一种观测水下潜航器相对位置的装置和系统的制作方法

本实用新型实施例涉及电子设备定位技术，尤其涉及一种观测水下潜航器相对位置的装置和系统。

背景技术：

水下潜航器在入水之后，操作者无法在水面上直观观察到水下潜航器所处位置和姿态，因此无法有效操作水下潜航器向预期位置运动。

由于无线电波信号不能够在海水中传播而声波信号在水中具有很好的传播特性，目前的技术均是在一定工作区域内部署多个声波辅助定位装置，形成定位网络，然后计算目标物体与定位装置间的距离，再将深度数据、角度数据融合进行计算，从而得到目标物体在定位网络中的相对位置。

但是，现有技术中，基于声波的得到相对位置需要部署辅助设备、锁定工作区域，集成度低且价格较高。

技术实现要素：

本实用新型提供一种观测水下潜航器相对位置的装置和系统，以实现操作者可以在水面上准确测量和观察水下潜航器的相对位置，同时降低测量设备的价格和提高设备的集成度。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种观测水下潜航器相对位置的装置，包括声学测量模块、定位模块、惯性测量模块和控制处理模块，其中：

所述声学测量模块，用于检测水下潜航器的位置，并输出第一数据；

所述定位模块，设置在浮标中继上，用于确定浮标中继的位置，并输出第二数据；

所述惯性测量模块，设置在水下潜航器上，用于检测水下潜航器的运动状态，并输出第三数据；

所述控制处理模块，与所述声学测量模块、所述惯性测量模块和所述定位模块的输出端连接，用于接收所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，并对接收的数据进行处理，得到第一位置信息。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种观测水下潜航器相对位置的系统，包括通信模块、交互控制模块、显示模块和外部输入模块，还包括本实用新型任意实施例所提供的观测水下潜航器相对位置的装置；其中，

所述通信模块，与所述控制处理模块输出端连接，用于接收所述水下潜航器的相对位置信息和姿态信息并输出；

所述交互控制模块，与所述显示模块输入端连接，用于接收所述通信模块输出的相对位置信息和姿态信息，并传输至所述显示模块对所述水下潜航器的相对位置和/或姿态进行显示；

所述交互控制模块，还与所述外部输入模块连接，用于通过所述外部输入模块输入控制指令，并将控制指令传送到通信模块，进一步传送到所述控制处理模块，通过所述控制处理模块控制水下潜航器运动。

本实用新型实施例所提供的观测水下潜航器相对位置的装置，解决了水下潜航器在入水之后，操作者无法在水面上直观观察到水下潜航器所处位置和姿态，无法有效操作水下潜航器向预期位置运动的问题，实现了准确和方便地显示控制水下潜航器相对位置和姿态的效果。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中观测水下潜航器相对位置的装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例一中观测水下潜航器相对位置的装置的声学测量模块和定位模块结构示意图。

图3a是本实用新型实施例一中观测水下潜航器相对位置的装置的惯性测量模块结构示意图。

图3b是本实用新型实施例一中观测水下潜航器相对位置的装置的控制处理模块结构示意图。

图4是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统结构示意图。

图5a是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统的通信方式结构示意图。

图5b是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统的通信方式结构示意图。

图5c是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统的通信方式结构示意图。

图6a是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统的2D图形显示相对位置的结构示意图。

图6b是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统的2D图形显示相对位置的结构示意图。

图7a是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统的3D图形显示相对位置的结构示意图。

图7b是本实用新型实施例二中观测水下潜航器相对位置的系统的3D图形显示姿态的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的观测水下潜航器相对位置的装置结构示意图，本实施例的观测水下潜航器相对位置的装置可适用于存在对水下潜航器直观观察相对位置和姿态的情况。

如图1所示，观测水下潜航器相对位置的装置包括：声学测量模块110、定位模块120、惯性测量模块130和控制处理模块140，其中：声学测量模块110，用于检测水下潜航器的位置，并输出第一数据；定位模块120，设置在浮标中继上，用于确定浮标中继的位置，并输出第二数据；惯性测量模块130，设置在水下潜航器上，用于检测水下潜航器的运动状态，并输出第三数据；控制处理模块140，与所述声学测量模块110、所述定位模块120和所述惯性测量模块130的输出端连接，用于接收所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，并对接收的数据进行处理，得到第一位置信息。

