CN111830462A - 一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法及装置，所述方法包括：沿隧道纵向方向上每隔一段距离设置一个RFID定位应答器；所述RFID定位应答器的芯片内存储有所述RFID定位应答器的位置信息；在水下机器人上设置一个RFID阅读器，由所述RFID阅读器发射电磁波信号，并接收来自有效工作区域范围内的所有RFID定位应答器反馈回来的RFID定位应答器的位置信息；根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息。还包括误差值判定环节，具有数据定位精度高的优点。

Description

一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法及装置
技术领域
本发明涉及水下机器人定位技术领域，尤其涉及一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法及装置。
背景技术
在排水深隧工程中，由于污水中富含污泥杂质，在长时间运行中，特别是长距离隧道，污泥杂质会富集形成淤积，在隧道中形成堵塞，影响隧道安全运营。由于排水深隧工程使用年限均较长，在运营期间会遇到地震、隧道差异性沉降等问题导致结构破损，影响隧道安全运营。因此针对上述隧道淤积及结构破损等问题，要做到及时检测并处理，目前一般采用水下机器人来完成该任务，对于隧道淤积和结构破损位置的精准定位是水下机器人完成作业任务的基础。目前水下机器人最常用定位技术主要为水声定位、惯性测量和水下视觉定位。
水声定位技术采用声呐设备，由发射器发射声波信号，接收器接收声波信号，通过信号传递时间、距离，方向角度实现定位。按照接收基阵的基线长度分为长基线、短基线和超短基线。长基线需要在隧道内壁提前布点，基线长度为100m～6000m之间，且至少需要在平面范围内，以一定的几何图形布置3个以上基点。由于排水深隧中隧道断面尺寸较小，此方案不可行。短基线与超短基线布点要求较低，但因为其由于通过声波传输，且排水深隧隧道有圆弧段，声波会在内壁反射，造成定位精度很低。
惯性测量是利用陀螺仪和DLV测量仪器，通过对水下机器人加速度、速度和距离数据进行积分计算进行定位，因积分计算有积累误差，其定位精度较低，定位精度为5‰d，d为机器人行驶距离。因排水隧道一般属于长距离隧道，隧道长度可达5km。因此不满足工程需求。
水下视觉定位是通过摄像头拍摄图像，结合图像处理算法进行定位，因排水隧道中可见度低，摄像头拍摄的图像质量差，无法通过该方式对水下机器人进行定位。
综上所述，目前常用的三种定位技术均不满足水下机器人在排水深隧工程作业的定位要求，因此需要研究一种新的定位方法及系统，为排水深隧工程中的水下机器人作业提供精准定位。
发明内容
针对现有技术中存在的问题与排水深隧工程中水下机器人定位需求针，本发明的目的在于提供一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法及装置，满足水下机器人定位需求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，包括：
沿隧道纵向方向上每隔一段距离设置一个RFID定位应答器；所述RFID定位应答器的芯片内存储有所述RFID定位应答器的位置信息；
在水下机器人上设置一个RFID阅读器，由所述RFID阅读器发射电磁波信号，并接收来自有效工作区域范围内的所有RFID定位应答器反馈回来的RFID定位应答器的位置信息；
根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息。
进一步地，根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息，具体包括：
针对在有效工作区域范围内的每一个RFID定位应答器，根据RFID阅读器的发射信号和接收信号时间差，以及电磁波在水中传播速度，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器的直线距离；
根据隧道高度信息与所述直线距离，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离；
根据每一个RFID定位应答器的里程信息，即RFID阅读器接收到的每一个RFID定位应答器的位置信息，计算出水下机器人相对于每一个RFID定位应答器的里程位置；
将各个里程位置根据RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离进行加权平均计算得出水下机器人的精确位置。
进一步地，还包括误差值判定环节，所述误差值判定环节根据所述RFID阅读器收到的定位应答器反馈的信号计算的里程位置信息与根据水下机器人运动速度计算出的里程位置信息进行误差值判定。
