CN109655056A - 一种深海采矿车复合定位系统及其定位方法 - Google Patents

一种深海采矿车复合定位系统及其定位方法 Download PDF

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郭浩
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Abstract

本发明涉及一种深海采矿车复合定位系统及其定位方法，所述深海采矿车复合定位系统包括主动式声呐、被动式声呐、惯性传感单元、数据处理单元以及采矿车主控制器，所述主动式声呐、惯性传感单元、数据处理单元和采矿车主控制器固定安装在采矿车上，所述被动式声呐固定在采矿区域水中；所述惯性传感单元由三轴加速度传感模块构成，通过三轴加速度传感模块实时采集采矿车在空间坐标系X,Y,Z轴的加速度，再通过积分运算获取采矿车在三个坐标轴的实时位置。本发明的优点在于：本发明通过惯性导航定位方法实时获取采矿车的位置，每隔一定的时间周期内利用声呐定位系统校准采矿车位置，克服了惯导系统累积误差与声呐定位系统距离模糊的问题。

Description

一种深海采矿车复合定位系统及其定位方法
技术领域
本发明属于水下移动设备定位领域，特别涉及一种深海采矿车复合定位系统及其定位方法。
背景技术
由于电磁波在水中衰减速率高，无法做为侦测的讯号来源，地面上常用的GPS、WiFi、雷达等信号难以在深海中广泛使用，因此以声波探测水面下的人造物体成为运用最广 泛的手段。声呐是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探 测和通讯任务的电子设备，被广泛运用于探测、定位、跟踪和导航等。根据声呐工作原理， 可将其分为主动式声呐和被动式声呐，其区别在于是否主动从系统中发射声波。
中国专利CN201711334430.7、CN201710209500.X、CN201620699237.8等均利用主动式与被动式声呐相结合的方法实现水下目标物的定位，根据主动式声呐所发出的信号到达各被动式声呐的时间差进行目标物三维坐标确定。根据时间差实现目标物的定位需要主动式声呐发射信号的周期必须大于最大目标距离的所对应的信号传输时间，否则会出现距离模糊。而过大的信号发射周期会导致相邻的两次定位过程时间间隔较大，在这期间移动设备的位置处于未知状态。对于深海采矿车，由于水下地形复杂多变且工况恶劣，采矿车若在一定时期内处于位置未知状态，将降低深海采矿效率，影响设备运行安全性与稳定性。
惯性导航系统在工作时不依赖外界信息，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。通过测量移动设备在三个方向的加速度值，计算获取设备的实时位移。由于工作时缺乏参照系统，惯性导航系统容易产生误差累积的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够克服惯导系统累积误差与声呐定位系统距离模糊问题的深海采矿车复合定位系统及其定位方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种深海采矿车复合定位系统，其创新点在于：所述深海采矿车复合定位系统包括主动式声呐、被动式声呐、惯性传感单元、数据处理单元以及采矿车主控制器，
所述主动式声呐、惯性传感单元、数据处理单元和采矿车主控制器固定安装在采矿车上，所述被动式声呐固定在采矿区域水中；
所述惯性传感单元由三轴加速度传感模块构成，通过三轴加速度传感模块实时采集采矿车在空间坐标系X,Y,Z轴的加速度，再通过积分运算获取采矿车在三个坐标轴的实时位置；
所述被动式声呐在空间坐标系X,Y,Z轴内具体布置为被动式声呐A、B沿Z轴分布，被动式声呐A距离坐标原点z 1，被动式声呐B距离被动式声呐A为z 2；被动式声呐C、D沿X轴分布，被动式声呐C距离坐标原点x 1，被动式声呐D距离被动式声呐C为x 2；被动式声呐E、F沿Y轴分布，被动式声呐E距离坐标原点y 1，被动式声呐F距离被动式声呐E为y 2。
一种上述的深海采矿车复合定位系统的定位方法，其创新点在于：所述定位方法包括如下步骤：
步骤S1：定义水下三维坐标系，并同步数据处理单元、惯性传感单元、主动式声呐以及被动式声呐内部时钟，设置声呐校准系统启动周期T；
步骤S2：启动惯性传感单元，测量惯性传感单元在X、Y、Z三轴上的加速度值，并对加速度值进行二次积分，获取采矿车在三维坐标系中的坐标值；
