基于FPGA的高精度水下对接声导引技术

赵 旭, 陈亚林, 张 奎



基于FPGA的高精度水下对接声导引技术

赵 旭, 陈亚林, 张 奎

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

随着现代海洋技术的不断发展, 无人水下航行器(UUV)水下对接技术成为近年来研究的热点问题。在水下对接系统中, 声导引技术作用距离远但精度低, 光导引技术精度高但作用距离近。文中提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高精度水下对接声导引技术, 可以实现从较远距离以声导引的方式高精度导引至光导引的作用距离内。通过仿真试验与消声水池试验验证结果表明, 该方法可以提供可靠有效的导引数据, 满足精度要求, 可为水下对接系统设计提供参考。

无人水下航行器; 水下对接; 导引; 高精度; 现场可编程门阵列(FPGA)

0 引言

随着信息技术的不断发展, 无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)[1]作为探索海洋空间的有力工具之一, 在军事和科学研究方面起着越来越重要的作用。未来的UUV需要更长的水下工作时间、更隐蔽的情报收集能力以及更强大的通信能力[2]。而这些目标的实现主要受到自身携带能源和水下通信2个因素的限制, 因此, 水下对接技术[3]作为一种为其提供能源补充与信息交换的补给支持系统就显得十分重要。

20世纪90年代, 国内外涌现了十几种水下对接系统, 根据对接协作目标的结构要求可以分为全方位对接和单一方向对接[4-5]。全方位对接系统[6]结构复杂, UUV改造部分较多, 而单一方向对接[7], 对接装置常采用圆锥形结构, 具有对UUV保护作用, 防止海洋生物滋生及海流干扰, 且对接器和UUV上用于对接的辅助结构相对简单, 但需要在对接过程中实时获知对接器的位置和姿态。

UUV要实现对接功能, 必须实时测量其与对接器的距离、方位和深度信息。根据传感器的原理不同, 现阶段国外UUV采用的对接传感器有3类: 声学传感器、光学传感器和电磁传感器[8-10]。UUV使用的声学传感器一般指的是超短基线[11](ultra-short baseline, USBL)。与其他几种传感器相比, 声学USBL的作用距离远(大于2 000 m), 受到的环境影响相对较小, 因此国外大多数UUV对接技术都采用USBL作为其主要对接导航定位方式。光学传感器在UUV对接技术中的使用有其独特的优势与特点, 其近距离探测精度能达到厘米级, 特别适用于入口较小的对接装置。电磁传感器[5]克服了光学传感器易受干扰的缺点, 且对接精度也较高。

在对接过程中, 当UUV导引至对接器较近距离(100 m内), 此时需要更为精确的方位信息, 但是光学传感器达不到这么远的作用距离, 依然只能依靠声学传感器。在这种情况下, 文中提出了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)的末程声导引实现方法, 将UUV精确导引至光学传感器导引作用范围内。在UUV导引至对接器近距离范围时, 对接器上2个水平位置的换能器分时发射声信号, UUV根据接收到声信号的时间关系判别对接器当前所处的水平方位, 垂直方位信息可以通过2个垂直方位的换能器得到, 这样就可以得到完整的方位信息。文中主要研究水平方位信息的获取和分析, 垂直方位信息采用同样的研究方法即可得到。

1 原理

对接器呈圆锥形结构, 对接口左右两侧各有一个发射换能器, 两换能器处于同一水平位置, 2个换能器和对接口处于同一平面。对接口及2个发射换能器分布位置的截面如图1所示。

UUV的结构可以看作是迷你型鱼雷, 最前端为头段接收机。在UUV的信号接收端, 每个发射换能器的信号进入独立通道, 接收端数字机接收信号。接收端的系统框图如图3所示。

信号经过中心频率为填充频率的带通滤波器, 滤除杂波并放大。滤波后的信号经过包络检波器, 提取包络信号。包络信号经过比较器电路, 得到逻辑“1”或者逻辑“0”。逻辑信号连接到FPGA的2路输入输出接口(input/output, IO)。

