CN110727282B - Auv的对接方法、装置及水下对接*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种AUV的对接方法、装置及水下对接***，该方法由AUV执行，包括：获取超短基线USBL定位结果信息；其中，USBL定位结果信息包括对接结构发送的水声信号的相位信息和时延信息；基于获取的水声信号的相位信息和时延信息，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果；基于获取的水声信号的时延信息，采用短基线SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果；根据对接结构的定位结果和AUV的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接。本发明可以有效提高水声定位的总体定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及水下对接技术领域，尤其是涉及一种AUV的对接方法、装置及水下对接***。
背景技术
AUV(Autonomous Underwater Vehicle，水下自主航行器)在水下的活动时间主要受自身携带的能源的限制。当AUV完成某一任务后，通常需回收到水面支持平台，以便补充能源、回放数据和下载新的使命任务。当AUV在深海作业时，AUV的布放与回收要花费相当长的时间。因此AUV水下对接技术就显的十分必要。现有的对接方法，一般采用声学传感器、光学传感器、电磁传感器和视觉传感器中的一种或多种进行导航定位，完成对接任务。但是，现有的对接方法中，在近距离处，水声定位***精度较低，无法满足对接需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种AUV的对接方法、装置及水下对接***，以提高水声定位的精度，从而较好的实现AUV对接。
第一方面，本发明实施例提供了一种水下自主航行器AUV的对接方法，方法由AUV执行，方法包括：获取超短基线USBL定位结果信息；其中，USBL定位结果信息包括对接结构发送的水声信号的相位信息和时延信息；基于获取的水声信号的相位信息和时延信息，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果；基于获取的水声信号的时延信息，采用短基线SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果；根据对接结构的定位结果和AUV的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接。
在一种实施方式中，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果的步骤，包括：采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的至少一个应答器在AUV坐标系内的位置信息，将对接结构的各个应答器在AUV坐标系内的位置信息作为对接结构的定位结果；采用短基线SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果的步骤，包括：采用短基线SBL定位解算算法计算得到AUV在对接结构坐标系内的位置信息，将AUV在对接结构坐标系内的位置信息作为AUV的定位结果。
在一种实施方式中，根据对接结构的定位结果和AUV的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接的步骤，包括：根据对接结构的各个应答器在AUV坐标系内的位置信息和AUV在对接结构坐标系内的位置信息控制AUV进行方向调整，以使AUV向对接结构坐标系的原点方向航行；根据相位信息和时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息；根据夹角信息控制AUV与对接结构进行对接。
在一种实施方式中，根据相位信息和时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息的步骤，包括：基于时延信息、USBL基阵中阵元间距和水中的声速，计算得到第一夹角；其中，第一夹角为USBL基阵的中心点与对接结构坐标系的原点的连线与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角；基于相位信息，采用USBL定位解算算法，计算得到应答器在USBL基阵坐标系下的位置信息；基于计算得到的应答器在USBL基阵坐标系下的位置信息，计算得到对接结构坐标系的原点在USBL基阵坐标系下的位置信息；基于计算得到的对接结构坐标系的原点在USBL基阵坐标系下的位置信息，计算得到第二夹角；其中，第二夹角为USBL基阵的中心点与对接结构坐标系的原点的连线与USBL基阵坐标系的Z轴之间的夹角；基于第一夹角和第二夹角，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息。
在一种实施方式中，根据夹角信息控制AUV与对接结构进行对接的步骤，包括：根据夹角信息确定航行方向；控制AUV沿航行方向航行并与对接结构进行对接。
在一种实施方式中，获取超短基线USBL定位结果信息的步骤包括：通过USBL定位基阵接收对接结构的至少一个应答器发送的水声信号；基于各个应答器发送的水声信号，计算得到水声信号的相位信息和时延信息。
在一种实施方式中，在获取超短基线USBL定位结果信息的步骤之前，方法还包括：通过USBL定位基阵向对接结构发送用于获取磁罗盘方向角信息的水声指令；接收对接结构针对水声指令反馈的磁罗盘方向角信息；根据磁罗盘方向角信息进行方向调整，以沿对接结构的中轴线方向航行。