具体的，水下潜航器通过声学测量模块110检测到所述水下潜航器的位置，并输出第一数据至控制处理模块140。例如所述水下潜航器的位置可以是水下潜航器与浮标中继之间的距离和方位角度等。定位模块120设置在一个浮标中继上，可以通过定位模块120的定位功能对浮标中继的位置进行确定，进而获取该浮标中继的位置信息，并输出第二数据至控制处理模块140。例如浮标中继的位置信息可以是浮标中继的运动距离信息和速度信息等。当确定了浮标中继的位置信息时，设置在浮标中继上的其它单元、模块和部件等的位置信息同时也可以确定，进而浮标中继可以作为一个参考位置。同时水下潜航器还可以通过惯性测量模块130检测水下潜航器的运动状态，获取水下潜航器的运动信息，并输出第三数据至控制处理模块140。例如水下潜航器的运动信息可以是水下潜航器的线运动信息、角运动信息、下潜深度信息和航向信息等，具体可以是三维加速度、三维角速度、下潜深度和航行方向等。控制处理模块140可以是微控制处理器，例如STM32系列的微控制处理器芯片等，用于接收第一数据、第二数据和第三数据进行处理，并输出第一位置信息。例如第一位置信息可以是水下潜航器相对于水下潜航器初始位置的相对位置信息和姿态信息，进一步地可以具体包括水下潜航器与水下潜航器初始位置的距离、角度、下潜深度、航向和姿态等。同时所述水下潜航器的初始位置可以为浮标中继的初始位置。

本实施例提供的观测水下潜航器相对位置的装置，能够通过该装置输出水下潜航器的相对位置信息和姿态信息，解决了水下潜航器在入水之后，操作者不能快速准确获取水下潜航器所处位置和姿态的问题，达到了准确和方便地输出水下潜航器相对位置和姿态信息的效果。

优选地，在上述技术方案的基础上，如图2所示，声学测量模块110包括应答单元211和基阵单元212。基阵单元212包括至少3个换能器，换能器之间可以呈现一个固定角度形状装入一个部件组成基阵单元211，并设置在水下潜航器的载体上，用于发射询问信号和接收应答单元211发射的应答信号，同时基阵单元212坐标系和水下潜航器坐标系的关系需要在设置基阵单元212时精确地计算。应答单元211用于接收基阵单元212发射的询问信号和发射应答信号，应答单元211和定位模块120同时设置在一个浮标中继100的载体上，这样通过定位模块120可以确定应答单元211和浮标中继100的位置，进一步的得到应答单元211和浮标中继100的位置信息和定位模块120获取的第二位置信息也相同。基阵单元212中的一个换能器可以发射询问信号，而应答单元211可以接收基阵单元212发射的询问信号并发出应答信号，同时基阵单元212的换能器也可以接收应答单元211发射的应答信号，进一步可以计算不同换能器接收应答单元211发射应答信号之间的相位差和计算基阵单元212发射询问信号并接收应答单元211发射的应答信号的传递时间，并作为第一数据输出至控制处理模块140进行处理。

优选地，在上述技术方案的基础上，浮标中继100的初始位置为水下潜航器的初始位置，浮标中继100上设置的定位模块120可以输出第二数据。所述第二数据包括浮标中继100的位置信息和速度信息，也可以具体为应答单元211的位置信息和速度信息，从而可以进一步确定应答单元211此刻的位置信息，然后再根据声学测量模块110确定的第二数据计算基阵单元212与应答单元211之间的距离信息和方位角度信息，更进一步计算基阵单元212与应答单元211初始位置之间的距离信息和角度信息，即水下潜航器的此刻位置与水下潜航器初始位置之间的距离信息和方位角度信息，在这里水下潜航器此刻的位置与水下潜航器初始位置之间的距离信息和方位角度信息是未经过控制处理模块140校正处理的位置信息，即第二位置信息。

优选地，在上述技术方案的基础上，定位模块120可以是GPS定位模块，也可以是其它相关的定位技术，包括中国的北斗导航卫星定位系统、美国全球定位系统、俄罗斯全球导航卫星系统和欧洲伽利略导航系统等相关的定位技术。