2 实现与仿真

方案中对接器的发射信号和UUV数字机计算时延均由FPGA完成, 试验中选择的FPGA芯片为XILINX公司的Spartan-6系列, 系统时钟为100 MHz。

图4 单周期发射信号仿真图

Fig. 4 Simulation diagram of transmitting signal in single period

此外, 程序对防抖赋值后的信号做了脉宽检测。声信号在水中传播时, 由于受到反射、混响等因素的影响, 接收端会收到一些相同载频的窄脉冲信号, 这无疑会干扰上升沿的检测。因此, 当检测到上升沿时, 程序不会立刻认定其为有效信号, 而是先检测脉宽, 如果脉宽能达到3 ms的门限, 程序才会认定其为有效到达信号。

接收端FPGA程序判断有效到达信号的流程如图5所示。

3 试验验证

试验在消声水池完成, 使用对接器和UUV头段接收机展开试验。试验中对接器和头段接收机均由机械臂夹持浸入水池中, 机械臂配有行程刻度且由操控台控制移动。对接口中心和UUV接收机均处于水下2 m深度处, 对接器换能器平面距离接收机4 m远, 对接器上水平方向的2个发射换能器间隔0.4 m远。试验中UUV接收机左右移动, 待接收机移动进入平稳状态后记录不同相对位置的时延数据, 试验构架实施如图7所示。

DSP每100 ms获得一次数据, 获得10个数据后均值输出, 即DSP每隔1 s输出一个平均后的时延数据。

首先, 将接收机正对对接口中心, 此时水平时延数据理论值为0, 记录5 s实测数据, 如表1所示。

表1 对接口中心实测数据

表2 左移5 cm实测数据

表3 其他位置实测数据

由试验结果可知, 在对接器和UUV接收机距离4 m的情况下, 实际测量的时延数据平均值和理论值存在1ms左右的误差, 方差值小于0.1。试验中距离的测量和移动存在一定的系统误差, 这是主要的误差来源。方差值足够小, 表明每次的测量值都很接近, 说明该方法可以稳定可靠的给出时延数据, 不会有奇异值出现。

4 结束语

文中提出了一种基于FPGA的高精度水下对接声导引实现方法, 阐述了该方法的背景、原理、以及试验验证情况。试验结果表明, 实际时延与理论时延的差值在微秒数量级, 对应到距离在厘米数量级, 可以为对接末程提供可靠的声导引数据。为进一步验证方案的可靠性, 对接器和UUV可在其他不同距离进行多组试验, 同时测试水平方位和垂直方位的数据。考虑到真实对接环境中声导引数据会受到海洋环境、界面反射、多途及混响等因素的影响, 该方法的实施还需要进一步的试验验证。

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(责任编辑: 许 妍)

FPGA-Based High-Precision Underwater Docking via Sound Guidance

ZHAO Xu, CHEN Ya-lin, ZHANG Kui

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

For the underwater docking system of an unmanned undersea vehicle(UUV), the sound guidance technology has large operating distance but low precision, while the light guidance technology has high precision but short operating distance. In this paper, a high-precision underwater docking method via sound guidance based on the field programmable gate array(FPGA) is proposed, which precisely guide UUV via the sound guidance from a comparatively long distance to the operating range of the light guidance. Simulation and pool test show that this method can provide reliable guidance data with required accuracy. This study may facilitate the design of underwater docking systems.

unmanned undersea vehicle(UUV); underwater docking; guidance; high precision; field programmable gate array(FPGA)

TJ630.34; TB566

A

2096-3920(2018)01-0035-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.01.006

赵旭, 陈亚林, 张奎. 基于FPGA的高精度水下对接声导引技术[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(1): 35-39.

2017-07-17;

2017-08-18.

赵 旭(1994-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为声自导技术.