第二方面，本发明实施例提供了一种AUV的对接装置，包括：定位信息获取模块，用于获取超短基线USBL定位结果信息；其中，USBL水声定位结果信息包括对接结构发送的水声信号的相位信息和时延信息；USBL定位解算模块，用于基于获取的水声信号的相位信息，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果；SBL定位解算模块，用于基于获取的水声信号的时延信息，采用短基线SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果；对接控制模块，用于根据对接结构的定位结果和AUV的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接。
第三方面，本发明实施例提供了一种水下自主航行器，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现第一方面提供的任一项方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种水下对接***，包括如第三方面提供的水下自主航行器，还包括对接结构。
本发明实施例提供的一种AUV的对接方法、装置及水下对接***，能够获取USBL定位结果信息(包括水声信号的相位信息和时延信息)，分别采用USBL定位解算算法和SBL定位解算算法，基于获取的USBL定位结果信息，计算得到对接结构的定位结果和AUV的定位结果；并且结合USBL定位和SBL定位的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接。上述方式在AUV对接过程中，通过USBL定位获取的水声信号的相位信息和时延信息，基于相位信息，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果；并且复用时延信息，采用SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果；通过两种定位方式的结合，可以有效提高水声定位的精度，从而较好的实现AUV对接。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种AUV的对接方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种AUV艏艉线与对接结构法线的夹角θ的定义示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种的AUV的对接方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种中程阶段AUV和对接结构的俯视示意图；
图5为本发明实施例提供的一种中程阶段AUV和对接结构的侧视示意图；
图6为本发明实施例提供的一种不同用户信号相关特性示意图；
图7为本发明实施例提供的一种AUV的对接装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种水下对接***的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种USBL定位几何原理示意图；
图10为本发明实施例提供的一种对接***的安装及工作示意图；
图11为本发明实施例提供的一种USBL基阵坐标系定义示意图；
图12为本发明实施例提供的一种USBL基阵坐标系下纵向和横向距离定义示意图；
图13为本发明实施例提供的一种对接口坐标系定义示意图；
图14为本发明实施例提供的一种AUV坐标系定义示意图；
图15为本发明实施例提供的一种地理坐标系定义示意图；
图16为本发明实施例提供的一种水下自主航行器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
AUV水下对接技术研究的重点是AUV水下对接方法及传感器技术，AUV主动与水下的静止平台或者移动平台目标对接，完成对AUV的能源补充、数据回放并下载新的使命任务。
要实现水下对接，至少需要三方面的信息，即相对对接目标的距离、方位以及深度信息。在远距离一般采用水声引导的方法，或者采用惯性导航和多普勒速度计程仪等进行联合导航。水下对接对远距离端的导航精度要求不高，近距离导航定位才是最终影响对接成功的关键。根据传感器的原理不同，现阶段国外AUV采用的对接传感器有四类：声学导航传感器、光学导航传感器、电磁导航传感器以及视觉导航传感器，参见表1所示为各类传感器在对接不同距离段导航精度以及自身缺点。
表1各类传感器在对接不同距离段导航精度以及自身缺点
综合以上四种传感器的性能，声学导航传感器的作用距离较远，但在近距离探测时，方位角的误差相对较大，因此探测精度较低；电磁导航传感器、光学导航传感器、视觉导航传感器的近距离探测精度可以达到厘米级，但是由于其作用距离有限，单凭电磁导航传感器、光学导航传感器或者视觉导航传感器是不能完成水下对接的。因此，水下终端导航传感器通常采用组合的方式，有的采用了声学导航传感器和光学导航传感器组合定位的方法，如Remus AUV和Flying Plug AUV；有的采用声学导航传感器和电磁导航传感器组合的方式；还有的采用声学导航传感器和捕捉机构相配合的方式来提高终端导航精度和最终对接的可靠性，如MARINE BIRDAUV采用了捕捉臂来辅助定位，采用声学导航传感器和视觉导航传感器相结合的方式，首先通过声学导航传感器引导AUV到达对接目标的近距离范围内，再通过视觉定位完成最终的回收对接。
