CN110553632A - 水下施工定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下施工定位系统，包括以一固定基点不动的固定测量部，以及将固定测量部与水下的施工机械拉直连接的拉绳，固定测量部上设有对拉绳进行拉直放卷并测量放卷长度的测长模块，拉绳从测长模块中引出连接至施工机械，测长模块通过测角支架安装于固定测量部上，测长模块与测角支架之间以及测角支架与固定测量部之间通过两组相互垂直的转轴呈万向铰接装配，两组转轴上分别安装有检测角位移的编码器，通过两组编码器测量拉绳随施工机械在两组转轴轴向构建的坐标系内的移动角度，结合拉绳的放卷长度得到施工机械的定位坐标。本发明能够提供水下施工中实时相对或绝对坐标位置的施工机械，测试不受水体条件干扰，设备成本低。

Description

水下施工定位系统

技术领域

本发明属于施工定位技术，具体涉及一种水下施工定位系统。

背景技术

在河道或者海洋水底施工过程中，需要根据施工要求对施工位置进行实时定位以保证施工的准确性。目前，水下定位设备主要采用声学定位、图像定位、惯性定位以及多信息融合技术对水下施工机械进行实时定位。这些定位方式都存在受水体条件限制较多的问题，水下施工机械要求长时间水下作业，工作环境恶劣，水下施工工作时带动水底泥沙悬浮于水中，水体浑浊，工作过程中产生大量噪声，部分工作环境水域封闭狭小，封闭水体造成水声浑响，这些情况都会严重影响声学定位和图像定位的效果，不利于声学定位、图像定位和惯性设备的使用；并且惯性定位误差会随时间积累，不适合长时间的施工定位。

以上的各类的水下定位设备还存在设备成本较高，在恶劣的施工环境下架设固定困难的问题，并且设备出现故障只能够由专业技术人员进行维护，施工过程对其依赖程度过高，不利于提高施工效率。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的水下施工定位系统在具体施工环境中存在的上述问题，提供一种采用拉线定位的水下施工定位系统。

本发明采用如下技术方案实现：

水下施工定位系统，包括以一固定基点不动的固定测量部1，以及将固定测量部1与水下的施工机械拉直连接的拉绳2；

所述固定测量部1与施工机械之间的直线距离通过拉绳2的长度进行测量，所述固定测量部1上设有对拉绳进行拉直放卷并测量放卷长度的测长模块17，所述拉绳2从测长模块17中引出连接至施工机械，所述测长模块17通过测角支架16安装于固定测量部1上，所述测长模块17与测角支架16之间以及测角支架16与固定测量部1之间通过两组相互垂直的转轴呈万向铰接装配，两组所述转轴上分别安装有检测角位移的编码器，通过两组所述编码器测量拉绳随施工机械在两组转轴轴向构建的坐标系内的移动角度，结合拉绳的放卷长度得到施工机械的定位坐标。

进一步的，所述测长模块17包括放卷轴171、力矩电机172和第三编码器173，所述力矩电机172与放卷轴171传动连接，所述拉绳2卷绕在放卷轴171上，通过力矩电机172提供拉绳放卷过程中的拉紧力矩，所述第三编码器173安装在放卷轴171上，通过检测放卷轴的角位移转换为拉绳的放卷长度。

进一步的，所述测角支架16为U型支架，所述测角支架16的开口朝下，顶部通过第一转轴161铰接在固定测量部1上，所述测长模块17两侧通过第二转轴162铰装在测角支架16的两侧内壁，所述测长模块17的拉绳通过测角支架的下部开口引出连接到施工机械。

进一步的，所述测角支架16上的两组转轴分别沿水平方向和竖直方向相互垂直。

进一步的，所述拉绳2与施工机械之间通过防扭链21连接，所述防扭链21两端通过滚动轴承连接，其中一端连接在施工机械上，另一端与拉绳连接。

在本发明的水下施工定位系统中，所述固定测量部1还包括电控模块15，所述电控模块15内部设有电源电路板151、卫星接收电路板152、水平测量电路板153和信息处理电路板154，其中所述电源电路板151为固定测量部内部电路提供二次电源，所述卫星接收电路板152实现固定测量部的卫星定位，所述水平测量电路板153上集成设有加速度传感器155、MEMS陀螺156和磁罗盘157，用于测量固定测量部的水平姿态变化，对施工机械的测量角度进行误差补偿，所述信息处理电路板154用于各个传感元件的信息采集和定位信息解算。

