基于ROV的艦船磁場(chǎng)測(cè)量方法

曹軍宏, 劉 飛

基于ROV的艦船磁場(chǎng)測(cè)量方法

曹軍宏, 劉 飛

(中國(guó)人民解放軍92942部隊(duì), 北京, 100161)

針對(duì)目前艦船磁場(chǎng)測(cè)量方法靈活性較低、機(jī)動(dòng)性較差的問(wèn)題, 提出了一種基于水下遙控航行器(ROV)的艦船磁場(chǎng)測(cè)量方法。文中設(shè)計(jì)了ROV測(cè)磁系統(tǒng)總體集成方案, 即將ROV模塊、磁測(cè)量模塊、聲學(xué)定位模塊集成在一個(gè)系統(tǒng)中。其中, 磁測(cè)量模塊采用2個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量傳感器同時(shí)進(jìn)行測(cè)量以提高精度, 為了實(shí)現(xiàn)ROV的精準(zhǔn)定位, 采用多點(diǎn)水下聲學(xué)定位方法。隨后, 對(duì)該測(cè)磁系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和調(diào)試, 包括接收磁場(chǎng)信息與聲學(xué)信息、解算ROV位置、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)等。最后, 使用布有電磁線圈的鐵制平臺(tái)模擬水面艦船, 對(duì)設(shè)計(jì)的ROV測(cè)磁系統(tǒng)進(jìn)行水中測(cè)試, 電磁線圈通電前后, 測(cè)量得到的龍骨磁場(chǎng)總量特征具有相同的變化趨勢(shì), 并且電磁線圈的分量磁場(chǎng)測(cè)量值相對(duì)于理論值的測(cè)量誤差為5.66%, 表明所提方法具有很高的可靠性。

艦船; 磁場(chǎng)測(cè)量; 水下遙控航行器; 水聲定位

0 引言

水面艦船主要是由鋼材構(gòu)成, 而且艦船上也分布有大量的鋼鐵設(shè)備, 在航行過(guò)程中由于地球磁場(chǎng)的作用會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)磁場(chǎng)[1]。艦船在航行過(guò)程中, 其本身的磁場(chǎng)信息會(huì)誘發(fā)預(yù)置在水底的磁引信水雷、魚雷發(fā)生爆炸, 進(jìn)而對(duì)艦船產(chǎn)生極大的殺傷力[2]。為了提升艦船的安全系數(shù), 避免磁引信水下武器對(duì)艦船的損傷, 需要艦船具有很強(qiáng)的磁隱身能力。要評(píng)估艦船磁隱身水平, 就必須對(duì)艦船磁場(chǎng)空間分布進(jìn)行精確測(cè)量。

目前艦船磁場(chǎng)測(cè)量方式主要有2種, 一種是在固定的消磁站中進(jìn)行測(cè)量, 另一種是在近海海底布放的動(dòng)態(tài)磁性測(cè)量站中進(jìn)行測(cè)量, 依據(jù)測(cè)得的磁場(chǎng)信息決定是否需要進(jìn)行消磁處理。這2種測(cè)量方式都是在水底固定一系列的磁傳感器進(jìn)行測(cè)量, 具有較高的測(cè)量精度, 但是必須要求艦船航行到消磁站或者動(dòng)態(tài)磁性測(cè)量站進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量, 這樣不僅花費(fèi)了大量的時(shí)間和能源, 而且限制了艦船磁場(chǎng)測(cè)量的范圍和靈活性。因此, 開展機(jī)動(dòng)靈活而又精準(zhǔn)的艦船磁場(chǎng)測(cè)量方法研究具有十分重要的軍事意義。

無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)作為一種海洋勘探的重要平臺(tái), 近些年來(lái)受到了世界各國(guó)的廣泛重視。UUV通過(guò)搭載多種傳感器, 可以應(yīng)用于海洋調(diào)查、情報(bào)探測(cè)等軍事和民用領(lǐng)域[3]。目前, UUV已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海底沉積物聲學(xué)特征的測(cè)量[4], 石油泄露后水質(zhì)樣本的采集[5], 冰層覆蓋下海底地圖的繪制[6]等領(lǐng)域?；谏鲜鰬?yīng)用, 可以考慮使用UUV搭載磁場(chǎng)傳感器對(duì)水面艦船的磁場(chǎng)特征進(jìn)行測(cè)量。

