一种基于分布式定位标签的水下定位系统及方法与流程

1.本发明涉及水下定位领域，特别是涉及一种基于分布式定位标签的水下定位系统及方法。


背景技术：

2.随着国家加大对海洋、湖泊、水库的管理，水下打捞相关设备的研发成了近些年研究的热点。为了准确掌握水下目标的位置信息，研究人员发明了众多水下探测装置，其中大多采用声呐、gps等方法。但当目标被水下其他物体阻挡，声呐无法正常探测到目标，进而无法得到水下目标的位置信息。水下环境复杂时，gps信号较差，同时也会产生滞后性，致使定位结果误差较大。随着通信技术的发展，uwb技术越来越成熟，具有成本低、功耗低、穿透力强的优点，广泛的应用在各种水下设备中。单个uwb定位标签并不能完成水下定位，将uwb定位标签按分布式阵列排列就能够较好地接收各个方向的信号，进而实现水下定位。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于分布式定位标签的水下定位系统及方法，提供水下定位精度。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种基于分布式定位标签的水下定位系统，所述定位系统包括：
6.定位基站，设置在岸边或者船上某一固定位置，用于周期性向外发射信号；
7.壳体；
8.定位标签，设置在所述壳体上，用于接收所述定位基站发出的信号；
9.深度测量模块，设置在所述壳体上，用于测量所述壳体在水下的深度；
10.二自由度陀螺仪，设置在所述壳体上，用于测量所述壳体的水平偏转角和俯仰偏转角；
11.北斗卫星通信模块，用于实现时钟同步；
12.处理器，与所述定位基站、定位标签、深度测量模块、二自由度陀螺仪以及北斗卫星通信模块连接，用于计算壳体的位置坐标。
13.可选的，所述壳体的上表面为三角形。
14.可选的，所述定位标签包括：第一天线、第二天线、第三天线、第一高精度时钟、第二高精度时钟、第三高精度时钟，所述第一天线、第二天线和第三天线均匀分布在壳体的三个角上。
15.可选的，所述定位基站包括：第四天线和第四高精度时钟。
16.可选的，所述定位系统还包括：显示器，所述显示器与所述处理器连接，用于显示水平偏转角、俯仰偏转角以及壳体位置坐标。
17.可选的，所述北斗卫星通信模块包括：北斗通信天线。
18.可选的，所述定位系统还包括：电源、led指示灯以及防水开关，所述电源、led指示
灯以及防水开关设置在所述壳体上。
19.基于本发明中的上述系统，本发明另外提供一种分布式定位标签的水下定位方法，所述定位方法包括：
20.采用深度测量模块测量壳体在水下的深度h；
21.测量定位基站离水面的高度h；
22.基于所述壳体在水下的深度h和定位基站离水面的高度h得到壳体离所述定位基站的高度z；z＝h h；
23.采用二自由度陀螺仪测量所述壳体的水平偏转角和俯仰偏转角；
24.以壳体位置中心为原点构建坐标系，令壳体的坐标为(x，y，z)；
25.根据所述水平偏转角和俯仰偏转角计算定位标签中的第一天线、第二天线以及第三天线的坐标值；
26.获取定位标签中的第一天线、第二天线以及第三天线接收定位基站发出的信号时的时间戳；
27.基于所述时间戳和所述第一天线、第二天线以及第三天线的坐标值计算壳体的位置坐标。
28.可选的，根据所述水平偏转角和俯仰偏转角计算定位标签中的第一天线、第二天线以及第三天线的坐标值具体采用以下公式：
[0029][0030]
其中，分别表示第一天线、第二天线以及第三天线的实际坐标值，l为第一天线、第二天线以及第三天线距离壳体中心的距离，α为水平偏转角，β为俯仰偏转角，z为壳体离所述定位基站的高度。
[0031]
可选的，基于所述时间戳和所述第一天线、第二天线以及第三天线的坐标值计算壳体的位置坐标具体采用以下公式：
[0032][0033]
其中，t1、t2、t3分别表示第一天线、第二天线以及第三天线接收信号对应的时间戳，c为光速。
[0034]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0035]
本发明提出了一种基于分布式uwb分布标签的水下定位系统及方法，本发明结构简单、组装方便。不同于传统的水下装置，不设置充电插口，采用无线充电模式，从而提高了本发明的安全性。本发明所采用uwb均为高性能高增益天线，提高了信号的穿透能力，降低了衰减率，从而提高了精度。本发明中定位基站与定位标签是单工通信，多模具同时使用不会出现信号干扰，因此可用于实现多模具定位。本发明进一步提高了水下设备管理效率，适
用于各种复杂的水下环境，对水下侦查、无人潜水器的智能化发展也有着重要的意义。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明实施例基于分布式定位标签的水下定位系统结构示意图；
[0038]
图2为本发明实施例壳体偏转角示意图。
[0039]
符号说明：
[0040]
第一天线-1，深度测量模块-2，显示器-3，第二天线-4，电源led指示灯-5；北斗通信天线-6，防水开关-7，第三天线-8。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
