一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法与流程

1.本发明属于水下机器人技术领域，涉及一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法。


背景技术：

2.水下机器人是利用无线电、声通讯机和自备的程序控制装置操纵的不载人水下航行器。
3.不同厂家研制的水下机器人在航行控制能力和控制精度上有差距，现有的数据分析方法均为各厂家自行提供，无法做到适用于多种水下机器人的比测试验，因此，需要设计一种适用于多种水下机器人在航行控制能力和控制精度的分析及计算方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法，该方法为水下机器人的比测试验提供方法依据，解决了目前水下机器人的比测试验过程中航向和深度控制无法量化比较的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法，具体包括如下步骤：
6.步骤1，在水下布放水下机器人；
7.步骤2，获取水下机器人在水下的试验数据；
8.步骤3，通过步骤2获取的试验数据计算水下机器人的航向控制精度；
9.步骤4，通过步骤2获取的试验数据计算水下机器人的深度控制精度。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤1的具体过程为：
12.步骤1.1，水下机器人自航至预先指定的试验区域；
13.步骤1.2，水下机器人到试验区域后开始下潜，并向指定位置航行。
14.步骤2的具体过程为：
15.步骤2.1，获取第一组试验数据，具体为：
16.水下机器人下潜至10米水深，根据水下机器人内部惯导自行航行至指定点a，以4节速度沿ab方向保持直行航行，获取第一组试验数据；
17.步骤2.2，获取第二组试验数据，具体为：
18.水下机器人航行到达b点后下潜至20米深度，水下机器人沿bc段自行加减速、转向至c点，最后水下机器人以4节速度沿cd保持直线航行，获取第二组试验数据。
19.步骤3的具体过程为：通过如下公式(1)计算水下机器人的航向控制精度：
20.21.其中，表示水下机器人的航向控制精度；表示水下机器人的航向指令；
22.表示水下机器人的航向反馈；i＝1，2，...，n，i表示水下机器人按控制频率记录的航向反馈的序号。
23.步骤4的具体过程为：通过如下公式(2)计算水下机器人的深度控制精度：
[0024][0025]
其中，ed标识水下机器人的深度控制精度；d
com
是水下机器人的深度指令；di是水下机器人的深度反馈。
[0026]
本发明的有益效果是：本发明为水下机器人的比测试验提供方法依据，弥补了目前水下机器人的比测试验过程中航向和深度控制无法量化比较的问题，在实际比测试验中有较强的可操作性。布置在水下机器人上的测量设备均为第三方具备测量资质的单位提供且在检定有效期内，使比测试验能够在真实、公正的技术条件下进行。
附图说明
[0027]
图1是本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法中水下机器人航行轨迹图；
[0028]
图2是本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置的结构示意图；
[0029]
图3是本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中记录仪主机的结构示意图；
[0030]
图4是本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中记录仪主机的俯视图；
[0031]
图5是本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中嵌入式主板电路的结构示意图；
[0032]
图6是本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中防水耐压天线的结构示意图；
[0033]
图7是本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中防水耐压天线的剖视图。
[0034]
图中，1.壳体，2.电源/网络接口，3.深度计接口，4.调试口接口，5.天线接口，6.底板，7.安装弯角，8.安装孔，9.嵌入式主板电路，10.记录仪主机；
[0035]
11.防水耐压天线，11-1.防水耐压壳帽，11-2.卫星天线，11-3.防水耐压壳底座，11-4.水密胶圈i，11-5.水密胶圈ii，11-6.水密耐压线缆，11-7.支撑底座，11-8.通孔；
[0036]
12.深度计。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0038]
本发明一种水下机器人的航向和深度控制精度的比测试验方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
