CN113055440A - 一种基于传感网络的水底监测控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下测量技术领域，具体涉及一种基于传感网络的水底监测控制方法及系统，所述方法包括：水下绞车从母船下沉至海底地表，当达到预设时间时，履带小车带动传感网络布设于海底地表，基于传感网络监测的数据得到监测区域的地形变形的绝对值；当完成对监测区域的监测后，运动小车和履带小车带动水下绞车与传感网络运动到新的监测区域，运动小车从海底地表收起到水下绞车，当完成全部监测区域的监测任务后，履带小车带动传感网络重新排列于水下绞车上，水下绞车运行到母船所在位置，所述系统包括传感网络、分别与传感网络连接的履带小车和水下绞车；本发明能够实现传感网络的智能布放，具有智能移动监测的优点。

Description

一种基于传感网络的水底监测控制方法及系统

技术领域

本发明涉及水下测量技术领域，具体涉及一种基于传感网络的水底监测控制方法及系统。

背景技术

水下地形监测为各种海洋活动提供基础地理信息，既服务于水域交通运输、港口建设、海上钻井等海洋工程，还为地球形状研究、海底构造和空间特征提供基础性信息。随着海洋事业的不断发展和水下工程研究的不断深入，水下地形及变形监测是水下工程及应用的基础，其重要性日益凸显。

当前海底地形沉降监测技术主要有以下几种：

卫星遥感监测，其较长的重复观察周期，低的空间分辨率，高成本，使之在海底地形监测中不适用；

多波束侧扫声纳系统和全球定位导航系统(GPS)组合的探测系统，其利用换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，然后利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，需要通过科考船、ROV或者AUV搭载，难以实现实时、长期、原位监测。

随着传感技术的发展，接触式传感网络在海底地形测量领域应用越来越广泛。日本针对日本南海海槽的天然气水合物生产，首次尝试分别采用水压传感器和重力加速度传感器进行地形形变监测，但是只能针对于单点测量，即监测某一个点的沉降。专利号为ZL201710394850.8中国专利文献公开了一种基于MEMS姿态传感器的水下面形变形实时监测系统，包括主控计算机、水下数据存储单元和多个并列的带状传感器阵列，主控计算机通过水下数据存储单元与各传感器阵列相连。但该发明的传感阵列布放固定于水下地形，无法进行智能移位，监测区域大小为传感网络大小，监测区域很有限，难以应用大面积的水下地形监测。

发明内容

本发明提供一种基于传感网络的水底监测控制方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于传感网络的水底监测控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S100、中央控制中心控制水下绞车从母船下沉至海底地表，其中，所述水下绞车设有中央控制中心和运动小车，所述水下绞车承载有传感网络和履带小车，所述传感网络的一端连接履带小车，所述传感网络的另一端通过线缆连接水下绞车；

步骤S200、当达到预设时间时，中央控制中心向履带小车上的微控制器下达布放指令，触发微控制器控制履带小车运行，以带动传感网络布设于海底地表；

步骤S300、中央控制中心获取传感网络对监测区域的海底地形进行监测的数据，并基于所述监测的数据得到监测区域的地形变形的绝对值；

步骤S400、当完成对监测区域的监测后，中央控制中心控制运动小车从水下绞车下放到海底地表后，控制所述运动小车带动水下绞车运动，并控制所述履带小车和运动小车同步运动，以带动水下绞车与传感网络运动到新的监测区域；

步骤S500、当到达新的监测区域后，中央控制中心控制运动小车从海底地表收起到水下绞车，以使水下绞车固定于海底表面，传感网络开始新的监测；

步骤S600、当完成全部监测区域的监测任务后，中央控制中心向履带小车上的微控制器下达回收指令，触发微控制器控制履带小车运行，以带动传感网络重新排列于水下绞车上，中央控制中心控制水下绞车运行到母船所在位置。

