CN111627579A - 一种应用于压力容器的水下rov定位方法 - Google Patents

一种应用于压力容器的水下rov定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及压力容器水下定位技术领域，具体公开了一种应用于压力容器的水下ROV定位方法。该方法包括：1、获得压力容器母线长度和半径数据，以及目标ROV在压力容器周边摄像头的视位置；2、获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值；3、分别获得目标ROV在压力容器圆柱面和半球面上的定位距离参数；4、根据目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值，选取定位距离参数值；5、根据定位距离参数，获得水下目标ROV的位置。该方法仅利用压力容器尺寸参数和ROV在摄像头视位置参数就能准确获取水下ROV的位置；该方法无需压力容器中央安装便桥，所用设备少，经济、方便、实用，同时，实时性强，无需价值昂贵的水下探测激光器成套装备。

Description

一种应用于压力容器的水下ROV定位方法
技术领域
本发明属于压力容器水下定位技术领域，具体涉及一种应用于压力容器的水下ROV定位方法。
背景技术
核反应堆压力容器内ROV的定位一直受到极大关注。解决这个问题，曾经有两种方案，一种方案是，在压力容器中央水面下放置水下摄像机，借助于压力容器尺寸参数、摄像机靶面参数以及旋转俯仰参数，该方法需要获取摄像机靶面参数，更为麻烦的是，需要专门在压力容器中央水面上搭建摄像机测量平台，使用起来不方便；另一种方案是，在压力容器周边云台上安装摄像机和激光器，将摄像机和激光器的准直镜放置在可同时旋转和俯仰的装置上进行ROV测量，该方法实用性强，但是装备中激光器相关装备价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，解决压力容器水下ROV的精确位置定位问题。
本发明的技术方案如下：一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、获得压力容器母线长度和半径数据，以及目标ROV在压力容器周边摄像头的视位置；
步骤2、获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值；
步骤3、分别获得目标ROV在压力容器圆柱面和半球面上的定位距离参数；
步骤4、根据目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值，选取定位距离参数值
步骤5、根据定位距离参数，获得水下目标ROV的位置。
所述的目标ROV在压力容器圆柱面上的定位距离参数值k1＝2Rsinα，其中，R为压力容器半径；α为目标ROV与摄像头的方位角。
所述的目标ROV在压力容器半球面上的定位距离参数值
Figure BDA0002506748440000021
其中，R为压力容器半径；α为目标ROV与摄像头的方位角，L为压力容器的母线，γ为目标ROV与摄像头的俯仰角。
所述的步骤5中根据定位距离参数，获得水下目标ROV的位置的具体步骤为：
根据上述步骤获得的定位距离参数值k，可获得水下目标ROV的位置为：
Figure BDA0002506748440000022
即目标ROV的位置坐标为(kcosα ksinα -ktanγ)。
所述的步骤4中根据目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值，选取定位距离参数值的具体步骤为；
根据步骤2获得目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值ZAbs，选取定位距离参数值k为：
当ZAbs<L时，k＝k1，否则，k＝k2；其中，k1为目标ROV在压力容器圆柱面上的定位距离参数值；k2为目标ROV在压力容器半球面上的定位距离参数值。
所述的步骤3中包括当目标ROV位于压力容器圆柱面上时，获得目标ROV的定位距离参数的步骤为：
以云台上摄像头所在点O为空间坐标原点，母线在OZ轴上，建立空间直角坐标系O_XYZ，则压力容器上底面圆心O1坐标为(0 R 0)，下底面圆心O2的坐标为(0 R -L)；
若目标ROV在压力容器圆柱面A点时，圆柱面的方程为：
Figure BDA0002506748440000031
直线OA可以利用其对应的方位角α和俯仰角γ获得；
在空间直角坐标系O_XYZ中直线OA投影在OX、OY、OZ上的长度分别为|OA|cosγcosα、|OA|cosγsinα和|OA|sinγ，可见，直线OA的方向向量为(cosα sinα -tanγ)，直线OA的方程为：
Figure BDA0002506748440000032
由于圆柱面上的A点同时满足上述两个方程，
令定位距离参数
Figure BDA0002506748440000033
则可获得：
k1＝2Rsinα。
所述的步骤3中包括当目标ROV位于压力容器半球面上时，获得目标ROV的定位距离参数的步骤为：
若目标ROV在半球面B点时，半球面的方程为：
Figure BDA0002506748440000034
直线OB的方程同样满足：
Figure BDA0002506748440000035
令定位距离参数
Figure BDA0002506748440000036
并代入半球面方程，则可获得：
Figure BDA0002506748440000041
求解关于k2的一元二次方程，由于半球面位于下半部分，使|k2|的绝对值更大，则
Figure BDA0002506748440000042
所述的步骤2获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值具体为：
压力容器由圆柱面和半球面构成，根据空间解析几何可获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值ZABs为：
ZAbs＝2Rsin(α)tan(γ)。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，仅利用压力容器尺寸参数和ROV在摄像头视位置参数就能准确获取水下ROV的位置；该方法无需压力容器中央安装便桥，所用设备少，经济、方便、实用，同时，实时性强，无需价值昂贵的水下探测激光器成套装备。