2012年起, Walker等[7-9]開始使用自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)搭載三軸磁力計(jì)的方式, 對(duì)航行中的水面艦船的磁場(chǎng)特征進(jìn)行測(cè)量, 通過(guò)安裝在AUV內(nèi)部的聲學(xué)應(yīng)答器和固定在水底的聲學(xué)應(yīng)答器配合完成AUV的聲學(xué)定位。在這種測(cè)量方式中, 磁力計(jì)與AUV之間緊密接觸, AUV的干擾磁場(chǎng)對(duì)磁力計(jì)的影響過(guò)大, 增加了去除AUV干擾磁場(chǎng)的難度, 而且所采用的磁力計(jì)相較于光泵探頭測(cè)量精度較差。Dhanak等[10]使用AUV拖曳磁力計(jì)對(duì)海底磁場(chǎng)信息進(jìn)行測(cè)量研究, 這種測(cè)量方式避免了AUV干擾磁場(chǎng)對(duì)磁力計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響, 但是由于拖曳纜會(huì)隨著洋流的作用而發(fā)生移動(dòng), 因此這種測(cè)量方式無(wú)法對(duì)艦船磁場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)量。2014年, Hrvoic等[11]將磁力計(jì)與AUV配對(duì), 并將該AUV測(cè)磁系統(tǒng)部署在加拿大多倫多附近的淺水區(qū)域進(jìn)行水下磁場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量, 識(shí)別出了水下金屬目標(biāo)的位置。2018年, Jung等[12]使用自主水面航行器(autonomous surface vehicle, ASV)搭載磁力計(jì)對(duì)水下磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了測(cè)量, 不過(guò)這種測(cè)磁系統(tǒng)通過(guò)GPS進(jìn)行定位, 因此ASV只能在水面對(duì)艦船磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量, 無(wú)法獲取比較詳實(shí)的艦船磁場(chǎng)特征。我國(guó)對(duì)于UUV以及海洋磁力儀相關(guān)的研究相對(duì)滯后, 使用UUV搭載磁力儀進(jìn)行水下磁場(chǎng)特征測(cè)量的報(bào)道也較少, 邊剛等[13]使用Iver2型AUV拖曳海洋磁力計(jì)對(duì)海洋磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量, 并與船磁測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 研究了AUV拖曳式海洋磁力計(jì)測(cè)量的噪聲檢測(cè)、位置歸算等技術(shù)。

上述都是基于AUV或ASV的磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng), AUV可以自主地在水下按照預(yù)定的航線攜帶磁力計(jì)進(jìn)行測(cè)量, 但是其電池能夠提供的能源是固定的, 因此也限制了其負(fù)載能力以及作業(yè)時(shí)間。遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV)拖帶一根可以通信和供電的零浮力線纜, 所以無(wú)需擔(dān)心能耗問(wèn)題, 增加了其負(fù)載能力和作業(yè)時(shí)間, 而且ROV航行的靈活性較好, 可以隨時(shí)糾正其航行路線, 截至目前, 還未查詢到國(guó)內(nèi)有使用基于ROV的測(cè)磁系統(tǒng)對(duì)艦船磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的公開報(bào)道?；诖? 文中設(shè)計(jì)了一種ROV測(cè)磁系統(tǒng), 該系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性高, 作業(yè)方式靈活, 可以在大多數(shù)水域開展水面艦船的測(cè)磁作業(yè)。

1 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

ROV測(cè)磁系統(tǒng)主要是將ROV模塊、磁場(chǎng)測(cè)量模塊和水聲定位模塊結(jié)合起來(lái), 通過(guò)ROV實(shí)現(xiàn)一定范圍的機(jī)動(dòng)航行, 通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物磁場(chǎng)特征的高精度測(cè)量, 通過(guò)水聲定位模塊實(shí)現(xiàn)ROV的精準(zhǔn)定位, 充分發(fā)揮各個(gè)模塊的優(yōu)勢(shì)。

