CN105783853B - 一种可用于水下载具定位的缆绳的形变监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于水下载具定位的缆绳的形变监测系统，属于形变监测和水下定位领域；装有传感器的节点以一定的间距嵌入到缆绳中；节点测量的数据通过缆绳传输给与缆绳起始端连接的数据处理器；数据处理器利用传感器数据计算得到各个节点的方位角并传递给电脑终端；电脑终端利用各相邻节点的方位角计算两节点之间的缆绳形状和方位，从而连接成整个缆绳的形状和方位，最终可确定缆绳末端水下载具的方位。同时，对缆绳形状监测有利于缆绳缠绕和打结等意外情况的发现和及时解决。
Description
技术领域
本发明涉及一种缆绳的变形监测系统，尤其是可用于水下载具定位的缆绳形变监测系统。
背景技术
目前，对管道或者缆绳的形变监测局限于微小形变，多使用电阻式或者电容式装置进行定点测量。这种测量系统体积大，所以对监测对象的结构影响也大，同时对于大变形的测量精度无法满足定位要求；也有一些利用光纤技术进行缆绳的形变监测，但价格昂贵，而且技术不够成熟。同时，水下机器人的定位系统都是基于声学的，这种系统操作复杂，而且存在更新速率慢，对海岸噪音干扰的鲁棒性差，自主性差等缺点。如果可以对水下机器人所带缆绳的形状进行精确的监测，就可以对其末端的运载器进行定位。
发明内容
为了克服现有声学定位系统数据更新速率慢造成的实时性差，以及现有电阻式和电容式形变监测技术装备体积大，对监测对象结构影响大的缺点，本发明提供一种缆绳形变监测系统，该系统不仅能测出整个缆绳的形变信息，而且能有效地显示缆绳的位置和形状并用于水下机器人的定位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可用于水下载具定位的缆绳的形变监测系统，包括：缆绳、数据处理器、电源模块、电脑终端和水下载具；水下载具通过缆绳与所述数据处理器相连,电脑终端与数据处理器相连，用于；电源模块给电脑终端、数据处理器和水下载具供电；所述缆绳由多个缆绳分段和连接多个缆绳分段的节点组成；所述节点包括：密封外壳、减震材料和MEMS传感器。MEMS传感器的两端分别与缆绳分段相连；所述减震材料包覆MEMS传感器，并位于密封外壳内；数据处理器根据节点采集的角度信息，对缆绳的形状进行模拟，并通过电脑终端输出。
进一步地，所述外壳的材料为亚克力。
进一步地，所述减震材料的材料为环氧树脂。
进一步地，所述数据处理器的型号为stm32单片机。
进一步地，其电脑终端利用圆弧法来模拟缆绳的形状。
进一步地，节点与数据处理器之间通过通信协议进行数据传递。
进一步地，通过以下方法获得缆绳的形变：针对任一个缆绳分段，该缆绳分段两端的MEMS传感器采集缆绳分段两端点处的切线方向与水平方向的夹角α1和α2。其中α1为靠近水下载具一端的MEMS传感器获得的夹角，α2为数据处理器一端的MEMS传感器获得的夹角，利用公式(1)可以得知该段圆弧的圆心角θ，再利用公式(2)可确定圆弧的半径R，从而模拟得到每个缆绳分段的形状，对所有缆绳分段的形状进行模拟，连接后，即得到了整个缆绳的形状。
θ＝α2-α1 (1)
其中，L是缆绳分段的长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本系统可以精确测量缆绳的方位和形状，从而确定缆绳末端水下载具的位置。
2.本系统在水下载具的缆绳发生缠绕和打结意外时，可通过实时显示及时确定故障原因并得到解决方案。
3.利用传感器，可同时测量位移加速度，角加速度和地磁场，三者数据进行融合计算之后可以得到更精确的角度值。
4.MEMS传感器体积小，精度高，可在不影响缆绳结构和功能的前提下测量缆绳的形状。
5.MEMS传感器采样速率高，保证了数据的实时性。
6.MEMS传感器数据和深度数据进行融合校正，减小了积累误差和零点漂移，提高了精确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是节点的结构示意图；
图3是节点线路连接示意图；
图4是发明的系统工作原理图；
图5是电脑终端计算缆绳的圆弧法示意图；
图中，节点11，缆绳12，数据处理器13，电源模块14，电脑终端15，水下载具16，缆绳分段17，密封外壳21，减震材料22，MEMS传感器23，数据线31，电源线32，水下载具总线33。
具体实施方式
