《電子技術(shù)應(yīng)用》
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水下無人潛器回收測(cè)向搜尋儀
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
胡畢煒,,蔡文郁,溫端強(qiáng),,張娟娟
杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,,浙江 杭州310018
摘要: 設(shè)計(jì)了一款可高精度定位且支持多種射頻源的水下無人潛器(AUV)回收測(cè)向搜尋儀。定向天線負(fù)責(zé)接收來自AUV上射頻源的信號(hào),,搜尋儀首先通過低噪聲射頻放大模塊,、射頻檢波模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大檢波,極大地保證了信號(hào)在傳輸過程中的抗干擾性以及通信的最大距離,。隨后通過信號(hào)顯示主控模塊對(duì)信號(hào)強(qiáng)度值以及信號(hào)收發(fā)源之間的距離值進(jìn)行顯示,,最終完成對(duì)AUV的射頻定位。試驗(yàn)證明,,該搜尋儀的適用頻段為50 MHz~1 200 MHz,,可以支持不同頻率的射頻信號(hào)源,在保證測(cè)向精度較高的情況下,,測(cè)距的最大值可以達(dá)到10 km,,誤差可控制在10%以內(nèi)。
中圖分類號(hào): TN966
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.013
中文引用格式: 胡畢煒,,蔡文郁,,溫端強(qiáng),等. 水下無人潛器回收測(cè)向搜尋儀[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,,43(2):58-60,64.
英文引用格式: Hu Biwei,,Cai Wenyu,,Wen Duanqiang,et al. Direction-finding and searching instrument for autonomous underwater vehicle recovery[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(2):58-60,,64.
Direction-finding and searching instrument for autonomous underwater vehicle recovery
Hu Biwei,,Cai Wenyu,,Wen Duanqiang,Zhang Juanjuan
Electronic Information College,,Hangzhou Dianzi University,,Hangzhou 310018,China
Abstract: The paper designs a direction-finding and searching instrument for Autonomous Underwater Vehicle(AUV) recovery, which embraces the high localization accuracy and can support a variety of RF frequencies. A directional antenna is responsible for receiving signal from RF transmitter which has been installed in the AUV. Firstly, the searching instrument would enlarge and detect the signal by using a RF amplifier module and a RF detection module, which greatly ensures the anti-interference ability of the signal in the transmission process and the maximum distance of the communication. Then distance between the signal receiver and transmitter and signal intensity would be displayed by using a signal display module. Finally, radio frequency positioning for the AUV would be completed. Experimental results show that the instrument′s applicable frequency band is from 50 MHz to 1 200 MHz, therefore it can support the RF signal source with different frequency. The measured maximum distance can reach 10 km, and the error can be controlled within 10% while ensuring high accuracy of the direction measurement for the searching instrument.
Key words : autonomous underwater vehicle recovery,;radio frequency positioning,;searching instrument

0 引言

    在海洋開發(fā)日益重要的現(xiàn)在,水下無人潛器AUV得到了各個(gè)國家的重視,。但對(duì)于AUV而言,,回收過程中會(huì)受到海流、海風(fēng)等環(huán)境影響,,預(yù)設(shè)的方向和距離會(huì)發(fā)生改變,,因此回收過程中的精確定位會(huì)變得十分艱難[1]。目前AUV回收的定位方式有水聲定位,、衛(wèi)星定位,、電磁定位以及光學(xué)定位等[2],其中水聲定位和衛(wèi)星定位只適用于大致的遠(yuǎn)程定位,,而AUV回收過程中關(guān)鍵的是近距離定位,,必須滿足很高的定位精度[3];電磁定位以及光學(xué)定位適用于近距離定位,,但是電磁定位容易受到AUV本身的磁場(chǎng)干擾,,必須避免在變磁場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行回收作業(yè);光學(xué)定位會(huì)受到海水背景光,、混濁度,、折射等因素的影響,需要采取一定的措施(如過濾掉背景光),,這不僅加大了成本,,而且定位的精度也得不到保證[4]

