CN102073057A - 水下整平机测量定位*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下整平机测量定位***，该***包括整平船测量定位***、整平机测量定位***和微处理单元。本发明采用整平船和整平机分别独立的定位方式，通过GPS、倾斜传感器、位置传感器、测深仪等设备，精确确定水下整平机工作时的平面位置、高程、水平姿态以及验收时的基床面实际高程；同时实现整平船的位置和姿态定位，并通过微处理单元进行作业区位的设计与管理、设备数据的采集、实时计算、实时显示、限差超限预警报警、数据存放、数据回放等功能。

Description

水下整平机测量定位***

技术领域

本发明涉及一种水下基床整平装置，具体地说，涉及一种水下基床整平船的测量定位***。

背景技术

目前，在进行深水基床整平作业时，使用整平船和深水整平机共同进行作业。在进行水下作业时，需要对整平船和整平机进行测量定位，传统的测量定位方法是采用水上人工观测和潜水员水下人工作业相结合进行整平船和整平机的测量定位调整，但是由于受风浪因素影响大，作业天数减少，安全生产受到威胁；同时，由于人工水下作业，受到水深压力的限制，人工作业困难，潜水整平有效作业时间短，作业效率低，且劳动强度大，不能有效精确的进行测量定位，费时费力。

发明内容

本发明针对现有深水基床整平作业过程中对整平船和整平机测量定位调整时存在的上述问题，提供了一种自动调整高程、姿态以及精确定位的水下整平机测量定位***。

本发明的技术方案是：一种水下整平机测量定位***，该***包括整平船测量定位***、整平机测量定位***和微处理单元，所述的整平船测量定位***包括两个GPS天线、两个GPS接收机和两个倾斜传感器，GPS天线安装在整平船控制室的上方，GPS接收机安装在整平船上，两个倾斜传感器分别沿整平船轴线和垂直方向安装在整平船上；所述的整平机测量定位***包括两个GPS天线、两个GPS接收机、倾斜传感器、位置传感器、压力传感器、测深仪和液位连通器，GPS天线安装在整平机塔架的顶端，GPS接收机安装在整平船上，倾斜传感器安装在整平机框架的四个边梁上，且每个边梁上安装有一个倾斜传感器，压力传感器安装在整平机框架的两侧横梁上，液位连通器安装在整平机框架的四个边梁上；所述的微处理单元包括整平船测量定位微处理单元和整平机测量定位微处理单元，整平船测量定位微处理单元分别与GPS接收机和倾斜传感器电连接，整平机测量定位微处理单元分别与GPS接收机、倾斜传感器、位置传感器、压力传感器、测深仪和液位连通器电连接。

优选的是，所述的整平船测量定位***中，两个GPS天线间的距离为28-32米；

优选的是，所述的整平机测量定位***中，两个GPS天线间的距离为4-6米；

优选的是，所述的整平机塔架为一个伸出水面的刚性支架；

优选的是，所述的测深仪包括八个测深换能器。

本发明的有益效果是：本发明采用整平船和整平机分别独立的定位方式，通过GPS、倾斜传感器、位置传感器、测深仪等设备，精确确定水下整平机工作时的平面位置、高程、水平姿态以及验收时的基床面实际高程；同时实现整平船的位置和姿态定位，并通过微处理单元进行作业区位的设计与管理、设备数据的采集、实时计算、实时显示、限差超限预警报警、数据存放、数据回放等功能。

附图说明

附图1为本发明具体实施例整平船测量定位***的工作原理框图；

附图2为本发明具体实施例整平机测量定位***的工作原理框图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式：如图1至2所示，一种水下整平机测量定位***，该***包括整平船测量定位***、整平机测量定位***和微处理单元，所述的整平船测量定位***包括两个GPS天线、两个GPS接收机和两个倾斜传感器，GPS天线安装在整平船控制室的上方，GPS接收机安装在整平船上，两个倾斜传感器分别沿整平船轴线和垂直方向安装在整平船上；两个GPS天线间的距离为28-32米。整平机测量定位***包括两个GPS天线、两个GPS接收机、倾斜传感器、位置传感器、压力传感器、测深仪和液位连通器，GPS天线安装在整平机塔架的顶端，两个GPS天线间的距离为4-6米，整平机塔架为一个伸出水面的刚性支架，GPS接收机安装在整平船上，倾斜传感器安装在整平机框架的四个边梁上，且每个边梁上安装有一个倾斜传感器，压力传感器安装在整平机框架的两侧横梁上，液位连通器安装在整平机框架的四个边梁上，测深仪包括八个测深换能器。微处理单元包括整平船测量定位微处理单元和整平机测量定位微处理单元，整平船测量定位微处理单元分别与GPS接收机和倾斜传感器电连接，整平机测量定位微处理单元分别与GPS接收机、倾斜传感器、位置传感器、压力传感器、测深仪和液位连通器电连接。

工作原理：

(1)整平船和整平机的位置和姿态计算

整平船和整平机的位置和姿态计算方法相同，均采用三维计算。以2台GPS计算整平船和整平机的平面位置和方向，2台垂直安装的倾斜传感器分别计算整平船和整平机延2个轴向的倾角。利用如下三维计算公式计算船体坐标***、整平架坐标***(其两者称为物固坐标)与施工坐标***之间的转换关系。并由此计算整平船和整平架上任意点的工程坐标系。

