一种微型水下机器人运载水听器自主编队系统及控制方法与流程

本发明涉及水下精确定位并自主编队技术领域，尤其涉及一种微型水下机器人运载水听器自主编队系统及控制方法。

背景技术：

近年来，水听器的研究获得了越来越多的关注。所谓水听器，指的是将声信号转换成电信号的换能器，用来接收水中的声信号，在工业、医疗和军事等领域得到越来越广泛的应用，例如在水下的探测、通信以及海岸线监控和海洋资源的开发等。分散的水听器发挥的作用局限性大，且难以规模化管理，故在多数场合需要采用水听器阵列以实现更多的功能。然而，现有的水听器阵列多为固定结构，例如拖曳式阵列需要将所有水听器固定在缆线上，不能自主游动编队形成阵列，自由度和自主性低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种微型水下机器人运载水听器自主编队系统及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种微型水下机器人运载水听器自主编队系统，该系统包括：

一个或多个基站，用于作为位置基准，并在基站上设置超声波发射器；

多个作为阵列队长的微型水下机器人运载水听器，简称队长，并在队长上设置超声波发射器和超声波接收器；队长接收基站和相邻队长发射的超声波信号，实现定位和距离跟随；

多个作为阵列队员的微型水下机器人运载水听器，简称队员，并在队员上设置超声波接收器；队员接收相邻队长发射的超声波信号，实现对队长的距离跟随，队长和队员组成自主编队阵列。

进一步地，本发明的作为队长的微型水下机器人运载水听器，通过设置特定频率间隔，发射或接收不同的超声波频率信号；作为队员的微型水下机器人运载水听器，接收相应的超声波频率信号，实现自主定位并编队。

进一步地，本发明的队长和队员的微型水下机器人运载水听器均为矩形结构，队长的超声波接收器并排位于其行进方向一侧，队长的超声波发射器分别位于其除行进方向外的三侧；队员的超声波接收器位于其相邻的两侧上。

进一步地，本发明的基站和微型水下机器人运载水听器内部均设置有控制系统。

进一步地，本发明的基站的控制系统包括：超声波发射器、a/d转换器和微处理器，超声波发射器通过a/d转换器与微处理器连接；队长的控制系统包括：微处理器、a/d转换器、距离感应模块、两个超声波接收器和三个超声波发射器，距离感应模块、超声波发射器和超声波接收器均通过a/d转换器与微处理器连接；队员的控制系统包括：微处理器、a/d转换器和两侧共四个超声波接收器，超声波接收器均通过a/d转换器与微处理器连接。

进一步地，本发明的队长与基站之间通过距离感应模块，设置特定的距离；队长与队长之间通过距离感应模块，设置特定的距离。

进一步地，本发明的基站的超声波发射器，通过微处理器，设置特定频率的发射信号；队长的超声波发射器，通过微处理器，设置特定频率的发射信号；队长和队员的超声波接收器，通过微处理器，设置接收特定频率信号。

本发明提供一种型水下机器人运载水听器自主编队控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1-1、对于队长，判断其两个超声波接收器是否都收到特定频率范围内信号：

步骤1-1-1、若两个超声波接收器同时接收到特定频率超声波信号，则按当前方向行进或后退，直到与声源相隔特定距离；

步骤1-1-2、若两个超声波接收器没有同时接收到特定频率超声波信号，则朝着先接收的一端转向游动，直到符合1-1-1的情况；

步骤1-2、对于队长，若两个超声波接收器中只有其中一个接收到特定频率超声波信号，则朝着接收信号那端转向游动，直到两个接收器都接收到特定频率超声波信号为止，然后按步骤1-1操作；

步骤1-3、对于队长，若两个超声波接收器均未接收到信号，则微型水下机器人运载水听器自身单向旋转，直到出现步骤1-1或者步骤1-2的情况，然后按步骤1-1或者步骤1-2操作；

步骤2-1、对于队员，若两侧的两个超声波接收器共四个超声波接收器都收到特定频率范围内信号：

步骤2-1-1、若四个超声波接收器收到特定频率信号的时间都相等，则就位成功；

步骤2-1-2、若其中第一侧的两个超声波接收器同时接收到超声波信号，第二侧的两个超声波接收器没有同时收到超声波信号，则沿着第二侧先接收的一端并垂直于第一侧两个超声波连线方向游动，直到符合2-1-1的情况；