进一步，所述步骤S300包括：

步骤S310、建立水下绞车与水听器的斜距、水下绞车的水下深度以及水听器的方位角之间的关系式，根据所述关系式得到水下绞车的绝对位置，其中，所述水听器安装于母船上；

步骤S320、确定传感网络与线缆的连接点，基于线缆的长度、水下绞车的绝对位置、以及该连接点与水下绞车的方位角得到所述连接点的绝对位置；

步骤S330、基于连接点的绝对位置和地形的相对位置确定所述地形的绝对位置，所述地形的相对位置为地形相对连接点的位置；

步骤S340、根据所述地形的绝对位置的变化值确定地形变形的绝对值。

进一步，所述水下绞车的绝对位置通过以下方法确定：

通过以下公式建立水下绞车与水听器的斜距、水下绞车的水下深度以及水听器的方位角之间的关系式：

则水下绞车的绝对位置为：

其中，R为水下绞车与水听器的斜距，h为水下绞车的水下深度，h的值通过设置于水下绞车上的水压力传感器检测得到，θ_mx和θ_my表示水听器的方位角，(x_a，y_a，h)为水下绞车的绝对位置，将水下绞车的绝对位置表示为P(x₀,y₀,z₀)。

进一步，所述水听器的方位角通过以下方式确定：

从传感网络中选取第一监测点，以及与所述第一监测点相邻的第二监测点和第三监测点；

设所述第一监测点到第二监测点的距离为d₁₂，设所述第一监测点到第三监测点的距离为d₁₃，声波从水下绞车到第一监测点和到第二监测点的时间间隔为τ₁₂，声波从水下绞车到第一监测点和到第三监测点的时间间隔为τ₁₃，则有：

式中，c为声波在水下的传播速度；

则水听器的方位角为：

式中，θ_mx为水听器与x轴的方位角，θ_my为水听器与y轴的方位角。

进一步，所述基于线缆的长度、水下绞车的绝对位置、以及该连接点与水下绞车的方位角得到所述连接点的绝对位置，包括：

设传感网络与线缆的连接点为O'，建立传感网络坐标系，确定线缆的长度l，以及连接点O'与水下绞车的方位角α，所述方位角α为传感网络与水下绞车的相对姿态角差，所述传感网络的姿态角由安装于传感网络上的姿态传感器测量得到，所述水下绞车的姿态角由安装于水下绞车上的姿态传感器测量得到；

通过以下公式计算得到所述连接点O'的绝对位置：

其中，O'(x'₀,y'₀,z'₀)为连接点的绝对位置。

进一步，所述基于连接点的绝对位置和地形的相对位置确定所述地形的绝对位置，具体为：

通过以下公式计算得到所述地形的绝对位置：

其中，Q'(x'_d,y'_d,z'_d)为地形的绝对位置，Q(x_d,y_d,z_d)为地形的相对位置。

进一步，步骤S400中，所述完成对监测区域的监测，包括：

传感网络对监测区域的海底地形进行监测的时间达到预设时间，或地形变形的绝对值在阈值范围内。

一种基于传感网络的水底监测控制系统，所述系统包括水下绞车，所述水下绞车设有定位信标、水压力传感器、中央控制中心和运动小车，所述水下绞车用于承载传感网络和履带小车，所述传感网络的一端连接履带小车，所述传感网络的另一端通过线缆连接水下绞车；

所述传感网络包括多条传感阵列，每条所述传感阵列包括多个等间隔设置的水压力传感器，多个所述水压力传感器均通过软管进行耐压封装；

所述履带小车设有微控制器，所述微控制器用于控制履带小车的启停与行进距离，所述微控制器还与传感网络通信连接；

所述中央控制中心分别与定位信标、水压力传感器、微控制器、传感网络连接；

所述中央控制中心包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述任一项所述的基于传感网络的水底监测控制方法。

进一步，所述水下绞车设有第一回转副、第二回转副、第三回转副、第四回转副、摇杆、第一连杆、以及第二连杆，所述第一回转副、第二回转副、第三回转副、第四回转副分别与所述水下绞车转动连接，所述第二连杆的一端通过第三回转副与第一连杆的一端相连，所述第二连杆的中部通过第四回转副与摇杆的一端相连，所述第二连杆的另一端位于所述水下绞车的底部且与所述运动小车相连，所述第一连杆的另一端还与所述第二回转副相连，所述摇杆的另一端还与所述第一回转副相连。

