CN112162290A - 一种海工浮式平台声学定位监测方法 - Google Patents

一种海工浮式平台声学定位监测方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种海工浮式平台声学定位监测方法，应用包括：平台、海床声学基站、姿态测量传感器、多个海面高度声学测量器以及多个声学接收器的海工浮式平台声学定位监测系统；并包括以下步骤：基于卫星定位系统的导航控制平台航行至预设工作区；往海底投放海床声学基站；控制姿态测量传感器测量平台得到平台的绝对姿态数据；控制海面高度声学测量器测量海面得到海面状态数据；控制多个声学接收器接收海床声学基站的发射信号；根据各接收到的所述发射信号，解算得到平台的坐标数据；基于坐标数据、绝对姿态数据以及海面状态数据，得到监测系统定位数据，解决现有海工浮式平台定位精度低且未能结合海面的波浪实时变化状况的问题。

Description

一种海工浮式平台声学定位监测方法
技术领域
本申请涉及浮式平台定位领域，尤其涉及一种海工浮式平台声学定位监测方法。
背景技术
海工浮式平台是一种应用于海上作业的构筑物，包括驳船、半潜式平台、系泊式平台成等，对定位精度有较高的要求；当前海工浮式平台的位置监测主要来自于和卫星定位系统如GPS系统。而因为海洋作业环境的特殊性和复杂性浮式平台会始终处于浮动状态，同时GPS的定位精度有限：GPS定位分为码定位和载波定位，码定位速度快，理想情况下，一般民用3m精度，军用0.3m；载波定位速度慢，不分民用与军用，精密单点定位的话半个小时以上，如果观测时间足够长可达到mm级精度。浮式平台的定位既需要定位精度，又需要定位速度，而GPS定位精度与速度无法同时达到准确响应要求，并且复杂海况下会存在GPS定位信号减弱的影响性，进而影响作业的精度和安全性。现阶段也有人开始引入北斗系统进行定位，或者采取北斗系统与GPS系统双定位，但同样存在定位精度低、易受环境影响、信号存在短时丢失而且未能和海面的波浪实时变化状况联系起来的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的是提供一种海工浮式平台声学定位监测方法，能够结合海况实现浮式平台的精准定位同时和运动状态监测，从而保证浮式平台作业过程中的安全与准确性。
为达到上述技术目的，本申请提供了一种海工浮式平台声学定位监测方法，应用于海工浮式平台声学定位监测系统，所述海工浮式平台声学定位监测系统包括：平台、海床声学基站、姿态测量传感器、多个海面高度声学测量器以及多个声学接收器；并包括以下步骤：
基于卫星定位系统的导航控制所述平台航行至预设工作区；
控制平台往海底投放所述海床声学基站；
控制姿态测量传感器测量平台，得到测量姿态数据；
根据所述测量姿态数据得到平台拟合平面；
基于所述平台拟合平面在所述平台的平台坐标系内的姿态，得到所述平台的绝对姿态数据；
控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据；
根据各所述高度数据得到海面拟合平面；
基于所述海面拟合平面与所述平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；
控制多个声学接收器接收所述海床声学基站的发射信号；
根据各接收到的所述发射信号，解算得到平台的坐标数据；
基于所述坐标数据、所述绝对姿态数据以及所述海面状态数据与浮台定位数据的关系，得到浮台定位数据。
优选地，所述海床声学基站包括沉台底座与海床声学发射器。
优选地，所述沉台底座具体为铁质底座。
优选地，所述海床声学基站还包括声学应答熔断器与浮标；
所述沉底座、所述声学应答熔断器、所述海床声学发射器以及所述浮标自下而上依次连接设置；
还包括以下步骤：
定位监测完成时，控制声学应答熔断器熔断，以回收海床声学发射器。
优选地，所述平台拟合平面以及所述海面拟合平面均为基于最小二乘法拟合得到。
优选地，所述控制系统控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据，具体包括；
控制系统控制各所述海面高度声学测量器发射并接收声波，并测得声波的走时；
控制系统根据声波的走时分别计算得到各所述海面高度声学测量器距离海面测量点的高度数据。
优选地，所述平台上还设置有用于一一对应安装所述海面高度声学测量器的支撑架；
所述控制各所述海面高度声学测量器发射并接收声波，之前还包括：
