元6由双核处理器21、6路D/A22、低通滤波器27、6路A/ D14、FLASH16、预留A/D和D/A接口 15组成。接口单元7由RS232接口 17、网口控制芯片 19、网口 18 和 USB 口 20 组成。本发明的主控制芯片为一片双核处理器21，该芯片集成了一片DSP67X内核和一片ARM9内核，DSP67X内核完成信号发射控制和信号的接收与处理，ARM9内核完成接口控制和通信协议管理。工作过程中，DSP67X内核控制6路D/A22发射探测信号，其中4路D/ A为水平面内的发射信号，另两路D/A分别为正上方和正下方的发射信号，经过6路光耦隔离电路23、发射电路24、匹配电路25和收发转换开关沈后驱动换能器1、2、3发出。本发明中采用的换能器都为收发合置换能器，通过收发转换开关26实现接收信号和发射信号之间的切换。发射电路M的作用是进行功率放大，采用匹配电路25改善负载阻抗特性，提高匹配效率。6路光耦隔离电路23的主要作用是防止发射电路产生的强干扰影响信号处理单元6的工作。接收信号时，换能器接收到的信号经收发转换开关沈后进入6路水声信号接收机12，通过6路光耦隔离电路13后由6路A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，送入DSP67X内核进行信号处理，将处理结果传送给ARM9，ARM9通过输入输出接口单元将处理结果传输给AUV的控制平台。为了便于数据处理和分析，也可以将处理结果储存于FLASH16 中。在设计中为DSP67X预留了 A/D、D/A接口，以满足不同任务的需求。6路光耦电路13的主要作用是防止数字噪声对水声接收机的影响。电池组10选用的是聚合物锂离子电池，该电池不仅具有液态锂离子电芯的高电压、长循环寿命、放电电压平稳，使用安全不易泄漏。本发明还具备如下特点1、在AUV的正前方安装一个水平4元收发合置换能器阵，探测障碍物的过程中采用相控四元阵发射、分裂波束定向接收的工作方式，以低频宽波束覆盖水平面内左侧30° 至右侧30°的范围，相位测量分辨率为1.5°，距离分辨率为0.1m，作用距离范围为1.5m 300m。2、所述的垂直方向探测障碍物的方法是在AUV的正上和正下两个方向分别安装上、下两个单收发合置换能器，采用回声测距方式完成障碍物探测，距离分辨率为0. lm。在 AUV上浮的过程，利用压力传感器输出的深度数据作为辅助，与垂直向上方的回波测距结果进行比较以区分水面和障碍物。根据不同任务的需求，可将正上方或正下方的单收发合置换能器更换为收发合置换能器阵，以相控的方式进行扫描。3、所述的水平方向和垂直方向上换能器的工作方式是各个方向的信号既分频又分时交替工作，信号扫描间隔时间为0. 2s。4、所述的信号调理单元和信号处理单元具备扩容能力和接口。所述的输入输出接口单元预留了扩展接口。
权利要求
1.一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是包括壳体、水平方向换能器阵、垂直向上换能器、垂直向下换能器、水声信号调理单元、发射单元、水声信号处理单元、输入输出接口单元、压力传感器和电池组，水平方向换能器阵安装在壳体的前端，垂直向上换能器和垂直向下换能器分别安装在壳体的上方和下方，发射单元、水声信号调理单元、水声信号处理单元、输入输出接口单元、压力传感器和电池组均安装在壳体里，电池组连接水声信号处理单元和输入输出接口单元，水平方向换能器阵、垂直向上换能器和垂直向下换能器均通过发射单元连接水声信号调理单元，水声信号调理单元、压力传感器、输入输出接口单元均连接水声信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是 所述的信号调理单元包括相互连接的6路水声信号接收机和6路光耦电路，水声信号接收机包括依次连接的第一射随、前级放大器、带通滤波器、后级放大器、第二射随。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是所述的发射单元包括依次相连的光耦隔离电路、发射电路、匹配电路、收发转换开关。
4.根据权利要求1或2所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是所述的信号处理单元包括处理器、6路D/A、低通滤波器、6路A/D、FLASH、预留A/D和D/ A接口，低通滤波器连接6路D/A，6路D/A、6路A/D、FLASH、预留A/D和D/A接口均与处理器相连。
5.根据权利要求3所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是 所述的信号处理单元包括处理器、6路D/A、低通滤波器、6路A/D、FLASH、预留A/D和D/A接口，低通滤波器连接6路D/A，6路D/A、6路A/D、FLASH、预留A/D和D/A接口均与处理器相连。
6.根据权利要求1或2所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是所述的接口单元包括RS232接口、网口控制芯片、USB 口和网口，RS232接口、网口控制芯片、USB 口均与网口相连。
7.根据权利要求3所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是 所述的接口单元包括RS232接口、网口控制芯片、USB 口和网口，RS232接口、网口控制芯片、 USB 口均与网口相连。
8.根据权利要求4所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是 所述的接口单元包括RS232接口、网口控制芯片、USB 口和网口，RS232接口、网口控制芯片、 USB 口均与网口相连。
9.根据权利要求5所述的一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，其特征是 所述的接口单元包括RS232接口、网口控制芯片、USB 口和网口，RS232接口、网口控制芯片、 USB 口均与网口相连。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种适用于水下AUV/UUV平台的自主避碰装置，包括壳体、水平方向换能器阵、垂直向上换能器、垂直向下换能器、水声信号调理单元、发射单元、水声信号处理单元、输入输出接口单元、压力传感器和电池组，水平方向换能器阵安装在壳体的前端，垂直向上换能器和垂直向下换能器分别安装在壳体的上方和下方，发射单元、水声信号调理单元、水声信号处理单元、输入输出接口单元、压力传感器和电池组均安装在壳体里。本发明具有自主探测和识别能力，能够输出障碍物的具体方位和距离信息，易于安装和操作，精度高、可靠性高、使用范围广。
文档编号G01S15/06GK102323584SQ20111013090
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者付进, 张光普, 梁国龙, 王燕, 王逸林, 袁佳斌 申请人:哈尔滨工程大学