水下机器人短基线定位系统设计与实现

摘要

短基线定位系统基阵尺寸小，布放方便，适合于自主式水下潜器(AUV)、遥控无人潜水器(ROV)、潜水员等水下小平台载体的水下定位。本论文根据水下ROV的水下短基线定位系统的工作需求，设计系统的硬件平台、并编写系统驱动程序和定位算法程序。
　　本文首先分析了短基线定位系统的基本原理，根据指标要求设计了系统各部分的参数，包括信号形式、声源级、接收机增益等;然后对定位系统的硬件结构、水上处理机架构、水下定位声基阵结构、应答器的结构进行了设计。
　　确定系统结构与参数后，对电路重要参数进行了设计，其后对水上处理机与应答器的硬件平台进行了设计与调试，包括信号处理核心的选择、A/D转换电路的设计与驱动开发、信号调理电路的设计与调试、D/A转换电路设计与驱动开发及功率放大电路设计与匹配。
　　最后对定位系统进行了验证系统性能与功能的水池试验与海上试验，由测试结果，该系统基本满足合作方使用需求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景及意义

1．2水声定位系统分类

1．2．1长基线定位系统

1．2．2短基线定位系统

1．2．3超短基线定位系统

1．3国内外发展现状

1．3．1国外水声定位系统发展现状

1．3．2国内水声定位系统发展现状

1．4论文主要内容

第2章系统定位基本原理与结构设计

2．1设计要求

2．2短基线定位基本原理

2．2．1基本定位方程组

2．2．2最小二乘算法

2．2．3水下基阵姿态修正

2．3短基线定位原理算法

2．3．1快速卷积测时原理

2．3．2长序列卷积

2．3．3滑动相关

2．3．4信号判别

2．4系统结构设计

2．4．1系统总体架构设计

2．4．2水上处理机架构设计

2．4．3水下定位声基阵结构设计

2．4．4目标应答器工作架构设计

2．5信号参数设计

2．5．1信号形式

2．5．2信号中心频率

2．5．3信号带宽

2．5．5信号周期T

2．6发射机声源级计算

2．7本章小结

第3章水上处理机平台设计

3．1水上处理机工作平台工作结构

3．2信号处理核心电路模块

3．2．1数字处理芯片选型

3．2．2核心板各外设接口分配

3．3接收电路设计

3．3．1 A／D转换电路的设计

3．3．2信号调理电路设计

3．4输出电路设计

3．4．1 D／A转换芯片选型

3．4．2 D／A转换电路原理图设计

3．5上位机通信电路设计

3．5．1水上处理机底板UART电平转换电路设计

3．5．2串口通信模块、姿态模块与GPS模块

3．6水上处理机电路总体结构

3．7系统供电方案设计

3．7．1水上处理机功率计算

3．7．2系统供电电路设计

3．8水上处理机算法实现与软件设计

3．8．1数据传输与存储

3．8．2信号检测

3．8．3系统测时

3．8．4定位解算

3．8．5水上处理机主程序流程图

3．9本章小结

第4章应答器硬件电路设计及软件程序设计

4．1硬件电路结构

4．2信号处理最小系统电路设计

4．2．1处理核心芯片选择

4．2．2 FLASH与DRAM芯片选型

4．2．3最小系统电路结构设计

4．3 A／D转换电路设计

4．3．1 ADC电路设计

4．3．2 A／D缓冲驱动电路

4．4 D／A转换电路设计

4．5应答器供电方案设计

4．6应答器程序软件设计

4．6．1 CPLD程序设计

4．6．2 DMA传输

4．6．3应答控制

4．6．4二次引导程序加载

4．6．5应答器主程序流程图

4．7功率放大系统电路设计

4．7．1功放电路类型选择

4．7．2功率放大电路结构设计

4．7．3输入级电路

4．7．4差分驱动电路

4．7．5功放电路

4．7．6匹配电路与保护电路

4．7．7上电控制电路

4．7．8功率放大电路测试结果

4．8本章小结

第5章系统性能测试与试验

5．1系统设备

5．2水池试验

5．2．1水池试验平台搭建

5．2．2水池定点测试

5．2．3水池轨迹测试

5．2．4水池试验分析

5．3海上系统试验

5．3．1海上试验平台搭建

5．3．2海上试验结果

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录