步骤2-1-3、若四个超声波接收器收到特定频率信号的时间都不相等，则将第一侧的两个超声波接收器按同1-1步骤操作，直到符合2-1-2的情况；

步骤2-2、对于队员，若两侧共四个超声波接收器中只有其中三个接收到特定频率超声波信号，则朝着两个超声波接收器都接收到信号的那一侧转向，直到四个接收器都接收到超声波信号为止，然后按步骤2-1操作；

步骤2-3、对于队员，若有两个或两个以上超声波接收器没有接收到特定频率信号，则微型水下机器人运载水听器自身单向旋转，直到符合2-1或2-2的情况，然后按步骤2-1或步骤2-2操作。

进一步地，本发明的每个队长的超声波发射器都能设置发射特定频率信号，每个队长的超声波接收器都能设置接收特定频率信号，各个队长能设置不同频率。

进一步地，本发明的每个队员的超声波接收器都能设置接收特定频率信号，各个队员能设置不同频率。

本发明产生的有益效果是：本发明的微型水下机器人运载水听器自主编队系统及控制方法，实现了多个水听器自主编队的功能，利用微型水下机器人运载水听器，采用两个超声波接收器接收声波时间差对比，进行定位和转向，操作简单，且精度较高，实现了自主对准。同时通过设置特定的超声波频率间隔，在水下自主调整游动方向形成阵列，既可以方便进行规模化管理，又不降低各个水听器之间的自由度，还能通过阵列实现更多功能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的微型水下机器人运载水听器全体编队阵列示意图。

图2是本发明实施例的队长编队原理图。

图3是本发明实施例的队长单列编队示意图。

图4是本发明实施例的队长双列交叉编队示意图。

图5是本发明实施例的队员编队原理图。

图6是本发明实施例的本发明控制系统结构框图。

图7是本发明实施例的自主对准的控制流程图。

图中：1-基站一，101-基站超声波发射器，102-基站发射特定频率超声波，2-基站二，3-队长微型水下机器人运载水听器一，301-队长超声波接收器一，302-队长发射特定频率超声波一，4-队长微型水下机器人运载水听器二，401-队长超声波接收器二，402-队长发射特定频率超声波二，5-队长微型水下机器人运载水听器三，501-队长超声波接收器三，502-队长发射特定频率超声波三，6-队长微型水下机器人运载水听器四，601-队长超声波接收器四，602-队长发射特定频率超声波四，7-队员微型水下机器人运载水听器四，701-队员超声波接收器一，702-队员超声波接收器二，8-队员微型水下机器人运载水听器四，801-队员超声波接收器三，802-队员超声波接收器四。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种微型水下机器人运载水听器自主编队系统及控制方法，用于提高水听器阵列的自由度以及规模化管理效率。

本发明实施例的微型水下机器人运载水听器自主编队系统，其基本装置包括基站，队长微型水下机器人运载水听器(以下简称队长)，队员微型水下机器人运载水听器(以下简称队员)以及内部控制系统；所述基站包括基站一1和基站二2等一个或多个基站；所述队长包括队长一3和队长二4等一个或多个队长，所述队员包括队员一7和队员二8等一个或多个队员。

所述基站一1包括超声波发射器101和发射的特定频率超声波102；所述队长一3包括位于行进方向且并排设置的超声波接收器301(a、b指两个超声波接受器)以及向除行进方向外的三侧发射特定频率超声波302；所述队员一7包括并排设置的超声波接收器701和并排设置的超声波接收器702，超声波接收器701和超声波接收器702位于所述队员一7的相邻两侧。

基站和微型水下机器人体内均设置有控制系统。对于基站，所述控制系统包括超声波发射器、a/d转换器和微处理器，其中所述超声波发射器通过a/d转换器与微处理器连接，由微处理器控制超声波发射器发射特定频率超声波；对于队长，所述控制系统包括微处理器、a/d转换器、距离感应模块、两个超声波接收器和三个超声波发射器，其中，两个超声波接收器沿行进方向并排布置，三个超声波发射器位于其除行进方向外的三侧，所述距离感应模块、超声波发射器和超声波接收器均通过a/d转换器与微处理器连接，距离感应模块检测队长是否与声源相隔特定距离，由微处理器控制超声波发射器(超声波接收器)发射(接收)特定频率超声波；对于队员，所述控制系统包括微处理器、a/d转换器和两侧共四个超声波接收器，其中，超声波接收器位于其相邻两侧，所述超声波接收器均通过a/d转换器与微处理器连接，由微处理器控制超声波接收器接收特定频率超声波。

