葉連鳳，周迪鋒

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌 443000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，世界主要大國(guó)將目光投向資源豐富的海洋。各國(guó)加大了對(duì)海洋勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的投入，其中以UUV技術(shù)尤為矚目。目前，UUV主要包括有纜ROV或者無(wú)纜AUV。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，UUV在水下工作時(shí)，很可能會(huì)遭遇通訊中斷的情況，導(dǎo)致母船工作人員失去對(duì)UUV的跟蹤，因此，一般在UUV上安裝有信標(biāo)定位裝置，以便在應(yīng)急情況下，獲取UUV在水下位置。本文提出了一種安裝在UUV上的水下定位信標(biāo)裝置。

1 技術(shù)參數(shù)

1.1 主要功能

（1）最大工作水深：300米；

（2）最大定位距離（斜距）：1 200米，定位精度優(yōu)于5‰斜距；

（3）具有兼容聲觸發(fā)和電觸發(fā)兩種工作模式的功能；

（4）在無(wú)外部電源供電情況下，可由充電電池供電正常工作，工作時(shí)間≥24 h。

1.2 物理參數(shù)

（1）最大外形尺寸：φ60 mm×100 mm；

（2）空氣中重量：2 kg，水中重量：1.5 kg。

2 主要組成

水下定位信標(biāo)裝置主要由聲學(xué)換能器、信號(hào)處理電路板、電池和水密殼體四部分組成。聲學(xué)換能器主要實(shí)現(xiàn)電聲和聲電的信號(hào)轉(zhuǎn)換。信號(hào)處理板用來(lái)處理接收到的聲信號(hào)。電池是維持水下定位信標(biāo)裝置電路正常工作的能源。水密殼體為整個(gè)裝置提供一個(gè)水密空間，能承受水壓作用。

信號(hào)處理板作為核心部件，本文對(duì)其做主要介紹。其由收發(fā)合置開(kāi)關(guān)、發(fā)射模塊、接收機(jī)采集模塊、深度測(cè)量模塊、守時(shí)模塊、處理器模塊機(jī)、外設(shè)與接口模塊、電源管理模塊等組成，見(jiàn)圖1。

圖1 信號(hào)處理板組成框圖

信號(hào)處理電路板對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真放大濾波和數(shù)字化之后送給處理器模塊。深度測(cè)量模塊包括壓力傳感器和壓力采集器，采集深度數(shù)據(jù)并送給處理器模塊，實(shí)現(xiàn)標(biāo)示器的深度測(cè)量。守時(shí)模塊包括高精度時(shí)鐘及校準(zhǔn)算法，接收GPS時(shí)間信息和秒脈沖，自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行同步對(duì)時(shí)和糾偏，實(shí)現(xiàn)標(biāo)示器和定位系統(tǒng)的同步。處理器模塊是標(biāo)示器的核心，它控制各個(gè)模塊完成相應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、同步管理、詢(xún)問(wèn)信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)、與計(jì)算機(jī)通信等功能。電源管理模塊包括電源變換、UPS電池和電源監(jiān)測(cè)，為各個(gè)模塊提供了高效的電源，內(nèi)置的UPS電池保證標(biāo)示器在沒(méi)有外接電源的情況下能正常工作。

2.1 接收機(jī)模塊設(shè)計(jì)

水聲信道具有多途效應(yīng)強(qiáng)、環(huán)境噪聲高、傳輸損耗大、頻帶資源極為有限等特性，從而使水聲信號(hào)經(jīng)歷時(shí)間和頻率選擇性衰落，導(dǎo)致了嚴(yán)重的碼間干擾和信號(hào)衰落[3]。信號(hào)經(jīng)水聲信道傳輸后，其信號(hào)幅度是十分微弱的，而且?jiàn)A雜著噪聲，因此，要想從噪聲中提取出有用信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)理是必不可少的。接收機(jī)的作用就是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)理。本系統(tǒng)接收機(jī)主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波，使信號(hào)的帶寬限制在需要的范圍內(nèi)，并使信號(hào)的幅度與ADC采集器的量程相匹配。經(jīng)過(guò)以上處理后，信號(hào)被送入采樣保持器進(jìn)行采樣，然后被模／數(shù)轉(zhuǎn)換器量化；量化后的數(shù)據(jù)送入處理器模塊以供處理。接收機(jī)模塊框圖如圖2所示。

圖2 接收機(jī)框圖

2.2 發(fā)射級(jí)模塊設(shè)計(jì)

為了提高發(fā)射機(jī)的效率，采用了D類(lèi)功率放大器，發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

發(fā)射機(jī)可以分成驅(qū)動(dòng)級(jí)、功率放大級(jí)和匹配網(wǎng)絡(luò)。輸出脈沖信號(hào)直接由處理機(jī)（DSP）生成，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)級(jí)去驅(qū)動(dòng)功放管的開(kāi)關(guān)，以提高發(fā)射機(jī)的輸出功率。匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了換能器和功率放大器之間的阻抗匹配，同時(shí)提高了整個(gè)發(fā)射機(jī)的效率。

2.3 電源管理模塊設(shè)計(jì)