进一步的，所述固定测量部1还包括有显示施工机械实时坐标信息的显示模块12。

进一步的，所述固定测量部1具有一用于将固定测量部固定在基点不动的固定底板11，所述显示模块12和电控模块15固定在固定底板11上的固定支架13上，所述测长模块17通过测角支架16安装于所述固定支架13上。

本发明通过空间坐标系中的某一点位置到坐标原点的直线距离以及分别与两个坐标轴之间的夹角可以计算出其空间坐标，利用拉绳一端连接固定测量部，将固定测量部固定设置为空间坐标原点，然后将拉绳另一端拉直与水下施工机械连接，水下的施工机械移动带动拉绳放卷和偏移，通过固定测量部分别测量拉绳偏移角度和放卷长度，最终计算得到位于水下施工机械的位置坐标。

本发明所用传感器包括转轴编码器、拉绳编码器、水平测量、高精度卫星定位等技术十分成熟的传感元件，硬件成本相对声学定位、图像定位、惯性定位更低，并且通过拉绳与施工机械实现物理连接，在施工测量过程中定位精度不受水体条件影响，固定测量部一端固定在相对施工机械固定的位置，只通过拉绳与水下的施工机械连接，多为技术成熟的硬件元件，对操作人员的素质要求不高，现场施工人员容易维护，能够更好的适应工程施工。

综上所述，本发明的水下施工定位系统能够提供水下施工中实时相对或绝对坐标位置的施工机械，测试不受水体条件干扰，设备成本低。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的水下施工定位系统的测量定位原理示意图。

图2为实施例中的固定测量部的结构示意图一。

图3为实施例中的固定测量部的结构示意图二。

图4为实施例中的测长模块和测角支架的结构示意图。

图5为实施例中的测角支架其中一个夹角测量状态示意图。

图6为实施例中的测角支架另外一个夹角测量状态示意图。

图7为实施例中的测长模块内部结构示意图。

图8为实施例中的防扭链结构示意图。

图9为实施例中的电控模块内部组成示意框图。

图中标号：1-固定测量部，11-固定底板，12-显示模块，13-固定支架，14-螺钉，15-电控模块，151-电源电路板，152-卫星接收电路板，153-水平测量电路板，154-信息处理电路板，155-加速度传感器，156-MEMS陀螺，157-磁罗盘，16-测角支架，161-第一转轴，162-第二转轴，17-测长模块，171-放卷轴，172-力矩电机，173-第三编码器，18-第一编码器，19-第二编码器；

2-拉绳，21-防扭链；

3-施工机械。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的水下施工定位系统为本发明的具体实施方案，包括固定测量部1和拉绳2，固定测量部1固定在水面上的一固定基点位置，如在河道内施工，可以将固定基点设置在河岸上，若在海面施工，可以将固定基点设置在海岸或者远离海岸的固定浮岛以及船舶上，拉绳2从固定测量部1引出连接到水下的施工机械3上，拉绳2在施工过程中始终保持拉直状态，包括由施工机械3移动到远处将拉绳2拉直，以及是施工机械3移动到近处由固定测量部1上的收卷装置收紧，拉绳2拉直状态才能够保证准确测出施工机械3到固定测量部1所在的固定基点的直线距离。

结合参见图2和图3，固定测量部1可以检测拉绳的放卷长度以及拉绳随施工机械3移动产生的偏移角度，其上设有测长模块17和测角支架16，其中测长模块17对拉绳2进行拉直放卷并测量放卷长度，测长模块17安装在固定测量部1上，拉绳2从测长模块17内部引出与施工机械3连接。测长模块17通过测角支架16安装在固定测量部1上，测长模块17与测角支架16之间以及测角支架16与固定测量部1之间通过两组相互垂直的转轴呈万向铰接装配，测长模块17随着拉绳2的移动偏摆发生角度变化，然后通过安装在转轴上的编码器对测长模块17以及测角支架16绕两组转轴的角位移测量拉绳随施工机械在两组转轴轴向构建的坐标系内的移动角度，最终结合测长模块17检测到的拉绳放卷长度得到施工机械的定位坐标。