由于对接的装置较多，相应的对接方案也不同。本发明实施例提供的对接方法主要用于具有方向性的包容式对接装置。应用于此类对接装置的终端导航传感器主要包括USBL定位***、水声通信机、前视声呐、水下视觉传感器、磁感应***等，USBL定位***是应用最普遍的。但是由于USBL定位方式是采用相位信息实现测向，因此其测向精度极易受到包括水下多径信号、AUV螺旋桨噪声、AUV内部电噪声等工作环境的影响。通过USBL定位只能获取对接结构在不同坐标系下的位置信息，而实时获取对接口的方向角对于对接的成功起到极为关键的作用。现有方案一般是通过其他方式获得，对于相对静止的对接结构，在布放完毕后，通过一些专业手段可获取对接口朝向信息，并作为先验值存储在AUV中；但是由于海洋中存在洋流，对接口的位置和姿态是不可控的，因此在对接前必须再次获取对接口朝向信息。一般是通过AUV自主航行至USBL信号覆盖范围以内，采用追踪制导方式接近对接结构，过程中调整AUV，使其始终朝向USBL信号方向，以保持可以得到最大信号强度。根据USBL接收对接结构的定位信号，计算出对接结构相对于AUV的水平方位角、垂直方位角等信息，或是对接结构端也具备定位解算能力，计算出AUV在其坐标系下的水平方位角、垂直方位角，并通过水声通信形式发送至AUV，AUV结合自身的定位结果以及对接结构端的定位结果综合进行判断对接口的朝向。这种方法的弊端是AUV利用水声定位信息只能粗略获得对接口的朝向，需通过后续阶段其他传感器信息进行二次调整。综上所述，现有的对接方式的定位精度普遍较低，无法满足对接需求。
基于此，本发明实施例提供了一种AUV的对接方法、装置及水下对接***，可以有效提高水声定位的精度，从而较好的实现AUV对接。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种水下自主航行器AUV的对接方法进行详细介绍，参见图1所示的一种AUV的对接方法的流程示意图，该方法可以由AUV执行，主要包括以下步骤S102至S108：
步骤S102：获取超短基线USBL定位结果信息。
其中，USBL定位结果信息包括对接结构发送的水声信号的相位信息和时延信息。在一种实施方式中，AUV可以通过USBL定位基阵接收对接结构的应答器发送的水声信号，对接结构可以是基站，应答器可以是4个；基于各个应答器发送的水声信号，经过水声处理后可以得到与应答器对应的水声信号的相位信息和时延信息(即4应答器×4路时延、相位的数据量)。
步骤S104：基于获取的水声信号的相位信息和时延信息，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果。
在一种实施方式中，获取水声信号的相位信息和时延信息后，可以根据USBL定位解算公式和坐标系转换公式，分别计算4个应答器在AUV坐标系的位置信息，实现对4个应答器的多目标定位，并且可以将4个应答器的位置分别设为BeanconPosi1、BeanconPosi2、BeanconPosi3、BeanconPosi4。
步骤S106：基于获取的水声信号的时延信息，采用短基线SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果。
在一种实施方式中，SBL定位方式可以是基于对接结的端4个应答器建立的坐标系，即4个应答器在SBL解算过程中是“伪接收基元”，而实际是发射声源；一般情况下，SBL接收基元只负责接收定位声信号，处理模块只需要根据SBL定位解算公式计算出：
τx＝基元1接收时延-基元3的时延
τy＝基元2接收时延-基元4的时延
其中，τx表示X轴上两个基元的时延差；τy表示Y轴上两个基元的时延差；获得上述两项数据即可实现测向，结合距离信息，便可完成定位。在本实施例提供的方法中，SBL“接收基元”是声源，实际接收端为AUV的USBL定位基阵，因此，时延差可以根据由USBL定位方式获得的时延信息，由以下公式计算得到：
基元13的时延差τx＝基阵接收1#应答器时延-基阵接收3#应答器时延
基元24的时延差τy＝基阵接收2#应答器时延-基阵接收4#应答器时延
根据上述时延差以及SBL定位解算公式，可以得到AUV在对接结构坐标系内的位置信息。本实施例提供的方法通过利用SBL定位中收发端的相互关系以及对USBL定位获得的声学信息的复用，在AUV端实现了原本需要在对接结构端才能实现的解算功能，简化了现有技术中对接结构端坐标系定位，只能在其内部处理并通过水声通信发送至AUV端的繁琐流程。
步骤S108：根据对接结构的定位结果和AUV的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接。
具体实现时，根据对接结构的各个应答器在AUV坐标系内的位置信息和AUV在对接结构坐标系内的位置信息控制AUV进行方向调整，AUV的航行准则可以是使AUV向4个应答器的中心位置航行(也就是使AUV向对接结构坐标系的原点方向航行)，即调整AUV航向，保持如下状态：Center＝BeanconPosi1+BeanconPosi2+BeanconPosi3+BeanconPosi4≈0
当Center值越小时，AUV的航行方向越对准对接结构的中心，控制AUV尽量以与对接结构的中心线平行的姿态进入对接结构。
本发明提供的一种水下自主航行器AUV的对接方法能够获取USBL定位结果信息(包括水声信号的相位信息和时延信息)，分别采用USBL定位解算算法和SBL定位解算算法，基于获取的USBL定位结果信息，计算得到对接结构的定位结果和AUV的定位结果；并且结合USBL定位和SBL定位的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接。上述方式在AUV对接过程中，通过USBL定位获取的水声信号的相位信息和时延信息，基于相位信息和时延信息，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果；并且复用时延信息，采用SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果；通过两种定位方式的结合，可以有效提高水声定位的精度，从而较好的实现AUV对接。