附图说明
图1为本发明所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法的核反应堆压力容器及ROV位置空间直角坐标系示意图；
图2为本发明所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法中方位角为90°时，俯仰从1°～90°变化的示意图；
图3为图2条件下ROV在各个坐标轴投影和空间直角坐标系中位置的示意图；
图4为本发明所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法中方位角为45°时，俯仰从1°～90°变化的示意图；
图5为图4条件下ROV在各个坐标轴投影和空间直角坐标系中位置的示意图；
图6为本发明所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法中方位角为1°时，俯仰从1°～90°变化的示意图；
图7为图6条件下ROV在各个坐标轴投影和空间直角坐标系中位置的示意图；
图8为本发明所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法中俯仰角为10°时，方位从1°～180°变化的示意图；
图9为图8条件下ROV在各个坐标轴投影和空间直角坐标系中位置的示意图；
图10为本发明所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法中俯仰角为80°时，方位从1°～180°变化的示意图；
图11为图10条件下ROV在各个坐标轴投影和空间直角坐标系中位置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所述，一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、获得压力容器母线长度和半径数据，以及目标ROV在压力容器周边摄像头的视位置；
根据目标ROV所处的压力容器类型，获得压力容容器母线长度L和半径数据R，以及目标ROV在压力容器周边摄像头的视位置：方位角α，俯仰角γ；
步骤2、获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值；
压力容器由圆柱面和半球面构成，根据空间解析几何可获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值ZABs为：
ZAbs＝2Rsin(α)tan(γ)
步骤3、获得目标ROV在压力容器上的定位距离参数；
步骤3.1、当目标ROV位于压力容器圆柱面上时，获得目标ROV的定位距离参数；
以云台上摄像头所在点O为空间坐标原点，母线在OZ轴上，建立如图1所示的空间直角坐标系O_XYZ，则压力容器上底面圆心O1坐标为(0 R 0)，下底面圆心O2的坐标为(0R-L)；
若目标ROV在压力容器圆柱面A点时，圆柱面的方程为：
Figure BDA0002506748440000061
直线OA可以利用其对应的方位角α和俯仰角γ获得；
在空间直角坐标系O_XYZ中直线OA投影在OX、OY、OZ上的长度分别为|OA|cosγcosα、|OA|cosγsinα和|OA|sinγ，可见，直线OA的方向向量为(cosα sinα -tanγ)，直线OA的方程为：
Figure BDA0002506748440000062
由于圆柱面上的A点同时满足上述两个方程，
令定位距离参数
Figure BDA0002506748440000063
则可获得：
k1＝2Rsinα
步骤3.2、当目标ROV位于压力容器半球面上时，获得目标ROV的定位距离参数；
若目标ROV在半球面B点时，半球面的方程为：
Figure BDA0002506748440000071
直线OB的方程同样满足：
Figure BDA0002506748440000072
令定位距离参数
Figure BDA0002506748440000073
并代入半球面方程，则可获得：
Figure BDA0002506748440000074
求解关于k2的一元二次方程，由于半球面位于下半部分，使|k2|的绝对值更大，则
Figure BDA0002506748440000075
步骤4、根据目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值，选取定位距离参数值；
根据步骤2获得目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值ZAbs，选取定位距离参数值k为：
当ZAbs<L时，k＝k1，否则，k＝k2；
步骤5、根据定位距离参数，获得水下目标ROV的位置；
根据上述步骤获得的定位距离参数值k，可获得水下目标ROV的位置为：
Figure BDA0002506748440000076
即目标ROV的位置坐标为(kcosαksinα-ktanγ)。
如图2、图3所示，已知某核反应堆压力容器柱体母线长为18m，柱体横截面半径和底部半球半径均为6m，取方位为90°、俯仰在1°～90°变化时，其对应于图3中P点向下所移轨迹。显然，投影到X轴为0m；投影到Y轴分两段：在到圆柱面和半球面交界前为12m，后面逐步变小，直至为0m，这个临界点通过L＝2Rsinαtanγ求得γ＝56.3099°；投影到Z轴，在临界点前由于单位角度对应的长度变大而快速变化，在临界点后呈现慢变，经过底端后反转的过程。
如图4、图5所示，取方位为45°、俯仰在1°～90°变化时，此时ROV所移轨迹在X轴和Y轴上的投影相等，Z轴上的投影在临界点(临界点对应的γ＝64.7606°)前近乎直线，在临界点后近乎对称。
如图6、图7所示，取方位为1°、俯仰在1°～90°变化时，此时，临界角γ＝89.3334°，在临界点前，ROV所移轨迹在X轴投影为常数约0.21，在Y轴上为常数，几乎为0，在Z轴的投影一直呈现加速下降，特别是俯仰80°以后出现陡峭下降(临界点后呈现的只是一个点的情况，无需描述)。为了克服这种情况，只需将压力容器周边云台位置移动到对面。
如图8、图9所示，取俯仰角为10°，方位角在1°～180°范围内变化时，计算结果见图9。这些坐标点呈现在三坐标轴上的正弦、余弦和凹性显而易见。
如图10、图11所示，取俯仰角为80°，方位角在1°～180°范围内变化时，计算结果见图11，其与图9相比，主要是ROV在半球面上时变化缓慢一些。

