CN110488334A - 一种水下物体定位装置、定位***及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下物体定位装置、定位***及其定位方法，涉及水下测量技术领域。该水下物体定位装置包括控制模块、浮标平台、连接绳、倾角仪和水深传感器。倾角仪固定安装于浮标平台上，连接绳的一端与倾角仪连接，另一端用于与水下物体连接，倾角仪用于测量连接绳的倾斜角度数据，且发送给控制模块，水深传感器用于安装于水下物体上，以检测水下物体的深度数据，且发送给控制模块，控制模块用于根据倾斜角度数据和深度数据计算得出水下物体相对于浮标平台的三维坐标。与现有技术相比，本发明提供的水下物体定位装置结构简单，生产成本低，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体进行定位，方便快捷，测量精度高。

Description

一种水下物体定位装置、定位***及其定位方法

技术领域

本发明涉及水下测量技术领域，具体而言，涉及一种水下物体定位装置、定位***及其定位方法。

背景技术

高精度的水下声学定位***是许多高新技术的集成，是海洋调查和开发的基本设备,具有广泛的用途。当前大多海洋工程,如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线路由调查与维护等,需要声学定位***对水下拖体进行导航定位,如水下遥控机器人(ROV)以及水下无人机器人(UUV)、水下自动机器人(AUV)、声纳设备的水下拖鱼等。

目前水下机器人的定位方法常使用长基线定位方法和短基线定位方法、长基线定位方法定位精度高，但设备庞大，布放过程复杂。短基线定位的设备和布放都要简单，但精度不高。

有鉴于此，设计出一种简易方便的水下物体定位装置、定位***及其定位方法特别是在水下定位技术中显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下物体定位装置，结构简单，生产成本低，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体进行定位，方便快捷，测量精度高。

本发明的另一目的在于提供一种水下物体定位***，稳定可靠，生产成本低，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体进行定位，方便快捷，测量精度高。

本发明的再一目的在于提供一种水下物体定位方法，操作简单，容易实现，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体进行定位，方便快捷，测量精度高。

本发明是采用以下的技术方案来实现的。

一种水下物体定位装置，用于测量水下物体的三维坐标，水下物体定位装置包括控制模块、浮标平台、连接绳、倾角仪和水深传感器，浮标平台用于漂浮于水面上，倾角仪固定安装于浮标平台上，连接绳的一端与倾角仪连接，另一端用于与水下物体连接，倾角仪用于测量连接绳的倾斜角度数据，且发送给控制模块，水深传感器用于安装于水下物体上，以检测水下物体的深度数据，且发送给控制模块，控制模块用于根据倾斜角度数据和深度数据计算得出水下物体相对于浮标平台的三维坐标。

进一步地，倾角仪包括第一倾角传感模块和第二倾角传感模块，第一倾角传感模块用于测量连接绳延伸方向与竖直方向之间的第一夹角，且发送给控制模块，第二倾角传感模块用于测量连接绳延伸方向与正西方向之间的第二夹角，且发送给控制模块。

进一步地，水下物体定位装置还包括定位模块，定位模块安装于浮标平台上，用于测得浮标平台相对于基站的三维坐标。

进一步地，定位模块为差分GPS。

一种水下物体定位***，包括基站和上述的水下物体定位装置，水下物体定位装置还包括定位模块，定位模块安装于浮标平台上，用于测得浮标平台相对于基站的三维坐标，且发送给控制模块，控制模块用于根据水下物体相对于浮标平台的三维坐标和浮标平台相对于基站的三维坐标计算得出水下物体相对于基站的三维坐标。

一种水下物体定位方法，应用于上述的水下物体定位装置，水下物体定位方法包括：利用水深传感器测量水下物体的深度数据；利用倾角仪测量连接绳的倾斜角度数据；利用控制模块根据水下物体的深度数据和连接绳的倾斜角度数据计算得出水下物体相对于浮标平台的三维坐标。

进一步地，倾角仪包括第一倾角传感模块和第二倾角传感模块，利用倾角仪测量连接绳的倾斜角度数据的步骤包括：利用第一倾角传感模块测量连接绳延伸方向与竖直方向之间的第一夹角；利用第二倾角传感模块测量连接绳延伸方向与正西方向之间的第二夹角。

