CN109813288A - 一种基于万向车轮的测深方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于万向车轮的测深方法，包括测深装置，测深装置包括载体车，载体车上设置有导航定位系统、惯性导航系统和编码器，所述编码器设置在载体车的后端，在编码器上垂直滑动连接有一个刚性杆，刚性杆能在编码器上上下滑动，刚性杆的下端设置有万向轮。通过测深系统坐标系到载体车坐标系的转换，载体坐标系到当地水平坐标系的转换，当地水平坐标系到大地坐标系的转换，能高效准确的进行潮间带测量，并且设备安装简单，结果精度高，安装后可半永久固定在载体上无需拆卸，设备维护简单。本发明使用了万向车轮，被水下障碍物卡住的概率更低。
Description
技术领域
本发明涉及潮间带水下地形测绘领域，具体涉及一种基于万向车轮的适用于潮间带水下地形测绘的测深方法。
背景技术
随着海洋经济的快速发展，潮间带人类开发活动日益频繁和无序，资源开发与保护面临的形势越来越严峻。潮间带空间地理数据缺失，现势性不足，严重制约了潮间带资源的开发与保护。水深测量发展经历了杆测法、重锤法和回声测深等阶段，目前以单波束和多波束测深为代表的水深测量技术已经达到了很高的测量精度。人工测点等传统的潮间带地形测量方法具有效率低、作业量大、精度低、危险区域无法到达等诸多局限性。单波束及多波束测深技术由于受到本身量程和设备安装条件的限制，无法在潮间带的亚米级水深区域开展水深测量，不能应用于潮间带地形测绘工作，造成潮间带地形测量无法实现全面覆盖，存在空白区域。潮间带处于陆地和海洋的交接处，地形地貌复杂多变，高低潮位间滩涂面积变化大，测量条件苛刻，施测难度相当大，靠现有水深测量技术无法完成全地形数据采集，急需一种方便可靠的潮间带地形测绘新方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于万向车轮的测深方法，该方法可适应潮间带复杂的地形环境，进行亚米级水深区域地形测量工作，并且设备安装简单，结果精度高。
本发明采用以下的技术方案：
一种基于万向车轮的测深方法，包括测深装置，测深装置包括载体车，载体车上设置有导航定位系统、惯性导航系统和编码器，所述编码器设置在载体车的后端，在编码器上垂直滑动连接有一个刚性杆，刚性杆能在编码器上上下滑动，刚性杆的下端设置有万向轮；
测深方法包括以下步骤：
步骤1：测深系统坐标系到载体车坐标系的转换；
定义万向轮测得的点坐标为测深系统坐标系下的测深点坐标，将测深点坐标转换到载体车坐标系下，需要确定三个角元素和三个原点平移参数，角元素和原点平移参数通过标定及传感器安装校准求得，转换公式如下：
XV＝Xl+RV·XT
式中，XT为测深系统坐标系下的测深点坐标，XV为载体车坐标系下的点坐标，Xl为平移参数，RV为旋转矩阵；
式中，Ry(-ω)、Rz(κ)为三个坐标轴对应的独立旋转矩阵，ω、κ分别为横摇偏差角、纵摇偏差角、船首向偏差角，即三个角元素；
设测深系统坐标系以前进方向为y轴正方向，向右为x轴正方向，向上为z轴正方向；则测深点坐标为XT(0，0，-l)，l为编码器测得的编码器到万向车轮脚点的距离；
步骤2：进行载体坐标系到当地水平坐标系的转换；
载体坐标系到当地水平坐标系的转换需要确定其三个角元素和三个原点平移参数，其中三个角元素是载体车的瞬时姿态变化，由惯性导航系统给出；设载体车坐标系原点与当地水平坐标系原点重合，根据载体车艏向、载体车位置和姿态参数计算载体车坐标系和当地水平坐标系之间的转换关系，并直接将载体车坐标系下的水底观测量坐标转化为地理坐标：
式中，XL代表测深点的当地水平坐标、XV分别代表卫星定位系统中GNSS天线位置和测深点在载体车坐标系下的坐标；R(r，p，h)为载体车坐标系与当地水平坐标系之间的旋转关系，其中航向h、横摇r和纵摇p是三个欧拉角，由惯性导航系统实时测得，欧拉角变化过程写成矩阵的形式：
其中，Rx(r)，Ry(-p)，Rz(h)如下：
步骤3：进行当地水平坐标系到大地坐标系的转换；
当地水平坐标系经过旋转平移转换到大地坐标系中，首先将当地水平坐标系绕E轴逆时针旋转90°-B，然后绕U轴顺时针旋转90°+L；其中E轴及U轴分别为当地水平坐标系指向东方向及拖球发法线方向的坐标轴，B、L分别为当地水平坐标系坐标原点在大地坐标系中的大地纬度和大地经度；
