CN208476259U - 一种基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置。将本装置放入地下水中，随水流运动，惯性导航和图像传感器采集水流速度、流向和洞穴周围环境信息，并存储于SD卡中，当系统探测到基站信号后，GSM模块实时发送定位信息，并使蜂鸣器固定时间间隔作响，便于工作人员回收。探测装置头部设计为共形结构，以保证装置运动方向与水流方向保持一致，即航向角为装置运动方向。在进行水流流速和轨迹解算时，消除碰撞、回流等不理想状况后，利用水流的初末位置信息，以平均速度作为基准速度，通过加速度信息对速度调整，并由GPS信号对轨迹进行调整，完成地下水文信息的探测。该探测系统具有高安全性、高自主性、高精度、低成本、低功耗等特点。

Description

一种基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置

技术领域

本实用新型涉及一种地下水导航探测系统，特别是一种基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置。

背景技术

地下水是水资源的重要组成部分,由于水量稳定,水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。当今对地下水文探测方法主要有遥感技术法，盐度法，放射元素法，工程物理勘探法等。探测时需要安装许多硬件设施，既耗资又费时。

GPS技术广泛的应用于导航系统中，定位精度相对较高。但是在地下水环境中，无法实时接收到GPS信号，使得GPS不能作为地下水探测中主要的导航系统。惯性导航可以自主的实现导航任务，但是若完全使用惯性导航传统算法解算速度、轨迹信息，导航误差会随着时间累加越来越大，并且高精度惯性导航系统，价格极其昂贵，且体积，功耗会相应增大。

现有的以惯性导航作为探测传感器的系统中，多安装在球形模型中。这种模型在水中运动状态变化频繁，对惯性导航速度和轨迹解算精度极其不利。

如何能够利用惯性导航，自主的，低成本，高精度，安全的完成地下水探测任务，目前在国内、外均无报道。

发明内容

本实用新型的目的是为了提供一种不再需要复杂的物理探测方法来实现的能对地下水文信息自主的、低成本的、高精度的、安全的探测系统。

本实用新型的一种基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置组成有，九轴惯性测量单元(MEMS-IMU)、中央处理器、GSM通信模块、图像传感器和LED模块、蜂鸣器组成。九轴惯性测量单元获取系统在随水流运动过程中的加速度、角速度、磁强度等信息；惯性测量单元中集成的GPS系统输出模块在探测初始与结束时的位置信息，以及探测途中地下水浅表能探测到GPS信号的位置信息，共同完成系统对地下水水流速度、轨迹等水文信息的获取。系统带载的图像传感器用来拍摄地下水周围环境状况，但由于地下水环境曝光量不足，高能量LED模块可用来增强曝光。当系统离开地下水环境后，接收到基站信号时，GSM通信模块发送GPS定位信息，并使蜂鸣器固定时间间隔作响，方便回收。中央处理器将惯性导航、采集图像数据一并存储在SD模块中，后读取到计算机中做地下水文信息的解算。

本实用新型系统具有极高自主性、低成本、低功耗、高精度，可用于地下水文信息探测等室内信息探测和定位导航功能。

附图说明

图1为本实用新型装置构成图

图2为本实用新型装置外观图

图3为本实用新型装置截面图

图4为本实用新型算法流程图

具体实施方案

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1是基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置构成图。

在装置入水前，可以接收到GPS信号。中央处理器可利用GPS信息和相关算法，自动对IMU单元进行初始对准和零位误差校正。在装置随水流运动过程中，中央处理器会将接收到的惯性导航加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器数据、图像传感器数据以及首末位置和中途浅表位置等能接收到的GPS信号存入SD卡中。当装置离开地下水环境时，中央处理器触发中断系统，由GSM通信模块发送AT指令，通过基站给使用人员的手机发送装置GPS定位数据，并使蜂鸣器以固定间隔作响，方便使用人员回收。存储在SD卡中的传感器数据导入计算机中，以此来解算水流速度、轨迹及图像信息。

图2为基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置外观图，图3为基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置截面图。

1.图2中，装置前端1设计为共形结构，对水流有分流作用，可保证系统与水流运动方向相同。

2.图2中，装置两端4、6设计为分流桨结构，当装置运动方向与水流方向不同时，桨片两侧所受水流压力出现差异，这两个大小不同的水流压力将模型运动方向校正到水流的方向。