考虑到AUV在对接过程中需要不断地对航向进行调整，以使AUV沿最佳的航行方向完成对接，因此还可以根据相位信息和时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息，也就是AUV艏艉线与对接口面法线的夹角θ，夹角θ的定义参见图2所示，图中所示的对接口坐标系即为对接结构坐标系；根据夹角信息控制AUV与对接结构进行对接。
在一种实施方式中，根据相位信息和时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息的步骤，可以包括以下步骤a至步骤e：
步骤a：基于时延信息、USBL基阵中阵元间距和水中的声速，计算得到第一夹角。
其中，第一夹角为USBL基阵的中心点与对接结构坐标系的原点的连线与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角。在计算上述第一夹角的步骤中，首先可以利用对接结构坐标系的结算功能，根据时延信息、USBL基阵中阵元间距和水中声速，计算获得USBL基阵的中心点与对接结构坐标系的原点的连线分别与对接结构坐标系X轴和Y轴之间夹角的余弦，计算公式如下：
其中，c表示水中声速；Lx、Ly分别表示X轴上两个基元之间的距离和Y轴上两个基元之间的距离；τx、τy分表表示X轴上两个基元的时延差和Y轴上两个基元的时延差。
根据上述获得的余弦值，可以计算得到USBL基阵的中心点与对接结构坐标系的原点(即对接结构中心点)的连线与对接结构坐标系的Z轴(即对接口面的法线)之间的夹角α，计算公式如下：
步骤b：基于相位信息，采用USBL定位解算算法，计算得到应答器在USBL基阵坐标系下的位置信息。
在一种实施方式中，可以根据USBL定位结算公式，分别计算对接结构上4个应答器在USBL基阵坐标系下的位置信息，计算公式如下：
其中，(xi，yi)表示第i个应答器的位置；
分表表示X轴上两个基元的相位差和Y轴上两个基元的相位差；L表示基元之间的距离；λ表示水声信号的波长；R表示测量的基元到USBL基阵坐标系原点的距离。
步骤c：基于计算得到的应答器在USBL基阵坐标系下的位置信息，计算得到对接结构坐标系的原点在USBL基阵坐标系下的位置信息。
诸如，可以结合每个应答器信号的信噪比以及应答器在USBL基阵坐标系下定位结果的相互关系，获取最优应答器位置；如果最后满足要求的应答器数量≥3个，则根据这些有效定位结果计算对接结构坐标系的原点(即对接口中心点)在USBL基阵坐标系下的位置：Center_Posi。
步骤d：基于计算得到的对接结构坐标系的原点在USBL基阵坐标系下的位置信息，计算得到第二夹角。
其中，第二夹角为USBL基阵的中心点与对接结构坐标系的原点的连线与USBL基阵坐标系的Z轴之间的夹角。具体实现时，USBL基阵的中心点与对接结构坐标系的原点的连线与USBL基阵坐标系的Z轴之间的夹角β的计算公式如下：
β＝acos(Center_Posi(1)/R)
步骤e：基于第一夹角和第二夹角，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息。
诸如，USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角θ的近似计算方法可以是：θ＝α+β。
在一种实施方式中，当USBL基阵坐标系的Z轴与对接结构坐标系的Z轴之间的夹角θ为180°时，可以使AUV和对接结构在高度以及方位上达到最佳状态，因此，在具体实施时，可以根据夹角信息，调整AUV的姿态使夹角θ尽可能接近180°，确定此时的航行方向为AUV的最终航行方向；进而控制AUV沿上述最终航行方向航行并与对接结构进行对接。
考虑到AUV在对接的中程阶段，需要快速获得对接结构的方向角信息，因此本发明实施例通过USBL定位基阵向对接结构发送用于获取磁罗盘方向角信息的水声指令(磁罗盘在安装时要求其航向指向与对接口面的法线接***行，即为对接***提供Dock口的方向角)；对接结构在接收到水声指令后将方向角信息以水声通信的形式发送至AUV端；AUV可以根据接收到的磁罗盘方向角信息进行方向调整，以使AUV沿对接结构的中轴线方向航行。
为了更加清楚的理解AUV的对接过程，本发明实施例提供了另一种的AUV的对接方法的流程示意图，参见图3所示，对接过程包括步骤S301至步骤S316。本发明实施例提供的对接方法根据AUV相对对接结构的距离远近，将整个过程分为远程、中程以及近程三个阶段。
远程阶段为水声信号搜索阶段(AUV距离对接结构：2000m～500m)，包括步骤S301至步骤S304：
步骤S301：根据存储在AUV内的对接结构的绝对位置，利用惯性导航***使AUV向对结构靠近，以使AUV自主航行至USBL信号覆盖范围内。
之后执行步骤S302：搜索USBL定位水声信号。由AUV头段的USBL定位基阵发射询问信号，触发对接结构端的4个应答器回复应答信号，再由USBL定位基阵检测应答信号。远程阶段可以将对接结构视为一点，即认为4个应答器位于同一位置，因此只需将4个定位结果的最优值进行外输，保证定位质量。
如果搜索到USBL定位水声信号，则继续执行步骤S303：修正惯性导航信息误差，具体实现可以是：水声定位***的控制处理单元结合惯性导航***输出的航姿数据以及AUV内部存储对接结构的绝对位置信息XB_g，即可获得此时AUV的绝对位置信息，计算公式如下：
对接结构坐标系中的位置为(在此阶段可以将对接结构视为一个点)：XJ_s＝[xJ_ syJ_szJ_s]'；
对接结构在AUV坐标系下的坐标为：
AUV在地理坐标下的坐标为：