步骤S3：检测当前时间是否为声呐校准系统启动周期T的整数倍，若满足则启动声呐系统校准采矿车位置，并更新采矿车三维坐标值，否则继续使用惯导系统实现采矿车定位。
进一步地，所述步骤S1中定义水下三维坐标系，选定坐标原点O点，以铅直向上为Z轴正方向，XOY面与Z轴方向夹角为90°，X轴与Y轴夹角为90°。
进一步地，所述步骤S3中声呐系统校准过程如下：
（1）采矿车主控制器发出位置校准指令，随后激活数据处理单元，开启车载主动式声呐与6个固定的被动式声呐；
（2）当检测到所有设备正常开启后，同步当前时钟为t 0，并由主动式声呐发出固定波形声音信号；
（3）检测6个被动式声呐接收到这一声音波形的时间，分别记为t 1、t 2、t 3、t 4、t 5和t 6；
（4）根据上述6个时间值，计算采矿车在三维坐标系中的坐标位置。
进一步地，Z轴坐标值计算如下：当t 1>t 2，采矿车在Z轴的坐标值为z 1+z 2/2+(t 1-t 2)c；当t 1<t 2，采矿车在Z轴的坐标值为z 1+z 2/2-(t 2-t 1)c；X轴坐标值计算如下：当t 3>t 4，采矿车在X轴的坐标值为x 1+x 2/2+(t 3-t 4)c；当t 1<t 2，采矿车在Z轴的坐标值为x 1+x 2/2-(t 4-t 3)c；Y轴坐标值计算如下：当t 5>t 6，采矿车在Y轴的坐标值为y 1+y 2/2+(t 5-t 6)c；当t 5<t 6，采矿车在Y轴的坐标值为y 1+y 2/2-(t 6-t 5)c；其中，z 1、z 2、x 1、x 2、y 1和y 2分别表示被动式声呐A在Z轴的坐标值、被动式声呐B在Z轴的坐标值、被动式声呐C在Y轴的坐标值、被动式声呐D在Y轴的坐标值、被动式声呐E在X轴的坐标值和被动式声呐F在X轴的坐标值。
本发明的优点在于：本发明深海采矿车复合定位系统及其定位方法，融合声呐定位与惯性导航定位，在采矿车运行过程中，通过惯性导航定位方法实时获取采矿车的位置，每隔一定的时间周期内利用声呐定位系统校准采矿车位置；本方法可同时克服惯导系统累积误差与声呐定位系统距离模糊的问题，同时系统功耗低，定位误差小。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明深海采矿车复合定位系统的结构示意图。
图2为图1中被动式声呐布置图。
图3为本发明深海采矿车复合定位系统的工作流程图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例深海采矿车复合定位系统，如图1所示，包括主动式声呐7、被动式声呐1、被动式声呐2、被动式声呐3、被动式声呐4、被动式声呐5、被动式声呐6、惯性传感单元8、数据处理单元9以及采矿车主控制器10。
主动式声呐7、惯性传感单元8、数据处理单元9和采矿车主控制器10固定安装在采矿车上，被动式声呐1、被动式声呐2、被动式声呐3、被动式声呐4、被动式声呐5和被动式声呐6固定在采矿区域水中。
惯性传感单元8由三轴加速度传感模块构成，通过三轴加速度传感模块实时采集采矿车在空间坐标系X,Y,Z轴的加速度，再通过积分运算获取采矿车在三个坐标轴的实时位置。
被动式声呐在空间坐标系X,Y,Z轴内具体布置，如图2所示，被动式声呐1、2沿Z轴分布，被动式声呐1距离坐标原点z 1，被动式声呐2距离被动式声呐1为z 2；被动式声呐3、4沿X轴分布，被动式声呐3距离坐标原点x 1，被动式声呐4距离被动式声呐3为x 2；被动式声呐5、6沿Y轴分布，被动式声呐5距离坐标原点y 1，被动式声呐6距离被动式声呐5为y 2。
本实施例采用深海采矿车复合定位系统的定位方法，如图3所示，包括如下步骤：
步骤S1：定义水下三维坐标系，即选定坐标原点O点，以铅直向上为Z轴正方向，XOY面与Z轴方向夹角为90°，X轴与Y轴夹角为90°；并同步数据处理单元9、惯性传感单元8、主动式声呐7以及被动式声呐内部时钟，设置声呐校准系统启动周期T；
步骤S2：启动惯性传感单元8，测量惯性传感单元8在X、Y、Z三轴上的加速度值，并对加速度值进行二次积分，获取采矿车在三维坐标系中的坐标值；
步骤S3：检测当前时间是否为声呐校准系统启动周期T的整数倍，若满足则启动声呐系统校准采矿车位置，并更新采矿车三维坐标值，否则继续使用惯导系统实现采矿车定位。
其中，步骤S3中声呐系统校准过程如下：
（1）采矿车主控制器发出位置校准指令，随后激活数据处理单元9，开启车载主动式声呐与6个固定的被动式声呐；
（2）当检测到所有设备正常开启后，同步当前时钟为t 0，并由主动式声呐7发出固定波形声音信号；
（3）检测6个被动式声呐接收到这一声音波形的时间，分别记为t 1、t 2、t 3、t 4、t 5和t 6；