1.1 ROV模塊

ROV模塊主要由航行器本體、地面操控箱和零浮力纜線組成。其中, 航行器本體部分包括耐壓艙體、照明和觀測(cè)模塊、傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等; 地面操控箱包括顯示屏、操作手柄、狀態(tài)指示、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和軟硬件處理系統(tǒng)等; 纜線用來(lái)連接地面操控臺(tái)和ROV本體, 地面操控臺(tái)通過(guò)臍帶纜將控制指令發(fā)送給ROV本體。ROV通過(guò)零浮力線纜從母船獲取電力, 所以在水下的作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng), 且具有優(yōu)良的深度和航向鎖定功能。ROV模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示, 技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 ROV模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of the ROV module

1.2 水聲定位模塊

為實(shí)現(xiàn)ROV模塊的水下精確定位, 文中采取多點(diǎn)水下聲學(xué)定位方案, 使用3個(gè)聲學(xué)鳥組成聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行ROV的位置解算, 即在一個(gè)二維平面上, 已知2個(gè)固定點(diǎn)的坐標(biāo)和3個(gè)點(diǎn)彼此間的距離, 再根據(jù)幾何關(guān)系求解出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。

如圖2所示, 聲學(xué)鳥、和在同一平面內(nèi)互相連接組成一個(gè)封閉的三角形, 建立圖中所示的平面直角坐標(biāo)系。其中, 聲學(xué)鳥、固定在艦船的同一側(cè), 兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(X,Y)、(X,Y), 則聲學(xué)鳥、兩點(diǎn)的距離R可以求解得出, 聲學(xué)鳥跟隨ROV一起航行。

=0時(shí), 聲學(xué)鳥向和發(fā)射段聲波, 其后的某個(gè)時(shí)刻, 聲學(xué)鳥接收到聲波, 并向外發(fā)射段聲波, 當(dāng)=1,2時(shí), 聲學(xué)鳥和分別接收到聲波。然后按照式(1)計(jì)算出聲學(xué)鳥和之間的距離, 按照式(2)計(jì)算出聲學(xué)鳥和之間的距離R, 按照式(3)計(jì)算出聲學(xué)鳥的坐標(biāo)(X,Y)。其中為聲波在海水中的傳播速度。

1.3 磁場(chǎng)測(cè)量模塊

磁場(chǎng)測(cè)量模塊主要由磁通門傳感器、高靈敏度銫光泵探頭、慣導(dǎo)傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及數(shù)據(jù)處理平臺(tái)組成(如圖3所示)。其中, 銫光泵探頭量程范圍為–10 000～10 000 nT, 分辨率為0.1 nT; 磁通門傳感器的量程范圍為–80 000～80 000 nT, 分辨率為1 nT, 磁傳感器使用的環(huán)境條件為–40℃～85℃, 相對(duì)濕度為20%～90%。數(shù)據(jù)采集器將各外接傳感器信號(hào)采樣后, 進(jìn)行本地存儲(chǔ)或通過(guò)數(shù)傳發(fā)送。數(shù)據(jù)采集器輸入電源為18～36 V直流, 其他外界模塊的供電均通過(guò)數(shù)據(jù)采集器穩(wěn)壓后供電。當(dāng)外接一個(gè)銫光泵探頭時(shí), 設(shè)備整機(jī)功耗約30 W。整個(gè)測(cè)磁模塊總質(zhì)量不超過(guò)3 kg, 是ROV測(cè)磁系統(tǒng)上比較理想的選擇。

在綜合考慮水下機(jī)動(dòng)性、流體力學(xué)性能、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、精準(zhǔn)定位及精確測(cè)磁功能的基礎(chǔ)上, 采取開架式布局, 集成后的ROV測(cè)磁系統(tǒng)如圖4所示。測(cè)磁系統(tǒng)總共分為3層, 考慮航行穩(wěn)定性, 將浮力較大的數(shù)據(jù)采集器儀器艙安裝在第1層, 將重力較大的聲學(xué)模塊放置在最下層, 將提供動(dòng)力的ROV放置在中間層。

圖3 磁場(chǎng)測(cè)量模塊

圖4 ROV測(cè)磁系統(tǒng)

