CN104777455B - 基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置及方法，其包括：在集装箱落水后，发射落水集装箱定位水声信号的示位节点；至少三个设置在水面上，定时向监控中心反馈各自当前位置信息的探测节点；同时各所述探测节点还用于检测是否收到所述定位水声信号，若收到则各所述探测节点分别根据定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并将各自对应的距离信息以及各自当前位置信息一并发送至监控中心；以及在接收到各组距离信息以及当前位置信息后，选择三组信息利用三点定位算法计算落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示的监控中心。本发明具有不影响通航作业、定位准确、效率高等优点。

Description

基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置及方法

技术领域

本发明涉及落水集装箱探测定位技术，具体的说涉及一种基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置及方法。

背景技术

随着经济和贸易的发展，集装箱运输方式在各国国民经济发展中的地位和作用越来越突出。由于水路运输相对安全性较高、且运输费用较低，所以是集装箱运输的主要方式之一。在内河与近海行驶着为数众多的集装箱运输船，由于恶劣气象条件、不利的航道条件、密集的船舶交通流分布、以及船舶驾驶人员的操作失误等原因，经常会造成集装箱落水事故。如果不及时打捞沉入水底的集装箱，不仅会造成货物损失，还会对航道安全带来潜在的危险。值得注意的是，近些年来危险品集装箱的运量在逐渐增加，这类货物通常具有腐蚀性、易燃易爆性、有毒性，一旦落水，将对生态环境安全带来巨大的隐患。因此，对落水集装箱及时进行快速探测与打捞具有重大的社会意义。

对落水集装箱进行探测定位是打捞工作的前提，目前人们已经提出了多种方法来实施落水集装箱的探测定位，这些方法可大体划分为主动探测和浮标定位两大类。主动探测类通常采用成像声纳、激光成像技术对落水集装箱进行水下探测，由于成像声纳的图像分辨率较低，不能准确判断水下目标的具体性质，而水下能见度对激光成像技术的有效作用距离有着重要的影响，当水下能见度较差时，激光成像技术的有效作用距离将显著减小，使得探测效率无法满足实际需要。针对成像声纳、激光成像技术的不足，人们又提出了基于地磁探测技术的水下集装箱主动探测方法，该方法利用集装箱对地磁的影响，通过磁阻传感器探测地磁的变化，从而实现对落水集装箱的定位，但是这种方法需要两条并排行驶的木制船舶携带探测装置，在集装箱落水区域进行扫描测量，易受金属物品干扰，定位效率不高，还会对正常的通航造成一定的影响，而且在落水集装箱受水流作用，产生较大的位置改变时，则需要扩大扫描探测的水域，进一步降低了定位效率。浮标定位类主要有两种方式，第一种由浮体、锚泊装置和连接浮体与锚泊装置的绳索构成，当发生集装箱落水事故时，由船员迅速将锚泊装置投向落水集装箱，锚泊装置依靠自身的磁力装置吸附在集装箱，随集装箱沉入水下，而依靠通过绳索与锚泊装置相连接的浮体便可对集装箱进行定位。这种方式需要船员及时投放定位装置，在恶劣气象条件、或是船舶发生碰撞等不利情况下，船员很难做到及时投放，从而造成无法定位。第二种采用了入水自动充气装置，因此可将定位标系统安装在集装箱上，当集装箱落水后，自动充气装置为浮标充气，使浮标上升至水面，通过连接于浮标与集装箱之间的绳索便可实现对落水集装箱的定位。第二种方式避免了投放锚泊装置，增加了成功定位的概率，然而，自动充气装置的体积较大，每次发生作用后都需要更换充气装置，而且，以上两种浮标定位方法均需要根据航路的最大水深合理设置绳索的长度，绳索过短会使浮标无法浮出水面，失去定位作用，而绳索一般将占据较大的空间，造成浮标定位类定位装置体积较大，不便于存放与安装，此外，落水集装箱之间的绳索存在发生缠绕的可能性，影响定位性能，水中的绳索还可能对船舶的航行安全带来隐患。