[0039]
步骤1、水下机器人布放到水中，具体按照以下步骤实施：
[0040]
步骤1.1、水下机器人自航至预先指定的试验区域；
[0041]
步骤1.2、水下机器人到试验区域后开始下潜，并往a点位置航行。
[0042]
步骤2、获取第一组试验数据；
[0043]
步骤2.1、水下机器人下潜至10米水深，根据水下机器人内部惯导自行航行至a点；
[0044]
步骤2.2、以4节速度沿ab保持直行航行，获取第一组数据。
[0045]
步骤3、获取第二组试验数据；
[0046]
步骤3.1、水下机器人航行到达b点后下潜至20米深度；
[0047]
步骤3.2、水下机器人沿bc段自行加减速、转向至c点；
[0048]
步骤3.3、水下机器人以4节速度沿cd保持直线航行，获取第二组数据。
[0049]
步骤4、通过获取的数据计算水下机器人的航向控制精度：
[0050][0051]
其中，表示水下机器人的航向控制精度；表示水下机器人的航向指令；表示水下机器人的航向反馈；i＝1，2，......，n，i表示水下机器人按控制频率(1hz)记录的航向反馈的序号；
[0052]
步骤5、通过获取的数据计算水下机器人的深度控制精度：
[0053][0054]
其中，ed标识水下机器人的深度控制精度；d
com
是水下机器人的深度指令；di是水下机器人的深度反馈；i＝1，2，......，n，i标识水下机器人按控制频率(1hz)记录的深度反馈的序号。
[0055]
在本发明的方法中：步骤1的作用为指定一个任务的实际开始位置和时间采用卫星导航的经纬度信息来获取位置信息，其原理是：在水下机器人的上方布置卫星天线接收卫星定位信号，获取当前的位置信息，当进入试验区域后水下机器人开始下潜，此时依靠水下机器人内部惯导来定位位置。试验组织方使用水下声学定位设备来定位水下机器人潜入水下的位置信息，深度测量设备测量水下机器人的深度数据。
[0056]
步骤2～3的作用为将试验过程中产生的数据真实的记录在数据记录装置中，待水下机器人结束试验科目后由比测试验组织方负责下载和分析数据。
[0057]
步骤2～3中获取实验数据时，采用的用于水下机器人的记录装置，如图2所示，包括记录仪主机10，记录仪主机10分别连接防水耐压天线11和深度计12。记录仪主机10负责数据的采集、记录和管理；防水耐压天线11负责接收卫星信号，获取位置信息；深度计12负责输出水深的压力数据。
[0058]
如图3、4所示，记录仪主机10包括壳体1，壳体1上设有电源/网络接口2、深度计接口3、调试口接口4、天线接口5，壳体1与底板6连接，壳体1和四个安装弯角7使用螺钉紧固，安装弯角7上设有安装孔8，壳体1内安装有嵌入式主板电路9。
[0059]
如图5所示，嵌入式主板电路9包括处理器am3359，处理器am3359连接rs422串口收发芯片adm2582，处理器am3359连接phy芯片ar8031，phy芯片ar8031连接网络变压器hy682405e，处理器am3359连接存储芯片thgbmjg9c8lbau8，存储芯片thgbmjg9c8lbau8连接
存储器自毁模块dsp1-l2-dc5v-f，处理器am3359连接接收机p327。
[0060]
嵌入式主板电路9中各部件的功能如下：
[0061]
处理器am3359：为嵌入式主板电路9的处理器，处理接收到的数据并存储。
[0062]
芯片adm2582：为rs422串口隔离芯片，实现rs422电平转换以及电气隔离。
[0063]
芯片ar8031：为网络phy芯片，实现以太网信号的物理接口信号收发。
[0064]
网络变压器hy682405e：网络变压器实现以太网信号的隔离以及传输。
[0065]
芯片thgbmjg9c8lbau8：存储器芯片，用于存储数据。
[0066]
电源模块vrb2412s-10wr3：12v电源模块，用于烧毁存储器。
[0067]
继电器dsp1-l2-dc5v-f：处理器通过io控制器继电器来切换电源实现烧毁存储器。
[0068]
接收机p327：卫星接收机，配合外部天线实现差分定位。
[0069]
嵌入式主板电路9基于am3359处理器，处理器通过网络控制电路和rs422串口从电源/网络接口2和深度计接口3接收的数据、处理器完成数据解析并存储到存储器，嵌入式主板电路9上的接收机通过天线接口5与卫星天线相连，从而获取差分定位数据，处理器将卫星定位数据存储到存储器。
[0070]
当处理器解析到烧毁存储器的指令时，主处理器通过存储器自毁电路烧毁存储器。
[0071]
航行结束后通过电源&网络接口2进行数据下载。通过调试口接口4对记录仪主机进行运行参数的设定或修改。
[0072]
如图6、7所示，防水耐压天线11包括防水耐压壳底座11-3，防水耐压壳底座11-3上方套接有防水耐压壳帽11-1，防水耐压壳帽11-1与防水耐压壳底座11-3之间放置有卫星天线11-2，防水耐压壳底座11-3的下方连接有中空的支撑底座11-7，支撑底座11-7内设有水密耐压线缆11-6，水密耐压线缆11-6的一端与卫星天线11-2连接，水密耐压线缆11-6的另一端从支撑底座11-7的侧面伸出。
