CN113155120B - 一种水下管道位置坐标测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种水下管道位置坐标测量方法，包括定位获取装置首先获取水面上第一位置的第一坐标位置数据；水下机器人从第一位置下潜至水中第二位置，同时惯导系统采集第一路径的第一运动数据；水下机器人到达第二位置后，根据第一坐标位置数据和第一运动数据得出管道坐标P；其中，第二位置在被测管道正上方河床上；水下机器人从第二位置上浮至水面第三位置，并通过定位获取装置获取第三位置的第二位置信息；水下机器人从第二位置上浮至水面第三位置的过程中，惯导系统采集第二路径的第二运动数据；根据第二位置信息和第二运动数据得出管道坐标P；对第一坐标数据和第二坐标数据求平均值，得出管道的位置坐标，该方法操作，位置计算精确，实用性较强。

Description

一种水下管道位置坐标测量方法
技术领域
本发明涉及管道测量，具体为一种水下管道位置坐标测量方法。
背景技术
管道的位置坐标作为实施管道运营管理与安全生产中必不可少的基础信息，是管道完整性数据不可或缺的组成部分。缺失管道位置数据不仅使管道施工、检测、维护、开挖修复等正常生产活动无法开展，更导致其他工程单位在施工过程中给埋地管道的安全带来无法估量的威胁。
使用GNSS定位获取位置坐标，是一项成熟的技术，其基本原理是通过测量四颗或四颗以上已知位置的卫星与GNSS接收机的距离，通过距离交会的方式来确定接收机的位置。目前世界上的GNSS包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo以及中国的BDS。GNSS定位技术同样适用于对管道位置坐标的测量，常规做法是，工程人员在管道正上方地面使用GNSS接收机获取坐标数据，利用此方法，在GNSS接收机能接收卫星信号的前提下，可测量管道任意位置的坐标。但是，在测量敷设在水下的管道位置时，由于卫星导航需要接收三颗以上的卫星信号进行空间定位，当定位目标与外界环境封闭，无法接收固定频率信号情况下卫星导航就无法应用，使用GNSS接收机也就无法对水下管道实施位置坐标的测量。
惯性导航由于只根据物体自身运动的惯性信号进行定位，因此不受环境的影响，是一种自主导航技术。根据牛顿定律，在测定运载体所受的加速度后，通过对时间的一次积分得速度变化，二次积分得位置变化。因为惯导系统其不受外界干扰，适用水下无卫星信号环境下的路径测量。
此外，管网的测绘数据一直是国家要求严格保密的重要数据资料，必须防范不法分子通过网络黑客攻击、木马等手段非法窃取保密数据。地理数据标明了国家领域范围内地理要素的详细坐标，属于国家绝密数据，一旦泄露将给国家能源安全造成极大的威胁。国家能源安全造成极大的威胁。国家近期颁布的一系列法规对涉密地图数据成果在生产、处理、保管、提供、使用等各环节都做了详细的规定，提出了更高的保密要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精确测量水下管道位置坐标的方法，以解决现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水下管道位置坐标测量方法，包括设置在水下机器人上的定位获取装置首先获取水面上第一位置的第一坐标位置数据；水下机器人从第一位置下潜至水中第二位置，同时设置在所述水下机器人上的惯导系统采集第一路径的第一运动数据；水下机器人到达第二位置后，根据所述第一坐标位置数据和所述第一运动数据得出管道坐标P；其中，所述第二位置在所述被测管道正上方河床上；水下机器人从第二位置上浮至水面第三位置，并通过所述定位获取装置获取所述第三位置的第二位置信息；所述水下机器人从第二位置上浮至水面第三位置的过程中，惯导系统采集第二路径的第二运动数据；根据所述第二位置信息和所述第二运动数据得出管道坐标P；对第一坐标数据和第二坐标数据求平均值，得出所述管道的位置坐标。