针对目前落水集装箱探测定位技术存在的不足，提出一种新型的落水集装箱探测定位方法，从而克服现有技术的缺陷是十分有必要的。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种新型的基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置及方法，从而解决现有技术中所存在的装置体积大、操作不方便、影响通航、效率低等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置，其特征在于：

包括：

安装在集装箱上，用于在集装箱落水后，发射相应集装箱定位水声信号的示位节点；

至少三个设置在水面上，用于定时向监控中心反馈各自当前位置信息的探测节点；同时各所述探测节点还用于检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则各所述探测节点分别根据定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并将各自对应的距离信息以及各自当前位置信息一并发送至监控中心；

以及监控中心，该监控中心在接收到各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息后，选择三组信息利用三点定位算法计算落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示。

进一步的，所述示位节点包括落水检测传感器、落水检测接口电路、嵌入式微处理器、水声信号收发接口电路、水声换能器以及电池供电单元；其中，所述落水检测传感器用于在集装箱落水时，通过落水检测接口电路向嵌入式微处理器发送落水状态信号；所述嵌入式微处理器在接收到所述落水状态信号后由休眠状态转入工作状态，通过水声信号收发接口电路控制水声换能器发送定位水声信号。

进一步的，所述探测节点由浮体和检测系统组成，所述检测系统包括电池供电单元、GPS定位单元、水声换能器、水声信号收发接口、嵌入式微处理器、射频通信单元以及天线；其中，所述GPS定位单元用于实时获取本身位置信息，并定时向监控中心发送自身位置信息；所述水声换能器用于探测接收来自于落水集装箱上的示位节点的定位水声信号并通过水声信号收发接口将所述定位水声信号反馈至嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则所述嵌入式微处理器根据接收到的定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并获取GPS定位单元获取的当前本身位置信息后，将对应的距离信息以及当前位置信息一并通过射频通信单元以及天线发送至监控中心。

进一步的，所述监控中心包括无线收发单元、测控计算机以及人机界面；其中，所述测控计算机通过无线收发单元接收来自各个探测节点的探测数据，并选择三组探测数据利用三点定位算法计算该落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示，指导实施集装箱打捞工作；所述探测数据即为各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息。

同时本发明还提供了一种基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位方法，其特征在于：

包括如下步骤：

⑴、预装示位节点：将所述示位节点安装在集装箱外部、且不影响集装箱运输的位置；该示位节点处于休眠状态，以节省电池能量，一旦发生集装箱落水事故，即由休眠状态转入工作状态，发射相应落水集装箱定位水声信号；

⑵、投放探测节点：在事故水域的一定范围内，以均匀分布的方式投放至少3个探测节点，所述探测节点首先获取本身位置信息，并定时向监控中心反馈各自当前位置信息；同时各所述探测节点还用于检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则各所述探测节点分别根据定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并将各自对应的距离信息以及各自当前位置信息一并发送至监控中心；

⑶、计算落水集装箱的位置坐标：通过监控中心接收到各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息后，选择三组信息利用三点定位算法计算落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示。

进一步的，所述示位节点包括落水检测传感器、落水检测接口电路、嵌入式微处理器、水声信号收发接口电路、水声换能器以及电池供电单元；其中，所述落水检测传感器用于在集装箱落水时，通过落水检测接口电路向嵌入式微处理器发送落水状态信号；所述嵌入式微处理器在接收到所述落水状态信号后由休眠状态转入工作状态，通过水声信号收发接口电路控制水声换能器发送定位水声信号。

进一步的，所述探测节点由浮体和检测系统组成，所述检测系统包括电池供电单元、GPS定位单元、水声换能器、水声信号收发接口、嵌入式微处理器、射频通信单元以及天线；其中，所述GPS定位单元用于实时获取本身位置信息，并定时向监控中心发送自身位置信息；所述水声换能器用于探测接收来自于落水集装箱示位节点的定位水声信号并通过水声信号收发接口将所述定位水声信号反馈至嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则所述嵌入式微处理器根据接收到的定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并获取GPS定位单元获取的当前本身位置信息后，将对应的距离信息以及当前位置信息一并通过射频通信单元以及天线发送至监控中心。

