CN107741589A - 一种基于超声波的水下定位探测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的水下定位探测***，涉及水下探测技术领域，以解决现有技术利用发射超声波信号和接收其回波信号定位测量，存在精度低且工作速度缓慢的缺点；其包括水下机体，所述水下机体上设有控制定位探测的控制组件，所述控制组件包括人机交互模块、电源模块和分别与电源模块连接的处理器、发射模块、接收模块、A/D转换模块、D/A转换模块，所述发射模块包括超声波发射探头和激光发射探头；还包括驱动激光发射探头旋转定位的转动组件，所述转动组件包括驱动模块，所述驱动模块分别与电源模块和处理器连接。通过实施本技术方案，以实现控制激光发射探头的灵活转动定位探测位置，实现更高探测精度。

Description

一种基于超声波的水下定位探测***

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，更具体的是涉及一种基于超声波的水下定位探测***。

背景技术

近年来，水下探测搜索技术是海洋观测技术的重要内容，也是海洋立体监测网的组成部分，其主要用于水声技术、水下电视和照相技术、潜水器和水下机器人技术等。目前潜水员在水下搜索探测、定位所采用的方法中，一方面是直接采取人工目视的方法进行搜索，并借用钢尺、皮尺等辅助设备进行定位，此种方法由于采用人眼识别因此能见度和准确度都存在局限性，特别是在污浊的水质环境下更是难以进行搜索；另一方面则采用水下视频器、潜水器、水下机器人等大中型高端设备，此类设备不仅结构复杂、体积庞大、成本高昂，而且均存在难以测量角度的技术难题。

针对上述技术问题，申请号为CN201610339580.6的专利公开了一种深海离底高度测量***，包括水声换能器，用于发射超声波信号和接收其回波信号；发射电路，用于输出互补脉冲信号以驱动水声换能器开始工作；接收电路，用于接收水声换能器的回波信号，并对回波信号进行放大、降频及滤波处理；频率控制电路，用于向发射电路和接收电路提供与水声换能器工作频率相匹配的正弦信号；微控制器，通过控制频率控制电路的参数从而控制发射电路发出互补脉冲信号，同时接收电路的回波信号，并进行信号分析处理；通信电路，用于将微控制器得到测量高度数据传输至水下探测***。该技术方案可精确测量深海离底高度，然而该技术方案仍然存在以下不足之处：1、海洋生物和细菌容易对测量仪器造成损伤，影响正常测量；2、利用发射超声波信号和接收其回波信号定位测量，存在精度低且工作速度缓慢的缺点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于超声波的水下定位探测***，以实现定位控制测量位置，且实现更高探测精度。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于超声波的水下定位探测***，包括水下机体，所述水下机体上设有控制定位探测的控制组件，所述控制组件包括人机交互模块、电源模块和分别与电源模块连接的处理器、发射模块、接收模块、A/D转换模块、D/A转换模块，所述发射模块经过D/A转换模块与处理器连接，处理器将设置的控制参数通过D/A转换模块转换为模拟信号控制发射模块；所述接收模块经过A/D转换模块与处理器连接，从接收模块传送回来的模拟信号经A/D转换模块转换为数字信号传送至处理器处理，所述发射模块包括超声波发射探头和激光发射探头；还包括驱动激光发射探头旋转定位的转动组件，所述转动组件包括驱动模块，所述驱动模块分别与电源模块和处理器连接。

本发明基础方案的工作原理为：进行深海定位探测过程中，发射模块包括超声波发射探头和激光发射探头，还包括驱动激光发射探头旋转定位的转动组件，可实现激光发射探头180°转动探测，在水下机体潜入深海时，利用激光发射探头和超声波发射探头发射至目标物体，待目标物体吸收激光和超声波后产生超声波并通过接收模块接收，从接收模块传送回来的模拟信号经A/D转换模块转换为数字信号传送至处理器处理，从而分析处理获取目标物体的特征信息；该方案中在超声波发射探头的基础上设置有激光发射探头，避免现有技术中仅仅利用发射超声波信号和接收其回波信号定位测量，存在精度低且工作速度缓慢的缺点；且通过处理器可控制驱动激光发射探头旋转的转动组件自动化旋转定位，实现激光发射探头多方位旋转探测，实现更高探测精度。