USBL定位基阵将AUV的绝对位置信息发送至惯性导航***用于修正其累积的误差；在此次期间USBL与惯性导航***形成松耦合的组合导航，短时内采用惯性导航***的定位输出结果，间隔一定时间选取有效的USBL定位结果对其进行累积误差修改，采用追踪制导方式接近对接装置，过程中调整AUV，使其始终朝向USBL信号方向，以保持可以得到最大信号强度。
如果没有搜索到USBL定位水声信号，则执行步骤S304：使AUV继续机动航行，搜索信号。
执行完步骤S303之后，对接进入中程阶段(AUV距离对接结构：150m～500m)，中程阶段包括步骤S305至步骤S306。
步骤S305：利用水声通信手段获取磁罗盘航向角，即对接结构面的朝向，指导AUV准确调整航向；
步骤S306：利用USBL定位引导AUV靠近对接结构，并控制AUV进行横向和垂向粗略调整，航行至对接结构开口方向的中心线上。
步骤S305和步骤S306的实现方式可以是：当USBL信号强度满足一定的信噪比后，AUV通过USBL定位基阵以水声通信的形式向对接结构端发送请求获取磁罗盘方向角的水声指令；对接结构端获取请求指令后将方向角信息同样以水声通信的形式发送至AUV端；此阶段仍可将对接结构端认为是一个点，水声定位***将对接结构在AUV坐标系下的位置以及对接结构端的方向角信息传输至AUV的终控端，用于其进行运动控制的决策判决的参考信息，即：
(1)利用磁罗盘的方位角进行航向相对精确调整；
(2)利用AUV坐标系下的X轴方向上的数据，进行AUV整体航向方向的横向调整，使X的值接近于0，参见图4所示的中程阶段AUV和对接结构的俯视示意图，图中Dock也就是对接结构；
(3)利用AUV坐标系下的Z轴方向上的数据，进行AUV整体航向方向的纵向调整，使Z的值接近于0，参见图5所示的中程阶段AUV和对接结构的侧视示意图；
(4)最终依据对接结构在AUV坐标系下的相对位置调整AUV的航向与姿态，使AUV沿对接结构开口的中轴线方向前行。
执行完步骤S306后，对接进入近程阶段(AUV距离对接结构＜150m)，近程阶段包括步骤S307至步骤S316。近程阶段需要更高要求的对接结构的位置、AUV的姿态数据的实时性以及准确性，才能保证对接成功率。
步骤S307：水声遥控***工作周期，满足数据输出实时性。具体实现可以是：通过AUV端发送调整工作周期的水声遥控指令，对接结构端在接收指令后自动响应，最快可实现5Hz定位结果输出速率。
执行完步骤S307后执行步骤S308和步骤S309，步骤S308为USBL定位，包括步骤S310：计算4个应答器在AUV坐标系内的位置和步骤S311：获取声学数据。
步骤S310和步骤S311的具体实现可以是：将对接结构端的4个应答器作为独立的目标进行解算，即近程实现多目标定位。本发明实施例选用的多目标定位信号的编码形式为4组Gold序列用于地址码，每个子载波采用BPSK进行调制，载波频率为25kHz，码长127，脉宽20.48ms；以4个用户为例，参见图6所示的不同用户信号相关特性示意图，用户间的特征波形的最大互相关系数为0.1，因此这种波形非常适合于多目标水声定位使用。
USBL定位流程与功能可以是：
(1)AUV端USBL定位基阵接收来自对接结构端的4个应答器的水声信号，经水声信号处理后，获得与应答器对应的声信号的时延、相位信息(4应答器×4路时延、相位的数据量)；
(2)根据USBL定位解算公式以及坐标系转换公式，分别计算4个应答器在AUV坐标系下的位置信息，实现对4个应答器的多目标定位(设4应答器位置分别为BeanconPosi1、BeanconPosi2、BeanconPosi3、BeanconPosi4)；
(3)近程阶段(定位距离＜150m)，USBL测向精度为0.2～0.3°，因此USBL定位相对精度在0.5m～0.8m左右，AUV航行准则是保持向4个应答器的中心位置前行，即调整AUV航向，保持如下状态：
Center＝BeanconPosi1+BeanconPosi2+BeanconPosi3+BeanconPosi4≈0；
当Center值越小航行方向越对准对接口中心，控制航行器的艏向尽量与锥形罩中心线平行的姿态进入。
步骤S309为SBL定位，利用步骤S311获取的声学数据，执行步骤S312：计算AUV在对接结构坐标系内的位置。具体实现可以是：
(1)SBL定位方式是基于对接结构端4个应答器建立的坐标系，即4个应答器在SBL解算过程中是“伪接收基元”，而实际是发射声源；
(2)根据SBL定位解算公式，一般工作模式下，SBL接收基元只负责接收定位声信号，处理模块只要计算出：
τx＝基元1接收时延-基元3的时延；
τy＝基元2接收时延-基元4的时延；
获得上述两项数据即可实现测向，结合距离信息，便可完成定位；
(3)在本发明实施例中由于SBL“接收基元”是声源，实际接收端为AUV的USBL定位基阵，因此时延差可由以下公式获得：
基元13的时延差τx＝基阵接收1#应答器时延-基阵接收3#应答器时延；
基元24的时延差τy＝基阵接收2#应答器时延-基阵接收4#应答器时延；
而基阵接收应答器时延可由USBL定位方式获得，因此SBL解算所需的输入数据都来自USBL的处理结果；
(4)本发明实施例利用步骤(3)收发端的相互关系，复用USBL获得声学信息，在AUV端的实现原本需要在对接结构端才能实现的解算功能；
(5)通过USBL处理获得的时延信息，都是通过相位修正的，因此时延精度优于1us，即测距误差＜1.5mm(良好水文条件下)，根据SBL定位解算公式，可以进行X轴定位误差分析，对其求全微分可以得到下式:
由于距离较近声速c影响可忽略，距离R按误差1.5mm计算，R＝150m，τx＝30/1e6s，L＝1m(对接口直径)，Δx≈0.02m(测向精度约为0.01°)，定位精度远高于USBL；本发明实施例在不大量增加附属设备的情况下，利用SBL定位解决了USBL在近程阶段定位精度无法满足对接需要的问题，为利用水声定位***实现对接任务提供了可行性方案。