进一步的，所述监控中心包括无线收发单元、测控计算机以及人机界面；其中，所述测控计算机通过无线收发单元接收来自各个探测节点的探测数据，并选择三组探测数据利用三点定位算法计算该落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示，指导实施集装箱打捞工作；所述探测数据即为各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明具有结构简单、占用空间小；操作简便、不影响通航，定位准确、效率高等优点。

附图说明

图1为本发明所述的探测定位装置及方法对应的原理示意图；

图2为本发明所述的探测节点原理示意图；

图3为本发明所述的示位节点原理示意图。

图中：1、监控中心，2、探测节点，3、水声换能器、4、落水集装箱，5、示位节点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明采用基于水声信号检测技术的方法进行落水集装箱的探测定位，其基本原理结构如图1所示，具体的探测定位装置主要由探测节点2、安装在集装箱上的示位节点5和监控中心1组成。集装箱落水后，落水集装箱4上的示位节点5发送定位水声信号，水面上的各个探测节点2通过水声换能器3接收到的定位水声信号，同时各个探测节点2分别估计其与落水集装箱4间的距离信息以及获取的本身位置信息一同发给监控中心1，监控中心1依据接收到的各个探测数据，利用三点定位算法确定落水集装箱的位置。

具体的，所述基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置，其包括：

安装在集装箱上，用于在集装箱落水后发射相应落水集装箱定位水声信号的示位节点；所述示位节点原理框图如图3所示，其包括落水检测传感器、落水检测接口电路、嵌入式微处理器、水声信号收发接口电路、水声换能器以及电池供电单元；其中，嵌入式微处理器、水声信号收发接口、落水检测接口电路、电池供电单元安装在具有水密性的壳体内，而水声换能器和落水检测传感器安装在该壳体外部，并通过线缆分别与水声信号收发接口、落水检测接口电路相连接；同时所述落水检测传感器用于在集装箱落水时，通过落水检测接口电路向嵌入式微处理器发送落水状态信号；所述嵌入式微处理器在接收到所述落水状态信号后由休眠状态转入工作状态，通过水声信号收发接口电路控制水声换能器发送定位水声信号。

至少三个设置在水面上，用于定时向监控中心反馈各自当前位置信息的探测节点；同时各所述探测节点还用于检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则各所述探测节点分别根据定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并将各自对应的距离信息以及各自当前位置信息一并发送至监控中心；具体的，所述探测节点原理框图如图2所示，由浮体和检测系统组成，所述检测系统包括电池供电单元、GPS定位单元、水声换能器、水声信号收发接口、嵌入式微处理器、射频通信单元以及天线；其中，检测系统的嵌入式微处理器、射频通信单元、GPS定位单元、天线，和水声信号接口电路、电池供电单元可安装在浮体内，而水声换能器位于浮体外部，通过线缆与浮体内的水声信号收发接口电路相连接。同时所述GPS定位单元用于实时获取本身位置信息，并定时向监控中心发送自身位置信息；所述水声换能器用于探测接收来自于落水集装箱示位节点的定位水声信号并通过水声信号收发接口将所述定位水声信号反馈至嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器实时检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则所述嵌入式微处理器根据接收到的定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并获取GPS定位单元获取的当前本身位置信息后，将对应的距离信息以及当前位置信息一并通过射频通信单元以及天线发送至监控中心。

以及监控中心，该监控中心在接收到各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息后，选择(同时若是上述探测节点数目大于3个，则选择哪3组信息，则由操作者依据实际情况以及经验选择，以免影响定位精度)三组信息利用三点定位算法计算落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示。

进一步的，所述监控中心包括无线收发单元、测控计算机以及人机界面；其中，所述测控计算机通过无线收发单元接收来自水面上各个探测节点的探测数据，并选择三组探测数据利用三点定位算法(数据处理软件实现)计算该落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示，指导实施集装箱打捞工作；所述探测数据即为该探测数据为相应探测节点到特定落水集装箱的距离信息以及探测节点当前位置信息。

