水下機(jī)器人水聲定位系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司 浙江 杭州 310014

1 水下機(jī)器人水聲定位系統(tǒng)概述

水聲定位大致可分為兩類(lèi): 基于距離的定位和無(wú)距離的定位?；诰嚯x的方案首先通過(guò) ToA、 RSS、 AoA 甚至網(wǎng)絡(luò)連通性測(cè)量或估計(jì)少數(shù)錨節(jié)點(diǎn)的距離或角度，然后應(yīng)用三角測(cè)量或多方法將范圍轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)。無(wú)距離方案探索局部拓?fù)?，并從周?chē)^節(jié)點(diǎn)的位置推導(dǎo)出位置估計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，基于距離的方案具有較高的位置精度，而無(wú)距離的方案提供了較粗的位置估計(jì)。

2 水下機(jī)器人定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)需求分析

2.1 研究現(xiàn)狀

與海洋研究有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)方面的最新進(jìn)展使科學(xué)界能夠?qū)⑵渑σ蛱嵘聶C(jī)器人航行器，使其在海上執(zhí)行的海洋干預(yù)任務(wù)具有更高的自主性。一些目標(biāo)，如自主知覺(jué)，任務(wù)識(shí)別，以及機(jī)器人操作器的干預(yù)，正在進(jìn)行中的研究。干預(yù)式自主水下機(jī)器人（I-AUV）在海洋打撈、環(huán)境監(jiān)測(cè)和監(jiān)視、河口、港口、石油鉆機(jī)和管道的水下檢查、地質(zhì)和生物調(diào)查等廣泛的研究和商業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。在諸如機(jī)械臂操縱器、推進(jìn)器、方向舵和鰭等系統(tǒng)中，海洋水面和水下機(jī)器人車(chē)輛上的導(dǎo)航系統(tǒng)起著一個(gè)關(guān)鍵作用，它允許車(chē)輛相對(duì)于一個(gè)固定的坐標(biāo)框架或相對(duì)于另一個(gè)車(chē)輛進(jìn)行合作導(dǎo)航和自導(dǎo)/對(duì)接操作。此外，這些導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)必須牢記低成本、緊湊、高性能、通用性和魯棒性等關(guān)鍵特性。

2.2 需求分析

從無(wú)數(shù)可用的水下導(dǎo)航輔助傳感器，如多普勒測(cè)速儀（DVL） ，深度壓力傳感器，磁羅盤(pán)，聲學(xué)定位系統(tǒng)，如長(zhǎng)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(xué)換能器陣列組成，可以根據(jù)應(yīng)答器發(fā)出的聲波信號(hào)的傳播時(shí)間，計(jì)算應(yīng)答器在車(chē)輛坐標(biāo)系中的位置[1]。

3 水下機(jī)器人水聲定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 功能分析

盡管長(zhǎng)基線（LBL）和短基線技術(shù)等其他聲學(xué)定位系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)（和固有的缺點(diǎn)） ，但我們選擇USBL技術(shù)的主要原因與設(shè)計(jì)一種低成本、快速部署的水下環(huán)境定位工具有關(guān)。例如，LBL 技術(shù)以昂貴著稱(chēng)，并且在任何時(shí)候改變操作區(qū)域都需要一個(gè)先驗(yàn)校準(zhǔn)階段。此外，從一個(gè)潛水員的角度來(lái)看，我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)快速部署和高機(jī)動(dòng)性的原型，用于目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景。例如，假設(shè)一個(gè)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(gè)快速和方便的解決方案。因此，根據(jù) PONTUS 發(fā)展的主要目標(biāo)，并針對(duì)上述商業(yè)解決方案，我們的目標(biāo)是為科學(xué)界提供一個(gè)多功能的、高性能的、低成本的水下跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的工具，提出一個(gè)高度可配置的陣列，除了能夠訪問(wèn)該系統(tǒng)的物理變量，這在未來(lái)可用于設(shè)計(jì)新的緊耦合定位和導(dǎo)航算法。此外，應(yīng)答器與USBL 陣列（或陣列）之間實(shí)現(xiàn)的聲音通信依賴(lài)于直接序列擴(kuò)頻（DSSS）調(diào)制信號(hào)，允許多個(gè)同時(shí)組成的操作。

