基于FPGA的高精度水下對(duì)接聲導(dǎo)引技術(shù)

趙 旭, 陳亞林, 張 奎

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基于FPGA的高精度水下對(duì)接聲導(dǎo)引技術(shù)

趙 旭, 陳亞林, 張 奎

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

隨著現(xiàn)代海洋技術(shù)的不斷發(fā)展, 無(wú)人水下航行器(UUV)水下對(duì)接技術(shù)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在水下對(duì)接系統(tǒng)中, 聲導(dǎo)引技術(shù)作用距離遠(yuǎn)但精度低, 光導(dǎo)引技術(shù)精度高但作用距離近。文中提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的高精度水下對(duì)接聲導(dǎo)引技術(shù), 可以實(shí)現(xiàn)從較遠(yuǎn)距離以聲導(dǎo)引的方式高精度導(dǎo)引至光導(dǎo)引的作用距離內(nèi)。通過(guò)仿真試驗(yàn)與消聲水池試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明, 該方法可以提供可靠有效的導(dǎo)引數(shù)據(jù), 滿足精度要求, 可為水下對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

無(wú)人水下航行器; 水下對(duì)接; 導(dǎo)引; 高精度; 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展, 無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)[1]作為探索海洋空間的有力工具之一, 在軍事和科學(xué)研究方面起著越來(lái)越重要的作用。未來(lái)的UUV需要更長(zhǎng)的水下工作時(shí)間、更隱蔽的情報(bào)收集能力以及更強(qiáng)大的通信能力[2]。而這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要受到自身攜帶能源和水下通信2個(gè)因素的限制, 因此, 水下對(duì)接技術(shù)[3]作為一種為其提供能源補(bǔ)充與信息交換的補(bǔ)給支持系統(tǒng)就顯得十分重要。

20世紀(jì)90年代, 國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了十幾種水下對(duì)接系統(tǒng), 根據(jù)對(duì)接協(xié)作目標(biāo)的結(jié)構(gòu)要求可以分為全方位對(duì)接和單一方向?qū)覽4-5]。全方位對(duì)接系統(tǒng)[6]結(jié)構(gòu)復(fù)雜, UUV改造部分較多, 而單一方向?qū)覽7], 對(duì)接裝置常采用圓錐形結(jié)構(gòu), 具有對(duì)UUV保護(hù)作用, 防止海洋生物滋生及海流干擾, 且對(duì)接器和UUV上用于對(duì)接的輔助結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單, 但需要在對(duì)接過(guò)程中實(shí)時(shí)獲知對(duì)接器的位置和姿態(tài)。

UUV要實(shí)現(xiàn)對(duì)接功能, 必須實(shí)時(shí)測(cè)量其與對(duì)接器的距離、方位和深度信息。根據(jù)傳感器的原理不同, 現(xiàn)階段國(guó)外UUV采用的對(duì)接傳感器有3類: 聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器和電磁傳感器[8-10]。UUV使用的聲學(xué)傳感器一般指的是超短基線[11](ultra-short baseline, USBL)。與其他幾種傳感器相比, 聲學(xué)USBL的作用距離遠(yuǎn)(大于2 000 m), 受到的環(huán)境影響相對(duì)較小, 因此國(guó)外大多數(shù)UUV對(duì)接技術(shù)都采用USBL作為其主要對(duì)接導(dǎo)航定位方式。光學(xué)傳感器在UUV對(duì)接技術(shù)中的使用有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn), 其近距離探測(cè)精度能達(dá)到厘米級(jí), 特別適用于入口較小的對(duì)接裝置。電磁傳感器[5]克服了光學(xué)傳感器易受干擾的缺點(diǎn), 且對(duì)接精度也較高。

在對(duì)接過(guò)程中, 當(dāng)UUV導(dǎo)引至對(duì)接器較近距離(100 m內(nèi)), 此時(shí)需要更為精確的方位信息, 但是光學(xué)傳感器達(dá)不到這么遠(yuǎn)的作用距離, 依然只能依靠聲學(xué)傳感器。在這種情況下, 文中提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)的末程聲導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)方法, 將UUV精確導(dǎo)引至光學(xué)傳感器導(dǎo)引作用范圍內(nèi)。在UUV導(dǎo)引至對(duì)接器近距離范圍時(shí), 對(duì)接器上2個(gè)水平位置的換能器分時(shí)發(fā)射聲信號(hào), UUV根據(jù)接收到聲信號(hào)的時(shí)間關(guān)系判別對(duì)接器當(dāng)前所處的水平方位, 垂直方位信息可以通過(guò)2個(gè)垂直方位的換能器得到, 這樣就可以得到完整的方位信息。文中主要研究水平方位信息的獲取和分析, 垂直方位信息采用同樣的研究方法即可得到。

1 原理

對(duì)接器呈圓錐形結(jié)構(gòu), 對(duì)接口左右兩側(cè)各有一個(gè)發(fā)射換能器, 兩換能器處于同一水平位置, 2個(gè)換能器和對(duì)接口處于同一平面。對(duì)接口及2個(gè)發(fā)射換能器分布位置的截面如圖1所示。

UUV的結(jié)構(gòu)可以看作是迷你型魚雷, 最前端為頭段接收機(jī)。在UUV的信號(hào)接收端, 每個(gè)發(fā)射換能器的信號(hào)進(jìn)入獨(dú)立通道, 接收端數(shù)字機(jī)接收信號(hào)。接收端的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

