CN110375697A - 一种支持rov/auv水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统 - Google Patents

一种支持rov/auv水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,柔性传感器组在待测电缆的外皮内壁固定布置,每一列柔性传感器组由第一导线和间隔串联在第一导线的柔性传感器组成;角度传感器组垂直线性排列并固定在在待测电缆的外皮内壁,由第二导线和间隔串联在第二导线的角度传感器组成;第一导线和第二导线与所述的数据转换模块连接;图像呈现模块绘制出待测电缆的轴线,将待测电缆的轴线根据柔性传感器组中柔性传感器的数量,分成对应的段数,将柔性传感器组和角度传感器组的数据分到对应的段中,绘制出每段轴线的姿态,相邻段轴线的姿态相连,得到电缆的姿态。本发明能较好地反映出电缆的弯曲状况,成本低。

Description

一种支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化 系统
技术领域
本发明属于水下电缆防缠绕领域,具体涉及一种支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统。
背景技术
水下搜救作业环境较为复杂,复杂结构物对电缆造成阻拦卡紧,而ROV等水下搜救设备通常需要脐带电缆提供动力源和进行信息传递,这就导致搜救设备在按要求进行水下搜救时,脐带电缆缠绕水下障碍物,阻止ROV进行大范围移动,从而延缓了搜救作业,同时在回收ROV时,也会因脐带电缆缠绕在障碍物上,导致其无法正常撤出。
水下光线环境差,搜救人员难以通过光照等手段对电缆弯曲形态产生判断,光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理,光学式运动捕捉也因为没有充足的光源无法在电缆形态展示中发挥作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,能够较好地反映出电缆的弯曲状况。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:它包括传感器组、数据转换模块和图像呈现模块;其中,
传感器组包括柔性传感器组和角度传感器组;柔性传感器组在待测电缆的外皮内壁分为至少1列固定布置,每一列柔性传感器组由第一导线和间隔串联在第一导线的柔性传感器组成,串联在第一导线的柔性传感器垂直线性排列;角度传感器组为一列,且垂直线性排列并固定在在待测电缆的外皮内壁,由第二导线和间隔串联在第二导线的角度传感器组成;
传感器组随待测电缆引到水面后,第一导线和第二导线与所述的数据转换模块连接,数据转换模块将传感器组采集的数据传输给图像呈现模块;
图像呈现模块绘制出待测电缆的轴线,将待测电缆的轴线根据柔性传感器组中柔性传感器的数量,分成对应的段数,根据柔性传感器组和角度传感器组的数据,分到对应的段中,绘制出每段轴线的姿态,相邻段轴线的姿态相连,得到电缆的姿态,并进行可视化处理。
按上述系统,所述的柔性传感器组的列数为2,且两列柔性传感器组以待测电缆的轴线为中心线成90度。
按上述系统,所述的每列柔性传感器组上的相邻柔性传感器间距相等;待测电缆被分成的每段轴线也相等。
按上述系统,所述的角度传感器组设置在两列柔性传感器组之间,使得柔性传感器组与角度传感器组之间以待测电缆的轴线为中心线成45°。
按上述系统,所述的数据转换模块包括RS485总线和信号调理电路;所述的第一导线和第二导线分别与RS485总线连接,RS485总线后连接信号调理电路,再与图像呈现模块连接。
按上述系统,所述的信号调理电路包括依次连接的电流放大器、AD转换模块和稳压器。
按上述系统,所述的柔性传感器为双面弯曲柔性传感器。
本发明的有益效果为:利用采用特定方式安装在电缆皮内的柔性传感器和角度传感器,测量精度较高,从而较好地反映出电缆的弯曲状况,且传感器本身造价较低,较运动捕捉设备成本更低。
附图说明
图1为本发明一实施例的电缆剖面图。
图2为可视化系统整体示意图。
图3为可视化系统的硬件连接示意图。
图4为柔性传感器测量的弯曲度示意图。
图5为角度传感器测量的旋转度示意图。
图6和图7分别为两种视角下的电缆弯曲形态展示图。