3.图3中，重物13填充到模型中，能减少模型在沿水流运动中的震荡，使运动更加平稳。

4.图3中，装置核心的集成芯片7固定于卡槽9中，它集成了中央处理器、九轴惯性测量单元(MEMS-IMU)、GSM通信模块、蜂鸣器等。SD存储模块12固定在芯片7下方，并与中央处理器SPI通信连接。

5.图3中，11为可充电的锂电池，为芯片连接提供电源。充电线和开关线8分别从图2中的保护罩5引出，并在水下探测时用保护罩5封闭，以防漏水。导线10连接到图2中的摄像头3和LED灯模块2。

图3是地下水探测装置算法流程图。

1.惯性导航初始对准：利用惯性导航初始对准技术，精确校正计算参考坐标系与真实参考坐标系之间的小失准角，并确定初始姿态矩阵。

2.数据预处理：在地下水探测过程中，系统不免会出现打转、碰撞、回流等不理想状态，对轨迹解算产生不良影响。不理想的状态在传感器输出数据中多体现为突变、短时间的尖峰等不平稳信号。

处理方法是在解算轨迹前，给定信号最大变化阈值，一旦超过变化阈值，即

|X_t-X_t+Δt|>X_threshold

去除此时不理想的信号输出。

X_t＝X_t+2Δt

由于这种状态是突变的，短时间的，去除后不会对轨迹解算产生很大影响。进一步的，对传感器误差进行标定，去除传感器常值误差、随机误差等传感器固有误差，完成数据的预处理。

3.姿态解算：预处理后的传感器数据通过卡尔曼滤波算法得到精确的横滚角、俯仰角和航向角姿态信息。由惯性导航加速度计三轴输出，计算的合加速度，去除重力加速度后，即为系统跟随水流的加速度输出。将合加速度分配到地理系三轴上，即为各轴的加速度输出。

4.平均速度解算：探测时接收的首末位置GPS信号，转换到大地坐标系后，可以得到首末位置的距离，除以探测时间即为整个探测过程中系统的平均速度。

V_ave＝(S_end-S_begin)/t

以此平均速度为基准，设定速度上限与下限，当解算的速度超过上限V_inferior或低于下限V_lower时，速度不再变化。这样有效避免了由于时间的累积，惯性导航速度解算误差越来越大的缺点。

5.首末轨迹校正：探测装置模型，可以保证装置的航向角与水流的运动方向一致。以此为运动方向，利用分配到各轴的加速度积分得到水流速度和轨迹信息。通过GPS信号得到的首末位置，和探测中途得到的位置信息，可以将惯性导航解算的相应时刻位置，校正到由GPS获得的位置上。

S_{result_x}＝S_{INERend_x}+ΔS_x,S_{result_y}＝S_{INERend_y}+ΔS_y

这样有效避免了由于时间的累积，惯性导航位置解算误差越来越大的缺点。实现系统对地下水文信息的探测过程。

Claims (3)

1.一种基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置，其特征在于，包括中央处理器、惯性导航模块、图像传感器和LED模块、SD卡存储模块、GSM通信模块、蜂鸣器模块；其中：

所述中央处理器，用于控制整个系统，控制各模块功能实现和数据存储；

所述惯性导航模块，用于采集系统地下水中角速度、加速度和磁场强度信息及GPS信号；

所述图像传感器和LED模块，用于采集地下水周围环境的图像信息；

所述SD卡存储模块，用于存储惯性导航和图像传感器采集数据；

所述GSM通信模块，用于探测基站信号，并实时发送短信和定位信息；

所述蜂鸣器模块，用于提醒，方便回收系统。

2.一种如权利要求1所述的基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置，其装置头部设计为共形结构，保证装置在水中运动时减缓水的阻力，使装置的运动方向与水流运动方向相同。

3.一种如权利要求1所述的基于惯性导航的地下水文及图像信息探测装置，其装置两侧设计有分流桨结构，当模型运动方向与水流方向不同时，由于桨片受到水流压力不同而将模型运动方向校正到水流的方向，以此惯性导航的航向角为模块的运动方向。