同时本发明还提供了一种基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位方法，其特征在于：

包括如下步骤：

⑴、预装示位节点：将所述示位节点安装在集装箱外部、且不影响集装箱运输的位置；正常情况下，该示位节点处于休眠状态，以节省电池能量，一旦发生集装箱落水事故，示位节点的落水检测传感器便通过落水检测接口电路向嵌入式微处理器发送落水状态信号，嵌入式微处理器在接收到落水信号后，即由休眠状态转入工作状态，通过水声信号收发接口电路控制水声换能器发送定位水声信号；

⑵、投放探测节点：发生集装箱落水事故后，打捞工作人员通过驾驶快艇，在事故水域的一定范围内，以均匀分布的方式投放至少3个探测节点，所述探测节点开始工作后首先通过GPS定位单元获取本身位置信息，并定时向监控中心反馈各自当前位置信息；同时各所述探测节点还通过水声换能器实时检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，

若收到所述定位水声信号则各所述探测节点分别根据定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并通过射频通信单元及天线将各自对应的距离信息以及各自当前位置信息一并发送至监控中心；

⑶、计算落水集装箱的位置坐标：通过监控中心接收到各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息后，选择三组信息利用三点定位算法计算落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示。

进一步的，所述示位节点包括落水检测传感器、落水检测接口电路、嵌入式微处理器、水声信号收发接口电路、水声换能器以及电池供电单元；其中，所述落水检测传感器用于在集装箱落水时，通过落水检测接口电路向嵌入式微处理器发送落水状态信号；所述嵌入式微处理器在接收到所述落水状态信号后由休眠状态转入工作状态，通过水声信号收发接口电路控制水声换能器发送定位水声信号。

进一步的，所述探测节点由浮体和检测系统组成，所述检测系统包括电池供电单元、GPS定位单元、水声换能器、水声信号收发接口、嵌入式微处理器、射频通信单元以及天线；其中，所述GPS定位单元用于实时获取本身位置信息，并定时向监控中心发送自身位置信息；所述水声换能器用于探测接收来自于落水集装箱示位节点的定位水声信号并通过水声信号收发接口将所述定位水声信号反馈至嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则所述嵌入式微处理器根据接收到的定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并获取GPS定位单元获取的当前本身位置信息后，将对应的距离信息以及当前位置信息一并通过射频通信单元以及天线发送至监控中心。

进一步的，所述监控中心包括无线收发单元、测控计算机以及人机界面；其中，所述测控计算机通过无线收发单元接收来自各个探测节点的探测数据，并选择三组探测数据利用三点定位算法计算该落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示，指导实施集装箱打捞工作；所述探测数据即为各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息。

同时所述的装置或者方法中的三点定位算法，是指假设被定位的落水集装箱的坐标为(x,y,z)，抽取的三个探测节点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)，所述三个探测节点与某个落水集装箱的测量距离分别为d₁，d₂和d₃，则可以得到如下联立方程组

通过求解联立方程组(1)便可确定待定位的落水集装箱的坐标。

为了简化计算，可认为所有探测节点均处于一个水平面上，即z₁＝z₂＝z₃＝0，这样，(1)式简化为

令α＝(2x₂-2x₁)，β＝(2x₃-2x₁)，ψ＝(2y₂-2y₁)，φ＝(2y₃-2y₁)，则有

根据计算出的未知量(x,y)，由(2)式中的任一方程便可确定落水集装箱的z坐标，从而实现落水集装箱的定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置，其特征在于：

包括：

安装在集装箱上，用于在集装箱落水后，发射集装箱定位水声信号的示位节点，所述示位节点包括落水检测传感器、落水检测接口电路、嵌入式微处理器、水声信号收发接口电路、水声换能器以及电池供电单元；其中，所述落水检测传感器用于在集装箱落水时，通过落水检测接口电路向嵌入式微处理器发送落水状态信号；所述嵌入式微处理器在接收到所述落水状态信号后由休眠状态转入工作状态，通过水声信号收发接口电路控制水声换能器发送定位水声信号；