本发明的目的是提供一种基于分布式定位标签的水下定位系统及方法，提供水下定位精度。
[0043]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0044]
图1为本发明实施例基于分布式定位标签的水下定位系统中壳体结构示意图，结合图1，本发明中的定位系统包括：定位基站，壳体、定位标签、深度测量模块2、二自由度陀螺仪、北斗卫星通信模块、显示器3、电源、led指示灯、防水开关7以及处理器；
[0045]
其中，定位基站包括：第四天线，uwb接发模块以及第二高精度时钟，将定位基站放置在岸边或船上某一固定位置，作为零点坐标位置，正北作为x轴正方向，垂直地面向上为z轴正方向，按右手法则构建坐标系。周期性向外广播信号，每次发送信号均携带不同的标记，可利用uwb接发模块发射高精准时间戳。
[0046]
本发明中的的壳体为三角形，其中，深度测量模块2的传感器嵌入在所述壳体的上表面，深度测量传感器用于测量壳体的深度；
[0047]
定位标签包括：第一天线1、第二天线4、第三天线8、第一高精度时钟、第二高精度时钟、第三高精度时钟，其中，第一天线1、第二天线4和第三天线8均匀分布在壳体的三个角上，形成分布式定位标签，每个天线距离壳体中心的距离都为l，定位标签用于接收所述定位基站发出的信号，
[0048]
二自由度陀螺仪设置在所述壳体上，用于测量所述壳体的水平偏转角和俯仰偏转角。
[0049]
北斗卫星通信模块包括：北斗通信天线6，北斗通信天线6嵌入在壳体的侧壁上，将北斗卫星通信模块中的标准同步时钟通过串口与定位标签相连接，实现分布式定位标签的
时钟同步。
[0050]
所述显示器3与所述处理器连接，且设置在所述壳体的上表面，用于显示水平偏转角、俯仰偏转角以及壳体位置坐标，以便后期校正。
[0051]
本发明中的处理器具体为arm嵌入式平台，与所述定位基站、定位标签、深度测量模块2、二自由度陀螺仪以及北斗卫星通信模块连接，用于计算壳体的位置坐标。
[0052]
将电源通过导线与嵌入式平台及其他模块相连接。本发明选用支持无线充电的电源模块，不再在模具上安装充电插口，最大程度保障本发明的安全性。本发明增设一个电源led指示灯5，充电时亮灯为红色，充满电时亮灯为绿色
[0053]
基于本发明中的上述系统，本发明还提出了一种基于分布式定位标签的水下定位，用于计算壳体的位置坐标，具体包括以下步骤：
[0054]
s1：采用深度测量模块2测量壳体在水下的深度h。
[0055]
s2：测量定位基站离水面的高度h。
[0056]
s3：基于所述壳体在水下的深度h和定位基站离水面的高度h得到壳体离所述定位基站的高度z；z＝。
[0057]
s4：采用二自由度陀螺仪测量所述壳体的水平偏转角和俯仰偏转角，由图2可知α∈[0,2π)，β∈[0,π]。
[0058]
s5：为便于计算，假设壳体位置坐标为(x,y,z)；以模具位置中心为原点构建坐标系，根据定位标签分布的几何形状，可知该坐标系下定位标签的相对坐标值；根据水平偏转角及俯仰偏转角，以及第一天线、第二天线和第三天线的几何关系利用坐标系转换原理可得到定位标签的实际坐标值，即：
[0059][0060]
其中，分别表示第一天线1、第二天线4以及第三天线8的实际坐标值，l为第一天线1、第二天线4以及第三天线8距离壳体中心的距离，α为水平偏转角，β为俯仰偏转角，z为壳体离所述定位基站的高度。
[0061]
s6：获取定位标签中的第一天线1、第二天线4以及第三天线8接收定位基站发出的信号时的时间戳。
[0062]
s7：基于所述时间戳和所述第一天线1、第二天线4以及第三天线8的坐标值计算壳体的位置坐标。
[0063]
即，根据所述时间戳和所述第一天线1、第二天线4以及第三天线8之间的几何关系，利用代数解析的方法可以得到壳体的位置坐标。
[0064]
定位标签记录接收相同标记的定位基站信号时的时间戳，便可构建带有约束的方程组，即：
[0065][0066]
其中，t1、t2、t3分别表示第一天线1、第二天线4以及第三天线8接收信号对应的时间戳，c为光速，代数运算求解方程组，便可得到壳体位置坐标(x,y,z)。
[0067]
本发明中的上述方法首先利用深度测量模块2获得模具的深度，进一步利用二自由度陀螺仪记录所在单元水平偏转角、俯仰偏转角，再利用分布式uwb超宽带定位标签得到相对的时间到达差，通过代数求解带约束的单曲线方程组，便可得到水下目标的位置坐标。本发明不仅将相关参数及结果打印液晶显示器3以便后期校正，而且通过北斗卫星通信系统模块将位置坐标发送给主控终端，本发明结构简单，操作容易，可将其附着或放置在水下目标上，适应于各种水下环境。
[0068]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0069]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。