具体的计算过程再次参见图1，以固定测量部1固定的基点为坐标原点，沿着测角支架上的两组转轴作为X轴和Z轴，并以垂直于X轴和Z轴的另一方向为Y轴构件空间三坐标系，设施工机械3在水下的位置位于该空间坐标系内的点，通过拉绳2将坐标原点与施工机械3连接并拉直，通过测长模块17测量出拉绳长度为L，通过两组转轴上的编码器分别测量出拉绳相对于Z轴和Y轴的夹角分别为α和β，通过图中的几何关系可以计算出水下机械所在位置的空间三轴坐标，计算过程如下：

设施工机械处于A点，A点在Z轴、Y轴和X轴上的投影位置分别为B、C、D，A点在Y-Z平面的垂直投影为C’，A点在X-Z平面的垂直投影为D’，其中，

OB＝L×cosα

AB＝L×sinα

BC’＝AB×cosβ＝L×sinα×cosβ＝OC

AC’＝AB×sinβ＝L×sinα×sinβ＝BD’＝OD

OD，OC，OB为A点在XYZ空间三坐标系的空间坐标。

结合参见图4，测角支架16为一个倒置的U型支架，U形开口朝下，支架顶部通过第一转轴161铰接在固定测量部1上，测长模块17整体为一个长方体模块，两侧通过第二转轴162铰装在测角支架16的两侧内壁，测长模块17的拉绳2通过测角支架的下部开口引出连接到施工机械，为拉绳2提供较大的偏转范围。在第一转轴161上安装有检测第一转轴角位移的第一编码器18，在第二转轴162上安装有检测第二转轴角位移的第二编码器19，结合图5和图6所示，当测角支架16以第一转轴161的轴线转动过程中，通过第一编码器18检测到的是拉绳在空间坐标系内的β角，当测长模块17在测角支架16内以第二转轴162的轴线转动过程中，通过第二编码器19检测到的是拉绳在空间坐标系内的α角。第一转轴161和第二转轴162的轴线分别为空间坐标系的两根坐标轴重合，为了更方便建立标准的空间坐标系，在固定测量部1上，应当保证测角支架16上的两组转轴分别沿水平方向和竖直方向垂直布置。

如图7所示，测长模块17的内部安装设有放卷轴171、力矩电机172和第三编码器173，放卷轴171转动装配在测长模块17内部，力矩电机172与放卷轴171传动连接，拉绳2卷绕在放卷轴171上，构成一个拉绳的卷扬机构，通过力矩电机172将拉绳进行收放并且提供拉绳放卷过程中的拉紧力矩，第三编码器173安装在放卷轴171上，通过检测放卷轴的角位移转换为拉绳的放卷长度。

测长模块17在水下施工机械3向远离固定基点的方向移动时，力矩电机172工作在反转状态；当水下施工机械3静止不动时，力矩电机172工作在堵转状态，提供拉绳2拉直的拉紧力矩，防止拉绳松弛导致检测到的拉绳长度误差；当水下施工机械3向接近固定基点的方向移动时，力矩电机172工作在正转状态，驱动放卷轴171将拉绳2拉直并收卷到测长模块内。力矩电机172采用直流力矩电机，直流力矩电机可以在低速、堵转、反转情况下持续工作，保持稳定的力矩负载，从而使拉绳始终保持一定的张力。第三编码器173实时测量放卷轴的转动角度，从而计算拉绳的实时长度。通过编码器计算卷扬拉绳的放卷长度为卷扬设备上的常用技术手段，本实施例在此不对其具体测量远离进行赘述。

为了防止拉绳在水下施工机械运动过程中受到扭力，本实施例将拉绳2与施工机械之间通过防扭链21连接，如图8所示，防扭链21具有两个连接拉环，两个连接拉环之间通过滚动轴承，相互之间可以自由转动，其中一端拉簧连接在水下施工机械3上，另一端与拉绳2通过扣具连接，当拉绳2出现扭转力矩时，力矩使得防扭链的两端在滚动轴承作用下转动，消除扭转力矩，防止拉绳扭转打结造成拉绳长度的变化。