圖1 便攜式水下場(chǎng)景導(dǎo)航工具（PONTUS）概念設(shè)計(jì)示意圖

本文提出了兩種估計(jì)超短基線參考坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)發(fā)器位置的封閉式方法，并利用從無(wú)到有開(kāi)發(fā)的超短基線中的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)這種定位方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第一種方法采用到達(dá)超短基線陣的聲波的平面近似，這種方法適用于遠(yuǎn)程作戰(zhàn)（例如車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)引到某個(gè)站點(diǎn)） ，因?yàn)槌袒€與應(yīng)答器之間的距離遠(yuǎn)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?？紤]后一種方法是因?yàn)樵诜浅＝嚯x的作業(yè)中需要精確定位（例如水下航行器與三叉戟項(xiàng)目中將考慮的自主水面航行器的對(duì)接作業(yè)） ，在這種作業(yè)中，平面波近似可能無(wú)效。在此基礎(chǔ)上本文介紹了一種用于水下目標(biāo)定位的低成本移動(dòng)導(dǎo)航工具 PONTUS 的研制過(guò)程。龐圖斯由一個(gè)綜合的超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)輔助一個(gè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，它可以安裝在水下機(jī)器人車(chē)輛或由潛水員操作。

3.2 電路設(shè)計(jì)

對(duì)于任何相干檢測(cè)問(wèn)題，通過(guò)將輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)脈沖響應(yīng)為期望信號(hào)時(shí)間反轉(zhuǎn)副本的匹配濾波器，可以很好地估計(jì)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間（TOA）。在理想情況下，濾波器輸出與接收信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)有關(guān)。特別設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)具有良好的自相關(guān)特性 ，使匹配濾波器的輸出更加清晰，并提高了檢測(cè)器的性能。此外，幾個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)之間可以獲得良好的互相關(guān)特性，從而允許多用戶(hù)配置，在這種配置中，幾個(gè)實(shí)體可以同時(shí)傳輸信號(hào)而不受干擾。

這種特殊設(shè)計(jì)的信號(hào)通常使用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）或直接序列擴(kuò)頻（DSSS）碼產(chǎn)生。一般來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)信令（正弦脈沖和 CHIRP 突發(fā)）相比，擴(kuò)頻信號(hào)在水下距離估計(jì)方面有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它們具有更好的信噪比（SNR）、對(duì)周?chē)h(huán)境和干擾噪聲的魯棒性、多用戶(hù)能力、改進(jìn)的檢測(cè)抖動(dòng)以及更好地解決水聲信道傳播中最大的問(wèn)題之一——多徑問(wèn)題。

本節(jié)介紹兩種在參考坐標(biāo)系中估計(jì)應(yīng)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(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)器的位置，這里稱(chēng)為平面波法。對(duì)于水下航行器的實(shí)際任務(wù)情況，接收機(jī)之間的距離比傳感器陣列和應(yīng)答機(jī)之間的距離小得多，因此對(duì)于聲波的平面波近似是有效的。PW 方法是基于這種近似來(lái)獲得轉(zhuǎn)發(fā)器的距離和方向的。然后在體坐標(biāo)系中計(jì)算位置，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)被認(rèn)為與水聽(tīng)器的質(zhì)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(jì)算應(yīng)答機(jī)在體框架中的位置。球面交點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是定位精度在整個(gè)定位范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生很大變化，但其基于同步定位方式，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘要求較高。用水聽(tīng)器精確地測(cè)量了聲波傳遞時(shí)間。在進(jìn)行定位之前，應(yīng)避免影響系統(tǒng)時(shí)鐘定位的工作環(huán)境變化、設(shè)備老化等因素，確保定位精度。雙曲型交點(diǎn)法對(duì)時(shí)鐘精度要求不高，可避免同步定位法帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，但由于陣元之間的延遲差一般只比其他測(cè)量值小，因而對(duì)延遲差的測(cè)量精度也有很高的要求。另外，雙曲線交點(diǎn)定位法在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的精度是不同的。當(dāng)目標(biāo)到矩陣的距離增大時(shí)，目標(biāo)的定位精度將下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該定位算法的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于球面交點(diǎn)解的穩(wěn)定性。兩者都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)具體情況來(lái)決定[2]。