进一步地，所述水下机体包括管体、导流头和螺旋桨，所述导流头固定在管体前端，所述螺旋桨固定在管体后端，所述管体内设有驱动螺旋桨转动的驱动机构。安装在管体前端的导流头使得管体内腔形成密闭的空间用以安装驱动机构，驱动机构为水下机体提供动力促进水下机体在深海自由移动，携带探测目标物体的器械，具有体积小，灵活敏捷的优点。

进一步地，所述超声波发射探头的数量为2,2个所述超声波发射探头分别安装在管体靠近导流头一端的两侧，且2个超声波发射探头的纵轴线与管体纵轴线的夹角为8°-15°。接收模块具体为超声波接收探头；2个超声波发射探头与管体呈8°-15°夹角，经申请人探测实验可得，可在导流体向前运动的时候，避免2个超声波发射探头直接与流水正面交汇，具有较大阻力，且不影响超声波发射探头发射超声波；且在导流体前端安装超声波发射探头，可对探测造成干扰的生物体进行驱离，避免生物体直接对水下机体造成碰撞破坏，且避免伤害水下生物体。

进一步地，所述转动组件包括固定壳体、转动壳体，在固定壳体内沿固定壳体轴向设置有转轴A，所述驱动模块包括驱动电机A，所述转轴A一端通过锥齿轮与驱动电机A的输出轴连接，转轴A的另一端与转动壳体固定连接，所述激光发射探头设置在转动壳体上。驱动电机A驱动转轴A转动可实现连接在转动壳体上的激光发射探头沿转轴A做180°往复回转运动，转轴A与驱动电机A之间具体采用锥齿轮传动，具有体积小并实现精确转动的功能，不容易受到外界环境的干扰。

进一步地，在所述固定壳体内沿固定壳体轴向还设置有转轴B，所述转动壳体内设置有转轴C,所述转轴B套设在转轴A内，所述驱动模块还包括驱动电机B,所述转轴B一端通过锥齿轮与所述驱动电机B的输出轴连接，转轴B的另一端延伸至转动壳体内并通过锥齿轮与转轴C连接，所述激光发射探头与转轴C连接。驱动电机B驱动转轴B转动并带动安装在转动壳体内的转轴C转动，从而带动安装在转轴C上的激光发射探头沿转轴C做180°往复回转运动，结构设计紧凑稳定，且实现激光发射探头的灵活转动，实现更高探测精度。

进一步地，所述转轴C两端分别设置有上翼板和下翼板，上翼板和下翼板之间设置有转轴D、轴套、微型步进电机和与两个翼板呈一体连接的安装板，所述轴套套设在转轴D上并与转轴D螺纹连接，所述转轴D一端穿过上翼板与微型步进电机输出轴连接，转轴D的另一端与下翼板通过轴承连接；所述激光发射探头固定安装在轴套上，且安装板上设有供激光发射探头穿过的通孔。通过微型步进电机带动转轴D转动，从而驱动套设在转轴D上的轴套沿转轴轴向移动，实现连接在轴套上的激光发射探头沿通孔外侧多角度发射激光，实现探头多角度灵活转动，确保测量精度。

进一步地，所述固定壳体和转动壳体外侧设有聚偏氟乙烯涂料层。聚偏氟乙烯涂料具有良好的耐化学腐蚀性、优良的耐冲击性强度和耐氧化性，因此对涂膜的抗渗透性起很大的作用，适合深海腐蚀条件较恶劣的钢管使用，避免深海中的生物或细菌破坏转动组件。

进一步地，还包括超声波变频器，所述超声波变频器一端与超声波发射探头连接，另一端与D/A转换模块。使得超声波发射探头发射的频率可变，因此可用于驱赶深海生物体，防止深海生物体干扰探测精确度以及避免水下机体与深海生物体发生碰撞。

进一步地，还包括图像采集模块，所述图像采集模块为微型水下摄像头，且微型水下摄像头与处理器连接。微型水下摄像头具体可设置在安装板上，随着转动组件动激光发射探头旋转定位的同时可实时监控深海环境和探测情况，并通过人机交互模块控制超声波发射探头和激光发射探头的发生定位探测方向。

进一步地，还包括声光报警器，所述声光报警器与处理器连接。检测到生物体靠近的时候，可通过声光报警器作报警提示，避免深海生物体撞击水下机体。

如上所述，本发明的有益效果如下：

1、本发明中发射模块包括超声波发射探头和激光发射探头，激光发生速度快且定位准确，在超声波发射探头的基础上设置有激光发射探头，避免现有技术中仅仅利用发射超声波信号和接收其回波信号定位测量，存在精度低且工作速度缓慢的缺点。