执行完步骤S310和步骤S312后，结合SBL与USBL定位结果，执行步骤S313：计算AUV艏艉线与对接口法线夹角θ，夹角θ的计算方法与上述实施例中的方法相同，在此不再赘述。
由于SBL的定位精度远优于USBL，因此计算夹角θ时以使用SBL方式的解算结果为主，USBL方式的解算结果为辅，即AUV在对接结构坐标系下的横向、纵向定位结果置信度最高。利用SBL与USBL共同的结果计算获得的夹角θ的精度可以认为是USBL的测向精度(由于SBL测向精度远高于USBL)，因此夹角θ的精度在0.2～0.3°。而SBL的测向精度0.01°已接近光、磁等传感器的精度，因此AUV综合参考水声定位***提供的数据在理论上已满足对接需求。
此外，执行完步骤S312后还同时执行步骤S314：控制AUV进行横向和垂向的微调，以使满足对接要求。具体的，在执行步骤S313计算AUV艏艉线与对接口法线夹角的同时，根据SBL的定位结果控制AUV进行横向和垂向的微调，以使满足对接要求。
进一步，执行完步骤S313后，继续执行步骤S314：控制AUV进行横向和垂向的微调，以使满足对接要求。具体实现可以是：根据AUV艏艉线与对接口法线夹角θ进行调整，即理论上θ＝180°时AUV与对接结构在高度以及方位上是最优状态。
执行完步骤S314后，执行步骤S315：判断对接是否成功；如果是，执行步骤S316：进行下一步工作，具体的下一步工作可以是补充能源、回放数据和下载新的使命任务等；如果否，返回步骤S306。
另外，本发明实施例还提供了对接过程中各阶段水声定位***对接辅助数据输出列表，参见表2所示。
表2对接过程不同阶段水声定位***输出数据列表
综上所述，本发明实施例提供的对接方法，能够利用水声通信手段，完成对接口朝向信息的获取，极大地减小了中程阶段进行AUV状态调整的时间；在对接结构端建立坐标系，并利用USBL定位基阵接收各个应答器发射信号时延差，在AUV内实现对接结构端坐标系的定位解算，解决了现有技术中对接结构端坐标系定位，只能在其内部处理并通过水声通信发送至AUV端的繁琐流程；结合USBL、SBL两种定位方式以及多目标定位技术，在任务的不同阶段提供了多种用于辅助对接的水声定位信息，利用SBL解算方式解决了单纯依赖USBL定位方式定位精度相对较低，无法满足近程对接的需要的弊端。
对于前述实施例提供的水下自主航行器AUV的对接方法，本发明实施例还提供了一种AUV的对接装置，参见图7所示的一种AUV的对接装置的结构示意图，该装置可以包括以下部分：
定位信息获取模块801，用于获取超短基线USBL定位结果信息；其中，USBL水声定位结果信息包括对接结构发送的水声信号的相位信息和时延信息。
USBL定位解算模块802，用于基于获取的水声信号的相位信息，采用USBL定位解算算法计算得到对接结构的定位结果。
SBL定位解算模块803，用于基于获取的水声信号的时延信息，采用短基线SBL定位解算算法计算得到AUV的定位结果。
对接控制模块804，用于根据对接结构的定位结果和AUV的定位结果，控制AUV与对接结构进行对接。
在一种实施方式中，上述AUV的对接装置还包括夹角信息计算模块，用于根据所述相位信息和所述时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与所述对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息。
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
对于前述实施例提供的水下自主航行器AUV的对接方法，本发明实施例还提供了一种水下对接***，该***包括如上述实施例提供的水下自主航行器，还包括对接结构。参见图8所示为本发明实施例提供的一种具体的水下对接***的结构示意图，该***主要由AUV头段***和对接口***组成。
AUV头段***主要由通信定位一体化基阵和电子舱组成，其中基阵为定位通信一体化换能器，由四个接收换能器和一个发射换能器构成5元十字阵；为跟踪对接结构目标的需要，在安装基阵时使其阵面的法向沿着AUV的对称轴，朝向AUV的艏部。发射换能器位于基阵中心用于发射定位询问信号以及进行水声通信。AUV头段***的电子舱内包括：接收机、发射机和定位处理单元以及电源模块；接收机用于完成接收到的水声信号的放大、滤波和采样；发射机用于完成水声通信以及定位询问信号的调理、发射；定位处理单元为***核心模块，包括信号处理模块、定位解算模块和通信模块，用于执行***时序控制、信号处理、定位解算及与外部设备通信；信号处理模块用于通过对水声信号的处理获得时延数据；定位解算模块用于完成数据融合以及定位解算；通信模块用于执行与外部设备的通信功能；电源模块用于为***各部分提供相应电源。
对接口***由4个定位通信一体化的水声应答器及电子舱组成，对接口***的主要功能为接收询问信号、发射定位信号以及水声通信。对接口端电子舱内包括：接收机、发射机、控制处理单元、电源模块以及磁罗盘，其中接收机用于接收来自基阵的询问信号和水声通信信号并将其传入控制处理单元；控制处理单元用于水声信号的处理，并控制发射机进行相应的反馈；发射机用于发射反馈信息；磁罗盘在安装时要求其航向指向与对接口面的法线接***行，用于为对接***提供对接结构的方向角，使用时通过水声通信形式将方向角信息发送至AUV端的基阵。
另外，为了更好的理解本发明实施例提供的对接方法，本发明实施例还提供了USBL定位原理、SBL定位原理以及坐标系的定义。
(一)USBL定位原理
USBL水声定位***是利用应答器发射信号到达接收基阵阵元之间的时延差和测量应答器到基阵中心的斜距进行的，其定位几何原理参见图9所示，取“北东地”直角坐标系(x，y，z)。