图中:1-第一柔性传感器组,2-第二柔性传感器组,3-第一导线,4-角度传感器,5-第二导线,6-外皮,7-内部电缆,8-数据转换模块,9-图像呈现模块。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,如图1至图3所示,待测电缆包括电缆的外皮6和内部电缆7,本系统包括传感器组、数据转换模块8和图像呈现模块9;其中,传感器组包括柔性传感器组和角度传感器组;柔性传感器组在待测电缆的外皮6内壁分为至少1列固定布置,例如粘贴。本实施例中,采用第一柔性传感器组1和第二柔性传感器组2,具体可以根据所需要的精度要求实际调整列数。每一列柔性传感器组由第一导线3和间隔串联在第一导线3的柔性传感器组成,串联在第一导线3的柔性传感器垂直线性排列。角度传感器组为一列,且垂直线性排列并固定在在待测电缆的外皮6内壁,由第二导线5和间隔串联在第二导线的角度传感器4组成。
传感器组随待测电缆引到水面后,第一导线3和第二导线5与所述的数据转换模块8连接,数据转换模块8将传感器组采集的数据传输给图像呈现模块9。本实施例中,数据转换模块8包括RS485总线和信号调理电路;所述的第一导线和第二导线分别与RS485总线连接,RS485总线后连接信号调理电路,再与图像呈现模块9连接。
图像呈现模块绘制出待测电缆的轴线,将待测电缆的轴线根据柔性传感器组中柔性传感器的数量,分成对应的段数,根据柔性传感器组和角度传感器组的数据,分到对应的段中,绘制出每段轴线的姿态,相邻段轴线的姿态相连,得到电缆的姿态。并进行可视化处理。
本实施例中,柔性传感器为双面弯曲柔性传感器。第一柔性传感器组1和第二柔性传感器组2以待测电缆的轴线为中心线成90°,这样成镜面对称,保证电缆横纵弯曲与前后弯曲的程度都可以经过柔性传感器传输出弯曲角度,以便成像。角度传感器组设置在两列柔性传感器组之间,使得柔性传感器组与角度传感器组之间以待测电缆的轴线为中心线成45°。每列柔性传感器组上的相邻柔性传感器间距相等;待测电缆被分成的每段轴线也相等,本实施例相邻柔性传感器的间距为20-30cm。
在电缆开始工作初始阶段,在控制端将角度传感器组的每个角度传感器做归零处理,随即开始工作,测量电缆转动角度,等待数据接收程序接收。
本发明在图像绘制时基于笛卡尔坐标系,通过在笛卡尔坐标系中绘制出电缆的轴线,从而呈现电缆整体形态,轴线根据传感器数量分为n段,n为单列传感器数量,每段长度一致,根据第一柔性传感器组1、第二柔性传感器组2和角度传感器组的数据,绘制出每段轴线姿态,将n段中轴线首尾相连,得到图像。基于软件进行程序编写,图像绘制程序具体方法为:
第一柔性传感器组1接收第A1、A2、A3…An个电缆弯曲度数据;第二柔性传感器组2接收第B1、B2、B3…Bn个电缆弯曲度数据;角度传感器组接收第C1、C2、C3…Cn个电缆角度转动数据;且第A1、B1与C1个数据为数据对1,第A2、B2与C2个数据为数据对2…依次类推。
第一柔性传感器组1和第二柔性传感器组2测量的弯曲度如图4所示,根据图4,第一柔性传感器组1和第二柔性传感器组2的倾斜角度数据是待测电缆相对于X-Y平面的倾斜数据,设定与X-Y平面平行为0°,在X-Y平面上方为正,下方为负。
角度传感器组测量的旋转度如图5所示,根据图5,角度传感器的角度数据是待测电缆相对于Z轴而言,即绕Z轴旋转C1度,设定沿X轴方向为0°,顺时针方向旋转为正,逆时针方向旋转为负。
第一柔性传感器组1、第二柔性传感器组2和角度传感器组按上述铺设方式安装,待测电缆发生一定弯曲,弯曲倾斜程度保持在传感器正常测量范围内,传感器开始工作。
电缆首段发生倾斜并弯曲,两列柔性传感器组测得S1的弯曲度为A1和B1,根据矢量和求得D1,即S1先沿X-Y平面倾斜D1度。
S1绕Z轴旋转C1度,角度传感器(4)测得C1。对于角度传感器,由上述示意图可知,角度是相对于Z轴而言,即绕Z轴旋转C1度,且X轴方向为0°,顺时针方向旋转为正,逆时针方向旋转为负。
根据传感器个数n将电缆分为n段,每一段都会根据测得相应数据,并在电脑端记录。
具体绘制方法如下:
步骤1:首先设定原点为电缆的起始点,即起点为(0,0,0),每个传感器数据代表一定长度电缆的弯曲和旋转情况,在这里“一定长度”设定为30cm,即20个传感器即可代表长度为600cm的电缆的弯曲和旋转情况。
步骤2:建立单位长度向量L1=[0;0;1]。
步骤3:根据数据对1的信息绘制第一段电缆形态,根据C1和D1确定电缆在三维空间的具体形态,C1确定一段电缆围绕Z轴旋转角度,D1确定一段电缆与X-Y平面的夹角,即代表电缆的倾斜角。
步骤4:将L经过C1和D1的旋转和倾斜变换,得到第一条电缆线段K1空间位置表示。
步骤5:根据C2和D2,将单位向量L1进行同步骤4一样变换,得到L2,将K1坐标加上L2坐标,得到电缆第二段线段K2。
步骤6:依次列推,进行n此计算,得到空间中n段线段的终点坐标,通过绘图软件,将空间中n个终点连接起来,形成三维空间弯曲状态的电缆形态。
程序编译整体设计如下:
首先设置初始方向向量L0=[0;0;1],第一条线段初始点为xyz(0,0,0),所有线段长度M=1。
L0经过旋转和倾斜变换,得到第一段电缆线段的方向向量L1。