控制所述支撑架，使得所述海面高度声学测量器水平伸出所述平台，并朝竖直移动预设距离。
优选地，所述声学接收器也一一对应安装于所述支撑架上。
优选地，所述声学接收器数量具体为三个。
三个所述声学接收器绕所述平台中心呈等腰三角形分布。
优选地，所述海床声学发射器数量具体为三个；
三个所述海床声学发射器绕所述海床声学基站中心呈等边三角形或直角三角形分布。
从以上技术方案可以看出，本申请基于卫星定位装置实现粗定位，再基于声学测量系统实现精定位，通过姿态测量传感器测量得到平台绝对姿态数据，结合海面高度声学测量器测量得到海面状态数据以及结合海床声学基站与声学接收器配合测量的平台坐标数据，解算得出平台精准的定位数据，从而通过平台控制系统有效且准确的定位数据支持，实现对平台的精准定位控制，解决现有海工浮式平台存在定位精度低、易受环境影响、信号存在短时丢失且未能结合海面的波浪实时变化状况的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请中提供的一种海工浮式平台声学定位监测方法的实施例一的流程示意图；
图2为本申请中提供的一种海工浮式平台声学定位监测系统的一个实施例示意图；
图3为本申请中提供的一种海工浮式平台声学定位监测系统另一个实施例示意图；
图4为本申请中提供的一种海工浮式平台声学定位监测方法实施例二的流程示意图；
图中：1、沉台底座；2、声学应答熔断器；3、电力供给装置；4、海床声学发射器；5、浮标；6、声学接收器；7、支撑架；8、海面高度声学测量器；9、控制器；10、姿态测量传感器；11、定位装置；12、平台。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
本申请实施例公开了一种海工浮式平台声学定位监测方法。
请参阅图1与图2，本申请第一个实施例中提供的一种海工浮式平台声学定位监测方法，应用于海工浮式平台声学定位监测系统，海工浮式平台声学定位监测系统包括：平台12、海床声学基站、姿态测量传感器10、多个海面高度声学测量器8以及多个声学接收器6；并包括以下步骤：
S1，基于卫星定位系统的导航控制平台航行至预设工作区；
S2，控制平台12往海底投放海床声学基站；
S3，控制姿态测量传感器10测量平台，得到测量姿态数据；
S4，根据测量姿态数据得到平台拟合平面；
S5，基于平台拟合平面在平台的平台坐标系内的姿态，得到平台的绝对姿态数据；
具体来说，平台12在设计或者建造时便相应确定平台12自身的坐标系，也即有平台12自身相对于地球的坐标；将通过姿态测量传感器8测量得到的测量姿态数据结合平台12自身的坐标系可以得到平台12的拟合平面与该拟合平面在平台坐标系内的姿态；将其作为平台12的绝对姿态数据，即可根据绝对姿态数据调整平台12的自身平衡度和重心。例如，作业过程中，由于海浪、海风以及自身的负载情况，平台12的自身平衡度和重心不断变化，可以通过判断绝对姿态数据是否超预设阈值，若是则调整平台自身平衡度；若否，则在预设时间后返回判断绝对姿态数据是否超预设阈值，保证平台安全，防止倾覆。
S6，控制各海面高度声学测量器8测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据；
S7，根据各高度数据得到海面拟合平面；
S8，基于海面拟合平面与平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；
具体来说，当平台12上端面与海平面平齐时，可通过测量得到的高度数据直接得到海面状态数据；当通过绝对姿态数据判断平台12存在倾斜姿态时，则结合绝对姿态数据以及平台的尺寸结算修正高度数据，间接计算得出海面状态数据；通过海面状态数据，可以判断出海面的平整度与海浪的方向与波动程度，并可因此对平台12在海浪中的运动补偿进行预控制。
S9，控制多个声学接收器6接收海床声学基站的发射信号；
S10，根据各接收到的发射信号，解算得到平台12的坐标数据；
S11，基于坐标数据、绝对姿态数据以及海面状态数据，得到监测平台定位数据。
具体来说，上述步骤S1至S11可通过平台自身的控制器9完成控制，也可以外加的，如安置于平台上、陆地上等控制设备组成的控制系统完成控制，不做限制。
以上为本申请实施例提供的实施例一，以下为本申请提供的实施例二，具体请参阅图1至图2。