进一步地，所述误差值判定环节，取当前根据应答器反馈数据计算出的水下机器人的里程数S1，以及根据前一秒水下机器人的里程数与水下机器人运动速度计算出的里程数S2，取S2-S1的差值，当差值小于S2*10％时，取S1作为水下机器人的里程位置；当差值在S2*(10％-50％)之间时，取S1与S2的平均值作为水下机器人的里程位置，当差值大于S2*50％，取S2作为水下机器人的里程位置。
进一步地，所述RFID定位应答器沿隧道顶部中央等间距设置。
进一步地，所述等间距设置的间距是10m。
进一步地，所述RFID定位应答器的位置信息包括里程信息。
进一步地，所述RFID阅读器设置为每隔1s发射一次电磁波信号。
第二方面，本发明提供了一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的装置，其特征在于，包括：
多个RFID定位应答器，所述RFID定位应答器沿隧道纵向方向上每隔一段距离设置一个；所述RFID定位应答器的芯片内存储有所述RFID定位应答器的位置信息；
RFID阅读器，设置于水下机器人上，所述RFID阅读器发射电磁波信号，并接收来自有效工作区域范围内的所有RFID定位应答器反馈回来的RFID定位应答器的位置信息；
中央处理器，根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息。
进一步地，所述中央处理器根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息，具体包括：
直线距离计算模块，针对在有效工作区域范围内的每一个RFID定位应答器，根据RFID阅读器的发射信号和接收信号时间差，以及电磁波在水中传播速度，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器的直线距离；
隧道方向距离计算模块，根据隧道高度信息与所述直线距离，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离；
里程位置计算模块，根据每一个RFID定位应答器的里程信息，即RFID阅读器接收到的每一个RFID定位应答器的位置信息，计算出水下机器人相对于每一个RFID定位应答器的里程位置；
加权平均计算模块，将各个里程位置根据RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离进行加权平均计算得出水下机器人的精确位置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明提出的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法及装置，可以有效解决现有技术中存在的问题。
具体表现为：
1.采用电磁波为载波传递信息，RFID阅读器发射电磁波，RFID定位应答器接收电磁波后，并将储存信息加载至电磁波后反馈至RFID阅读器，RFID阅读器可以过滤掉没有相关信息的杂波，进而增加数据判定的准确性。
2.由于排水隧道区间较长，通过间隔一定距离布置应答器，并在计算方式上对应答器与阅读器距离进行加权平均处理，避免了因为隧道长度的原因导致误差积累，有效解决了定位精度低问题。
3、对于排水深隧工程中的圆弧段隧道定位问题，通过阅读器每1秒发射一次电磁波，根据机器人实时速度计算机器人1s内的运动距离，进而计算出实时里程位置。通过该方式对应答器计算出的里程位置进行修正处理，增加了数据定位精度。
4、通过数值判定标准，在对于通过应答器计算出的定位里程，与通过机器人速度计算出的定位里程两者数据之间出现较大差距时，舍弃掉不合理数据，增加了数据的准确性。
5.本发明还具有计算复杂度低、设备成本低、精度高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法的处理流程图。
图2为本发明实施例提供的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法的RFID定位应答器在隧道中的布置图。
图3为图2的截面图。
图4为本发明实施例提供的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法的计算原理图。
图5为本发明实施例提供的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法的RFID定位应答器装置结构示意图。
图中：1、RFID定位应答器；2、排水隧道；3、RFID阅读器；4、塑料壳；5、密封胶圈；6、线圈；7、RFID芯片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
本发明实施例提供的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法的处理流程图如图1所示。包括如下的处理步骤：
沿隧道纵向方向上每隔一段距离设置一个RFID定位应答器；所述RFID定位应答器的芯片内存储有所述RFID定位应答器的位置信息；