优选的，所述定位获取装置通过其上的连接器与所述水下机器人电路连接；当所述水下机器人在水下时，所述水下机器人、定位获取装置、惯导系统，通过脐带电缆与工作母船上控制端计算机系统相连，获得水上电源的电力，所述定位获取装置和惯导系统通过脐带电缆将数据实时传输到母船上的计算机。
优选的，所述第一坐标位置数据包括经度、纬度、高程信息；所述第二坐标位置数据包括经度、纬度、高程信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的水下管道位置坐标测量方法通过水下机器人ROV实现管道位置坐标测量。ROV在水面上能通过定位获取装置(北斗卫星系统)获取精确的位置坐标信息，高精度的光纤陀螺仪和加速度计组成的惯导系统能够精准地测量出ROV在水中的运动状态，进而解算出ROV的运动路径。将水面上获取的坐标数据与本发明解算出的载体运动数据相结合，即可计算出水下管道的准确位置坐标。此方法可以测量水下管道任意位置的精确坐标信息，具有不受水体环境影响，测量结果精度高，实用性强等优点。
附图说明
图1是本发明测量过程示意图；
图2是坐标系的变换关系示意图；
图3是载体速度矢量导致经纬度变化关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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，都属于本发明保护的范围。
本发明测量原理及计算依据：
定义：地理坐标系为导航坐标系，简称n系且使用ENU(东北天)指向；载体坐标系为b系且使用XYZ表达；惯性空间坐标系为i系；载体横轴为X轴，纵轴为Y轴；载体旋转体系为ωx为俯仰角，ωy为横滚角，ωz为航向角；载体旋转顺序为：航向—俯仰—横滚。
本发明的捷联式惯导解算概述
根据牛顿力学定理，加速度的一次积分为速度，速度的一次积分为位移，角速度的一次积分为角度。陀螺仪输出载体的角运动信息，加速度计输出载体线运动信息。可以通过解算陀螺仪与加速度计的输出数据，结合初始位置信息，即可解算出载体水中运动的路径，完成载体的姿态更新、载体的速度更新、载体的位置更新。解算出载体水中运动过程的三维位移分量，从而解算出管道的位置。
载体姿态解算方法
惯性器件敏感载体的运动信息，其中加表输出的是载体在b系中的线加速度；陀螺输出的是载体在惯性空间的角速度；则需要获取载体在n系中的运动路径，必须将线加速度数据与角速度数据转换成n系下的表达。根据矢量旋转前后的坐标表达，可用该矢量在坐标系中的投影与其旋转角度构成的三角函数表达，如图2所示，矢量r跟随坐标系XOY旋转X′OY′坐标系，矢量r的模不变，但是r’在坐标系XOY的表达发生变化。设这个旋转关系是由n系旋转至b系，则有：
Figure BDA0002969346160000041
Figure BDA0002969346160000042
式中：rn为在n系下的一个矢量，rb为b系下的一个矢量；
Figure BDA0002969346160000043
为矢量rb在n系下的投影转换矩阵；
CZ、CY、CX分别是载体绕Z轴、Y轴、X轴旋转时的转换矩阵。
根据公式(1)、(2)可以推导出方向余弦的微分方程，考虑到高精度惯导组的采样频率高达数百赫兹以上，并且水下机器人(ROV)在水中的角机动并不激烈。不可交换误差极其微小，姿态更新解算可以直接使用罗德里格旋转公式，即为：
Figure BDA0002969346160000044
Figure BDA0002969346160000051
Figure BDA0002969346160000052
Figure BDA0002969346160000053
ωe＝[0 ωecosL ωesinL]T    (7)
Figure BDA0002969346160000054
式中，m与m-1为姿态更新的时间间隔t中的区间端点；
(θm×)为θm构成的反对称矩阵；
ωi为陀螺输出的角速度，ωb为载体相对于b系的角速度，ωe为地球自转分量，ωn为载体运动相对于地球的角速度，如图3所示；
VN、VE分别是载体在n系中的北向速度与东向速度；