设目标位于S处，其坐标为(x，y，z)。二个正交的直线阵，分别置于x轴和y轴上，阵的中心为坐标原点。
目标径矢为
它的方向余弦为：
其中α为目标径矢与X轴夹角，β为目标径矢与Y轴的夹角，R为斜距。α、β和R为测量值，测得这三个值即可按上述诸式计算目标的位置参数。
由于基阵的尺寸很小，可有如下近似计算公式：
式中：c——水中声速
L——阵元间距
将式(4)和式(5)代入式(1)和式(2)，得到：
式(6)和式(7)即为USBL定位解算的基本公式。
(二)UBL定位原理
SBL定位方式与USBL定位方式最大的区别就是，USBL在定位中会使用相位信息，而由于SBL基阵的阵元间距更长，直接使用基元间的时延差进行测向、定位。
(三)坐标系定义
本发明实施例涉及的各个模块的安装位置以及工作示意图参见图10所示，其中USBL定位基阵1安装于AUV头段内，构成USBL基阵坐标系，其中AUV的纵轴与基阵面的法线平行。USBL基阵坐标系定义参见图11所示，其中位于Y轴上的两个接收换能器用于判断纵倾角度偏差，位于X轴上的两个接收换能器用于判断航向角度偏差，结合时延信息，可获得对接结构在USBL基阵坐标系下的距离、垂向位置以及水平位置。参见图12所示，Z为USBL基阵坐标系下纵向距离；Y为基阵坐标系下横向距离定义。
在对接口圆盘上的四个方位上分别安装定位通信一体化的换能器3，构成对接口坐标系(也就是对接结构坐标系)，坐标系定义参见图13所示；对接口端电子舱2固定在对接结构上，通过水密电缆与换能器相连。
参见图14所示，AUV坐标系的Y轴即AUV载体的纵轴，由艉部至艏部；AUV坐标系的X轴，由左舷至右舷；Z轴向上为正。
(四)坐标系转换
本发明实施例涉及到的坐标系包括：USBL基阵坐标系、AUV坐标、地理坐标系以及对接口坐标系；由于在对接过程的不同阶段需求不同，USBL基阵坐标系、AUV坐标系、地理坐标系三者之间需要进行定位数据的坐标系转换。最原始的测量信息是堆积结构端应答器在USBL基阵坐标系上的位置，因此需要通过坐标转换得到其在AUV坐标系以及地理坐标系的位置。
地理坐标系是指空间直角坐标系经过坐标转换得到的平面直角坐标系，本***的空间直角坐标系指地心坐标系：WGS84坐标系；地理坐标系定义如下：
(1)原点——赤道和中央子午线的交点；
(2)N轴——指向正北方向；
(3)E轴——指向正东方向；
(4)U轴——指向天顶方向。
具体参见图15所示，AUV的艏部指向正北方向(这里默认AUV坐标系与INS坐标重合)。
不同坐标系之间的转换问题，包括坐标系之间的转换和基准之间的转换。根据欧拉旋转理论，几何体的任何旋转都可以用三个角度来表示，并把这三个角称之为欧拉角。
AUV坐标系与地理坐标系之间转换的三个旋转姿态角为：方位角A，纵摇角κ，横摇角
定义如下：
(1)方位角A——水平面，AUV艏向与正北方向的夹角，向东为正；
(2)纵摇角κ——X轴与水平面的夹角，从水平面起AUV艏向上为正；
(3)横摇角
——Y轴与水平面的夹角，从水平面起AUV右舷向上为正。
根据欧拉旋转理论得到AUV坐标系到地理坐标系的旋转矩阵：
其中，
同理，获得USBL基阵坐标系与AUV坐标系之间转换的三个旋转姿态角为：方位角α，纵摇角β，横摇角γ，定义如下：
(1)方位角α——AUV载体横切水平面，基阵坐标系Z轴正向与AUV艏向的夹角，顺时针旋转为正；
(2)纵摇角β——基阵坐标系Y轴与水平面的夹角，从水平面起AUV头向上为正；
(3)横摇角γ——基阵坐标系X轴与水平面的夹角，从水平面起AUV右舷向上为正。
根据欧拉旋转理论得到基阵坐标系到AUV坐标系的旋转矩阵：
其中，
本发明实施例还提供了一种水下自主航行器，具体的，该水下自主航行器包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现上述实施方式提供的任一项方法的步骤。
图16为本发明实施例提供的一种水下自主航行器的结构示意图，该电子设备100包括：处理器1600，存储器1601，总线1602和通信接口1603，所述处理器1600、通信接口1603和存储器1601通过总线1602连接；处理器1600用于执行存储器1601中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器1601可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口1603(可以是有线或者无线)实现该***网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线1602可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图16中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器1601用于存储程序，所述处理器1600在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器1600中，或者由处理器1600实现。
处理器1600可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器1600中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器1600可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器1601，处理器1600读取存储器1601中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种水下自主航行器AUV的对接方法，其特征在于，所述方法由AUV执行，所述方法包括：
获取超短基线USBL定位结果信息；其中，所述USBL定位结果信息包括对接结构发送的水声信号的相位信息和时延信息；
