[发明专利]一种烷基苯介质中的声源精确定位装置及方法

权利要求书

1.一种烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：包括主控计算机、接口分机、发射换能器和接受换能器，各部分之间通过电缆连接；

所述主控计算机包括显控模块和综合处理模块，显控模块用于实现定位系统的综合人机交互，综合处理模块用于实现定位系统的核心控制和定位解算功能；

所述接口分机包括信号产生模块和信号接收模块，信号产生模块用于实现发射信号波形的产生及驱动发射，信号接收模块用于实现接收信号的预处理及信号检波；

所述发射换能器设置于被定位的ROV上，ROV位于充满烷基苯介质的球形容器内；发射换能器按照设定周期，定时发射声学信标信号，利用授时同步装置，同时检测记录到达接收换能器的信号的时刻；

8个所述接受换能器均布于充满烷基苯介质的球形容器内壁上，阵列位置分别位于空间立方体的8个顶点处，用于接收来自发射换能器的声学信号。

2.根据权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：所述电缆为多芯电缆，通过绞车收放并调节长度。

3.根据权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：所述显控模块包括目标定位信息的显示和ROV传感器参数的显示，用于设定发射、接收模块相关参数和ROV运行轨迹。

4.根据权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：所述综合处理模块包括距离信息解算、位置信息解算、发射接收模块控制，实现与ROV系统的综合通信，以及与上位机系统的综合通信。

5.一种采用权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：在所述显控模块的人机交互界面输入希望ROV到达的目标位置点；

步骤二：通过所述综合处理模块调用信号产生模块，以驱动发射换能器发射超声波信号；然后由接收换能器接收超声波信号，并通过信号接收模块对超声波信号进行处理；

步骤三：通过综合处理模块对步骤二处理后的接收信号进行时延估计，并根据多组时延信息解算发射换能器与接收换能器之间距离；

步骤四：由综合处理模块根据多组发射换能器与接收换能器之间距离的信息解算当前ROV所在位置与姿态；

步骤五：综合处理模块将步骤四中得到的ROV当前位置和姿态，以及步骤一中目标位置点下达给ROV系统控制，ROV系统向目标位置移动；

步骤六：ROV到达目标位置附近后，再次进行位置与姿态解算，直至ROV系统在目标位置稳定悬停，最后将当前目标位置发送给定位装置的上位机。

6.根据权利要求5所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：所述步骤三中发射换能器与接收换能器之间距离的计算方法：利用授时同步装置，检测记录到达接收换能器信号的时刻，得到所述发射换能器发射声波信号与接收换能器接收声波信号的时间差t，接收时间为接收信号幅值到达门限阈值的时刻；

然后，通过公式S_i＝υt_i,i＝1,2,3...8,计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离S_i，其中，υ是声波在介质中的传播速度，t_i表示发射换能器发射声波信号与第i个接收换能器接收声波信号的时间差。

7.根据权利要求6所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：所述门限阈值为自适应门限阈值，首先获取发射换能器发射信号的幅度，再将发射信号幅度高低的2/3峰值幅度设为门限阈值。

8.根据权利要求6所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：所述声波在介质中的传播速度υ，随着深度不同而变化，首先测量声波从发射换能器发射速度υ₀和第i个接收换能器的接收速度υ_ti,然后求平均值得到传播速度υ，再通过以下公式计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离S_i：

9.根据权利要求5所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：步骤四中，根据测得的ROV上发射换能器和接收换能器之间的距离，和对应的几何位置，实时获得ROV的精确空间位置；设定充满烷基苯介质的球形容器的球心为坐标系的中点，令ROV的当前位置坐标为(x,y,z)，对位置坐标采用最小二乘算法进行求解，求f(X)＝(AX-b)^T(AX-b)的极小点即下式，就是航行器的x、y、z的位置坐标；

其中A，b通过4个接收点和对应的4组距离信息构成

X＝(x,y,z)^T，

随后采用模拟退火方法求当前位置信息的最优解，用于定位的模拟退火算法求解最小值F的函数为：

其中(x,y,z)为当前位置坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个阵元的坐标，s_i为第i个接收换能器接收到的时延对应的距离；

通过迭代获取目标函数F的最小值即得到最优解，使得接收换能器位置的最大误差控制在8mm以内，整体定位误差达到25mm以内，ROV的x和y坐标的定位误差达到25mm内。