一种海工浮式平台声学定位监测方法，应用于海工浮式平台声学定位监测系统，海工浮式平台声学定位监测系统包括：平台12、海床声学基站、姿态测量传感器10、多个海面高度声学测量器8以及多个声学接收器6；并且，海工浮式平台声学定位监测系统内部设置有供卫星定位的定位装置11；海床声学基站设置于平台12下方，包括有自下而上依次连接的沉台底座1、声学应答熔断器2、电力供给装置3、海床声学发射器4与浮标5；其中沉台底座可铁质底座，沉于海底后随时间自然腐蚀，也可以是石质底座等自然材质，具体根据实际情况选取合适加工且不污染环境材质即可；平台12上还装有用于一一对应安装海面高度声学测量器8与声学接收器6的支撑架7，支撑架7包括有水平支撑架与竖直支撑架，用以控制支撑架水平方向与竖直方向伸缩，其中水平伸缩架安装于平台12，且伸缩端与竖直伸缩架连接，用于驱动竖直伸缩架活动伸出平台12；海面高度声学测量器8设置于竖直伸缩架上端；控制器还分别与水平伸缩架以及竖直伸缩架电连接。
并包括以下步骤：
S1，基于卫星定位系统的导航控制平台航行至预设工作区；
S2，控制平台往海底投放海床声学基站；
S3，控制姿态测量传感器10测量平台12，得到测量姿态数据；
具体来说，姿态测量传感器10设置于平台1上；姿态测量传感器内部包含有三轴陀螺仪、三轴加速度计与电子罗盘等运动传感器件，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量。
S4，控制系统根据测量姿态数据基于最小二乘法得到平台1的平台拟合平面；
具体来说，也可通过多项式拟合或使用Matlab中的polyfit拟合等方式，具体不做限制。
S5，基于平台拟合平面在平台1的平台坐标系内的姿态，得到平台1的绝对姿态数据，该步骤与上述实施例一中的步骤S5相同，此处不做赘述；
S61，控制支撑架7，使得海面高度声学测量器8水平伸出平台，并朝竖直移动预设距离；
S62，控制各海面高度声学测量器8发射并接收声波，并测得声波的走时；
S63，再根据声波的走时分别计算得到各海面高度声学测量器8距离海面测量点的高度数据。
具体来说，第一预设距离在测量开始前预先设置，经第一次测量后控制系统根据取得的高度数据对第一预设距离进行调整，将处于不同的多个高度海面高度声学测量器8的结果整合，更准确的得到所要的高度数据。
S7，根据各高度数据基于最小二乘法得到海面拟合平面；
S8，基于拟合平面与平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；该步骤与上述实施例一中的步骤S8相同，此处不作赘述；
S9，多个声学接收器6接收海床声学基站的发射信号；
具体来说，声学接收器6为三个，根据多个方向的声波测量出平台的整体定位数据；此处的整体是指三个声学接收器6拟合出的平面，为使平台的整体定位数据更加准确，实际应用中可以增设声学接收器6的数量与更换其排布方式，但计算资源耗费量也相应增加，优选的设置为三个；声学接收器6设置于竖直伸缩架下端部并围绕平台呈等腰三角形分布，也可设置于独立于海面高度声学测量器8的另外的伸缩架，进而可通过控制器单独控制声学接收器6或海面高度声学测量器8到达指定位置，具体根据实际需要设置即可，不作限制。
S10，根据各接收到的发射信号，解算得到平台12的坐标数据；
具体来说，控制系统根据海床声学发射器4发射声波的时间与声学接收器6接受到声波的时间得出声波走时，根据多个位置的多个声波走时解算平台的坐标数据；当声学接收器6接收来自海床声学发射器4的声波信号较弱，也即平台12受海风、海浪等因素影响偏离海床声学基站较远时，还可通过内置的动力系统，驱动平台12返回海床声学基站对应的工作范围内。
S11，基于坐标数据、绝对姿态数据以及海面状态数据，得到平台定位数据，实现精确的实时定位。
S12，定位监测完成时，控制声学应答熔断器2熔断，浮标5带动海床声学发射器4与电力供给装置3上浮回收。
具体来说，基于超短基线测量原理，海床声学基站包含的海床声学发射器4具体为3个，且呈等边三角形或直角三角形分布；优选的采用等边三角形分布，可以更准确有效的测量出平台的定位数据。
以上为海床声学基站为投放式的实施例，属于无线式，适用于海水深度超过五百米的深海域；而在水深小于五百米的浅海区域，则可以采用电缆式，请参阅图3：海床声学基站包括沉台底座1、电力供给装置3与海床声学发射器4；且海床声学发射器4通过电缆与平台12连接，可以直接通过绞车和缆线控制投放与回收，便利快捷，可靠度高。