本发明的有益效果是：本发明公开一种基于传感网络的水底监测控制方法及系统，本发明通过中央控制中心控制水下绞车下沉至海底地表，通过微控制器控制履带小车运行，以带动传感网络布设于海底地表，实现传感网络的智能布放；通过传感网络对监测区域的海底地形进行监测的数据，并基于所述监测的数据得到监测区域的地形变形的绝对值，实现地形的智能监测；中央控制中心还能控制运动小车的收放，使运动小车和履带小车将传感网络共同带动到新的监测区域，具有智能移动监测的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例中基于传感网络的水底监测控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中布放传感网络的效果示意图；

图3是本发明实施例中完成布放传感网络后的效果示意图；

图4是本发明实施例中坐标系关系的示意图；

图5是本发明实施例中求解水听器的方位角的示意图；

图6是本发明实施例中姿态传感器的坐标变换示意图；

图7是本发明实施例中点Q_i-1,j和点Q_i,j的相对位置示意图；

图8是本发明实施例中水下绞车收放运动小车结构的示意图。

其中，4、水下绞车；41、传感网络；42、履带小车；441、第一回转副；442、摇杆；443、第二回转副；444、第一连杆；445、第三回转副；446、第二连杆；447、第四回转副；448、运动小车。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本申请的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1，如图1所示为本申请实施例提供的一种基于传感网络的水底监测控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S100、中央控制中心控制水下绞车从母船下沉至海底地表；

其中，所述水下绞车设有中央控制中心和运动小车，所述水下绞车承载有传感网络和履带小车，所述传感网络的一端连接履带小车，所述传感网络的另一端通过线缆连接水下绞车；

步骤S200、当达到预设时间时，中央控制中心向履带小车上的微控制器下达布放指令，触发微控制器控制履带小车运行，以带动传感网络布设于海底地表。

步骤S300、中央控制中心获取传感网络对监测区域的海底地形进行监测的数据，并基于所述监测的数据得到监测区域的地形变形的绝对值。

在一些实施例中，中央控制中心对所述监测的数据进行建模和坐标系转换得到地形变形的绝对值。

步骤S400、当完成对监测区域的监测后，中央控制中心控制运动小车从水下绞车下放到海底地表后，控制所述运动小车带动水下绞车运动，并控制所述履带小车和运动小车同步运动，以带动水下绞车与传感网络运动到新的监测区域。

结合图2和图3，需要说明的是，将运动小车向下调节下放到海底地表后，运动小车可以看作是在水下绞车的轮子；在一些实施例中，运动小车设置在水下绞车的底部，并可以上下调节；将运动小车下放到海底地表后，能够带动水下绞车运动，将运动小车收起到水下绞车上时，则水下绞车直接与海底表面接触；控制所述运动小车带动水下绞车运动，并控制所述履带小车和运动小车同步运动，由于水下绞车通过线缆连接传感网络，传感网络连接履带小车；当履带小车和运动小车同步运动时，就能带动水下绞车与传感网络运动到新的监测区域。

本实施例中，运动小车和履带小车每次的运行的距离均大于传感网络的长度。所述预设时间为传感网络在监测区域的监测时间。中央控制中心向微控制器下达运行或停止的控制指令控制履带小车运行或停止。

步骤S500、当到达新的监测区域后，中央控制中心控制运动小车从海底地表收起到水下绞车，以使水下绞车固定于海底表面，传感网络开始新的监测。

步骤S600、当完成全部监测区域的监测任务后，中央控制中心向履带小车上的微控制器下达回收指令，触发微控制器控制履带小车运行，以带动传感网络重新排列于水下绞车上，中央控制中心控制水下绞车运行到母船所在位置。

具体地，通过释放水下绞车上的配重器，从而使水下绞车浮到水面，中央控制中心控制水下绞车运行到母船所在位置，再回收至母船，完成海底地形监测的智能布放与回收。

本发明提供的实施例中，当中央控制中心的定时时间达到预设时间时，通过履带小车将传感网络布设于海底表面，当传感网络完全展开后，微控制器根据中央控制中心下达的控制指令控制履带小车停止运行，传感网络进行海底地形监测，通过控制运动小车和履带小车的运行，以带动水下绞车与传感网络运动到新的监测区域，最终完成监测任务。通过上述的布放方式实现传感网络的智能布放，克服现有接触式传感网络布放的固定式、不具有智能移动监测的缺点。