[0073]
防水耐压壳帽11-1和防水耐压壳底座11-3之间通过螺纹连接。防水耐压壳帽11-1和防水耐压壳底座11-3的连接端面处设有水密胶圈i11-4，水密胶圈i11-4的直径为防水耐压壳底座11-3与支撑底座11-7通过螺纹连接。防水耐压壳底座11-3与支撑底座11-7的连接端面处设有水密胶圈ii11-5。水密胶圈ii11-5的直径为卫星天线11-2与水密耐压线缆11-6之间通过专用tnc接口连接。支撑底座11-7的侧面设有通孔11-8，水密耐压线缆11-6的另一端从通孔11-8中穿出。
[0074]
防水耐压天线中主要部件的作用分别如下：
[0075]
防水耐压壳帽11-1与防水耐压壳底座11-3为黑色pom材质铣削成型，高硬度、高刚性，高耐磨性，具有良好绝缘性，二者通过螺纹连接，为卫星天线提供非金属耐压防水环境。
[0076]
3m注胶：使零件支撑底座11-7的空腔注满3m胶，保证支撑座底座11-7的耐压与防水性能，使水密线缆定型固定，将卫星天线和水密线缆tnc接头包裹在3m注胶中，从而达到其防水耐压性能。
[0077]
防水耐压壳帽11-1和防水耐压壳底座11-3由黑色pom材质铣削成型，具有高硬度、高刚性、高耐磨性。具有良好的绝缘性，几乎不受温度和湿度的影响，所以对卫星天线的信
号的接收影响极低。
[0078]
支撑底座11-7为不锈钢材质加工而成，为防水耐压天线整体提供牢固支撑。
[0079]
防水耐压天线11采用侧出线方式(水密耐压线缆11-6从支撑底座11-7侧面的通孔11-8伸出)，可以有效节约所搭载设备的高度方向空间。用于水下机器人的记录装置，记录仪主机10固定在水下机器人内部，防水耐压天线11固定在水下机器人的外壳顶部，深度计12固定在水下机器人的壳体上并且感压面与水接触。
[0080]
记录仪主机10与航行器的内部设备通过供电和通讯线缆连接。
[0081]
防水耐压天线11与记录仪主机10的连接线缆分为两部分，航行器内部为普通同轴线缆，航行器外部采用防水耐压同轴线缆，中间通过穿舱连接器连接。
[0082]
深度计12与记录仪主机通过深度计12的线缆连接。
[0083]
记录仪主机10还通过调试、下载线缆与连接器连接。
[0084]
用于水下机器人的记录装置的工作过程为：
[0085]
水下机器人设备启动后给记录仪通电工作；水下机器人将自身的各项运行数据通过通讯协议发送到记录仪主机；记录仪主机10根据通讯协议接收有效信息并存储；在水下机器人处于水面上方时，记录仪主机10获取卫星天线11-2的卫星信号数据，存储在记录仪主机10的存储介质中，同时接收卫星时间以校准记录仪主机的系统时间；
[0086]
记录仪主机10接收深度计12传回的压力数据并存储。
[0087]
步骤5、6的作用为在获取试验的具体数据并经过分析处理后，通过计算公式得出结果。
[0088]
采用卫星定位和水下声学定位，其优点在于：无论水下机器人是在水面还是水下航行时均能获取其位置，用来校核、验证水下机器人自身导航控制的有效性。
[0089]
实施例
[0090]
航向控制精度：
[0091]
是水下机器人的航向控制精度,计算公式为
[0092][0093]
其中是水下机器人的航向指令，在本试验中给定的指令从a到b为90
°
，从c至d给定的指令为270
°
；是水下机器人的航向反馈，取水下机器人在从a到b和从c到d过程中的数据记录装置中记录的实际航向值；我们各模拟5个值带入计算，其中a到b间值分别为89.92
°
、90
°
、90.16
°
90.22
°
、90.30
°
，c到d间值分别为270.12
°
、270.15
°
、270
°
269.85
°
、269.79
°
；是水下机器人的航向控制精度通过公式计算结果为：
[0094][0095]
比测试验中以的结果值越小代表航向的控制精度越高。
[0096]
深度控制精度：
[0097]
水下机器人的深度控制精度计算公式为：
[0098][0099]
其中，d
com
是比测试验中对水下机器人的深度指令，在本试验中给定的指令从a到b
为10米，从c至d给定的指令为20米；di是水下机器人的深度反馈值，取水下机器人在从a到b和从c到d过程中的数据记录装置中记录的实际航向值；本实施例各模拟5个值带入计算，其中a到b间值分别为9.92、10.00、10.14、10.22、10.25，c到d间值分别为20.12、20.15、20、19.89、19.95；ed是水下机器人的深度控制精度，通过公式计算结果为：ed＝0.144684；比测试验中以ed的结果值越小代表深度的控制精度越高。
[0100]
本发明利用在水下机器人上布置安装卫星导航系统、水下声学定位系统、深度测量设备，通过内置于水下机器人内部的数据记录装置来获取水下机器人在水面及水下的位置、下潜深度等数据，使用航向精度控制公式和深度精度控制公式来校核、验证水下机器人自身导航、深度控制信息的准确性和有效性。