趙 旭, 陳亞林, 張 奎

?

基于FPGA的高精度水下對接聲導引技術

趙 旭, 陳亞林, 張 奎

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

隨著現(xiàn)代海洋技術的不斷發(fā)展, 無人水下航行器(UUV)水下對接技術成為近年來研究的熱點問題。在水下對接系統(tǒng)中, 聲導引技術作用距離遠但精度低, 光導引技術精度高但作用距離近。文中提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的高精度水下對接聲導引技術, 可以實現(xiàn)從較遠距離以聲導引的方式高精度導引至光導引的作用距離內。通過仿真試驗與消聲水池試驗驗證結果表明, 該方法可以提供可靠有效的導引數(shù)據(jù), 滿足精度要求, 可為水下對接系統(tǒng)設計提供參考。

無人水下航行器; 水下對接; 導引; 高精度; 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)

0 引言

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

20世紀90年代, 國內外涌現(xiàn)了十幾種水下對接系統(tǒng), 根據(jù)對接協(xié)作目標的結構要求可以分為全方位對接和單一方向對接[4-5]。全方位對接系統(tǒng)[6]結構復雜, UUV改造部分較多, 而單一方向對接[7], 對接裝置常采用圓錐形結構, 具有對UUV保護作用, 防止海洋生物滋生及海流干擾, 且對接器和UUV上用于對接的輔助結構相對簡單, 但需要在對接過程中實時獲知對接器的位置和姿態(tài)。

UUV要實現(xiàn)對接功能, 必須實時測量其與對接器的距離、方位和深度信息。根據(jù)傳感器的原理不同, 現(xiàn)階段國外UUV采用的對接傳感器有3類: 聲學傳感器、光學傳感器和電磁傳感器[8-10]。UUV使用的聲學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USBL的作用距離遠(大于2 000 m), 受到的環(huán)境影響相對較小, 因此國外大多數(shù)UUV對接技術都采用USBL作為其主要對接導航定位方式。光學傳感器在UUV對接技術中的使用有其獨特的優(yōu)勢與特點, 其近距離探測精度能達到厘米級, 特別適用于入口較小的對接裝置。電磁傳感器[5]克服了光學傳感器易受干擾的缺點, 且對接精度也較高。

在對接過程中, 當UUV導引至對接器較近距離(100 m內), 此時需要更為精確的方位信息, 但是光學傳感器達不到這么遠的作用距離, 依然只能依靠聲學傳感器。在這種情況下, 文中提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)的末程聲導引實現(xiàn)方法, 將UUV精確導引至光學傳感器導引作用范圍內。在UUV導引至對接器近距離范圍時, 對接器上2個水平位置的換能器分時發(fā)射聲信號, UUV根據(jù)接收到聲信號的時間關系判別對接器當前所處的水平方位, 垂直方位信息可以通過2個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

對接器呈圓錐形結構, 對接口左右兩側各有一個發(fā)射換能器, 兩換能器處于同一水平位置, 2個換能器和對接口處于同一平面。對接口及2個發(fā)射換能器分布位置的截面如圖1所示。

UUV的結構可以看作是迷你型魚雷, 最前端為頭段接收機。在UUV的信號接收端, 每個發(fā)射換能器的信號進入獨立通道, 接收端數(shù)字機接收信號。接收端的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

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

2 實現(xiàn)與仿真

方案中對接器的發(fā)射信號和UUV數(shù)字機計算時延均由FPGA完成, 試驗中選擇的FPGA芯片為XILINX公司的Spartan-6系列, 系統(tǒng)時鐘為100 MHz。

圖4 單周期發(fā)射信號仿真圖

Fig. 4 Simulation diagram of transmitting signal in single period

此外, 程序對防抖賦值后的信號做了脈寬檢測。聲信號在水中傳播時, 由于受到反射、混響等因素的影響, 接收端會收到一些相同載頻的窄脈沖信號, 這無疑會干擾上升沿的檢測。因此, 當檢測到上升沿時, 程序不會立刻認定其為有效信號, 而是先檢測脈寬, 如果脈寬能達到3 ms的門限, 程序才會認定其為有效到達信號。