本申请结合姿态测量传感器10、海面高度声学测量器8、海床声学发射器4与声学接收器6，实现对平台绝对姿态与相对姿态的测量计算，并对作业对象的运动特性实时监测，实现浮式平台位姿和位置相对于海面的实时变化的,监测需求。
需要说明的是，以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，应用于海工浮式平台声学定位监测系统，所述海工浮式平台声学定位监测系统包括：平台、海床声学基站、姿态测量传感器、多个海面高度声学测量器以及多个声学接收器；并包括以下步骤：
基于卫星定位系统的导航控制所述平台航行至预设工作区；
控制平台往海底投放所述海床声学基站；
控制姿态测量传感器测量平台，得到测量姿态数据；
根据所述测量姿态数据得到平台拟合平面；
基于所述平台拟合平面在所述平台的平台坐标系内的姿态，得到所述平台的绝对姿态数据；
控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据；
根据各所述高度数据得到海面拟合平面；
基于所述海面拟合平面与所述平台拟合平面的比较，得到海面状态数据；
控制多个声学接收器接收所述海床声学基站的发射信号；
根据各接收到的所述发射信号，解算得到平台的坐标数据；
基于所述坐标数据、所述绝对姿态数据以及所述海面状态数据与平台定位数据的关系，得到平台定位数据。
2.根据权利要求1所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述海床声学基站包括沉台底座与海床声学发射器。
3.根据权利要求2所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述海床声学基站还包括声学应答熔断器与浮标；
所述沉台底座、所述声学应答熔断器、所述海床声学发射器以及所述浮标自下而上依次连接设置；
还包括以下步骤：
定位监测完成时，控制声学应答熔断器熔断，以回收海床声学发射器。
4.根据权利要求2或3所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述沉台底座具体为铁质底座。
5.根据权利要求1所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述平台拟合平面以及所述海面拟合平面均基于最小二乘法拟合得到。
6.根据权利要求1所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述控制各海面高度声学测量器测量海面，分别得到距离海面测量点的高度数据，具体包括；
控制各所述海面高度声学测量器发射并接收声波，并测得声波的走时；
根据声波的走时分别计算得到各所述海面高度声学测量器距离海面测量点的高度数据。
7.根据权利要求5所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述平台上还设置有用于一一对应安装所述海面高度声学测量器的支撑架；
所述控制各所述海面高度声学测量器发射并接收声波，之前还包括：
控制所述支撑架，使得所述海面高度声学测量器水平伸出所述平台，并朝竖直移动预设距离。
8.根据权利要求7所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述声学接收器也一一对应安装于所述支撑架上。
9.根据权利要求1所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述声学接收器数量具体为三个；
三个所述声学接收器绕所述平台中心呈等腰三角形分布。
10.根据权利要求2所述的海工浮式平台声学定位监测方法，其特征在于，所述海床声学发射器数量具体为三个；
三个所述海床声学发射器绕所述海床声学基站中心呈等边三角形或直角三角形分布。
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CN112162288A (zh) * 2020-09-22 2021-01-01 广东工业大学 一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法
CN112162288B (zh) * 2020-09-22 2023-07-25 广东工业大学 一种超大型浮式平台作业状态的声学监测方法

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