1.4 ROV干擾磁場(chǎng)去除

由于ROV部分組件為金屬材質(zhì), 其本身具有一定的磁性, 尤其是推進(jìn)器電機(jī)所在位置的磁場(chǎng)最強(qiáng), 如果將磁場(chǎng)傳感器布放在ROV上, 那么在測(cè)量過(guò)程中, ROV中的高頻設(shè)備, 例如電源、電機(jī)和電子設(shè)備等會(huì)產(chǎn)生一定的干擾磁場(chǎng), 對(duì)磁傳感器的測(cè)量結(jié)果有一定的影響。

為了降低ROV自身干擾磁場(chǎng)的影響, 要求銫光泵探頭與ROV之間距離不少于2 m, 磁通門傳感器與ROV之間距離不少于1 m。因此, 該方案確定在ROV下方的縱軸方向安裝長(zhǎng)度為2.5 m的測(cè)量探桿, 磁通門傳感器密封電子艙和銫光泵探頭密封電子艙通過(guò)測(cè)量探桿固定在ROV的前面, 這種結(jié)構(gòu)布局減小了ROV本體磁場(chǎng)對(duì)光泵探頭和磁通門傳感器測(cè)量精度的影響。同時(shí), 將ROV的其余組件盡量更換為無(wú)磁或弱磁材料, 如光泵探頭密封電子艙和磁通門傳感器密封電子艙均采用塑料材質(zhì), 測(cè)量探桿采用鋁合金材質(zhì), ROV的控制艙和數(shù)據(jù)采集器密封電子艙采用全鋁材質(zhì), 所有連接部件均使用非磁性黃銅螺栓。降低了ROV干擾磁場(chǎng)對(duì)磁傳感器測(cè)量結(jié)果的影響。

2 軟件設(shè)計(jì)

ROV測(cè)磁系統(tǒng)的軟件主要包括磁場(chǎng)數(shù)據(jù)接收、聲學(xué)數(shù)據(jù)接收、ROV位置解算以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。磁場(chǎng)測(cè)量模塊中的數(shù)據(jù)采集器將磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后, 以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給水面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。聲學(xué)信息則是由聲學(xué)鳥的控制箱融合后發(fā)送到水面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。在數(shù)據(jù)接收過(guò)程中, 通過(guò)判斷接收的字符數(shù)以及數(shù)據(jù)包的起始/結(jié)束標(biāo)識(shí)位來(lái)確定數(shù)據(jù)包是否接收完整。

為了對(duì)ROV進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督與控制, 需將接收到的聲學(xué)信息按照式(3)計(jì)算, 求出ROV當(dāng)前的坐標(biāo)位置, 通過(guò)界面觀察偏航方向, 從而控制ROV的航向, 使其精確地完成磁場(chǎng)測(cè)量工作。在磁場(chǎng)數(shù)據(jù)以及定位數(shù)據(jù)保存過(guò)程中, 以每個(gè)數(shù)據(jù)包為基準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ), 即每個(gè)數(shù)據(jù)包為單獨(dú)一行, 不同數(shù)據(jù)包之間以回車換行作為結(jié)束。圖5為ROV的位置實(shí)時(shí)顯示界面圖。

圖5 ROV位置實(shí)時(shí)顯示界面

ROV測(cè)磁系統(tǒng)的軟件部分主要采用 LabView 開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫, 系統(tǒng)能夠通過(guò)用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(user datagram protocol, UDP)對(duì)磁場(chǎng)信息、水聲定位數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理, 并按照要求進(jìn)行顯示、處理和存儲(chǔ)操作。

3 測(cè)試試驗(yàn)

為驗(yàn)證測(cè)磁方案的可行性和有效性, 采用圖6所示的水面試驗(yàn)平臺(tái)為測(cè)試對(duì)象, 對(duì)文中設(shè)計(jì)的ROV測(cè)磁系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。以圖中所示的水面平臺(tái)模擬艦船, 將水面平臺(tái)通過(guò)4根綁有錨的繩索固定在水面, 在平臺(tái)上放置工作臺(tái), 在平臺(tái)的同一側(cè)固定2個(gè)支架, 并將2只聲學(xué)鳥通過(guò)支架吊放于水下, ROV測(cè)磁系統(tǒng)與2只聲學(xué)鳥位于同一平面內(nèi), 3只聲學(xué)鳥在同一平面內(nèi)組成聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