    基于上述的研究現(xiàn)狀,,本文設(shè)計(jì)的無人潛器回收測(cè)向搜尋儀采用的定位方式是射頻定位,,射頻定位指的是通過射頻信號(hào)識(shí)別對(duì)象并完成對(duì)目標(biāo)源的定位,該定位技術(shù)操控簡(jiǎn)易,,受環(huán)境的干擾比較小[5],,因此很適用于該搜尋儀的設(shè)計(jì)。整體系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用示意圖如圖1所示,。

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1 系統(tǒng)工作原理

    整體搜尋儀內(nèi)部框架圖如圖2所示,。低噪聲射頻放大模塊對(duì)天線接收的射頻信號(hào)進(jìn)行放大,放大增益能達(dá)到20 dB,并且噪聲系數(shù)可以控制在1 dB以內(nèi),;射頻檢波模塊對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行檢波,,最后將檢波后的直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)強(qiáng)度或通信距離,并利用信號(hào)顯示模塊的數(shù)碼管以及LED燈對(duì)其進(jìn)行顯示,,按鍵負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)碼管顯示內(nèi)容進(jìn)行切換,。供電電源采用的是9 V可充電鋰電池。

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2 系統(tǒng)硬件

2.1 低噪聲射頻放大模塊

    低噪聲射頻放大模塊框架如圖3所示,。模塊電路原理圖設(shè)計(jì)軟件是美國Agilent推出的ADS仿真軟件,,主控芯片為ATF54143。該放大模塊的設(shè)計(jì)預(yù)期指標(biāo)是將頻段為20 MHz~1 200 MHz的信號(hào)進(jìn)行增益放大,,增益可達(dá)20 dB以上,,噪聲系數(shù)可以控制在1 dB以內(nèi)。

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2.2 射頻檢波模塊

    射頻檢波模塊框架如圖4所示,。該主控芯片采用的是一種真有效值響應(yīng)的功率檢測(cè)芯片AD8362,,射頻檢波模塊的預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)是頻率范圍為50 MHz~3 800 MHz、功率在-80 dBm~20 dBm的射頻信號(hào)變換成直流電壓輸出,。

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2.3 信號(hào)顯示主控模塊

    信號(hào)顯示主控模塊的框架如圖5所示,。該模塊設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)是將范圍為-80.0 dBm~20.00 dBm的信號(hào)強(qiáng)度值以及相對(duì)應(yīng)的距離值能用四位數(shù)碼管精確顯示,主控芯片選擇的是STM32F103CB,。

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3 系統(tǒng)軟件

    該系統(tǒng)的軟件部分主要分為兩部分:(1)低噪聲射頻放大模塊中ADS軟件仿真,;(2)信號(hào)顯示主控模塊中的AD轉(zhuǎn)換以及數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

3.1 低噪聲射頻放大模塊ADS軟件仿真

    低噪聲射頻放大模塊中ADS軟件仿真流程圖如圖6所示,。

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    在該仿真流程中,,最核心的部分是成品率仿真分析,首先給最終的ADS電路原理圖增加YIELD 仿真器及YIELD 參數(shù),,隨后對(duì)放大器在所設(shè)定目標(biāo)下的合格率進(jìn)行分析,,并且保證元件參量變化符合正態(tài)分布。

3.2 信號(hào)顯示主控模塊相關(guān)程序設(shè)計(jì)

    信號(hào)顯示主控模塊相關(guān)程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖7所示,。

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    在該模塊的程序設(shè)計(jì)流程中,,最關(guān)鍵的是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口以及ADC的初始化配置,,進(jìn)而完成數(shù)碼管,、LED燈的驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)采集。相關(guān)代碼在美國Keil Software公司的Keil軟件上完成,。

4 系統(tǒng)調(diào)試

    為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,,測(cè)向搜尋儀的調(diào)試地點(diǎn)選在錢塘江旁的沿江大道。搜尋儀和天線的整體實(shí)物圖,、測(cè)試地圖如圖8所示,。