R1为载体在其位置的子午圈曲率半径，R0为载体在其位置的卯酉圈曲率半径；
H为高程。
根据公式(1)至公式(8)，可以实时更新水下机器人(ROV)的姿态信息。
载体速度解算方法
从哥氏加速度推导出载体在地球表面运动时线加速度的比力方程为：
Figure BDA0002969346160000055
理论上，微分方程求数值解的精度比方程解要低，但是考虑到积分步长足够小以及
水下机器人(ROV)的运动速度不大，(2ωe+ωn)Vn可以忽略不计，且在高精度的惯导组中，使用数值解算也能满足精度要求。速度更新算法为：
Figure BDA0002969346160000061
式中：Vn为载体在n系中的线速度；
g为重力加速度，可以使用达郎贝尔方程获得；
f为加速度计的测量值。
载体位置更新
从图3分析可以得出经纬度变化为：
Figure BDA0002969346160000062
Figure BDA0002969346160000063
Figure BDA0002969346160000064
Figure BDA0002969346160000065
式中：λ0为初始经度，L0为初始纬度，H0为初始高程；在第一位置3或第二位置4通过定位获取装置获取的位置信息。
λBDS、LBDS、HBDS分别是定位获取装置1获取北斗卫星系统提供的坐标数据，分别是经度、纬度、高程，此处的坐标数据为水下机器人在路径7或路径8中运动过程中获取的坐标数据(经度、纬度、高程)。
VU为载体在n系中的向天速度。
公式(14)含义是经纬、纬度、高程的初始值是从北斗卫星系统获取。
具体实施时，设置在水下机器人2上的定位获取装置1首先获取水面上第一位置3的第一坐标位置数据；第一坐标位置信息包括包括经度、纬度、高程信息；
水下机器人2从第一位置3下潜至水中第二位置4，同时设置在所述水下机器人2上的惯导系统采集第一路径7的第一运动数据，包括水下机器人2的姿态角信息和线速度信息；水下机器人2到达第二位置4后，根据公式3至公式(14)结合所述第一坐标位置数据和所述第一运动数据得出管道坐标P1，包括经度、维度和高程；其中，所述第二位置4在所述被测管道正上方河床上；
水下机器人2从第二位置4上浮至水面第三位置5，并通过所述定位获取装置1获取所述第三位置5的第二位置信息；所述水下机器人2从第二位置4上浮至水面第三位置5的过程中，惯导系统采集第二路径8的第二运动数据；根据公式(3)至公式(14)结合所述第二位置信息和所述第二运动数据得出管道坐标P2；
对第一坐标数据和第二坐标数据求平均值，得出所述管道的最终位置坐标P；
Figure BDA0002969346160000071
式中：P为测量点的最终坐标信息；
P1为ROV从水面3下潜到水底4后，对水底4的位置解算结果；
P2为ROV从水底4到水面5过程后，对水底4的位置解算结果。
其中，所述定位获取装置1通过其上的连接器与所述水下机器人2电路连接；当所述水下机器人2在水下时，所述水下机器人2、定位获取装置1、惯导系统，通过脐带电缆与工作母船上控制端计算机系统相连，获得水上电源的电力，所述定位获取装置1和惯导系统通过脐带电缆将数据实时传输到母船上的计算机，定位系统能稳定地接收北斗卫星信号，检测人员可通过手柄操控水下机器人(ROV)的前后航行、转向、上浮下沉等动作。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术工作人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种水下管道位置坐标测量方法，其特征在于，包括：
设置在水下机器人(2)上的定位获取装置(1)首先获取水面上第一位置(3)的第一坐标位置数据；
水下机器人(2)从第一位置(3)下潜至水中第二位置(4)，同时设置在所述水下机器人(2)上的惯导系统采集第一路径(7)的第一运动数据,包括水下机器人(2)的姿态角信息和线速度信息；水下机器人(2)到达第二位置(4)后，根据公式(3)至公式(14)结合所述第一坐标位置数据和所述第一运动数据得出管道坐标P1，包括经度、维度和高程；其中，所述第二位置4在所述被测管道正上方河床上；