2、本发明中还设置有驱动激光发射探头旋转定位的转动组件，可实现激光发射探头180°转动探测，具体地，驱动电机A驱动转轴A转动可实现连接在转动壳体上的激光发射探头沿转轴A做180°往复回转运动，转轴A与驱动电机A之间具体采用锥齿轮传动，具有体积小并实现精确转动的功能，不容易受到外界环境的干扰；进一步地，驱动电机B驱动转轴B转动并带动安装在转动壳体内的转轴C转动，从而带动安装在转轴C上的激光发射探头沿转轴C做180°往复回转运动，结构设计紧凑稳定，且实现激光发射探头的灵活转动，实现更高探测精度。

3、本发明在安装板上设置有微型水下摄像头，随着转动组件动激光发射探头旋转定位的同时可实时监控深海环境和探测情况，并通过人机交互模块控制超声波发射探头和激光发射探头的发生定位探测方向。

4、本发明中超声波发射探头的数量为2,2个超声波发射探头分别安装在管体靠近导流头一端的两侧，且2个超声波发射探头的纵轴线与管体纵轴线的夹角为8°-15°，经申请人探测实验可得，可在导流体向前运动的时候，避免2个超声波发射探头直接与流水正面交汇，具有较大阻力，且不影响超声波发射探头发射超声波；且在导流体前端安装超声波发射探头，可对探测造成干扰的生物体进行驱离，避免生物体直接对水下机体造成碰撞破坏，同时避免伤害水下生物体。

5、本发明中接收模块具体为超声波接收探头，具体可采用三维正交的超声波接收探头阵列结构，可在目标定位中对水下探测路径进行测量，克服直接需要在目标位置已知的情况下才能进行测量的局限性，实用性好。

附图说明

图1为本发明一种基于超声波的水下定位探测***中控制组件的流程图；

图2为本发明一种基于超声波的水下定位探测***中转动组件的结构剖面图；

图3为本发明一种基于超声波的水下定位探测***中水下机体的示意图。

附图标记：01-水下机体、02-管体、03-导流头、04-螺旋桨、05-超声波发射探头、06-转动组件、07-固定壳体、08-转动壳体、09-转轴A、10-驱动电机A、11-转轴B、12-驱动电机B、13-转轴C、14-激光发射探头、15-转轴D、16-上翼板、17-下翼板、18-微型步进电机、19-通孔、20-微型水下摄像头、21-轴套、22-安装板。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

请参考图1至图2所示，本实施例提供一种基于超声波的水下定位探测***，包括水下机体01，水下机体01包括管体02、导流头03和螺旋桨04，导流头03固定在管体02前端，螺旋桨04固定在管体02后端，管体02内设有驱动螺旋桨04转动的驱动机构。安装在管体02前端的导流头03使得管体02内腔形成密闭的空间用以安装驱动机构，驱动机构为水下机体01提供动力促进水下机体01在深海自由移动，携带探测目标物体的器械，具有体积小，灵活敏捷的优点。

进一步地，水下机体01上设有控制定位探测的控制组件，控制组件包括人机交互模块、电源模块和分别与电源模块连接的处理器、发射模块、接收模块、A/D转换模块、D/A转换模块，发射模块经过D/A转换模块与处理器连接，处理器将设置的控制参数通过D/A转换模块转换为模拟信号控制发射模块；接收模块经过A/D转换模块与处理器连接，从接收模块传送回来的模拟信号经A/D转换模块转换为数字信号传送至处理器处理，发射模块包括超声波发射探头05和激光发射探头14；激光发生速度快且定位准确，在超声波发射探头05的基础上设置有激光发射探头14，避免现有技术中仅仅利用发射超声波信号和接收其回波信号定位测量，存在精度低且工作速度缓慢的缺点。

其中，接收模块为超声波接收探头，具体可采用现有技术中的三维正交的超声波接收探头阵列结构，可在目标定位中对水下探测路径进行测量，克服直接需要在目标位置已知的情况下才能进行测量的局限性，实用性好。