3.3 系統(tǒng)綜合

本文系統(tǒng)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(gè)電池額定電壓為14.8v。電池監(jiān)視器（BATMONIT）板，內(nèi)部開(kāi)發(fā)，監(jiān)測(cè)整個(gè)電池終端的充電和放電率，也電流，因此防止短路，過(guò)載或充滿(mǎn)放電，可能會(huì)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(nèi)壁上的電動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的輸出，提供一個(gè)開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)，用于電池供電。該板可以不間斷地監(jiān)控系統(tǒng)的剩余功耗（關(guān)閉電流 ＜ 1μA）與系統(tǒng)的總電流消耗。在進(jìn)行數(shù)字處理之前，原始的聲信號(hào)（每個(gè)水聽(tīng)器一個(gè)）首先通過(guò)以25kHz為中心的帶通二階巴特沃斯濾波器。產(chǎn)生的濾波/輸出信號(hào)然后通過(guò)VGAmps傳遞，其增益通過(guò)DSP的數(shù)字模擬輸出來(lái)控制，方法是利用它們的能量或它們的瞬時(shí)最大值作為調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)。主板是一個(gè)高性能的32位浮點(diǎn) D.Module.C6713，操作頻率為300mhz，具有直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）控制器，允許后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸與高優(yōu)先級(jí)計(jì)算同時(shí)進(jìn)行。該板（通過(guò)自堆疊設(shè)計(jì)）連接到16位D.Module.ADDA16板，其中包括4個(gè)16位分辨率的每秒250千取樣ADC，以及4個(gè)16位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。四個(gè)水聽(tīng)器中的每一個(gè)都與一個(gè) VGAmp 相連，VGAmp 的輸出為 d. module.adda16上的四個(gè) ADC 終端供電。為了實(shí)現(xiàn)聲學(xué)投影儀的接口，除了需要一個(gè)升壓和阻抗匹配電路外，還需要一個(gè)開(kāi)關(guān)功率放大器。就此而言，設(shè)計(jì)了一塊名為 PwrAmpD 的新板。簡(jiǎn)而言之，阻抗匹配電路由一個(gè)簡(jiǎn)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(nèi)調(diào)諧成一個(gè)非常窄的頻帶傳輸函數(shù)?？傊?，PwrAmpD 是一種高效的D類(lèi)開(kāi)關(guān)模式放大器板，具有高于90% 的效率和低信號(hào)失真的特點(diǎn)。此外，它優(yōu)化驅(qū)動(dòng)聲學(xué)投影機(jī)和驅(qū)動(dòng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）波形的最高頻率為1兆赫。模塊集成了一個(gè)用于實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)制器的復(fù)雜可編程邏輯器件，由此產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng) PwrAmpD。因此，水下聲學(xué)投影儀。此外，使用 PwrAmpD 中實(shí)現(xiàn)的阻抗匹配電路，可以對(duì)后一塊板和聲學(xué)投影儀進(jìn)行微調(diào)，以最大限度地提高20到30千赫頻段內(nèi)的發(fā)送訊號(hào)的能量。然而，放大僅僅是信號(hào)發(fā)射優(yōu)化過(guò)程的第一部分，目標(biāo)是最小化接收端的故障百分比。為了充分利用直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，需要考慮聲學(xué)投射器的帶寬限制和非線性。簡(jiǎn)而言之，擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬并不完全在聲學(xué)投射器的帶寬之內(nèi); 因此，發(fā)射的信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)完全與所需的信號(hào)相似。當(dāng)在接收端運(yùn)行匹配濾波器時(shí)，傳輸端的這些突然失真將產(chǎn)生負(fù)面后果。通過(guò)改變傳輸信號(hào)的方式，使后者在通過(guò)聲學(xué)投影儀時(shí)形成信號(hào)，使其更接近預(yù)期信號(hào)。這種還原失真的過(guò)程被廣泛地認(rèn)為是一種均衡過(guò)程，其結(jié)果已成功地應(yīng)用于水聲投影機(jī)中。

在本文的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用水平放置的20厘米水聽(tīng)器的初步測(cè)試，由一個(gè)小型陣列的四個(gè)水聽(tīng)器放置在一個(gè)非平面3D 配置具有高度可配置的幾何形狀。接收聲學(xué)陣列如圖3所示，與其處理工作臺(tái)（數(shù)字信號(hào)處理器、聲學(xué)放大器、電池和其他幾個(gè)系統(tǒng)）連接。接收陣列中所有水聽(tīng)器之間的距離大約為30厘米。接收陣列被綁在一個(gè)碼頭上，淹沒(méi)在水下2.5米左右。發(fā)射 DSSS 編碼信號(hào)的聲音傳感器被放置在距離 USBL 約21.5米的地方，左側(cè)約2米，深2.5米，因?yàn)榘l(fā)射和接收都與精度為1 mu 的 GPS 1PPS時(shí)鐘同步。為了產(chǎn)生 DSSS 信號(hào)，一個(gè)127芯片的 Gold Code 被用于 BPSK （二進(jìn)制相移鍵控）調(diào)制25KHz 的載波信號(hào)。