在水下机器人上设置一个RFID阅读器，由所述RFID阅读器发射电磁波信号，并接收来自有效工作区域范围内的所有RFID定位应答器反馈回来的RFID定位应答器的位置信息；
根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息。
本发明方法主要采用射频识别技术完成机器人定位。方法所采用的硬件主要由放置在隧道顶部的RFID定位应答器1、放置在水下机器人上的RFID阅读器3装置和中央处理器三部分组成。通过RFID阅读器发射射频信号至RFID定位应答器，在RFID阅读器有效工作区域范围内的所有的RFID定位应答器响应信号，将RFID定位应答器中的位置数据反馈至RFID阅读器，RFID阅读器读取分析数据，并将数据反馈至中央处理器，由中央处理器经分析处理并根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息。所述RFID定位应答器中包含线圈与RFID芯片，RFID芯片存储应答器的里程信息。如图2及图3所示，作为优选的实施方式，所述RFID定位应答器沿排水隧道2顶部中央等间距设置。
由于排水深隧工程隧道较长，一般在1km以上，由于电磁波在水中传播时，其强度衰减严重，传统的射频技术一般在空气中长距离传播，在水中只能满足短距离信号数据传输，对1km的信号传递距离无法有效应对。因此针对该难题，通过将RFID定位应答器按照10m间距沿隧道方向布置。缩短信号传输距离，保证数据传输有效。
因两个RFID定位应答器间距为10m，当RFID阅读器进入两个RFID定位应答器之间的范围时，RFID定位应答器会同时响应由RFID阅读器发送的信号并反馈。在水下机器人运行过程中，RFID阅读器发射一次射频信号，多个RFID定位应答器接收信号并进行反馈。RFID阅读器接收到多个反馈信息后进行计算。计算原理如图4，隧道高度h即隧道内径值。由于RFID定位应答器设置在隧道中央顶端，而RFID阅读器在水上机器人身上位于隧道中央底部。因此，RFID定位应答器与RFID阅读器的垂直高度差即相当于隧道高度h，可以用隧道内径值来计算。具体计算方法如下：
根据RFID阅读器发射信号到接收信号时间差t和电磁波在水中传播速度vc，计算出RFID阅读器与RFID定位应答器直线距离b＝vc×t；
通过隧道高度信息h与直线距离b，计算出RFID阅读器与RFID定位应答器在隧道方向距离
Figure BDA0002571535480000061
根据RFID定位应答器的里程信息s，进而算出水下机器人里程位置S＝s+d；
将各个里程位置根据RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离进行加权平均计算得出水下机器人的精确位置
Figure BDA0002571535480000062
n为RFID定位应答器的个数。
因排水隧道在平面上，有可能会出现圆弧段，因RFID阅读器和RFID定位应答器的信号传递路径是直线，在圆弧段范围，定位精度低。针对该难题，设置RFID阅读器每隔1s发射一次信号，RFID阅读器每进行一次信号传递，计算出一个里程S1，结合水下机器人运行速度v和前1s水下机器人位置S0算出目前里程位置S2＝S0+v，通过S2对S1进行校核，若误差值S2-S1在S2的10％以内，则取S1；若误差值在S2的10％-50％以上，则取S1与S2的平均值；若误差值大于S2的50％，则取S2。并将最终确定的里程值反馈至控制系统屏幕中。
实施例1
排水深隧工程的隧道长度为4.2km，平面方向上圆弧段最小半径为250m，沿隧道以间距10m布置RFID定位应答器1，RFID定位应答器1长15cm，宽10cm，厚3cm，如图5所示，RFID定位应答器1由塑料外壳4，密封胶圈5，线圈6和RFID芯片7组成。在隧道安装布置前，需在RFID芯片7写入应答器1的里程和高程数据。水下机器人上RFID阅读器3内置芯片和发射天线装置。
水下机器人在进行隧道结构与淤积检测时，需要对隧道结构破损与有淤积物处进行定位。当水下机器人行进至该位置时，RFID阅读器3发射电磁波信号，在水下机器人前后50m范围内RFID定位应答器1的线圈接收载波信号，与芯片上的电容组成谐振回路，产生电压激活RFID芯片，并将RFID定位应答器1的RFID芯片7内设置的数据通过电磁波搭载传输至RFID阅读器3，RFID阅读器3天线接收载波信号，通过芯片上的电容组成谐振回路，产生电流电压，RFID阅读器3上芯片将变化的电流电压值解码形成数据并传输至中央处理器。中央处理器针对各个RFID定位应答器1数据进行计算，得出里程位置S1。由于RFID阅读器3设置为每1s发射一次信号，根据水下机器人行进速度与机器人前一秒位置计算出当前位置里程S2。通过比较S1和S2数值，按照误差范围计算出最终数据。并将最终里程数值通过光纤线缆发送至地面控制系统。地面操作人员根据地面控制系统屏幕显示的数据，得出隧道结构破损或淤积物位置。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，包括：