基于获取的所述水声信号的相位信息和时延信息，采用USBL定位解算算法计算得到所述对接结构的定位结果；
基于获取的所述水声信号的时延信息，采用短基线SBL定位解算算法计算得到所述AUV的定位结果；
根据所述对接结构的定位结果和所述AUV的定位结果，控制所述AUV与所述对接结构进行对接；
所述采用USBL定位解算算法计算得到所述对接结构的定位结果的步骤，包括：采用USBL定位解算算法计算得到所述对接结构的至少一个应答器在AUV坐标系内的位置信息，将所述对接结构的各个所述应答器在AUV坐标系内的位置信息作为所述对接结构的定位结果；
所述采用短基线SBL定位解算算法计算得到所述AUV的定位结果的步骤，包括：采用短基线SBL定位解算算法计算得到所述AUV在对接结构坐标系内的位置信息，将所述AUV在对接结构坐标系内的位置信息作为所述AUV的定位结果；
所述根据所述对接结构的定位结果和所述AUV的定位结果，控制所述AUV与所述对接结构进行对接的步骤，包括：根据所述对接结构的各个所述应答器在AUV坐标系内的位置信息和所述AUV在对接结构坐标系内的位置信息控制所述AUV进行方向调整，以使所述AUV向所述对接结构坐标系的原点方向航行；根据所述相位信息和所述时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与所述对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息；根据所述夹角信息控制所述AUV与所述对接结构进行对接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述相位信息和所述时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与所述对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息的步骤，包括：
基于所述时延信息、USBL基阵中阵元间距和水中的声速，计算得到第一夹角；其中，所述第一夹角为所述USBL基阵的中心点与所述对接结构坐标系的原点的连线与所述对接结构坐标系的Z轴之间的夹角；
基于所述相位信息，采用USBL定位解算算法，计算得到所述应答器在所述USBL基阵坐标系下的位置信息；
基于计算得到的所述应答器在所述USBL基阵坐标系下的位置信息，计算得到所述对接结构坐标系的原点在所述USBL基阵坐标系下的位置信息；
基于计算得到的所述对接结构坐标系的原点在所述USBL基阵坐标系下的位置信息，计算得到第二夹角；其中，所述第二夹角为所述USBL基阵的中心点与所述对接结构坐标系的原点的连线与所述USBL基阵坐标系的Z轴之间的夹角；
基于所述第一夹角和所述第二夹角，计算得到所述USBL基阵坐标系的Z轴与所述对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述夹角信息控制所述AUV与所述对接结构进行对接的步骤，包括：
根据所述夹角信息确定航行方向；
控制所述AUV沿所述航行方向航行并与所述对接结构进行对接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取超短基线USBL定位结果信息的步骤包括：
通过USBL定位基阵接收所述对接结构的至少一个应答器发送的水声信号；
基于各个所述应答器发送的水声信号，计算得到所述水声信号的相位信息和时延信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取超短基线USBL定位结果信息的步骤之前，所述方法还包括：
通过USBL定位基阵向所述对接结构发送用于获取磁罗盘方向角信息的水声指令；
接收所述对接结构针对所述水声指令反馈的磁罗盘方向角信息；
根据所述磁罗盘方向角信息进行方向调整，以沿所述对接结构的中轴线方向航行。
6.一种AUV的对接装置，其特征在于，包括：
定位信息获取模块，用于获取超短基线USBL定位结果信息；其中，所述USBL定位结果信息包括对接结构发送的水声信号的相位信息和时延信息；
USBL定位解算模块，用于基于获取的所述水声信号的相位信息，采用USBL定位解算算法计算得到所述对接结构的定位结果；
SBL定位解算模块，用于基于获取的所述水声信号的时延信息，采用短基线SBL定位解算算法计算得到所述AUV的定位结果；
对接控制模块，用于根据所述对接结构的定位结果和所述AUV的定位结果，控制所述AUV与所述对接结构进行对接；
所述USBL定位解算模块还用于：采用USBL定位解算算法计算得到所述对接结构的至少一个应答器在AUV坐标系内的位置信息，将所述对接结构的各个所述应答器在AUV坐标系内的位置信息作为所述对接结构的定位结果；
所述SBL定位解算模块还用于：采用短基线SBL定位解算算法计算得到所述AUV在对接结构坐标系内的位置信息，将所述AUV在对接结构坐标系内的位置信息作为所述AUV的定位结果；
所述对接控制模块还用于：根据所述对接结构的各个所述应答器在AUV坐标系内的位置信息和所述AUV在对接结构坐标系内的位置信息控制所述AUV进行方向调整，以使所述AUV向所述对接结构坐标系的原点方向航行；根据所述相位信息和所述时延信息，计算得到USBL基阵坐标系的Z轴与所述对接结构坐标系的Z轴之间的夹角信息；根据所述夹角信息控制所述AUV与所述对接结构进行对接。
7.一种水下自主航行器，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1至5任一项所述的方法的步骤。
8.一种水下对接***，其特征在于，包括如权利要求7所述的水下自主航行器，还包括对接结构。
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