CN208921137U - 一种多传感器隧洞定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多传感器隧洞定位系统，包括中央处理器、若干个用于测量机器人与隧洞洞壁之间的距离信息的测距声呐、一个用于获得机器人的首相角信息的姿态传感器和一个用于获得机器人在水中的深度信息的深度计，所述中央处理器与测距声呐连接同时接收测距声呐测量的机器人与隧洞洞壁之间的距离信息，所述中央处理器与姿态传感器连接同时接收姿态传感器获得的机器人的首相角信息，所述中央处理器与深度计连接同时接收深度计获得的机器人在水中的深度信息。本实用新型设计合理，能够有效提高水下机器人在隧洞中的定位精确度，降低设备成本。

Description

一种多传感器隧洞定位系统

技术领域

本实用新型涉及水下隧洞定位技术领域，具体涉及一种多传感器隧洞定位系统。

背景技术

随着自动控制，电子计算机和能源技术的快速发展，水下智能航行器的应用越来越广泛。实现水下的自主定位是水下智能航行器在水下活动的一个关键。为了保障水下智能航行器的导航定位，水下智能航行器大多都会安装捷联惯性导航系统和多普勒计程仪进行船位推算。

捷联惯性导航系统将加速度计和陀螺直接安装在载体上，陀螺仪敏感载体的角速度信息，加速度计敏感载体的比力信息，这些信息都是相对于惯性空间的；然后通过数学平台将加速度计测得的比例信息由载体坐标系转换到导航坐标系，从而进行导航参数计算。捷联惯性导航系统的加速度信息通过积分可以获得速度信息，但是这个速度信息并不是十分准确，需要通过多普勒计程仪的速度信息对其进行校准。

但是，当水下智能机器人在隧洞中运行时，由于隧洞尺寸的限制，会使多普勒计程仪的功能失效，失去多普勒计程仪对捷联贯性导航系统的速度校准，会使整个导航定位系统精度降低，从而无法实现机器人位于隧洞内的定位。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提供了一种设计合理，能够有效提高水下机器人在隧洞中的定位精确度的多传感器隧洞定位系统。

本实用新型采用如下技术方案：

一种多传感器隧洞定位系统，包括中央处理器、若干个用于测量机器人与隧洞洞壁之间的距离信息的测距声呐、一个用于获得机器人的首相角信息的姿态传感器和一个用于获得机器人在水中的深度信息的深度计，所述中央处理器与测距声呐连接同时接收测距声呐测量的机器人与隧洞洞壁之间的距离信息，所述中央处理器与姿态传感器连接同时接收姿态传感器获得的机器人的首相角信息，所述中央处理器与深度计连接同时接收深度计获得的机器人在水中的深度信息。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述中央处理器包括数据接收及处理模块、存储模块、定位模块和通讯模块，所述数据接收及处理模块分别与存储模块、通讯模块连接，所述定位模块和通讯模块连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述定位模块为GPS定位模块。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述测距声呐为四个以上。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所提供的多传感器定位系统可以有效的实现智能水下机器人在隧洞的定位功能，利用中央处理器中的数据接收及处理模块对测距声呐、姿态传感器和深度计收集的信息进行分析对比以及处理，再利用基于决策树的多类支持向量机的算法，实现隧洞中的位置匹配，是一种实用的隧洞定位系统；同时避免使用传统水下导航系统的捷联惯导系统，设备成本大大降低。

附图说明

图1为本实用新型定位方法流程示意图；

图2为本实用新型隧洞走向信号特征提取流程图；

图3为本实用新型下拐点、上拐点、下拐上拐值、下拐上拐差的定义示意图；

图4为对应于图3的决策树示意图；

图5为本实用新型上拐点、下拐点、上拐下拐值、上拐下拐差的定义示意图；

图6为对应于图5的决策树示意图。

图7为本实用新型一种多传感器隧洞定位系统的结构框图；

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型行进一步详细说明。

一种多传感器隧洞定位系统，包括中央处理器、四个用于测量机器人与隧洞洞壁之间的距离信息的测距声呐、一个用于获得机器人的首相角信息的姿态传感器和一个用于获得机器人在水中的深度信息的深度计，所述中央处理器与测距声呐连接同时接收测距声呐测量的机器人与隧洞洞壁之间的距离信息，所述中央处理器与姿态传感器连接同时接收姿态传感器获得的机器人的首相角信息，所述中央处理器与深度计连接同时接收深度计获得的机器人在水中的深度信息；

所述中央处理器包括数据接收及处理模块、存储模块、定位模块和通讯模块，所述数据接收及处理模块分别与存储模块、通讯模块连接，所述定位模块和通讯模块连接；所述定位模块为GPS定位模块。

本实用新型的定位方法简述如下：

如图1至图6所示，本实用新型的定位方法主要包括如下步骤：

步骤1)、其中四个测距声呐分别设置于机器人的首部和尾部，工作时利用四个测距声呐测得机器人与隧洞洞壁之间的距离信息，并通过中央处理器对前后四个测距声呐的距离信息进行取平均值处理，从而抑制由于机器人在管道中的运动对测距信息产生的干扰；