由于传感网络的布放位置会发生变化，因此，确定传感网络的绝对位置是需要重要解决的问题之一。

参考图4，在一个改进的实施例中，所述步骤S300包括：

步骤S310、建立水下绞车与水听器的斜距、水下绞车的水下深度以及水听器的方位角之间的关系式，根据所述关系式得到水下绞车的绝对位置，其中，所述水听器安装于母船上；

所述关系式为：

由式(1)即可得到水下绞车的绝对位置：

其中，R为水下绞车与水听器的斜距，h为水下绞车的水下深度，h的值通过设置于水下绞车上的水压力传感器检测到的压力值确定，θ_mx和θ_my表示水听器的方位角，(x_a，y_a，h)为水下绞车的绝对位置，将水下绞车的绝对位置表示为P(x₀,y₀,z₀)。即，x_a＝x₀，y_a＝y₀，h＝z₀。

可以看出，式(1)中，R作为中间变量，在确定水下绞车的绝对位置时，无需提供。

步骤S320、确定传感网络与线缆的连接点，基于线缆的长度、水下绞车的绝对位置、以及该连接点与水下绞车的方位角得到所述连接点的绝对位置；

步骤S330、基于连接点的绝对位置和地形的相对位置确定所述地形的绝对位置；

步骤S340、根据所述地形的绝对位置的变化值确定地形变形的绝对值。

参考图5，在一个改进的实施例中，所述水听器的方位角通过以下方式确定：

从传感网络中选取第一监测点，以及与所述第一监测点相邻的第二监测点和第三监测点；

设所述第一监测点到第二监测点的距离为d₁₂，设所述第一监测点到第三监测点的距离为d₁₃，声波从水下绞车到第一监测点和到第二监测点的时间间隔为τ₁₂，声波从水下绞车到第一监测点和到第三监测点的时间间隔为τ₁₃，则有：

式中，c为声波在水下的传播速度；

根据式(3)得到水听器的方位角：

式中，θ_mx为水听器与x轴的方位角，θ_my为水听器与y轴的方位角。

可以理解的是，水听器发射的声波可看作平面波，则水听器到第一监测点和第二监测点的距离之差可视作水听器发射的声波到达第一监测点和第二监测点的声程差；同样的，水听器到第一监测点和第三监测点的距离之差可视作水听器发射的声波到达第一监测点和第三监测点的声程差，声程差为时间间隔与光速的乘积。由式(4)可知，通过确定声程差、第一监测点到第二监测点的距离、以及第一监测点到第三监测点的距离，就可以测得水听器的方位角，本实施例中，时间间隔根据测量安装于水下绞车的定位信标与传感网络中各个监测点进行通信的时长之差确定；各个监测点之间的距离直接通过预先测量得到。

在一个改进的实施例中，所述基于线缆的长度、水下绞车的绝对位置、以及该连接点与水下绞车的方位角得到所述连接点的绝对位置，包括：

设传感网络与线缆的连接点为O'，建立传感网络坐标系(o'x'y'z'坐标系)，确定线缆的长度l，以及连接点O'与水下绞车的方位角α，所述方位角α为传感网络与水下绞车的相对姿态角差，所述传感网络的姿态角由安装于传感网络上的姿态传感器测量得到，所述水下绞车的姿态角由安装于水下绞车上的姿态传感器测量得到；

通过以下公式计算得到所述连接点O'的绝对位置：

其中，O'(x'₀,y'₀,z'₀)为连接点的绝对位置。线缆的长度l预先测量得到，P(x₀,y₀,z₀)为所述水下绞车的绝对位置。

本实施例中，以安装于母船的水听器所在位置为坐标原点建立绝对坐标系(oxyz坐标系)，原点的绝对位置是传感网络监测海底地形沉降时的相对基准点，换句话说，通过传感网络所获得的地形数据是相对于基准点的相对数据。

如图4和图5所示，地形的相对位置Q是以连接点O'为参考点得出的，根据坐标系旋转与平移理论，在一个改进的实施例中，所述基于连接点的绝对位置和地形的相对位置确定所述地形的绝对位置，具体为：