优选地，在上述技术方案的基础上，如图3a所示，惯性测量模块130包括加速度检测单元331、角速度检测单元332、深度检测单元333和航向检测单元334。加速度检测单元331上至少包含一个三轴加速度传感器，用于获取水下潜航器的线运动信息，例如水下潜航器的线运动信息可以是水下潜航器的三维加速度；角速度检测单元332上至少包含一个三轴角速度传感器，用于获取水下潜航器的角运动信息，例如水下潜航器的角运动信息可以是水下潜航器的三维角速度；深度检测单元333至少包含一个深度检测传感器，用于获取水下潜航器的下潜深度信息；航向检测单元334至少包含一个磁罗盘，用于获取水下潜航器的航向信息，并校正角速度检测单元332获取的角运动信息。根据惯性测量模块130获取的线运动信息、角运动信息、下潜深度信息、航向信息、校正后的角运动信息作为第三数据输出至控制处理模块140，控制处理模块140用于根据所述线运动信息、角运动信息、下潜深度信息、航向信息、校正后的角运动信息进行处理，确定水下潜航器的线运动状态、角运动状态、下潜状态和航向状态。

优选地，在上述技术方案的基础上，如图3a所示，控制处理模块140包括数据融合单元341和控制单元342，其中，数据融合单元341，用于对第一数据、第二数据和第三数据进行解算、融合校正和滤波处理，得到第一位置信息；控制单元341，用于控制数据融合单元341接收第一数据、第二数据和第三数据，并输出数据融合单元341处理后的第一位置信息。

优选地，在上述技术方案的基础上，如图3b所示，控制处理模块140对数据的控制处理具体包括：首先控制单元342控制数据融合单元341接收第一数据、第二数据和第三数据。例如第一数据可以是声学测量模块110获取的基阵单元212中不同换能器接收应答单元211发射的应答信号之间的相位差信息和基阵单元211发射询问信号并接收应答单元211发射的应答信号的时间信息；第二数据可以是定位模块120获取的浮标中继100的距离信息和速度信息，即应答单元211的距离信息和速度信息；第三数据可以是惯性测量模块130获取的水下潜航器的线运动信息、角运动信息、下潜深度信息、航向信息和校正后的角运动信息等。其次数据融合单元341中的位置计算子单元3411和姿态计算子单元3413根据声学测量模块110获取的第一数据计算基阵单元212与应答单元211之间的角度信息和距离信息，即水下潜航器与浮标中继之间的100之间的距离信息和角度信息，并结合定位模块120获取的第二数据进一步计算水下潜航器的第二位置信息，即声学测量模块110获得的水下潜航器此刻位置与水下潜航器初始位置之间的相对位置信息和姿态信息；同时数据融合单元341中的位置计算子单元3411和姿态计算子单元3413还可以根据惯性测量模块130获取的第三数据计算水下潜航器的速度信息，并结合定位模块120获取的水下潜航器的初始位置进一步计算水下潜航器与水下潜航器初始位置之间的距离信息和角度信息，进而确定水下潜航器的第三位置信息，即惯性测量模块130获得的水下潜航器此刻位置与水下潜航器初始位置之间的相对位置信息和姿态信息；然后数据融合单元341中的位置校正子单元3412和姿态校正子单元3414接收第二位置信息和第三位置信息，并对第二位置信息和第三位置信息进行融合校正，得到校正后的位置信息；最后通过数据融合单元341中的滤波处理子单元3415对校正后的位置信息进行滤波处理，进而得到第一位置信息并输出至控制单元342。例如滤波处理子单元3415可以采用卡尔曼滤波法对校正后的位置信息进行滤波处理得到第一位置信息；第一位置信息包括控制处理模块处理后的水下潜航器此刻位置与水下潜航器初始位置之间的相对位置信息和姿态信息，具体包括水下潜航器此刻位置与水下潜航器初始位置之间距离信息、角度信息、下潜深度信息、航向信息和姿态信息。

其中，第二位置信息包括根据声学测量模块110和定位模块120获取的所述水下潜航器与所述水下潜航器初始位置之间的距离信息、角度信息和深度信息；第三位置信息包括根据惯性测量模块130获取的水下潜航器与所述水下潜航器初始位置之间的距离信息、角度信息、深度信息、姿态信息和航向信息；第一位置信息包括根据所述控制处理模块140处理后的所述水下潜航器与所述水下潜航器初始位置之间的距离信息、角度信息、下潜深度信息、姿态信息和航向信息，即水下潜航器的相对位置信息和姿态信息。