设测深点坐标在空间直角坐标系下的坐标值为(XW，YW，ZW)T，则有以下关系式：
XS＝RW·XL+ΔX
式中，XL为当地水平坐标系下的坐标，XS为空间直角坐标系下的坐标，RW为关于大地经度和纬度的旋转矩阵，(Δx，Δy，Δz)T为平移量，为GNSS天线相位中心的空间直角坐标；其中：
RW＝RB·RL
本发明具有的有益效果是：
设备轻便，安装简单，成本低廉。安装后可半永久固定在载体上无需拆卸，设备维护简单。本发明使用了万向车轮，被水下障碍物卡住的概率更低。相比多波束及单波束测深系统，万向车轮测深更加适合浅水地区的水深测量，且发生意外后的损失大大降低。观测量少，误差源更少。自动化程度高，无需人工干预测量。
附图说明
图1为遇到平地时测深装置状态示意图。
图2为遇到凹坑时测深装置状态示意图。
图3为遇到凸起时测深装置状态示意图。
图4为刚性杆与编码器连接处示意图。
图5当地水平坐标系到大地坐标系的转换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
结合图1至图5，一种基于万向车轮的测深方法，包括测深装置，测深装置包括载体车1，载体车上设置有导航定位系统2、惯性导航系统3和编码器4，所述编码器设置在载体车的后端，在编码器上垂直滑动连接有一个刚性杆5，刚性杆能在编码器上上下滑动，刚性杆的下端设置有万向轮6。
载体车为两栖车，能满足深水区域及浅水区域均可安全运行的要求，为整个测量系统提供物理载体。导航定位系统为整个测量系统提供位置信息及时间信息，惯性导航系统提供系统的姿态信息。导航定位系统及惯性导航系统保证了系统的测量成果可以归算到大地坐标系下。
万向车轮需具有一定重量以保证在载体车行进过程中万向车轮始终与地面直接接触，万向车轮与地面直接接触可保证车轮的轨迹既是水下地貌。万向车轮在遇到复杂地貌时，不容易被卡住。
刚性杆强度既要保证在测量过程中不形变不弯曲，以免影响测量精度；又要在遇到不可预见的危险时可以断裂弯曲，以免对人员、设备、车辆等造成更大损害。编码器负责对刚性杆的上下移动进行记录，测量出准确的移动距离，以用于测深点的水深归算。
刚性杆只能在垂直面内上下移动而不能在水平面内移动，这样做的目的是减少原始观测量，避免引入误差。同时这样做可以减少万向车轮在复杂地形中被卡住的几率。
导航定位系统不被其他物体遮挡，能接受到较多卫星信号。导航定位系统、惯性导航系统及编码器均刚性固定在两栖载体车上，在检校场中测量出各传感器间相对关系。导航定位系统可获取系统在大地坐标系下的实时坐标，惯性导航系统可实时获取系统的横滚角Roll、俯仰角Pitch和偏航角Heading，编码器可获取刚性杆的上下移动距离，结合检校场中测得的各系统间相对关系可归算得到水深点坐标及高程。
测深方法包括以下步骤：
步骤1：测深系统坐标系到载体车坐标系的转换；
定义万向轮测得的点坐标为测深系统坐标系下的测深点坐标，将测深点坐标转换到载体车坐标系下，需要确定三个角元素和三个原点平移参数，角元素和原点平移参数通过标定及传感器安装校准求得，转换公式如下：
XV＝Xl+RV·XT
式中，XT为测深系统坐标系下的测深点坐标，XV为载体车坐标系下的点坐标，Xl为平移参数，RV为旋转矩阵；
式中，Ry(-ω)、Rz(κ)为三个坐标轴对应的独立旋转矩阵，ω、κ分别为横摇偏差角、纵摇偏差角、船首向偏差角，即三个角元素。
设测深系统坐标系以前进方向为y轴正方向，向右为x轴正方向，向上为z轴正方向；则测深点坐标为XT(0，0，-l)，l为编码器测得的编码器到万向车轮脚点的距离；
步骤2：进行载体坐标系到当地水平坐标系的转换；
载体坐标系到当地水平坐标系的转换需要确定其三个角元素和三个原点平移参数，其中三个角元素是载体车的瞬时姿态变化，由惯性导航系统给出；设载体车坐标系原点与当地水平坐标系原点重合，根据载体车艏向、载体车位置和姿态参数计算载体车坐标系和当地水平坐标系之间的转换关系，并直接将载体车坐标系下的水底观测量坐标转化为地理坐标：