水面平臺(tái)的俯視示意圖如圖7所示。水面平臺(tái)本身所攜帶的感應(yīng)磁場(chǎng)特征是不變的, 測(cè)試平臺(tái)上布有20匝電磁線圈, 電磁線圈通電后會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)特征, 同時(shí)平臺(tái)上還布置了1臺(tái)發(fā)電機(jī)給電磁線圈供電。測(cè)試平臺(tái)前方的凹槽結(jié)構(gòu)便于ROV的下水及回收。

圖6 水面試驗(yàn)平臺(tái)

圖7 水面平臺(tái)俯視示意圖

試驗(yàn)內(nèi)容主要分為兩部分: 一是在平臺(tái)上電磁線圈未通電的情況下, 測(cè)量平臺(tái)龍骨下方的磁場(chǎng)特征; 二是在電磁線圈通電后, 測(cè)量平臺(tái)和電磁線圈在龍骨下方的疊加磁場(chǎng)。通過(guò)分析比較2種情況下的磁場(chǎng)特征曲線, 驗(yàn)證所提航行測(cè)磁功能。

平臺(tái)電磁線圈未通電情況下, ROV測(cè)磁系統(tǒng)穿越平臺(tái)龍骨時(shí), 使用銫光泵探頭測(cè)量得到的磁場(chǎng)總量特征如圖8所示, 測(cè)量深度為水下4 m, 穿越方向沿著圖7中軸所示負(fù)方向。

由圖8可知, 在控制ROV測(cè)磁系統(tǒng)由遠(yuǎn)處航行逐漸接近平臺(tái)凹槽的過(guò)程中, 磁場(chǎng)總量測(cè)量值先有一個(gè)減小的趨勢(shì), 這是因?yàn)樵囼?yàn)測(cè)試平臺(tái)前方的凹槽結(jié)構(gòu)所致。隨后, 測(cè)磁系統(tǒng)航行到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)龍骨下方, ROV在龍骨下方航行至平臺(tái)中央位置過(guò)程中, 磁場(chǎng)總量測(cè)量值持續(xù)增加, 在平臺(tái)龍骨中間點(diǎn)附近達(dá)到最大值, 這是因?yàn)闇y(cè)試平臺(tái)的磁場(chǎng)在龍骨中間點(diǎn)附近疊加的磁場(chǎng)值最大。而后在ROV測(cè)磁系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離平臺(tái)龍骨中間點(diǎn)的過(guò)程中, 測(cè)量得到的磁場(chǎng)總量逐漸減小。

圖8 電磁線圈通電前磁場(chǎng)總量特征測(cè)量結(jié)果

平臺(tái)電磁線圈施加30 A直流電后, ROV測(cè)磁系統(tǒng)在相同水深穿越平臺(tái)龍骨, 使用銫光泵探頭測(cè)量得到的磁場(chǎng)總量特征如圖9所示。由圖9可知, 在控制ROV測(cè)磁系統(tǒng)由遠(yuǎn)處接近平臺(tái)的過(guò)程中, 磁場(chǎng)總量測(cè)量值也是先有一個(gè)減小的趨勢(shì)。當(dāng)ROV在龍骨正下方行駛至平臺(tái)中央位置過(guò)程中, 磁場(chǎng)總量測(cè)量值持續(xù)增加, 在平臺(tái)龍骨中間點(diǎn)附件達(dá)到最大值, 這是因?yàn)闇y(cè)試平臺(tái)和電磁線圈的磁場(chǎng)在龍骨中間點(diǎn)附近疊加的磁場(chǎng)值最大, 而后在ROV測(cè)磁系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離平臺(tái)龍骨中間點(diǎn)的過(guò)程中, 測(cè)量得到的磁場(chǎng)總量逐漸減小。

觀察圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn), 在電磁線圈通電前后, 使用ROV測(cè)磁系統(tǒng)測(cè)量得到的磁場(chǎng)總量具有相同的變化趨勢(shì), 證明了ROV測(cè)磁系統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)量功能的可靠性。