实施例二

图4为本实用新型实施例二提供的观测水下潜航器相对位置的系统结构示意图，本实施例的门观测水下潜航器相对位置的系统可适用于存在对水下潜航器直观观察相对位置和姿态的情况。

如图4所示，观测水下潜航器相对位置的系统，包括通信模块、交互控制模块、显示模块和外部输入模块，还包括本实用新型任意实施例所提供的观测水下潜航器相对位置的装置；其中，声学测量模块110、定位模块120、惯性测量模块130和控制处理模块140，其中：声学测量模块110，用于检测水下潜航器的位置，并输出第一数据；定位模块120，设置在浮标中继上，用于确定浮标中继的位置，并输出第二数据；惯性测量模块130，设置在水下潜航器上，用于检测水下潜航器的运动状态，并输出第三数据；控制处理模块140，与所述声学测量模块110、所述定位模块120和所述惯性测量模块130的输出端连接，用于接收所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，并对接收的数据进行处理，得到第一位置信息；通信模块150与控制处理模块140输出端连接，用于接收水下潜航器相对于水下潜航器初始位置的距离信息、角度信息、深度信息、姿态信息和航向信息，即水下潜航器的相对位置信息和姿态信息，并输出至交互控制模块160；交互控制模块160与显示模块170的输入端连接，用于接收通信模块150输出的水下潜航器的相对位置信息和姿态信息，并通过显示模块170显示水下潜航器的相对位置和姿态；同时交互控制模块160还与外部输入模块180连接，用于通过外部输入模块180输入控制指令，并将控制指令传送到通信模块150，进一步传送到控制处理模块140，通过控制处理模块140控制水下潜航器的运动。

具体的，水下潜航器通过声学测量模块110检测到所述水下潜航器的位置信息，并输出第一数据至控制处理模块140。例如所述水下潜航器的位置信息可以是距离信息和方位角度信息等。定位模块120设置在一个浮标中继上，可以通过定位模块的定位功能对浮标中继的位置进行确定，进而获取该浮标中继的位置信息，并输出第二数据至控制处理模块140。例如浮标中继的位置信息可以是浮标中继的运动距离信息和速度信息等。当确定了浮标中继的位置信息时，设置在浮标中继上的其他单元、模块和部件等的位置信息也可以确定，进而浮标中继可以作为一个参考位置。同时水下潜航器还通过惯性测量模块130检测水下潜航器的运动状态，获取水下潜航器的运动信息，并输出第三数据至控制处理模块140。例如水下潜航器的运动信息可以是线运动信息、角运动信息、下潜深度信息和航向信息等，具体可以是三维加速度、三维角速度、下潜深度和航行方向等。控制处理模块140可以是微控制处理器，例如STM32系列的微控制处理器芯片等，用于接收第一数据、第二数据和第三数据进行处理，并输出第一位置信息。例如第一位置信息可以是水下潜航器相对于水下潜航器初始位置的相对位置和姿态，进一步地可以具体为水下潜航器相对于水下潜航器初始位置的距离、角度、下潜深度和姿态等。通信模块150用于接收控制处理模块150输出的第一位置信息，并将第一位置信息输出至交互控制模块160。例如通信模块150可以是无线蓝牙模块、无线WIFI模块等，通信模块可以包括第一通信模块和第二通信模块，第一模块设置在浮标中继100上并通过通讯缆绳与控制处理模块140连接，用于进行位置信息的传输。交互控制模块160与显示模块170的输入端连接，用于接收通信模块150输出的水下潜航器的相对位置信息和姿态信息，并通过显示模块170显示水下潜航器的相对位置和姿态；同时交互控制模块160还与外部输入模块180连接，用于通过外部输入模块180输入控制指令，并将控制指令传送到通信模块150，进一步传送到控制处理模块140，通过控制处理模块140控制水下潜航器的运动。

本实施例提供的观测水下潜航器相对位置的系统，通过观测水下潜航器相对位置的装置输出水下潜航器的相对位置信息和姿态信息，并将水下潜航器的相对位置信息和姿态信息传输至显示模块进行直观地显示，解决了水下潜航器在入水之后，操作者无法在水面上直观观察到水下潜航器所处位置和姿态的问题，达到了准确和方便地输出水下潜航器相对位置和姿态信息的效果。