接收端FPGA程序判斷有效到達信號的流程如圖5所示。

3 試驗驗證

試驗在消聲水池完成, 使用對接器和UUV頭段接收機展開試驗。試驗中對接器和頭段接收機均由機械臂夾持浸入水池中, 機械臂配有行程刻度且由操控臺控制移動。對接口中心和UUV接收機均處于水下2 m深度處, 對接器換能器平面距離接收機4 m遠, 對接器上水平方向的2個發(fā)射換能器間隔0.4 m遠。試驗中UUV接收機左右移動, 待接收機移動進入平穩(wěn)狀態(tài)后記錄不同相對位置的時延數(shù)據(jù), 試驗構架實施如圖7所示。

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

首先, 將接收機正對對接口中心, 此時水平時延數(shù)據(jù)理論值為0, 記錄5 s實測數(shù)據(jù), 如表1所示。

表1 對接口中心實測數(shù)據(jù)

表2 左移5 cm實測數(shù)據(jù)

表3 其他位置實測數(shù)據(jù)

由試驗結果可知, 在對接器和UUV接收機距離4 m的情況下, 實際測量的時延數(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。試驗中距離的測量和移動存在一定的系統(tǒng)誤差, 這是主要的誤差來源。方差值足夠小, 表明每次的測量值都很接近, 說明該方法可以穩(wěn)定可靠的給出時延數(shù)據(jù), 不會有奇異值出現(xiàn)。

4 結束語

文中提出了一種基于FPGA的高精度水下對接聲導引實現(xiàn)方法, 闡述了該方法的背景、原理、以及試驗驗證情況。試驗結果表明, 實際時延與理論時延的差值在微秒數(shù)量級, 對應到距離在厘米數(shù)量級, 可以為對接末程提供可靠的聲導引數(shù)據(jù)。為進一步驗證方案的可靠性, 對接器和UUV可在其他不同距離進行多組試驗, 同時測試水平方位和垂直方位的數(shù)據(jù)?？紤]到真實對接環(huán)境中聲導引數(shù)據(jù)會受到海洋環(huán)境、界面反射、多途及混響等因素的影響, 該方法的實施還需要進一步的試驗驗證。

[1] 郝保安, 孫起. 水下制導武器[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2014.

[2] 姚藍, 陳燕. 發(fā)展UUV裝備的幾個問題[J]. 聲學技術, 2011, 30(1): 1-8

Yao Lan, Chen Yan. Discussions on Development of UUV Equipment[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(1): 1-8.

[3] 燕奎臣, 吳利紅. AUV水下對接關鍵技術研究[J]. 機器人, 2007, 29(3): 267-273.

Yan Kui-chen, Wu Li-hong. A Survey on the Key Technologies

for Underwater AUV Docking[J]. Robot, 2007, 29(3): 267-273.

[4] 陳強, 張林根. 美國軍用UUV現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J]. 艦船科學技術, 2010, 32(7): 129-134.

Chen Qiang, Zhang Lin-gen. Analysis of Current Situational Development Trend of US Military UUV[J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(7):129-134.

[5] 孫現(xiàn)有, 馬琪. 美海軍UUV使命任務必要性與技術可行性分析[J]. 魚雷技術, 2010, 18(3): 231-235.

Sun Xian-you, Ma Qi. Necessity and Technical Feasibility Analysis on the Missions of Unmanned Underwater Vehicles in US Navy[J]. Torpedo Technology, 2010, 18(3): 231-235.

[6] Singh H, Bellingham J G, Hover F, et al. Docking for an Autonomous Ocean Sampling Network[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 498-514.

[7] Allen B, Austin T, Forrester N, et al. Autonomous Docking Demonstrations with Enhanced REMUS Technology[C]// Oceans 2006. Boston, MA: IEEE Press, 2006.

[8] Kawasaki T, Noguchi T, Fukasawa T, et al. “Marine Bird”, a New Experimental AUV-results of Docking and Electric Power Supply Tests in Sea Trials[J]. Oceans, 2004, 3(8): 1738-1744.

[9] Park J Y, Jun B H, Lee P M, et al. Experiment on Underwater Docking of an Autonomous Underwater Vehicle “ISiMI” Using Optical Terminal Guidance[C]//Oceans 2007-Europe. Aberdeen, UK: IEEE, 2007.

[10] Feezor M D, Sorrell F Y, Blankinship P R, et al. Autonomous Underwater Vehicle Homing/docking via Electromagnetic Guidance[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 515-521.

[11] 鄭翠娥. 超短基線定位技術在水下潛器對接中的應用研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2008.

(責任編輯: 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的高精度水下對接聲導引技術[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(1): 35-39.

2017-07-17;

2017-08-18.

趙 旭(1994-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為聲自導技術.