（4）根据上述6个时间值，计算采矿车在三维坐标系中的坐标位置；Z轴坐标值计算如下：当t 1>t 2，采矿车在Z轴的坐标值为z 1+z 2/2+(t 1-t 2)c；当t 1<t 2，采矿车在Z轴的坐标值为z 1+z 2/2-(t 2-t 1)c；X轴坐标值计算如下：当t 3>t 4，采矿车在X轴的坐标值为x 1+x 2/2+(t 3-t 4)c；当t 1<t 2，采矿车在Z轴的坐标值为x 1+x 2/2-(t 4-t 3)c；Y轴坐标值计算如下：当t 5>t 6，采矿车在Y轴的坐标值为y 1+y 2/2+(t 5-t 6)c；当t 5<t 6，采矿车在Y轴的坐标值为y 1+y 2/2-(t 6-t 5)c；其中，z 1、z 2、x 1、x 2、y 1和y 2分别表示被动式声呐1在Z轴的坐标值、被动式声呐2在Z轴的坐标值、被动式声呐3在Y轴的坐标值、被动式声呐4在Y轴的坐标值、被动式声呐5在X轴的坐标值和被动式声呐6在X轴的坐标值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种深海采矿车复合定位系统，其特征在于：所述深海采矿车复合定位系统包括主动式声呐、被动式声呐、惯性传感单元、数据处理单元以及采矿车主控制器，
所述主动式声呐、惯性传感单元、数据处理单元和采矿车主控制器固定安装在采矿车上，所述被动式声呐固定在采矿区域水中；
所述惯性传感单元由三轴加速度传感模块构成，通过三轴加速度传感模块实时采集采矿车在空间坐标系X,Y,Z轴的加速度，再通过积分运算获取采矿车在三个坐标轴的实时位置；
所述被动式声呐在空间坐标系X,Y,Z轴内具体布置为被动式声呐A、B沿Z轴分布，被动式声呐A距离坐标原点z 1，被动式声呐B距离被动式声呐A为z 2；被动式声呐C、D沿X轴分布，被动式声呐C距离坐标原点x 1，被动式声呐D距离被动式声呐C为x 2；被动式声呐E、F沿Y轴分布，被动式声呐E距离坐标原点y 1，被动式声呐F距离被动式声呐E为y 2。
2.一种采用权利要求1所述的深海采矿车复合定位系统的定位方法，其特征在于：所述定位方法包括如下步骤：
步骤S1：定义水下三维坐标系，并同步数据处理单元、惯性传感单元、主动式声呐以及被动式声呐内部时钟，设置声呐校准系统启动周期T；
步骤S2：启动惯性传感单元，测量惯性传感单元在X、Y、Z三轴上的加速度值，并对加速度值进行二次积分，获取采矿车在三维坐标系中的坐标值；
步骤S3：检测当前时间是否为声呐校准系统启动周期T的整数倍，若满足则启动声呐系统校准采矿车位置，并更新采矿车三维坐标值，否则继续使用惯导系统实现采矿车定位。
3.根据权利要求2所述的采用深海采矿车复合定位系统的定位方法，其特征在于：所述步骤S1中定义水下三维坐标系，选定坐标原点O点，以铅直向上为Z轴正方向，XOY面与Z轴方向夹角为90°，X轴与Y轴夹角为90°。
4.根据权利要求2或3所述的采用深海采矿车复合定位系统的定位方法，其特征在于：所述步骤S3中声呐系统校准过程如下：
（1）采矿车主控制器发出位置校准指令，随后激活数据处理单元，开启车载主动式声呐与6个固定的被动式声呐；
（2）当检测到所有设备正常开启后，同步当前时钟为t 0，并由主动式声呐发出固定波形声音信号；
（3）检测6个被动式声呐接收到这一声音波形的时间，分别记为t 1、t 2、t 3、t 4、t 5和t 6；
（4）根据上述6个时间值，计算采矿车在三维坐标系中的坐标位置。
5.根据权利要求4所述的采用深海采矿车复合定位系统的定位方法，其特征在于：Z轴坐标值计算如下：当t 1>t 2，采矿车在Z轴的坐标值为z 1+z 2/2+(t 1-t 2)c；当t 1<t 2，采矿车在Z轴的坐标值为z 1+z 2/2-(t 2-t 1)c；X轴坐标值计算如下：当t 3>t 4，采矿车在X轴的坐标值为x 1+x 2/2+(t 3-t 4)c；当t 1<t 2，采矿车在Z轴的坐标值为x 1+x 2/2-(t 4-t 3)c；Y轴坐标值计算如下：当t 5>t 6，采矿车在Y轴的坐标值为y 1+y 2/2+(t 5-t 6)c；当t 5<t 6，采矿车在Y轴的坐标值为y 1+y 2/2-(t 6-t 5)c；其中，z 1、z 2、x 1、x 2、y 1和y 2分别表示被动式声呐A在Z轴的坐标值、被动式声呐B在Z轴的坐标值、被动式声呐C在Y轴的坐标值、被动式声呐D在Y轴的坐标值、被动式声呐E在X轴的坐标值和被动式声呐F在X轴的坐标值。
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