第一条线段终点坐标为xyz1=xyz+M*L1,此时绘制第一条线段K1。
根据柔性传感器(1)模块、角度传感器(4)模块所测量数据,第二条线段方向向量由第一条线段方向向量经旋转变换矩阵得到:
旋转变换:
L2'再经过倾斜变换得到L2:得到新的方向向量L2,第二条线段终点坐标为xyz2=xyz1+M*L2,第二条线段的起点终点坐标分别为,起点:xyz1,终点:xyz2。
绘制第二条线段K2。
L2进行旋转变换
L3'再经过倾斜变换得到L3,得到第三段方向向量L3终点坐标为xyz3=xyz2+M*L3,第三条线段的起点终点坐标分别为,起点:xyz2,终点:xyz3。
绘制第二条线段K3。
经过上述计算过程,循环计算,得出L3、L4、L5...的坐标,并根据此坐标作图,绘制出所有线段。
在本实施例中,基于matlab软件,按照上述程序编译,得到第一柔性传感器1接收第A1、A2、A3…A13个电缆弯曲度数据;第二柔性传感器组2接收第B1、B2、B3…B13个电缆弯曲度数据;角度传感器组接收第C1、C2、C3…C13个电缆角度转动数据。两列柔性传感器通过矢量和方法形成最终弯曲度D1、D2…D13,可以提高所测量的电缆弯曲精度。
C1与D1、C2与D2…C13与D13,分别作为程序中每一段电缆弯曲角度和旋转角度,绘制电缆弯曲形态,在三维坐标系中,将电缆中轴线分为13段,每段中轴线按照上述数据绘制,首尾连接,图6和图7分别从不同的角度观察matlab所绘制的三维坐标系中的电缆形态,对于电缆提供动力的水下ROV等设备,操纵人员通过岸上显示端观察电缆形态,对于电缆某处弯曲度过大的情况,可以及时修正水下设备的行驶轨迹,防止电缆缠绕过度,损毁电缆或者电缆自身缠绕,从而达到缠绕预警的效果。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,本发明的保护范围不限于上述实施例。所以,凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰,均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:它包括传感器组、数据转换模块和图像呈现模块;其中,
传感器组包括柔性传感器组和角度传感器组;柔性传感器组在待测电缆的外皮内壁分为至少1列固定布置,每一列柔性传感器组由第一导线和间隔串联在第一导线的柔性传感器组成,串联在第一导线的柔性传感器垂直线性排列;角度传感器组为一列,且垂直线性排列并固定在在待测电缆的外皮内壁,由第二导线和间隔串联在第二导线的角度传感器组成;
传感器组随待测电缆引到水面后,第一导线和第二导线与所述的数据转换模块连接,数据转换模块将传感器组采集的数据传输给图像呈现模块;
图像呈现模块绘制出待测电缆的轴线,将待测电缆的轴线根据柔性传感器组中柔性传感器的数量,分成对应的段数,根据柔性传感器组和角度传感器组的数据,分到对应的段中,绘制出每段轴线的姿态,相邻段轴线的姿态相连,得到电缆的姿态,并进行可视化处理。
2.根据权利要求1所述的支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:所述的柔性传感器组的列数为2,且两列柔性传感器组以待测电缆的轴线为中心线成90度。
3.根据权利要求1或2所述的支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:所述的每列柔性传感器组上的相邻柔性传感器间距相等;待测电缆被分成的每段轴线也相等。
4.根据权利要求2所述的支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:所述的角度传感器组设置在两列柔性传感器组之间,使得柔性传感器组与角度传感器组之间以待测电缆的轴线为中心线成45度。
5.根据权利要求1所述的支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:所述的数据转换模块包括RS485总线和信号调理电路;所述的第一导线和第二导线分别与RS485总线连接,RS485总线后连接信号调理电路,再与图像呈现模块连接。
6.根据权利要求5所述的支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:所述的信号调理电路包括依次连接的电流放大器、AD转换模块和稳压器。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的支持ROV/AUV水下作业的电缆弯曲形态估计和可视化系统,其特征在于:所述的柔性传感器为双面弯曲柔性传感器。
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