信號(hào)經(jīng)過(guò)中心頻率為填充頻率的帶通濾波器, 濾除雜波并放大。濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波器, 提取包絡(luò)信號(hào)。包絡(luò)信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器電路, 得到邏輯“1”或者邏輯“0”。邏輯信號(hào)連接到FPGA的2路輸入輸出接口(input/output, IO)。

2 實(shí)現(xiàn)與仿真

方案中對(duì)接器的發(fā)射信號(hào)和UUV數(shù)字機(jī)計(jì)算時(shí)延均由FPGA完成, 試驗(yàn)中選擇的FPGA芯片為XILINX公司的Spartan-6系列, 系統(tǒng)時(shí)鐘為100 MHz。

圖4 單周期發(fā)射信號(hào)仿真圖

Fig. 4 Simulation diagram of transmitting signal in single period

此外, 程序?qū)Ψ蓝顿x值后的信號(hào)做了脈寬檢測(cè)。聲信號(hào)在水中傳播時(shí), 由于受到反射、混響等因素的影響, 接收端會(huì)收到一些相同載頻的窄脈沖信號(hào), 這無(wú)疑會(huì)干擾上升沿的檢測(cè)。因此, 當(dāng)檢測(cè)到上升沿時(shí), 程序不會(huì)立刻認(rèn)定其為有效信號(hào), 而是先檢測(cè)脈寬, 如果脈寬能達(dá)到3 ms的門限, 程序才會(huì)認(rèn)定其為有效到達(dá)信號(hào)。

接收端FPGA程序判斷有效到達(dá)信號(hào)的流程如圖5所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在消聲水池完成, 使用對(duì)接器和UUV頭段接收機(jī)展開試驗(yàn)。試驗(yàn)中對(duì)接器和頭段接收機(jī)均由機(jī)械臂夾持浸入水池中, 機(jī)械臂配有行程刻度且由操控臺(tái)控制移動(dòng)。對(duì)接口中心和UUV接收機(jī)均處于水下2 m深度處, 對(duì)接器換能器平面距離接收機(jī)4 m遠(yuǎn), 對(duì)接器上水平方向的2個(gè)發(fā)射換能器間隔0.4 m遠(yuǎn)。試驗(yàn)中UUV接收機(jī)左右移動(dòng), 待接收機(jī)移動(dòng)進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)后記錄不同相對(duì)位置的時(shí)延數(shù)據(jù), 試驗(yàn)構(gòu)架實(shí)施如圖7所示。

DSP每100 ms獲得一次數(shù)據(jù), 獲得10個(gè)數(shù)據(jù)后均值輸出, 即DSP每隔1 s輸出一個(gè)平均后的時(shí)延數(shù)據(jù)。

首先, 將接收機(jī)正對(duì)對(duì)接口中心, 此時(shí)水平時(shí)延數(shù)據(jù)理論值為0, 記錄5 s實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 如表1所示。

表1 對(duì)接口中心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 左移5 cm實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 其他位置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知, 在對(duì)接器和UUV接收機(jī)距離4 m的情況下, 實(shí)際測(cè)量的時(shí)延數(shù)據(jù)平均值和理論值存在1ms左右的誤差, 方差值小于0.1。試驗(yàn)中距離的測(cè)量和移動(dòng)存在一定的系統(tǒng)誤差, 這是主要的誤差來(lái)源。方差值足夠小, 表明每次的測(cè)量值都很接近, 說(shuō)明該方法可以穩(wěn)定可靠的給出時(shí)延數(shù)據(jù), 不會(huì)有奇異值出現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于FPGA的高精度水下對(duì)接聲導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)方法, 闡述了該方法的背景、原理、以及試驗(yàn)驗(yàn)證情況。試驗(yàn)結(jié)果表明, 實(shí)際時(shí)延與理論時(shí)延的差值在微秒數(shù)量級(jí), 對(duì)應(yīng)到距離在厘米數(shù)量級(jí), 可以為對(duì)接末程提供可靠的聲導(dǎo)引數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可靠性, 對(duì)接器和UUV可在其他不同距離進(jìn)行多組試驗(yàn), 同時(shí)測(cè)試水平方位和垂直方位的數(shù)據(jù)?？紤]到真實(shí)對(duì)接環(huán)境中聲導(dǎo)引數(shù)據(jù)會(huì)受到海洋環(huán)境、界面反射、多途及混響等因素的影響, 該方法的實(shí)施還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

FPGA-Based High-Precision Underwater Docking via Sound Guidance

ZHAO Xu, CHEN Ya-lin, ZHANG Kui

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

For the underwater docking system of an unmanned undersea vehicle(UUV), the sound guidance technology has large operating distance but low precision, while the light guidance technology has high precision but short operating distance. In this paper, a high-precision underwater docking method via sound guidance based on the field programmable gate array(FPGA) is proposed, which precisely guide UUV via the sound guidance from a comparatively long distance to the operating range of the light guidance. Simulation and pool test show that this method can provide reliable guidance data with required accuracy. This study may facilitate the design of underwater docking systems.

unmanned undersea vehicle(UUV); underwater docking; guidance; high precision; field programmable gate array(FPGA)

TJ630.34; TB566

A

2096-3920(2018)01-0035-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.01.006

趙旭, 陳亞林, 張奎. 基于FPGA的高精度水下對(duì)接聲導(dǎo)引技術(shù)[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(1): 35-39.

2017-07-17;

2017-08-18.

趙 旭(1994-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)槁曌詫?dǎo)技術(shù).