至少三个设置在水面上，用于定时向监控中心反馈各自当前位置信息的探测节点；同时各所述探测节点还用于检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则各所述探测节点分别根据定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并将各自对应的距离信息以及各自当前位置信息一并发送至监控中心；

以及监控中心，该监控中心在接收到各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息后，选择三组信息利用三点定位算法计算落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置，其特征在于：

所述探测节点由浮体和检测系统组成，所述检测系统包括电池供电单元、GPS定位单元、水声换能器、水声信号收发接口、嵌入式微处理器、射频通信单元以及天线；其中，所述GPS定位单元用于实时获取本身位置信息，并定时向监控中心发送自身位置信息；所述水声换能器用于探测接收来自于落水集装箱上的示位节点的定位水声信号并通过水声信号收发接口将所述定位水声信号反馈至嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器实时检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则所述嵌入式微处理器根据接收到的定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并获取GPS定位单元获取的当前本身位置信息后，将对应的距离信息以及当前位置信息一并通过射频通信单元以及天线发送至监控中心。

3.根据权利要求1所述的基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位装置，其特征在于：

所述监控中心包括无线收发单元、测控计算机以及人机界面；其中，所述测控计算机通过无线收发单元接收来自各个探测节点的探测数据，并选择三组探测数据利用三点定位算法计算该落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示，指导实施集装箱打捞工作；所述探测数据即为各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息。

4.一种基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位方法，其特征在于：

包括如下步骤：

⑴、预装示位节点：将所述示位节点安装在集装箱外部、且不影响集装箱运输的位置；该示位节点处于休眠状态，以节省电池能量，一旦发生集装箱落水事故，即由休眠状态转入工作状态，发射相应落水集装箱相应定位水声信号；

⑵、投放探测节点：在事故水域的一定范围内，以均匀分布的方式投放至少3个探测节点，所述探测节点首先获取本身位置信息，并定时向监控中心反馈各自当前位置信息；同时各所述探测节点还用于检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则各所述探测节点分别根据定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并将各自对应的距离信息以及各自当前位置信息一并发送至监控中心；

⑶、计算落水集装箱的位置坐标：通过监控中心接收到各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息后，选择三组信息利用三点定位算法计算落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示。

5.根据权利要求4所述的基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位方法，其特征在于：

所述示位节点包括落水检测传感器、落水检测接口电路、嵌入式微处理器、水声信号收发接口电路、水声换能器以及电池供电单元；其中，所述落水检测传感器用于在集装箱落水时，通过落水检测接口电路向嵌入式微处理器发送落水状态信号；所述嵌入式微处理器在接收到所述落水状态信号后由休眠状态转入工作状态，通过水声信号收发接口电路控制水声换能器发送定位水声信号。

6.根据权利要求4所述的基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位方法，其特征在于：

所述探测节点由浮体和检测系统组成，所述检测系统包括电池供电单元、GPS定位单元、水声换能器、水声信号收发接口、嵌入式微处理器、射频通信单元以及天线；其中，所述GPS定位单元用于实时获取本身位置信息，并定时向监控中心发送自身位置信息；所述水声换能器用于探测接收来自于落水集装箱示位节点的定位水声信号并通过水声信号收发接口将所述定位水声信号反馈至嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器检测是否收到所述示位节点发送的定位水声信号，若收到所述定位水声信号则所述嵌入式微处理器根据接收到的定位水声信号计算其与落水集装箱距离，并获取GPS定位单元获取的当前本身位置信息后，将对应的距离信息以及当前位置信息一并通过射频通信单元以及天线发送至监控中心。

7.根据权利要求4所述的基于水声信号检测的落水集装箱快速探测定位方法，其特征在于：

所述监控中心包括无线收发单元、测控计算机以及人机界面；其中，所述测控计算机通过无线收发单元接收来自各个探测节点的探测数据，并选择三组探测数据利用三点定位算法计算该落水集装箱的位置坐标，并将计算结果反馈至人机界面进行显示，指导实施集装箱打捞工作；所述探测数据即为各所述探测节点反馈的其与落水集装箱的距离信息以及当前位置信息。