步骤2)、利用深度计获取机器人距离设定参考点(其中参考点为事先设置于中央处理器的存储模块内)的深度信息；

步骤3)、利用姿态传感器获取机器人在隧洞中首相角的信息。

在一段工作周期T中，可以根据机器人前部和尾部的各四个测距声呐的测量距离的平均值，绘制出两条测距声呐测量距离的时域图，如果曲线的趋势在工作周期内呈下降趋势，说明该段路程中，隧洞孔径不断减小；如果曲线的趋势在工作周期内呈上升趋势，说明该段路程中，隧洞孔径不断扩大；如果曲线的趋势在工作周期内先保持一个水平状态，接着呈下降趋势，说明该段路程中，隧洞孔径起先维持上一阶段的孔径的大小，接着孔径不断缩小；如果曲线的趋势在工作周期内先保持一个水平状态，接着呈上升趋势，说明该段路程中，隧洞孔径起先维持上一阶段的孔径，接着孔径不断扩大。

在一段工作周期T中，可以根据机器人的深度计获取的信息，绘制出水深深度的时域图，如果曲线的趋势在工作周期内呈下降趋势，说明该段路程中，隧洞为下坡走向；如果曲线的趋势在工作周期内呈上升趋势，说明该段路程中，隧洞为上坡走向。

在一段工作周期T中，可以根据机器人的姿态传感器获得首相角的数据，绘制出首相角的时域图，如果曲线的趋势在工作周期内呈上升趋势，则说明该段路程中，隧洞走向为顺时针转弯，即相对于原走向为向右转弯；如果曲线的趋势在工作周期内呈下降趋势，则说明该段路程中，隧洞走向为逆时针转弯，即相对于原走向为向左转弯；如果曲线的趋势在工作周期内呈水平趋势，则说明该段路程中，隧洞的走向为前进。

将隧洞走向分成上坡、下坡、水平、左转、右转、前进、孔径收缩、孔径扩大等8个类别，基于支持向量机的方法，因此8个基本走向类别定义标签如下：

当隧洞的走向为下坡前进孔径不变时，则其标签为269，其余26种情况依次类推。

隧洞走向信息波形特征定义主要分上拐下拐和下拐上拐两种情况，定义有上拐下拐值，下拐上拐值，上拐下拐差，上拐点曲率，下拐点曲率，下拐上拐差，其中的“值”指的是上下差值，“差”指的是左右差值。通过“值”与“差”的比值a来确定隧洞走向的8类基本走向，在通过上拐点曲率和下拐点曲率实现由 8种基本走向排列组合形成的47种小类别走向的确定。

特征信号的提取：

在首相角时域图中，当a>b，说明隧洞右转；当-a>b，说明隧洞左转，当-b<a<b，说明隧洞前进。

在深度信息时域图中，当a>0，说明隧洞下坡，当a<0，说明隧洞上坡。

在测距信息是时域图中，当a1>0，a2>0时，说明隧洞的孔径扩大；当a1<0， a2<0时，说明隧洞的孔径缩小。

上面的测距信息时域图中a1，a2分别代表机器人首尾各四个测距声呐均值的比值信息，b是一个阈值，用来避免由于机器人水平面的运动导致隧洞走向的误判。

通过上述分析，可以从传感器时域图中提取出上拐点曲率、下拐点曲率和“值”与“差”的比值a三个特征值。

利用上述找到的特征数据和和自己定义的走向类别标签，通过基于决策树的多类支持向量机进行数据训练，实现机器人位于隧洞中特征走向的识别与定位。

根据时间序列，可以得出机器人在经过隧洞中每个特征走向的时间节点，结合现成的隧洞地图，可以计算出前后两个节点的路程，通过路程和时间差计算出每段路程中的速度信息，从而根据中央处理器内的节拍信息，可定位出机器人在隧洞中每个时刻的位置，实现定位功能。

最后应说明的是：这些实施方式仅用于说明本实用新型而不限制本实用新型的范围。此外，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种多传感器隧洞定位系统，其特征在于：包括中央处理器、若干个用于测量机器人与隧洞洞壁之间的距离信息的测距声呐、一个用于获得机器人的首相角信息的姿态传感器和一个用于获得机器人在水中的深度信息的深度计，所述中央处理器与测距声呐连接同时接收测距声呐测量的机器人与隧洞洞壁之间的距离信息，所述中央处理器与姿态传感器连接同时接收姿态传感器获得的机器人的首相角信息，所述中央处理器与深度计连接同时接收深度计获得的机器人在水中的深度信息。

2.根据权利要求1所述的一种多传感器隧洞定位系统，其特征在于：所述中央处理器包括数据接收及处理模块、存储模块、定位模块和通讯模块，所述数据接收及处理模块分别与存储模块、通讯模块连接，所述定位模块和通讯模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种多传感器隧洞定位系统，其特征在于：所述定位模块为GPS定位模块。

4.根据权利要求1所述的一种多传感器隧洞定位系统，其特征在于：所述测距声呐为四个以上。