由于水下定位信標(biāo)裝置在沒(méi)有外部電源時(shí)，采用了UPS電池供電，因此對(duì)功耗的要求很?chē)?yán)，電壓管理電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功耗。除了選用低功耗器件以降低功耗外，電源的轉(zhuǎn)換效率也是影響系統(tǒng)功耗的一個(gè)重要因素，因此在本設(shè)計(jì)中大量采用了高轉(zhuǎn)換效率的開(kāi)關(guān)電源。為了提高整個(gè)電源的使用效率以延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間，系統(tǒng)采用了單電源工作模式，由多節(jié)聚合物鋰電池串并聯(lián)供電。單電源供電方便了電源管理，同時(shí)只需要一個(gè)充電接口，降低了系統(tǒng)和充電器的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖3 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 處理器模塊設(shè)計(jì)

處理器模塊核心由一塊DSP組成，是整個(gè)水聲定位信標(biāo)裝置的系統(tǒng)中樞，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集、電源狀態(tài)檢測(cè)、發(fā)射機(jī)控制、完成內(nèi)外同步等功能。主控DSP選用了Blackfin533，Blackfin533是ADI公司推出的高性能、低功耗的新一代DSP處理器．采用ADI與Intel共同開(kāi)發(fā)的MSA(微信號(hào)結(jié)構(gòu))體系結(jié)構(gòu)[4]，主頻高達(dá)600 MHz[5]。其主要特點(diǎn)如下：（1）16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)最高600 MHz的持續(xù)工作；（2）2個(gè)16位乘法累加器（MAC），2個(gè)40位算術(shù)邏輯單元（ALU），在600 MHz速度下，可達(dá)到1.2 GMACS的運(yùn)算速度；（3）靈活的軟件控制動(dòng)態(tài)電源管理，支持4種運(yùn)行模式；（4）SRAM組成其中1個(gè)16 kB可配置成Cache；（5）內(nèi)存管理單元提供內(nèi)存保護(hù)。

2.5 深度測(cè)量模塊

系統(tǒng)采用水密壓力傳感器控制系統(tǒng)發(fā)射，構(gòu)成壓力開(kāi)關(guān)。當(dāng)超過(guò)規(guī)定深度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入聲脈沖發(fā)射狀態(tài)。深度數(shù)據(jù)采集是對(duì)壓力傳感器輸出的深度信息（電壓）進(jìn)行采集。這里選用了A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8320，它是一款16bit低功耗的A/D轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)SPORT1和DSP相連。ADS8320具有同步串行SPI接口，因而占用微處理器的端口較少，其差動(dòng)輸入信號(hào)范圍為500 mV～VCC(工作電源)；采用8引腳MSOP小體積封裝?；谝陨咸攸c(diǎn)ADS8320非常適用于便攜式電池供電系統(tǒng)[6]。

3 樣機(jī)定位驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，加工出了試驗(yàn)樣機(jī)并對(duì)其定位距離及精度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。將水下定位信標(biāo)裝置布放到水底，定位系統(tǒng)安裝在躉船的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，試驗(yàn)過(guò)程水平旋轉(zhuǎn)定位基陣一圈。試驗(yàn)過(guò)程中大地坐標(biāo)系下基陣與信標(biāo)的相對(duì)位置情況如下所示，其中紅色的點(diǎn)代表基陣的實(shí)時(shí)軌跡，黑色的點(diǎn)代表聲信標(biāo)的真實(shí)位置。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，加工出了試驗(yàn)樣機(jī)并對(duì)其定位距離及精度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。將水下定位信標(biāo)裝置布放到水底，定位系統(tǒng)安裝在躉船的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，試驗(yàn)過(guò)程水平旋轉(zhuǎn)定位基陣一圈。試驗(yàn)過(guò)程中大地坐標(biāo)系下基陣與信標(biāo)的相對(duì)位置情況如圖4所示，其中紅色的點(diǎn)代表基陣的實(shí)時(shí)軌跡，黑色的點(diǎn)代表聲信標(biāo)的真實(shí)位置。

圖4 大地坐標(biāo)系下基陣和信標(biāo)的真實(shí)位置

定位系統(tǒng)測(cè)量得到的聲信標(biāo)斜距如圖5所示。圖5、圖6中的紅色點(diǎn)代表測(cè)量得到的聲信標(biāo)位置（即定位結(jié)果），藍(lán)色菱形點(diǎn)代表定位結(jié)果收斂中心點(diǎn)，外圍圓圈是以信標(biāo)真值位置為圓心、以25 m為半徑畫(huà)出的圓。

圖5 定位系統(tǒng)測(cè)量得到的目標(biāo)斜距

圖6 大地坐標(biāo)系下聲信標(biāo)定位結(jié)果

上述結(jié)果圖均是以水下定位信標(biāo)裝置的真值位置作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原點(diǎn)。對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到如下結(jié)果：定位數(shù)據(jù)共802點(diǎn)，有效數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)795點(diǎn)，檢測(cè)概率為99.1%，有效定位數(shù)據(jù)的均方根誤差為4.79 m，收斂中心點(diǎn)與水下定位信標(biāo)裝置真值位置之間的偏差為：0.5 m。試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足指標(biāo)要求：有效距離不小于1 000 m，定位精度優(yōu)于5‰斜距。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于水下機(jī)器人的水下定位信標(biāo)定位裝置。從方案上論述了信標(biāo)定位裝置的實(shí)現(xiàn)途徑。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，加工出了試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了水下定位距離及精度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該型水下定位裝置設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)要求，為下一步在水下機(jī)器人上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。