通过以下公式计算得到所述地形的绝对位置：

其中，Q'(x'_d,y'_d,z'_d)为地形的绝对位置，Q(x_d,y_d,z_d)为地形的相对位置。

在一个优选的实施例中，所述地形的相对位置通过以下方式确定：

如图6所示，本实施例中，所述传感网络由多条传感阵列组成，每条所述传感阵列均由多个姿态传感器沿y'轴布置而成。

记H_i,t为t时刻第i个姿态传感器的旋转矩阵R的齐次变换矩阵，φ_i,t、θ_i,t、ψ_i,t和ψ_i,0分别为t时刻第i个姿态传感器绕三轴旋转的角度，其中，φ_i,t、θ_i,t和ψ_i,t是相对于传感网络坐标系的角度，角ψ_i,0是相对于东北天坐标系ox(E)y(N)z(U)的角度。

如图7所示，以图7中的坐标点Q_i-1,j和点Q_i,j为例说明确定地形的相对位置的方法。

令

Q_i-1,j分别为传感网络中第i-1个姿态传感器在传感网络坐标系中运动前、后的坐标；

Q_i,j分别为传感网络中第i个姿态传感器在传感网络坐标系中运动前、后的坐标。通过以下两个步骤求解得到点Q_i,j的坐标：

1)求解第i个姿态传感器在o_ix_iy_iz_i坐标系中的坐标

其中，o_ix_iy_iz_i坐标系为第i个姿态传感器的坐标系：

由图6可知，传感器沿y轴布置成传感阵列，第i个姿态传感器在o_ix_iy_iz_i坐标系中的坐标

为：

式中，l为相邻两个姿态传感器的距离。

2)求解第i个姿态传感器在传感网络坐标系中的位置：

将传感网络坐标系转换到o_ix_iy_iz_i坐标系的齐次变换矩阵记为H_i,t，将第i个姿态传感器在传感网络坐标系中的坐标记为Q_i,j，将第i个姿态传感器在o_ix_iy_iz_i坐标系中的坐标设为

则有：

则第i个姿态传感器在传感网络坐标系的坐标为：

根据传感网络中的全部姿态传感器的坐标点确定所述地形的相对位置。

在一个优选的实施例中，齐次变换矩阵

通过以下方式确定：

根据传感器的旋转顺序可知，传感网络坐标系转换到第i点处的坐标系o_ix_iy_iz_i的过程包括以下4个步骤：

①平移传感网络坐标系的坐标原点，使其与o_ix_iy_iz_i坐标系的坐标原点o_i重合，其对应的平移变换矩阵为T_i；

②绕z轴旋转角度ψ_i,t-ψ_i,0，其对应的旋转变换矩阵为H_z(ψ_i,t-ψ_i,0)；

③绕旋转后的y轴旋转角度θ_i,t，其对应的旋转变换矩阵为H_y(θ_i,t)；

④绕旋转后的x轴旋转角度φ_i,t，其对应的旋转变换矩阵为H_x(φ_i,t)；

根据下式求得齐次变换矩阵H_i,t：

H_i,t的分开矩阵形式为：

则H_i,t的逆矩阵

为：

作为上述实施例的改进，步骤S400中，所述完成对监测区域的监测，包括：

传感网络对监测区域的海底地形进行监测的时间达到预设时间，或地形变形的绝对值在阈值范围内。

参考图2、图3和图8，本发明实施例还提供一种接触式传感网络的水底布放控制系统，所述系统包括水下绞车4，所述水下绞车4设有定位信标、水压力传感器、中央控制中心和运动小车448，所述水下绞车4用于承载传感网络41和履带小车42，所述传感网络41的一端连接履带小车42，所述传感网络41的另一端通过线缆连接水下绞车4；

所述传感网络41包括多条传感阵列，每条所述传感阵列包括多个等间隔设置的姿态传感器，多个所述姿态传感器均通过软管进行耐压封装。

所述履带小车42设有微控制器，所述微控制器用于控制履带小车42的启停与行进距离，所述微控制器还与传感网络41通信连接。

所述中央控制中心分别与定位信标、水压力传感器、微控制器、传感网络41连接；所述定位信标用于与传感网络41通信；

所述定位信标用于检测水下绞车4与传感网络41的通信时长；

所述水压力传感器用于检测水下绞车4的水下深度；

所述中央控制中心包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述任一项所述的基于传感网络的水底监测控制方法。