圖9 電磁線圈通電后磁場(chǎng)總量特征測(cè)量結(jié)果

為便于觀察, 將電磁線圈通電前后使用磁通門傳感器測(cè)量得到的磁場(chǎng)分量進(jìn)行比較, 如圖10所示。由圖可知, 在電磁線圈通電前, ROV測(cè)磁系統(tǒng)測(cè)量得到的分量磁場(chǎng)最大值為36150 nT, 在電磁線圈通電后, 測(cè)量得到的分量磁場(chǎng)最大值為49660 nT, 從而可以計(jì)算得到電磁線圈磁場(chǎng)測(cè)量值為13510 nT。通過(guò)計(jì)算可得電磁線圈在龍骨下方4 m處產(chǎn)生的磁場(chǎng)理論值最大為14 320 nT, 從而可以得到電磁線圈磁場(chǎng)的測(cè)量絕對(duì)誤差值為810 nT, 測(cè)量值相對(duì)于理論值的測(cè)量誤差為5.66%。電磁線圈磁場(chǎng)測(cè)量值與理論值之間的相對(duì)誤差表明, 文中提出的ROV磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)水面艦船磁場(chǎng)的測(cè)量具有很高的精度。

圖10 電磁線圈通電前后磁場(chǎng)Z分量特征測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了水面艦船磁場(chǎng)特征測(cè)量的重要性, 針對(duì)傳統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)量方式的局限性, 提出了使用ROV搭載磁力計(jì)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的方案, 開展了基于ROV的艦船磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì), 結(jié)合磁場(chǎng)測(cè)量任務(wù)需求完成了ROV模塊、磁場(chǎng)測(cè)量模塊和聲學(xué)定位模塊的硬件集成設(shè)計(jì), 進(jìn)行了ROV干擾磁場(chǎng)的處理, 并完成了磁場(chǎng)數(shù)據(jù)接收處理、聲學(xué)定位數(shù)據(jù)接收處理、ROV位置解算的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試。最后, 以鐵制平臺(tái)模擬水面艦船, 對(duì)所設(shè)計(jì)的ROV測(cè)磁系統(tǒng)進(jìn)行了水中測(cè)試, 平臺(tái)電磁線圈通電前后, 測(cè)量得到的龍骨磁場(chǎng)總量特征具有相同的變化趨勢(shì)。將電磁線圈的分量磁場(chǎng)測(cè)量值與理論值進(jìn)行對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差為5.66%, 表明了所提ROV磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)水面艦船磁場(chǎng)特征的測(cè)量具有很高的可靠性。

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Magnetic Field Measurement Method Based on Remotely Operated Vehicle

CAO Jun-hongLIU Fei

(Unit 92942th, the People’s Liberation Army China, Beijing 100161, China)

The existing magnetic field measurement method of a ship has the problems of low measurement flexibility and poor maneuverability. To address these problems, this study proposes a method for measuring the magnetic field of ships based on an underwater remotely operated vehicle (ROV). In this study, an overall integration scheme of the ROV magnetic measurement system is designed. That is, the ROV module, magnetic measurement module, and acoustic positioning module are integrated into one system. The magnetic measurement module uses two magnetic field sensors to measure simultaneously for improved measurement accuracy. In order to achieve precise positioning of the ROV, a multi-point underwater acoustic positioning method is adopted. The software of the ROV magnetic measurement system is designed and debugged, including receiving magnetic field information and acoustic information, calculating the ROV position, and storing measurement data. Finally, an iron platform with electromagnetic coils is used to simulate a surface ship to test the designed ROV magnetism measurement system in water. Before and after the electromagnetic coil on the platform is energized, the characteristics of the total magnetic field of the platform’s keel obtained via the measurement had the same changing trend. The measurement error of the-component magnetic field measurement value of the electromagnetic coil relative to the theoretical value is 5.66%, which indicates that the ROV magnetic field measurement system proposed in this paper has high reliability in the magnetic field measurement of the surface ship.

ship; magnetic field measurement; remotely operated vehicle(ROV); acoustic positioning

U665.18; TM937

A

2096-3920(2021)06-0754-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.016

曹軍宏, 劉飛. 基于ROV的艦船磁場(chǎng)測(cè)量方法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 754-759.

2021-03-02;

2021-03-30.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0301700).

曹軍宏(1979-), 男, 博士, 工程師, 主要研究方向?yàn)榕灤?

(責(zé)任編輯: 許 妍)