如图1所示，一种可用于水下载具定位的缆绳的形变监测系统，其特征在于，包括：缆绳12、数据处理器13、电源模块14、电脑终端15和水下载具16；水下载具16通过缆绳12与所述数据处理器13相连,电脑终端15与数据处理器13相连，用于；电源模块14给电脑终端15、数据处理器13和水下载具16供电；所述缆绳12由多个缆绳分段17和连接多个缆绳分段17的节点11组成；所述节点11包括：密封外壳21、减震材料22和MEMS传感器23。MEMS传感器23的两端分别与缆绳分段17相连；所述减震材料22包覆MEMS传感器23，并位于密封外壳21内；数据处理器13根据节点11采集的角度信息，对缆绳12的形状进行模拟，并通过电脑终端15输出。同时，电脑终端15通过缆绳12可向其末端的水下载具16发送指令。
针对任一个缆绳分段17，该缆绳分段17两端的MEMS传感器23采集缆绳分段17两端点处的切线方向与水平方向的夹角α1和α2。其中α1为靠近水下载具16一端的MEMS传感器23获得的夹角，α2为数据处理器13一端的MEMS传感器23获得的夹角，利用公式1可以得知该段圆弧的圆心角θ，再利用公式2可确定圆弧的半径R，从而模拟得到每个缆绳分段17的形状，对所有缆绳分段17的形状进行模拟，连接后，即得到了整个缆绳12的形状。
θ＝α2-α1 (1)
其中，L是缆绳分段17的长度。
密封外壳21的材料为亚克力，起到防水和保护传感器23的作用。减震材料22为环氧树脂，通过减震作用保护传感器23并减小传感器23晃动造成的测量误差。MEMS传感器23的型号为mpu9150。
作为本领域的公知常识，传感器的线路连接具体如图3所示。其中数据线31，用于传输传感器所测方向数据，电源线32用于给传感器供电。而水下载具总线33用于给水下载具供电和发送命令信号。电源线电流由电源模块14提供，信号线32与数据处理模块13连接，用于传输传感器所测量的方向数据。
该系统的工作流程如图4所示，传感器测量节点处的方向原始数据并通过缆绳传输到数据处理器，数据处理器将经过计算和处理后的数据传输到电脑终端，电脑终端根据方向数据计算缆绳的形状和方位，并在电脑终端的屏幕上显示缆绳和水下载具的方位。其中数据处理器实用stm32单片机，电脑终端显示软件可实时显示缆绳和水下载具的三维图像信息。
Claims (5)
1.一种可用于水下载具定位的缆绳的形变监测系统，其特征在于，包括：缆绳（12）、数据处理器（13）、电源模块（14）、电脑终端（15）和水下载具（16）；水下载具（16）通过缆绳（12）与所述数据处理器（13）相连，电脑终端（15）与数据处理器（13）相连；电源模块（14）给电脑终端（15）、数据处理器（13）和水下载具（16）供电；所述缆绳（12）由多个缆绳分段（17）和连接多个缆绳分段（17）的节点（11）组成；所述节点（11）包括：密封外壳（21）、减震材料（22）和MEMS传感器（23）；MEMS传感器（23）的两端分别与缆绳分段（17）相连；所述减震材料（22）包覆MEMS传感器（23），并位于密封外壳（21）内；数据处理器（13）根据节点（11）采集的角度信息，对缆绳（12）的形状进行模拟，并通过电脑终端（15）输出；电脑终端（15）利用圆弧法来模拟缆绳（12）的形状；
通过以下方法获得缆绳（12）的形变：针对任一个缆绳分段（17），该缆绳分段（17）两端的MEMS传感器（23）采集缆绳分段（17）两端点处的切线方向与水平方向的夹角α1和α2；其中α1为靠近水下载具（16）一端的MEMS传感器（23）获得的夹角，α2为数据处理器（13）一端的MEMS传感器（23）获得的夹角，两端点处的切线方向与水平方向的夹角为α1和α2的一个缆绳分段构成一段圆弧，利用公式（1）得知该段圆弧的圆心角ϴ，再利用公式（2）可确定圆弧的半径R，从而模拟得到每个缆绳分段（17）的形状，对所有缆绳分段（17）的形状进行模拟，连接后，即得到了整个缆绳（12）的形状；
（1）
（2）
其中， L是缆绳分段（17）的长度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外壳（21）的材料为亚克力。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述减震材料（22）的材料为环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理器（13）的型号为stm32单片机。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，节点（11）与数据处理器（13）之间通过通信协议进行数据传递。
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