如图8所示，作为上述实施例的改进，所述水下绞车4设有第一回转副441、第二回转副443、第三回转副445、第四回转副447、摇杆442、第一连杆444、以及第二连杆446，所述第一回转副441、第二回转副443、第三回转副445、第四回转副447分别与所述水下绞车4转动连接，所述第二连杆446的一端通过第三回转副445与第一连杆444的一端相连，所述第二连杆446的中部通过第四回转副447与摇杆442的一端相连，所述第二连杆446的另一端位于所述水下绞车4的底部且与所述运动小车448相连，所述第一连杆444的另一端还与所述第二回转副443相连，所述摇杆442的另一端还与所述第一回转副441相连。

在一个实施例中，当达到指定时间后，水下绞车4将下放运动小车448，接着，运动小车448与履带小车42带动传感网络41移动，移动的距离由控制器设定。当达到指定位置后，传感网络41将监测该区域的地形变化数据，并获得地形沉降变化的时间序列。

当监测系统任务完成时，履带小车42将带动传感网络41重新排列于水下绞车4上，并释放配重器，从而使水下绞车4浮到水面，再回收至母船，完成海底地形监测的智能布放与回收。

可以理解，为保证第二连杆446能在一定角度内摆动，实现对运动小车448的收放，所述第一回转副441、第二回转副443、第三回转副445、第四回转副447不共线。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能包含有上述方法实施例所具体实现的功能，并且达到的有益效果也包含上述方法实施例所达到的有益效果。

所述处理器可以是中央处理单元(Central-Processing-Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital-Signal-Processor，DSP)、专用集成电路(Application-Specific-Integrated-Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable-Gate-Arr ay，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述基于传感网络的水底监测控制系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个基于传感网络的水底监测控制系统可运行装置的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述基于传感网络的水底监测控制系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart-Media-Card，SMC)，安全数字(Secure-Di gital，SD)卡，闪存卡(Flash-Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

尽管本申请的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本申请的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本申请进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本申请的非实质性改动仍可代表本申请的等效改动。

Claims (9)

1.一种基于传感网络的水底监测控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S100、中央控制中心控制水下绞车从母船下沉至海底地表，其中，所述水下绞车设有中央控制中心和运动小车，所述水下绞车承载有传感网络和履带小车，所述传感网络的一端连接履带小车，所述传感网络的另一端通过线缆连接水下绞车；

步骤S200、当达到预设时间时，中央控制中心向履带小车上的微控制器下达布放指令，触发微控制器控制履带小车运行，以带动传感网络布设于海底地表；

步骤S300、中央控制中心获取传感网络对监测区域的海底地形进行监测的数据，并基于所述监测的数据得到监测区域的地形变形的绝对值；

步骤S400、当完成对监测区域的监测后，中央控制中心控制运动小车从水下绞车下放到海底地表后，控制所述运动小车带动水下绞车运动，并控制所述履带小车和运动小车同步运动，以带动水下绞车与传感网络运动到新的监测区域；

步骤S500、当到达新的监测区域后，中央控制中心控制运动小车从海底地表收起到水下绞车，以使水下绞车固定于海底表面，传感网络开始新的监测；

步骤S600、当完成全部监测区域的监测任务后，中央控制中心向履带小车上的微控制器下达回收指令，触发微控制器控制履带小车运行，以带动传感网络重新排列于水下绞车上，中央控制中心控制水下绞车运行到母船所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于传感网络的水底监测控制方法，其特征在于，所述步骤S300包括：

步骤S310、建立水下绞车与水听器的斜距、水下绞车的水下深度以及水听器的方位角之间的关系式，根据所述关系式得到水下绞车的绝对位置，其中，所述水听器安装于母船上；

步骤S320、确定传感网络与线缆的连接点，基于线缆的长度、水下绞车的绝对位置、以及该连接点与水下绞车的方位角得到所述连接点的绝对位置；

步骤S330、基于连接点的绝对位置和地形的相对位置确定所述地形的绝对位置，所述地形的相对位置为地形相对连接点的位置；

步骤S340、根据所述地形的绝对位置的变化值确定地形变形的绝对值。

3.根据权利要求2所述的一种基于传感网络的水底监测控制方法，其特征在于，所述水下绞车的绝对位置通过以下方法确定：

通过以下公式建立水下绞车与水听器的斜距、水下绞车的水下深度以及水听器的方位角之间的关系式：

则水下绞车的绝对位置为：

其中，R为水下绞车与水听器的斜距，h为水下绞车的水下深度，h的值通过设置于水下绞车上的水压力传感器检测得到，θ_mx和θ_my表示水听器的方位角，(x_a，y_a，h)为水下绞车的绝对位置，将水下绞车的绝对位置表示为P(x₀,y₀,z₀)。