水下机器人(2)从第二位置(4)上浮至水面第三位置(5)，并通过所述定位获取装置(1)获取所述第三位置(5)的第二位置信息；所述水下机器人(2)从第二位置(4)上浮至水面第三位置(5)的过程中，惯导系统采集第二路径(8)的第二运动数据；根据公式(3)至公式(14)结合所述第二位置信息和所述第二运动数据得出管道坐标P2；
根据公式(15)对第一坐标数据和第二坐标数据求平均值，得出所述管道的位置坐标；
具体计算如下：
惯性器件敏感载体的运动信息，其中加表输出的是载体在b系中的线加速度；陀螺输出的是载体在惯性空间的角速度；则需要获取载体在n系中的运动路径，必须将线加速度数据与角速度数据转换成n系下的表达；根据矢量旋转前后的坐标表达，可用该矢量在坐标系中的投影与其旋转角度构成的三角函数表达，矢量r跟随坐标系XOY旋转X′OY′坐标系，矢量r的模不变，但是r’在坐标系XOY的表达发生变化；设这个旋转关系是由n系旋转至b系，则有：
式中：rn为在n系下的一个矢量，rb为b系下的一个矢量；
为矢量rb在n系下的投影转换矩阵；
CZ、CY、CX分别是载体绕Z轴、Y轴、X轴旋转时的转换矩阵；
根据公式(1)、(2)可以推导出方向余弦的微分方程，考虑到高精度惯导组的采样频率高达数百赫兹以上，并且水下机器人(ROV)在水中的角机动并不激烈；不可交换误差极其微小，姿态更新解算可以直接使用罗德里格旋转公式，即为：
ωe＝[0 ωecosL ωesinL]T    (7)
式中，m与m-1为姿态更新的时间间隔t中的区间端点；
(θm×)为θm构成的反对称矩阵；
ωi为陀螺输出的角速度，ωb为载体相对于b系的角速度，ωe为地球自转分量，ωn为载体运动相对于地球的角速度；
VN、VE分别是载体在n系中的北向速度与东向速度；
R1为载体在其位置的子午圈曲率半径，R0为载体在其位置的卯酉圈曲率半径；
H为高程；
根据公式(1)至公式(8)，可以实时更新水下机器人(ROV)的姿态信息；
载体速度解算方法
从哥氏加速度推导出载体在地球表面运动时线加速度的比力方程为：
理论上，微分方程求数值解的精度比方程解要低，但是考虑到积分步长足够小以及
水下机器人(ROV)的运动速度不大，(2ωe+ωn)Vn可以忽略不计，且在高精度的惯导组中，使用数值解算也能满足精度要求；速度更新算法为：
式中：Vn为载体在n系中的线速度；
g为重力加速度，可以使用达郎贝尔方程获得；
f为加速度计的测量值；
载体位置更新
分析可以得出经纬度变化为：
式中：λ0为初始经度，L0为初始纬度，H0为初始高程；在第一位置3或第二位置4通过定位获取装置获取的位置信息；
λBDS、LBDS、HBDS分别是定位获取装置1获取北斗卫星系统提供的坐标数据，分别是经度、纬度、高程，此处的坐标数据为水下机器人在路径7或路径8中运动过程中获取的坐标数据(经度、纬度、高程)；
VU为载体在n系中的向天速度；
公式(14)含义是经纬、纬度、高程的初始值是从北斗卫星系统获取；
式中：P为测量点的最终坐标信息；
P1为ROV从水面3下潜到水底4后，对水底4的位置解算结果；
P2为ROV从水底4到水面5过程后，对水底4的位置解算结果。
2.根据权利要求1所述的一种水下管道位置坐标测量方法，其特征在于：所述定位获取装置(1)通过其上的连接器与所述水下机器人(2)电路连接；当所述水下机器人(2)在水下时，所述水下机器人(2)、定位获取装置(1)、惯导系统，通过脐带电缆与工作母船上控制端计算机系统相连，获得水上电源的电力，所述定位获取装置(1)和惯导系统通过脐带电缆将数据实时传输到母船上的计算机。
3.根据权利要求1所述的一种水下管道位置坐标测量方法，其特征在于：所述第一坐标位置数据包括经度、纬度、高程信息；所述第二坐标位置数据包括经度、纬度、高程信息。
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