优选地，在上述各个实施例的基础上，如图5a所示，观测水下潜航器相对位置的系统中通信模块的通信方式可以是半有缆方式。半有缆方式即水下潜航器190通过通讯缆绳200与浮标中继100连接，用于通过通讯缆绳200将水下潜航器的位置信息传输至浮标中继100，同时无线通信模块设置在浮标中继100上，然后以无线通信方式300与交互控制模块连接，并将位置信息以无线方式传输至交换控制模块，进而传输至显示模块170进行显示。

优选地，在上述各个实施例的基础上，如图5b所示，观测水下潜航器相对位置的系统中通信模块的通信方式可以是有缆方式。有缆方式即水下潜航器190通过通讯缆绳200与交互控制模块160连接，位置信息由水下潜航器190通过通讯缆绳200直接传输至交互控制模块160，进而传输至显示模块170进行显示。

优选地，在上述各个实施例的基础上，如图5c所示，观测水下潜航器相对位置的系统中通信模块的通信方式可以是无缆方式。无缆方式即水下潜航器190通过无线通信方式300与交互控制模块160连接，位置信息由水下潜航器190通过无线通信方式300直接传输至交互控制模块160，进而传输至显示模块170进行显示。

优选地，在上述各个实施例的基础上，水下潜航器的相对位置信息给出了相对于水下潜航器初始位置的位置信息，其中包括距离信息、方位角度信息、下潜深度信息，姿态包括水下潜航器的姿态信息。如图6a所示,显示模块采用2D图形显示水下潜航器位置620相对于水下潜航器初始位置610的位置关系，即水下潜航器与初始位置之间的距离和角度，通过限定显示半径630(即确定比例尺)来正确显示相对位置，同时可以在显示模块中显示水下潜航器位置620相对于水下潜航器初始位置610的下潜深度信息。如图6b所示,显示模块采用2D图形显示水下潜航器位置620相对于水下潜航器初始位置610的位置关系时，还可以通过在显示半径630范围内设定多个显示半径即设置多比例尺来更好的显示相对位置，多比例尺的显示半径包括显示半径640和显示半径650，例如显示半径640的半径为500米，显示半径650的半径为100米。

优选地，在上述各个实施例的基础上，如图7a所示，显示模块采用3D图形显示水下潜航器相对位置时，显示模块通过3D图形绘制方式以初始位置为坐标原点根据相对位置坐标绘制水下潜航器的相对位置，即水下潜航器的相对位置为水下潜航器(x,y,z)。如图7b所示，给定水下潜航器初始航向信息，此航向由水下潜航器负责记录，例如，通过解锁操作除法水下潜航器记录当前航向作为初始航向。在调整姿态运行过程中，由水下潜航器发送姿态信息给交互控制模块160和显示模块170，其中航向信息可以是经过初始航向校正的相对航向(可直接用于显示)，也可以是发送原始航向并同时发送初始航向(由数据融合单元341校正后显示)。显示模块170通过3D图形绘制姿态信息，即将姿态信息以3D图形形式绘制显示，直观真实的显示机器人水下姿态。

优选地，在上述各个实施例的基础上，3D绘制方式并不局限于图7b的拟物形式，也可采用更加抽象或更具有科技感的方式，但其根本是使用3D绘图方式来直观的表征水下潜航器姿态。在给定初始航向时，如果水下潜航器航向与操作终端朝向相同，则操作人员可以直观的通过3D图形中机头朝向来判定水下潜航器是远离还是接近操作终端。并且在操作终端移动朝向后，可以通过再次给定初始航向来校正水下潜航器相对航向。

实施例三

本实用新型实施例三提供了一种观测水下潜航器相对位置的方法，该方法可以采用本实用新型任意实施例所提供的观测水下潜航器相对位置的装置来执行,该方法包括：

根据声学测量模块110、定位模块120和所述惯性测量模块130检测分别获取第一数据、第二数据和第三数据；

控制处理模块140接收第一数据、第二和第三数据，并通过数据融合单元341对第一数据、第二数据和第三数据进行解算、融合校正和滤波处理，得到处理后的第一位置信息。

本实施例提供的观测水下潜航器相对位置的方法可以获取水下潜航器的相对位置信息和姿态信，解决了水下潜航器在入水之后，操作者无法获得水下潜航器所处位置和姿态的问题，达到了准确和方便地输出水下潜航器相对位置和姿态信息的效果。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。