4.根据权利要求3所述的一种基于传感网络的水底监测控制方法，其特征在于，所述水听器的方位角通过以下方式确定：

从传感网络中选取第一监测点，以及与所述第一监测点相邻的第二监测点和第三监测点；

设所述第一监测点到第二监测点的距离为d₁₂，设所述第一监测点到第三监测点的距离为d₁₃，声波从水下绞车到第一监测点和到第二监测点的时间间隔为τ₁₂，声波从水下绞车到第一监测点和到第三监测点的时间间隔为τ₁₃，则有：

式中，c为声波在水下的传播速度；

则水听器的方位角为：

式中，θ_mx为水听器与x轴的方位角，θ_my为水听器与y轴的方位角。

5.根据权利要求4所述的一种基于传感网络的水底监测控制方法，其特征在于，所述基于线缆的长度、水下绞车的绝对位置、以及该连接点与水下绞车的方位角得到所述连接点的绝对位置，包括：

设传感网络与线缆的连接点为O'，建立传感网络坐标系，确定线缆的长度l，以及连接点O'与水下绞车的方位角α，所述方位角α为传感网络与水下绞车的相对姿态角差，所述传感网络的姿态角由安装于传感网络上的姿态传感器测量得到，所述水下绞车的姿态角由安装于水下绞车上的姿态传感器测量得到；

通过以下公式计算得到所述连接点O'的绝对位置：

其中，O'(x'₀,y'₀,z'₀)为连接点的绝对位置。

6.根据权利要求5所述的一种基于传感网络的水底监测控制方法，其特征在于，所述基于连接点的绝对位置和地形的相对位置确定所述地形的绝对位置，具体为：

通过以下公式计算得到所述地形的绝对位置：

其中，Q'(x'_d,y'_d,z'_d)为地形的绝对位置，Q(x_d,y_d,z_d)为地形的相对位置。

7.根据权利要求6所述的一种基于传感网络的水底监测控制方法，其特征在于，步骤S400中，所述完成对监测区域的监测，包括：

传感网络对监测区域的海底地形进行监测的时间达到预设时间，或地形变形的绝对值在阈值范围内。

8.一种基于传感网络的水底监测控制系统，其特征在于，所述系统包括水下绞车，所述水下绞车设有定位信标、水压力传感器、中央控制中心和运动小车，所述水下绞车用于承载传感网络和履带小车，所述传感网络的一端连接履带小车，所述传感网络的另一端通过线缆连接水下绞车；

所述传感网络包括多条传感阵列，每条所述传感阵列包括多个等间隔设置的水压力传感器，多个所述水压力传感器均通过软管进行耐压封装；

所述履带小车设有微控制器，所述微控制器用于控制履带小车的启停与行进距离，所述微控制器还与传感网络通信连接；

所述中央控制中心分别与定位信标、水压力传感器、微控制器、传感网络连接；

所述中央控制中心包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1至7任一项所述的基于传感网络的水底监测控制方法。

9.根据权利要求8所述的一种基于传感网络的水底监测控制系统，其特征在于，所述水下绞车设有第一回转副、第二回转副、第三回转副、第四回转副、摇杆、第一连杆、以及第二连杆，所述第一回转副、第二回转副、第三回转副、第四回转副分别与所述水下绞车转动连接，所述第二连杆的一端通过第三回转副与第一连杆的一端相连，所述第二连杆的中部通过第四回转副与摇杆的一端相连，所述第二连杆的另一端位于所述水下绞车的底部且与所述运动小车相连，所述第一连杆的另一端还与所述第二回转副相连，所述摇杆的另一端还与所述第一回转副相连。

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