$\left(\begin{array}{c}{X}_T\\ Y_T\\ Z_T\end{array}\right)=k\·R\·\left(\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{dX}\\ \mathrm{dY}\\ \mathrm{dZ}\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，(XT、YT、ZT)为工程坐标系的坐标，(XS、YS、ZS)为物固坐标坐标系的坐标，(dX、dY、dZ)为两个坐标***的原点差，k为两个坐标***的尺度，R为两个坐标***的延三个坐标轴的旋转关系。

R可表示为：

R＝Rx(α).Ry(β).Rz(A)                                                 (2)

其中：

$R_x\left(\mathrm{\α}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{\α}\right)& -\sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ 0& \sin \left(\mathrm{\α}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right)$

$R_y\left(\mathrm{\β}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\β}\right)& 0& \sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\β}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right)$

$R_z\left(A\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(A\right)& -\sin \left(A\right)& 0\\ \sin \left(A\right)& \cos \left(A\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(3\right)$

在上述两个坐标***之间的转换关系中共有7个参数，通过在物固坐标***中的2台GPS接收机测量结果及倾斜传感器的数据可以实时地确定这7个参数。

在得到上述7参数后，物固坐标***中的任何一点的位置都可以转换到3维的工程坐标系坐标。计算公式采用上述公式(1)。

假定坐标转换七参数，将WGS-84坐标系大地坐标转换为高斯平面直角坐标系坐标，在后海基地码头上用RTK-GPS测量HH1、HH2两点，在以上两点架徕卡TC802全站仪，测量整平框架四角高程，由GPS+倾斜传感器测量***同步采集框架四角高程，共分为平、前高后低、左低右高三个姿态来进行测量。整平框架处于锁固状态，通过调整母船的舱内压水来调整框架的姿态。

比对结果见下表：

(2)整平机框架工作区高程计算

整平机框架上安装了4台倾斜传感器，在三维计算时分别采用纵向和横向各两台倾斜传感器的平均值作为纵横倾角，实现对整平架各点的三维计算。

由于4台倾斜传感器产生多余观测量，需要进一步分配4个传感器之间计算的闭合差。具体计算过程和方法如下：

ΔH₁₂＝R₁₂*S₁₂

ΔH₂₃＝R₂₃*S₂₃

ΔH₃₄＝R₃₄*S₃₄

ΔH₄₁＝R₄₁*S₄₁

Wh＝ΔH₁₂+ΔH₂₃+ΔH₃₄+ΔH₄₁

式中，R12、R23、R34为整平机框架相应倾斜传感器实测倾角值，S12、S23、S34、S41为工作区边长，ΔH12、ΔH23、ΔH34、ΔH41为整平机框架相应倾斜传感器测得的高差，Wh为4个传感器计算的高差闭合差。

分配Wh的有多种方法，最简单的是对4段高差平均分配，也可以根据纵向边框与横向边框可能变形的实际情况确定不同的权，再按照权的大小进行分配。目前暂时按照平均分配方式进行。

根据三维计算得到的GPS1、GPS2天线位置归算到整平机框架表面后的平均高程(设为Hg0)，及闭合差分配后的ΔH₁₂、ΔH₂₃、ΔH₃₄、ΔH₄₁计算工作区各点的最后高程。

将GPS1、GPS2天线的平均位置看作位于前边框的中点，其差异对归算高程影响可以忽略。因此ΔH₂₃将被平均分配到G2和G3，即：

Hg2＝H0-ΔH₂₃/2

Hg3＝H0+ΔH₂₃/2

Hg1＝Hg2-ΔH₁₂

Hg4＝Hg3-ΔH₃₄

(3)整平机刮刀位置和高程的确定

刮刀在整平机内部的位置由安装在整平机框架上的位置传感器确定。根据刮刀位置按照整平机框架的物固坐标系与工程坐标系的转换关系计算刮刀与工程坐标系平面位置和高程。

(4)测深与验收测量

根据测深仪的安装位置，按照整平机框架的物固坐标系与工程坐标系的转换关系计算测深仪与工程坐标系平面位置和高程。

Claims (5)

1.一种水下整平机测量定位***，其特征在于：该***包括整平船测量定位***、整平机测量定位***和微处理单元，所述的整平船测量定位***包括两个GPS天线、两个GPS接收机和两个倾斜传感器，GPS天线安装在整平船控制室的上方，GPS接收机安装在整平船上，两个倾斜传感器分别沿整平船轴线和垂直方向安装在整平船上；所述的整平机测量定位***包括两个GPS天线、两个GPS接收机、倾斜传感器、位置传感器、压力传感器、测深仪和液位连通器，GPS天线安装在整平机塔架的顶端，GPS接收机安装在整平船上，倾斜传感器安装在整平机框架的四个边梁上，且每个边梁上安装有一个倾斜传感器，压力传感器安装在整平机框架的两侧横梁上，液位连通器安装在整平机框架的四个边梁上；所述的微处理单元包括整平船测量定位微处理单元和整平机测量定位微处理单元，整平船测量定位微处理单元分别与GPS接收机和倾斜传感器电连接，整平机测量定位微处理单元分别与GPS接收机、倾斜传感器、位置传感器、压力传感器、测深仪和液位连通器电连接。

2.如权利要求1所述的水下整平机测量定位***，其特征在于：所述的整平船测量定位***中，两个GPS天线间的距离为28-32米。

3.如权利要求1所述的水下整平机测量定位***，其特征在于：所述的整平机测量定位***中，两个GPS天线间的距离为4-6米。

4.如权利要求1所述的水下整平机测量定位***，其特征在于：所述的整平机塔架为一个伸出水面的刚性支架。

5.如权利要求1所述的水下整平机测量定位***，其特征在于：所述的测深仪包括八个测深换能器。

Images