此外，还包括驱动激光发射探头14旋转定位的转动组件06，转动组件06包括驱动模块，驱动模块分别与电源模块和处理器连接，具体地，如图3所示，转动组件06包括固定壳体07、转动壳体08，在固定壳体07内沿固定壳体07轴向设置有转轴A09，驱动模块包括驱动电机A10，转轴A09右端通过锥齿轮与驱动电机A10的输出轴连接，转轴A09的左端与转动壳体08固定连接。驱动电机A10驱动转轴A09转动可实现连接在转动壳体08上的激光发射探头14沿转A09做180°往复回转运动，转轴A09与驱动电机A10之间具体采用锥齿轮传动，具有体积小并实现精确转动的功能，不容易受到外界环境的干扰。

进一步地，在固定壳体07内沿固定壳体07轴向还设置有转轴B11，转动壳体08内设置有转轴C13,转轴B11套设在转轴A09内，驱动模块还包括驱动电机B12,转轴B11右端通过锥齿轮与驱动电机B12的输出轴连接，转B11的左端延伸至转动壳体08内并通过锥齿轮与转轴C13连接，激光发射探头14与转轴C13连接。驱动电机B12驱动转轴B11转动并带动安装在转动壳体08内的转轴C13转动，从而带动安装在转轴C13上的激光发射探头14沿转轴C13做180°往复回转运动，结构设计紧凑稳定，且实现激光发射探头14的灵活转动，实现更高探测精度。

具体地，转轴C13两端分别通过螺栓连接有上翼板16和下翼板17，上翼板16和下翼板17之间设置有转轴D、轴套21、微型步进电机18和与两个翼板呈一体连接的安装板22，轴套21套设在转轴D上并与转轴D螺纹连接，转轴D上端穿过上翼板16与微型步进电机18输出轴连接，转轴D的下端与下翼板17通过轴承连接；激光发射探头14固定安装在轴套21上，且安装板22上设有供激光发射探头14穿过的通孔19。通过微型步进电机18带动转轴D转动，从而驱动套设在转轴D上的轴套21沿转轴D轴向移动，实现连接在轴套21上的激光发射探头14沿通孔19外侧多角度发射激光，实现探头多角度灵活转动，确保测量精度。

此外，固定壳体07和转动壳体08外侧设有聚偏氟乙烯涂料层。聚偏氟乙烯涂料具有良好的耐化学腐蚀性、优良的耐冲击性强度和耐氧化性，因此对涂膜的抗渗透性起很大的作用，适合深海腐蚀条件较恶劣的钢管使用，避免深海中的生物或细菌破坏转动组件06。

进一步地，超声波发射探头05的数量为2,2个超声波发射探头05分别安装在管体02靠近导流头03一端的两侧，且2个超声波发射探头05的纵轴线与管体02纵轴线的夹角为8°。接收模块具体为超声波接收探头；2个超声波发射探头05与管体02呈8°夹角，经申请人探测实验可得，可在导流体向前运动的时候，避免2个超声波发射探头05直接与流水正面交汇，具有较大阻力，且不影响超声波发射探头05发射超声波；且在导流体前端安装超声波发射探头05，可对探测造成干扰的生物体进行驱离，避免生物体直接对水下机体01造成碰撞破坏，且避免伤害水下生物体。

此外，还包括图像采集模块，图像采集模块为微型水下摄像头20，且微型水下摄像头20与处理器连接。微型水下摄像头20具体可设置在安装板22上，随着转动组件06动激光发射探头14旋转定位的同时可实时监控深海环境和探测情况，并通过人机交互模块控制超声波发射探头05和激光发射探头14的发生定位探测方向。

进一步地，控制组件还包括超声波变频器，超声波变频器连接在超声波发射探头05与D/A转换模块之间。使得超声波发射探头05发射的频率可变，因此可用于驱赶深海生物体，防止深海生物体干扰探测精确度以及避免水下机体01与深海生物体发生碰撞。