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    在測(cè)試過程中,由于空間受限,信號(hào)收發(fā)源的位置距離最遠(yuǎn)只能達(dá)到1 000 m,,測(cè)試過程中射頻信號(hào)發(fā)射源采用的是頻段為220 MHz~240 MHz,、發(fā)射功率為5 W的數(shù)傳電臺(tái)。根據(jù)無線信道的衰減公式以及考慮到放大模塊的20 dB增益和天線增益7.5 dBi,,可以得到100 m,、200 m,、500 m及1 000 m處對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為-2.50 dBm,、-8.52 dBm、-16.5 dBm及-22.5 dBm,;并且通過該公式可以知道,,當(dāng)距離值為10 km時(shí),接收到的信號(hào)強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)的距離值為-50 dBm,,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于-80 dBm,,因此理論上通信距離是可以達(dá)到10 km。整體回收測(cè)向搜尋儀的測(cè)向以及測(cè)距功能測(cè)試步驟如下:

    (1)測(cè)向功能測(cè)試,。在相同距離處通過調(diào)整天線轉(zhuǎn)動(dòng)方向,,記錄相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值,并將得到的測(cè)試值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得到誤差值,,偏離角度分別與信號(hào)強(qiáng)度值,、誤差絕對(duì)值的關(guān)系如圖9所示。

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    由圖9可以知道,,在相同距離的情況下,,天線發(fā)射端轉(zhuǎn)動(dòng)后的方向與沿江大道方向偏離角度為0°時(shí)測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度值最大,并且測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差最小,,誤差范圍均達(dá)到預(yù)期指標(biāo)±1 dBm以內(nèi),;隨著偏離角度絕對(duì)值θ的增大,測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度值會(huì)越小,,相對(duì)應(yīng)的誤差值也越大,。因此該測(cè)向搜尋儀測(cè)向功能是較為精確的。

    (2)測(cè)距功能測(cè)試,。在各個(gè)測(cè)試位置上通過測(cè)向找到最大信號(hào)強(qiáng)度的方向(即沿江大道方向)后,,保持方向不變,通過觀察數(shù)碼管的顯示來記錄相對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值,,通過按鍵切換顯示記錄相對(duì)應(yīng)的距離值,,并將得到的測(cè)試值和標(biāo)準(zhǔn)距離值進(jìn)行比較作誤差分析。實(shí)際距離值分別與測(cè)試距離值,、距離誤差百分比的曲線變化圖如圖10所示,。

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    由圖10可以知道,測(cè)得距離值和實(shí)際距離值的變化曲線接近于斜率為1的線性直線,距離值的誤差百分比最高大約為6.20%,,并且當(dāng)測(cè)試距離值慢慢變大,,誤差也會(huì)變小,因此該搜尋儀的測(cè)距功能是較為精確的,。

5 結(jié)論

    該搜尋儀的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求,,實(shí)現(xiàn)了低噪聲射頻放大、射頻檢波,、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng),、信號(hào)強(qiáng)度以及距離顯示等基本功能;工作適用頻段較寬,,可以支持不同頻率的射頻信號(hào)源,;在測(cè)試過程中對(duì)目標(biāo)定位精度較高,因此后續(xù)可以將該搜尋儀應(yīng)用于實(shí)際海試測(cè)試,,不斷地對(duì)其功能進(jìn)行完善優(yōu)化,。

參考文獻(xiàn)

[1] 王智學(xué).AUV回收時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2006.

[2] 潘光,,黃明明.AUV回收技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),,2008.

[3] 王曉娟.基于視覺的AUV水下回收引導(dǎo)定位技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011.

[4] 王雪峰,,呂汝信.水下航行體位置指示及打撈,、回收新技術(shù)研究[J].船舶工程,2002(4):52-55.

[5] 李向陽.一種定位系統(tǒng)射頻發(fā)射前端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),,2010.



作者信息:

胡畢煒,,蔡文郁,溫端強(qiáng),,張娟娟

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,,浙江 杭州310018)

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