沿隧道纵向方向上每隔一段距离设置一个RFID定位应答器；所述RFID定位应答器的芯片内存储有所述RFID定位应答器的位置信息；
在水下机器人上设置一个RFID阅读器，由所述RFID阅读器发射电磁波信号，并接收来自有效工作区域范围内的所有RFID定位应答器反馈回来的RFID定位应答器的位置信息；
根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息，具体包括：
针对在有效工作区域范围内的每一个RFID定位应答器，根据RFID阅读器的发射信号和接收信号时间差，以及电磁波在水中传播速度，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器的直线距离；
根据隧道高度信息与所述直线距离，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离；
根据每一个RFID定位应答器的里程信息，即RFID阅读器接收到的每一个RFID定位应答器的位置信息，计算出水下机器人相对于每一个RFID定位应答器的里程位置；
将各个里程位置根据RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离进行加权平均计算得出水下机器人的精确位置。
3.根据权利要求1所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，还包括误差值判定环节，所述误差值判定环节根据所述RFID阅读器收到的定位应答器反馈的信号计算的里程位置信息与根据水下机器人运动速度计算出的里程位置信息进行误差值判定。
4.根据权利要求3所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，所述误差值判定环节，取当前根据应答器反馈数据计算出的水下机器人的里程数S1，以及根据前一秒水下机器人的里程数与水下机器人运动速度计算出的里程数S2，取S2-S1的差值，当差值小于S2*10％时，取S1作为水下机器人的里程位置；当差值在S2*(10％-50％)之间时，取S1与S2的平均值作为水下机器人的里程位置，当差值大于S2*50％，取S2作为水下机器人的里程位置。
5.根据权利要求1所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，所述RFID定位应答器沿隧道顶部中央等间距设置。
6.根据权利要求5所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，所述等间距设置的间距是10m。
7.根据权利要求1所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，所述RFID定位应答器的位置信息包括里程信息。
8.根据权利要求1所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的方法，其特征在于，所述RFID阅读器设置为每隔1s发射一次电磁波信号。
9.一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的装置，其特征在于，包括：
多个RFID定位应答器，所述RFID定位应答器沿隧道纵向方向上每隔一段距离设置一个；所述RFID定位应答器的芯片内存储有所述RFID定位应答器的位置信息；
RFID阅读器，设置于水下机器人上，所述RFID阅读器发射电磁波信号，并接收来自有效工作区域范围内的所有RFID定位应答器反馈回来的RFID定位应答器的位置信息；
中央处理器，根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息。
10.根据权利要求9所述的一种应用于排水深隧工程水下机器人定位的装置，其特征在于，所述中央处理器根据所述RFID阅读器的发射信号数据和接收到的数据，结合隧道自身高度数据进行数据处理，确定所述水下机器人的位置信息，具体包括：
直线距离计算模块，针对在有效工作区域范围内的每一个RFID定位应答器，根据RFID阅读器的发射信号和接收信号时间差，以及电磁波在水中传播速度，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器的直线距离；
隧道方向距离计算模块，根据隧道高度信息与所述直线距离，计算出RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离；
里程位置计算模块，根据每一个RFID定位应答器的里程信息，即RFID阅读器接收到的每一个RFID定位应答器的位置信息，计算出水下机器人相对于每一个RFID定位应答器的里程位置；
加权平均计算模块，将各个里程位置根据RFID阅读器与每一个RFID定位应答器在隧道方向距离进行加权平均计算得出水下机器人的精确位置。
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