式中，XL代表测深点的当地水平坐标、XV分别代表卫星定位系统中GNSS天线位置和测深点在载体车坐标系下的坐标；R(r，p，h)为载体车坐标系与当地水平坐标系之间的旋转关系，其中航向h、横摇r和纵摇p是三个欧拉角，由惯性导航系统实时测得，欧拉角变化过程写成矩阵的形式：
其中，Rx(r)，Ry(-p)，Rz(h)如下：
步骤3：进行当地水平坐标系到大地坐标系的转换；
当地水平坐标系经过旋转平移转换到大地坐标系中，首先将当地水平坐标系绕E轴逆时针旋转90°-B，然后绕U轴顺时针旋转90°+L；其中E轴及U轴分别为当地水平坐标系指向东方向及拖球发法线方向的坐标轴，B、L分别为当地水平坐标系坐标原点在大地坐标系中的大地纬度和大地经度；如图5所示。
设测深点坐标在空间直角坐标系下的坐标值为(XW，YW，ZW)T，则有以下关系式：
XS＝RW·XL+ΔX
式中，XL为当地水平坐标系下的坐标，XS为空间直角坐标系下的坐标，RW为关于大地经度和纬度的旋转矩阵，(Δx，Δy，Δz)T为平移量，为GNSS天线相位中心的空间直角坐标；其中：
RW＝RB·RL
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于万向车轮的测深方法，其特征在于，包括测深装置，测深装置包括载体车，载体车上设置有导航定位系统、惯性导航系统和编码器，所述编码器设置在载体车的后端，在编码器上垂直滑动连接有一个刚性杆，刚性杆能在编码器上上下滑动，刚性杆的下端设置有万向轮；
测深方法包括以下步骤：
步骤1：测深系统坐标系到载体车坐标系的转换；
定义万向轮测得的点坐标为测深系统坐标系下的测深点坐标，将测深点坐标转换到载体车坐标系下，需要确定三个角元素和三个原点平移参数，角元素和原点平移参数通过标定及传感器安装校准求得，转换公式如下：
XV＝Xl+RV·XT
式中，XT为测深系统坐标系下的测深点坐标，XV为载体车坐标系下的点坐标，Xl为平移参数，RV为旋转矩阵；
式中，Ry(-ω)、Rz(κ)为三个坐标轴对应的独立旋转矩阵，ω、κ分别为横摇偏差角、纵摇偏差角、船首向偏差角，即三个角元素；
设测深系统坐标系以前进方向为y轴正方向，向右为x轴正方向，向上为z轴正方向；则测深点坐标为XT(0,0,-l)，l为编码器测得的编码器到万向车轮脚点的距离；
步骤2：进行载体坐标系到当地水平坐标系的转换；
载体坐标系到当地水平坐标系的转换需要确定其三个角元素和三个原点平移参数，其中三个角元素是载体车的瞬时姿态变化，由惯性导航系统给出；设载体车坐标系原点与当地水平坐标系原点重合，根据载体车艏向、载体车位置和姿态参数计算载体车坐标系和当地水平坐标系之间的转换关系，并直接将载体车坐标系下的水底观测量坐标转化为地理坐标：
式中，XL代表测深点的当地水平坐标、XV分别代表卫星定位系统中GNSS天线位置和测深点在载体车坐标系下的坐标；R(r,p,h)为载体车坐标系与当地水平坐标系之间的旋转关系，其中航向h、横摇r和纵摇p是三个欧拉角，由惯性导航系统实时测得，欧拉角变化过程写成矩阵的形式：
其中，Rx(r),Ry(-p),Rz(h)如下：
步骤3：进行当地水平坐标系到大地坐标系的转换；
当地水平坐标系经过旋转平移转换到大地坐标系中，首先将当地水平坐标系绕E轴逆时针旋转90°-B，然后绕U轴顺时针旋转90°+L；其中E轴及U轴分别为当地水平坐标系指向东方向及拖球发法线方向的坐标轴，B、L分别为当地水平坐标系坐标原点在大地坐标系中的大地纬度和大地经度；
设测深点坐标在空间直角坐标系下的坐标值为(XW,YW,ZW)T，则有以下关系式：
Xs＝RW·XL+ΔX
式中，XL为当地水平坐标系下的坐标，XS为空间直角坐标系下的坐标，RW为关于大地经度和纬度的旋转矩阵，(Δx,Δy,Δz)T为平移量，为GNSS天线相位中心的空间直角坐标；其中：
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| CN201378056Y (zh) * | 2009-04-03 | 2010-01-06 | 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院 | 水下测量装置 |
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