如图3和图4所示，通过设置特定信号频率间隔，一个基站可对准一列队长，两个基站可对准两列队长且可形成交叉式。如图5所示，通过设置接收特定频率信号，每两个队长延长线交叉处可就位一个队员。

如图2所示的基站超声波发射器101发射出n1(n1为常数)频率的超声波102，则队长一3的超声波接收器301接收频率为n1的超声波102并自主对准基站一1，包括以下步骤：

步骤1-1、若两个超声波接收器都收到特定频率范围内信号：

步骤1-1-1、若两个超声波接收器同时接收到特定频率超声波信号，则按当前方向行进或后退，直到与声源相隔特定距离；

步骤1-1-2、若两个超声波接收器没有同时接收到特定频率超声波信号，则朝着先接收的一端转向游动，直到符合步骤1-1-1的情况；

步骤1-2、若两个超声波接收器中只有其中一个接收到特定频率超声波信号，则朝着接收信号那端转向游动，直到两个接收器都接收到特定频率超声波信号为止，然后按步骤1-1操作；

步骤1-3、若两个超声波接收器均未接收到信号，则微型水下机器人运载水听器自身单向旋转，直到出现步骤1-1或者步骤1-2的情况，然后按步骤1-1或者步骤1-2操作。

同时，队长一3的三侧发射出n2(n2为常数)频率的超声波信号302，队长二4的超声波接收器401接收频率为n2的超声波302并自主对准队长一3，步骤同1-1，1-2以及1-3。同时，队长二4的三侧发射出n3(n3为常数)频率的超声波信号402，队长三5的超声波接收器501接收频率为n3的超声波402并自主对准队长二4，步骤同1-1，1-2以及1-3。以此类推，采用一个基站可实现一个或多个队长单列编队(图3)。队长四6对准基站二2，同时，队长四6的三侧发射出n4(n4为常数)频率的超声波信号602，所述队长四6的下一个队长的超声波接收器接收频率为n4的超声波602并自主对准队长四6，步骤同1-1，1-2以及1-3。以此类推，采用两个基站可实现一个或多个队长双列交叉式编队(图4)。

如图5所示的队员一7就位于队长二4和队长四6的延长线交叉处，所述队员一7的相邻两侧设置并排的超声波接收器701和并排的超声波接收器702，所述超声波接收器701设定接收n4频率超声波，所述超声波接收器702设定接收n3频率超声波，包括以下步骤：

步骤2-1、若两侧的两个超声波接收器共四个超声波接收器都收到特定频率范围内信号：

步骤2-1-1、若四个超声波接收器都收到特定频率信号的时间都相等，则就位成功；

步骤2-1-2、若其中第一侧的两个超声波接收器同时接收到超声波信号，第二侧的两个超声波接收器没有同时收到超声波信号，则沿着第二侧先接收的一端并垂直于第一侧两个超声波连线方向游动，直到符合2-1-1的情况；

步骤2-1-3、若四个超声波接收器收到特定频率信号的时间都不相等，则将第一侧的两个超声波接收器按同1-1步骤操作，直到符合2-1-2的情况；

步骤2-2、若两侧共四个超声波接收器中只有其中三个接收到特定频率超声波信号，则朝着两个超声波接收器都接收到信号的那一侧转向，直到四个接收器都接收到超声波信号为止，然后按步骤2-1操作；

步骤2-3、若有两个或两个以上超声波接收器没有接收到特定频率信号，则微型水下机器人运载水听器自身单向旋转，直到符合2-1或2-2的情况，然后按步骤2-1或步骤2-2操作。

同理，队员二8就位于队长一3和队长四6的延长线交叉处，所述队员二8的相邻两侧设置并排的超声波接收器801和并排的超声波接收器802，所述超声波接收器801设定接收n4频率超声波，所述超声波接收器802设定接收n1频率超声波，步骤同2-1，2-2以及2-3。以此类推，如图1所示，每两个队长延长线交叉处就位一个队员，可实现微型水下机器人运载水听器自主编队，形成矩形阵列。

本发明的优点在于：

实现了多个水听器自主编队的功能，利用微型水下机器人运载水听器，采用两个超声波接收器接收声波时间差对比，进行定位和转向，操作简单，且精度较高，实现了自主对准。同时通过设置特定的超声波频率间隔，在水下自主调整游动方向形成阵列，既可以方便进行规模化管理，又不降低各个水听器之间的自由度，还能通过阵列实现更多功能。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。