结合参见图3和图9，固定测量部1上还设置有电控模块15，电控模块15内部设有电源电路板151、卫星接收电路板152、水平测量电路板153和信息处理电路板154，其中电源电路板151为固定测量部内部电路提供二次电源，卫星接收电路板152实现固定测量部的卫星定位，水平测量电路板153上集成设有加速度传感器155、MEMS陀螺156和磁罗盘157，用于测量固定测量部1因不可避免的外界因素(如基点位置在水面上因波浪发生的起浮变化)时发生的水平姿态变化，对施工机械的测量角度进行误差补偿，信息处理电路板154用于各个传感元件的信息采集和定位信息解算。固定测量部1上还设有一个将检测计算到的水下施工机械位置的位置信息进行实时显示的显示模块12。以上电控模块内部的各个电路板以及传感元件均为市面上可以采购的常规元件，本领域技术人员可以根据不同规格的部件之间进行常规的电路设计，本实施例在此不对电控模块内部的具体连接方案进行赘述。

再次参见图2和图3，本实施例中的固定测量部1具有一用于将固定测量部固定在基点不动的固定底板11，整个固定测量部1通过该固定底板固定安装在设定的基点位置上，固定底板11上设有一个用于安装各个模块的固定支架13，固定支架13通过螺钉14固定在固定底板11上。在固定底板11的正面固定设置用于显示水下施工机械实时坐标信息的显示模块12，背面空间顶部固定电控模块15，测角支架16的顶部通过第二转轴直接固定在电控模块15上，并且将第二转轴上的编码器直接设置在电控模块内部，这样节省了编码器的接线成本。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.水下施工定位系统，其特征在于：包括以一固定基点不动的固定测量部(1)，以及将固定测量部(1)与水下的施工机械拉直连接的拉绳(2)；

所述固定测量部(1)与施工机械之间的直线距离通过拉绳(2)的长度进行测量，所述固定测量部(1)上设有对拉绳进行拉直放卷并测量放卷长度的测长模块(17)，所述拉绳(2)从测长模块(17)中引出连接至施工机械，所述测长模块(17)通过测角支架(16)安装于固定测量部(1)上，所述测长模块(17)与测角支架(16)之间以及测角支架(16)与固定测量部(1)之间通过两组相互垂直的转轴呈万向铰接装配，两组所述转轴上分别安装有检测角位移的编码器，通过两组所述编码器测量拉绳随施工机械在两组转轴轴向构建的坐标系内的移动角度，结合拉绳的放卷长度得到施工机械的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的水下施工定位系统，所述测长模块(17)包括放卷轴(171)、力矩电机(172)和第三编码器(173)，所述力矩电机(172)与放卷轴(171)传动连接，所述拉绳(2)卷绕在放卷轴(171)上，通过力矩电机(172)提供拉绳放卷过程中的拉紧力矩，所述第三编码器(173)安装在放卷轴(171)上，通过检测放卷轴的角位移转换为拉绳的放卷长度。

3.根据权利要求1所述的水下施工定位系统，所述测角支架(16)为U型支架，所述测角支架(16)的开口朝下，顶部通过第一转轴(161)铰接在固定测量部(1)上，所述测长模块(17)两侧通过第二转轴(162)铰装在测角支架(16)的两侧内壁，所述测长模块(17)的拉绳通过测角支架的下部开口引出连接到施工机械。

4.根据权利要求3所述的水下施工定位系统，所述测角支架(16)上的两组转轴分别沿水平方向和竖直方向相互垂直。

5.根据权利要求1所述的水下施工定位系统，所述拉绳(2)与施工机械之间通过防扭链(21)连接，所述防扭链(21)两端通过滚动轴承连接，其中一端连接在施工机械上，另一端与拉绳连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的水下施工定位系统，所述固定测量部(1)还包括电控模块(15)，所述电控模块(15)内部设有电源电路板(151)、卫星接收电路板(152)、水平测量电路板(153)和信息处理电路板(154)，其中所述电源电路板(151)为固定测量部内部电路提供二次电源，所述卫星接收电路板(152)实现固定测量部的卫星定位，所述水平测量电路板(153)上集成设有加速度传感器(155)、MEMS陀螺(156)和磁罗盘(157)，用于测量固定测量部的水平姿态变化，对施工机械的测量角度进行误差补偿，所述信息处理电路板(154)用于各个传感元件的信息采集和定位信息解算。

7.根据权利要求6所述的水下施工定位系统，所述固定测量部(1)还包括有显示施工机械实时坐标信息的显示模块(12)。

8.根据权利要求7所述的水下施工定位系统，所述固定测量部(1)具有一用于将固定测量部固定在基点不动的固定底板(11)，所述显示模块(12)和电控模块(15)固定在固定底板(11)上的固定支架(13)上，所述测长模块(17)通过测角支架(16)安装于所述固定支架(13)上。