圖2 聲學(xué)陣列和核心處理系統(tǒng)示意圖

在此基礎(chǔ)上揭示了一個(gè)改進(jìn)的互相關(guān)方法（交叉方法）相比，計(jì)算 TDOA 直接從 TOA 計(jì)算在每個(gè)通道（直接方法）。接收陣列被綁在一個(gè)碼頭上，淹沒(méi)在水下2.5米左右。發(fā)射DSSS 編碼信號(hào)的聲音傳感器被放置在距離 USBL 約21.5米的地方，左側(cè)約2米，深2.5米，因?yàn)榘l(fā)射和接收都與精度為1 μ s 的GPS 1PPS 時(shí)鐘同步。為了產(chǎn)生直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，采用127芯片 Gold Code 對(duì)25KHz 的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。本文提出了一種新的更簡(jiǎn)單、更有效的測(cè)量各通道的 TOA 的方法: 一旦信號(hào)在聲處理緩沖器中被檢測(cè)到，首先對(duì)匹配濾波器的輸出進(jìn)行預(yù)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(gè)非負(fù)值作為信號(hào)的 TOA。在實(shí)踐中，70% 的最大值被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生非常好的結(jié)果。經(jīng)過(guò)一些預(yù)處理去除違反聲學(xué)陣列物理限制的異常值之后，圖3顯示了定位策略與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。即使這樣想，圖3中驗(yàn)證和顯示的數(shù)據(jù)也代表了888個(gè)完成的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的95% 左右[3]。

圖3 靜態(tài)定位結(jié)果示意圖

從圖3中的 XY 散射中可以看出，對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集的特殊情況，PW 方法顯示了比 SI 方法更小的位置估計(jì)的離散度。實(shí)際上，SI 方法比 PW 方法對(duì)觀測(cè)到的 TDOA 噪聲更為敏感。在聲波的平面波近似無(wú)效的情況下，SI 方法應(yīng)該在更近的范圍內(nèi)更加精確。模擬結(jié)果預(yù)測(cè)，轉(zhuǎn)發(fā)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)際上應(yīng)該在不久的將來(lái)進(jìn)行更近距離的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，以便用聲學(xué)數(shù)據(jù)驗(yàn)證這一斷言。兩個(gè)點(diǎn)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(shuō)，如果只用水平間隔的水聽(tīng)器來(lái)計(jì)算方位角，聲學(xué)系統(tǒng)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)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(jì)算的方位角，并與在處理數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)的1個(gè)樣本聲學(xué)檢測(cè)噪聲相干。

圖4 用PW法測(cè)定方位角

在PW方法的深度計(jì)算方面，考慮到測(cè)試深度，結(jié)果是相當(dāng)令人滿(mǎn)意的，其中約77.4% 的樣品測(cè)量深度為0米（正如預(yù)期的那樣，因?yàn)殛嚵泻桶l(fā)射器都放在同一深度） ，其余測(cè)量深度約為0.43米。這些結(jié)果表明，相當(dāng)令人滿(mǎn)意地考慮到嚴(yán)重的多路徑從底部和表面，這是預(yù)期的非常淺的水道，其中進(jìn)行了試驗(yàn)[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出了兩種利用超短基線定位系統(tǒng)估計(jì)水下應(yīng)答機(jī)位置的封閉方法。利用自行研制的超短基線定位系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)定位方案進(jìn)行了驗(yàn)證，在高噪聲和多徑測(cè)試條件下，取得了滿(mǎn)意的初步結(jié)果和良好的性能。對(duì)于港口試驗(yàn)中考慮的距離，基于平面波近似的方法比球面插值方法對(duì)傳感器噪聲的敏感性要低。未來(lái)的工作將集中在改進(jìn)聲波陣列的校準(zhǔn)，測(cè)試系統(tǒng)在更遠(yuǎn)距離的試驗(yàn)中的性能，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 USBL 融合技術(shù)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)定位系統(tǒng)。在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，它還將著重考慮分層的水下聲速剖面，以適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)變化的水下聲速到濾波框架。