此外，控制组件还包括声光报警器，声光报警器与处理器连接。检测到生物体靠近的时候，可通过声光报警器作报警提示，避免深海生物体撞击水下机体01。

本例中，进行深海定位探测过程中，发射模块包括超声波发射探头05和激光发射探头14，超声波发射探头05发出的超声波可探测目标物体的路径，且可通过超声波变频器改变超声波发射探头05的发出频率，用以驱离深海生物体靠近水下机体01，避免生物体直接对水下机体01造成碰撞破坏；还包括驱动激光发射探头14旋转定位的转动组件06，可实现激光发射探头14作180°转动探测，在水下机体01潜入深海时，通过转动组件06启动模块中的驱动电机A10、驱动电机B12和微型步进电机18，可驱动激光发射探头14作180°转动定位探测目标物体，并利用激光发射探头14和超声波发射探头05发射至目标物体，待目标物体吸收激光和超声波后产生超声波并通过接收模块接收，从接收模块传送回来的模拟信号经A/D转换模块转换为数字信号传送至处理器处理，从而分析处理获取目标物体的特征信息；该方案中在超声波发射探头05的基础上设置有激光发射探头14，避免现有技术中仅仅利用发射超声波信号和接收其回波信号定位测量，存在精度低且工作速度缓慢的缺点；且通过处理器可控制驱动激光发射探头14旋转的转动组件06自动化旋转定位，实现激光发射探头14多方位旋转探测，实现更高探测精度。

此外，可通过微型水下摄像头20实时监控深海环境和探测情况，并通过人机交互模块控制超声波发射探头05和激光发射探头14的发生定位探测方向；且通过声光报警器作报警提示，避免深海生物体撞击水下机体01，实用性好。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：2个超声波发射探头05的纵轴线与管体02纵轴线的夹角为15°，夹角较大，可进一步避免2个超声波发射探头05直接与流水正面交汇产生较大阻力，且超声波发射和接触均具有较好的信号发射窗口和信号获取窗口，采集数据准确。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超声波的水下定位探测***，包括水下机体，其特征在于：所述水下机体上设有控制定位探测的控制组件，所述控制组件包括人机交互模块、电源模块和分别与电源模块连接的处理器、发射模块、接收模块、A/D转换模块、D/A转换模块，所述发射模块经过D/A转换模块与处理器连接，处理器将设置的控制参数通过D/A转换模块转换为模拟信号控制发射模块；所述接收模块经过A/D转换模块与处理器连接，从接收模块传送回来的模拟信号经A/D转换模块转换为数字信号传送至处理器处理，所述发射模块包括超声波发射探头和激光发射探头；还包括驱动激光发射探头旋转定位的转动组件，所述转动组件包括驱动模块，所述驱动模块分别与电源模块和处理器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：所述水下机体包括管体、导流头和螺旋桨，所述导流头固定在管体前端，所述螺旋桨固定在管体后端，所述管体内设有驱动螺旋桨转动的驱动机构。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：所述超声波发射探头的数量为2,2个所述超声波发射探头分别安装在管体靠近导流头一端的两侧，且2个超声波发射探头的纵轴线与管体纵轴线的夹角为8°-15°。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：所述转动组件包括固定壳体、转动壳体，在固定壳体内沿固定壳体轴向设置有转轴A，所述驱动模块包括驱动电机A，所述转轴A一端通过锥齿轮与驱动电机A的输出轴连接，转轴A的另一端与转动壳体固定连接，所述激光发射探头设置在转动壳体上。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：在所述固定壳体内沿固定壳体轴向还设置有转轴B，所述转动壳体内设置有转轴C,所述转轴B套设在转轴A内，所述驱动模块还包括驱动电机B,所述转轴B一端通过锥齿轮与所述驱动电机B的输出轴连接，转轴B的另一端延伸至转动壳体内并通过锥齿轮与转轴C连接，所述激光发射探头与转轴C连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：所述转轴C两端分别设置有上翼板和下翼板，上翼板和下翼板之间设置有转轴D、轴套、微型步进电机和与两个翼板呈一体连接的安装板，所述轴套套设在转轴D上并与转轴D螺纹连接，所述转轴D一端穿过上翼板与微型步进电机输出轴连接，转轴D的另一端与下翼板通过轴承连接；所述激光发射探头固定安装在轴套上，且安装板上设有供激光发射探头穿过的通孔。

7.根据权利要求4所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：所述固定壳体和转动壳体外侧设有聚偏氟乙烯涂料层。

8.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：还包括超声波变频器，所述超声波变频器一端与超声波发射探头连接，另一端与D/A转换模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：还包括图像采集模块，所述图像采集模块为微型水下摄像头，且微型水下摄像头与处理器连接。

10.根据权利要求1所述的一种基于超声波的水下定位探测***，其特征在于：还包括声光报警器，所述声光报警器与处理器连接。