Claims (8)

1.一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤1、获得压力容器母线长度和半径数据，以及目标ROV在压力容器周边摄像头的视位置；
步骤2、获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值；
步骤3、分别获得目标ROV在压力容器圆柱面和半球面上的定位距离参数；
步骤4、根据目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值，选取定位距离参数值
步骤5、根据定位距离参数，获得水下目标ROV的位置。
2.根据权利要求1所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：所述的目标ROV在压力容器圆柱面上的定位距离参数值
Figure FDA0002506748430000011
其中，R为压力容器半径；α为目标ROV与摄像头的方位角。
3.根据权利要求1所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：所述的目标ROV在压力容器半球面上的定位距离参数值
Figure FDA0002506748430000012
其中，R为压力容器半径；α为目标ROV与摄像头的方位角，L为压力容器的母线，γ为目标ROV与摄像头的俯仰角。
4.根据权利要求1所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：所述的步骤5中根据定位距离参数，获得水下目标ROV的位置的具体步骤为：
根据上述步骤获得的定位距离参数值k，可获得水下目标ROV的位置为：
Figure FDA0002506748430000021
即目标ROV的位置坐标为(kcosα ksinα -ktanγ)。
5.根据权利要求1所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：所述的步骤4中根据目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值，选取定位距离参数值的具体步骤为；
根据步骤2获得目标ROV在压力容器圆柱面上的深度值ZAbs，选取定位距离参数值k为：
当ZAbs<L时，k＝k1，否则，k＝k2；其中，k1为目标ROV在压力容器圆柱面上的定位距离参数值；k2为目标ROV在压力容器半球面上的定位距离参数值。
6.根据权利要求1或2所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：所述的步骤3中包括当目标ROV位于压力容器圆柱面上时，获得目标ROV的定位距离参数的步骤为：
以云台上摄像头所在点O为空间坐标原点，母线在OZ轴上，建立空间直角坐标系O_XYZ，则压力容器上底面圆心O1坐标为(0 R 0)，下底面圆心O2的坐标为(0 R -L)；
若目标ROV在压力容器圆柱面A点时，圆柱面的方程为：
Figure FDA0002506748430000022
直线OA可以利用其对应的方位角α和俯仰角γ获得；
在空间直角坐标系O_XYZ中直线OA投影在OX、OY、OZ上的长度分别为|OA|cosγcosα、|OA|cosγsinα和|OA|sinγ，可见，直线OA的方向向量为(cosα sinα -tanγ)，直线OA的方程为：
Figure FDA0002506748430000031
由于圆柱面上的A点同时满足上述两个方程，
令定位距离参数
Figure FDA0002506748430000032
则可获得：
k1＝2Rsinα。
7.根据权利要求1或3所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：所述的步骤3中包括当目标ROV位于压力容器半球面上时，获得目标ROV的定位距离参数的步骤为：
若目标ROV在半球面B点时，半球面的方程为：
Figure FDA0002506748430000033
直线OB的方程同样满足：
Figure FDA0002506748430000034
令定位距离参数
Figure FDA0002506748430000035
并代入半球面方程，则可获得：
Figure FDA0002506748430000036
求解关于k2的一元二次方程，由于半球面位于下半部分，使|k2|的绝对值更大，则
Figure FDA0002506748430000037
8.根据权利要求1所述的一种应用于压力容器的水下ROV定位方法，其特征在于：所述的步骤2获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值具体为：
压力容器由圆柱面和半球面构成，根据空间解析几何可获得目标ROV在压力容器圆柱面上时的深度值ZABs为：
ZAbs＝2Rsin(α)tan(γ)。
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