进一步地，利用控制模块根据水下物体的深度数据和连接绳的倾斜角度数据计算得出水下物体相对于浮标平台的三维坐标的步骤包括：根据计算公式：R＝h*tanθ；x＝R*sinψ；y＝R*cosψ；式中，R为连接绳在水平面上的投影长度，h为水下物体的深度，θ为第一夹角的度数，ψ为第二夹角的度数，y为R在正西方向上的投影长度，x为R在正北方向上的投影长度；计算得出水下物体相对于浮标平台的三维坐标(x，y，h)。

进一步地，利用控制模块根据水下物体的深度数据和连接绳的倾斜角度数据计算得出水下物体相对于浮标平台的三维坐标的步骤后，水下物体定位方法还包括：利用差分GPS检测出浮标平台相对于基站的三维坐标；利用控制模块根据水下物体相对于浮标平台的三维坐标以及浮标平台相对于基站的三维坐标计算出水下物体相对于基站的三维坐标。

进一步地，利用控制模块根据水下物体相对于浮标平台的三维坐标以及浮标平台相对于基站的三维坐标计算出水下物体相对于基站的三维坐标的步骤包括：根据计算公式：a1＝x+b1；a2＝y+b2；a3＝h+b3；式中，(a1，a2，a3)为水下物体相对于基站的三维坐标，(b1，b2，b3)为浮标平台相对于基站的三维坐标，(x，y，h)为水下物体相对于浮标平台的三维坐标；计算得出水下物体相对于基站的三维坐标(a1，a2，a3)。

本发明提供的水下物体定位装置、定位***及其定位方法具有以下有益效果：

本发明提供的水下物体定位装置，浮标平台用于漂浮于水面上，倾角仪固定安装于浮标平台上，连接绳的一端与倾角仪连接，另一端用于与水下物体连接，倾角仪用于测量连接绳的倾斜角度数据，且发送给控制模块，水深传感器用于安装于水下物体上，以检测水下物体的深度数据，且发送给控制模块，控制模块用于根据倾斜角度数据和深度数据计算得出水下物体相对于浮标平台的三维坐标。与现有技术相比，本发明提供的水下物体定位装置结构简单，生产成本低，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体进行定位，方便快捷，测量精度高。

本发明提供的水下物体定位***，包括水下物体定位装置，稳定可靠，生产成本低，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体进行定位，方便快捷，测量精度高。

本发明提供的水下物体定位方法，应用于水下物体定位装置，操作简单，容易实现，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体进行定位，方便快捷，测量精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的水下物体定位***一个视角的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的水下物体定位***另一个视角的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的水下物体定位装置的结构组成框图；

图4为本发明第二实施例提供的水下物体定位方法的步骤框图；

图5为本发明第二实施例提供的水下物体定位方法中的一个数学模型图；

图6为本发明第二实施例提供的水下物体定位方法中的另一个数学模型图。

图标：10-水下物体定位***；100-水下物体定位装置；110-控制模块；120-浮标平台；130-连接绳；140-倾角仪；150-水深传感器；160-定位模块；200-基站；300-水下物体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例

请结合参照图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种水下物体定位***10，用于测量水下物体300的三维坐标。其结构简单，生产成本低，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体300进行定位，方便快捷，测量精度高。该水下物体定位***10包括基站200和水下物体定位装置100，用户可通过水下物体定位装置100测量得出水下物体300相对于基站200的三维坐标。

水下物体定位装置100包括控制模块110、浮标平台120、连接绳130、倾角仪140、水深传感器150和定位模块160。浮标平台120用于漂浮于水面上，水面对浮标平台120产生浮力，以平衡浮标平台120的重力。倾角仪140固定安装于浮标平台120上，浮标平台120对倾角仪140进行支撑固定，本实施例中，倾角仪140无需浸入水中作业，免去了倾角仪140的防水工作，降低成本，节省工序。连接绳130的一端与倾角仪140连接，另一端用于与水下物体300连接，本实施例中，连接绳130呈绷紧状态，连接绳130呈直线形地连接于倾角仪140和水下物体300之间。倾角仪140与控制模块110电连接或者通信连接，倾角仪140用于测量连接绳130的倾斜角度数据，且发送给控制模块110。水深传感器150与控制模块110电连接或者通信连接，水深传感器150用于安装于水下物体300上，以检测水下物体300的深度数据，且发送给控制模块110。控制模块110用于根据倾斜角度数据和深度数据计算得出水下物体300相对于浮标平台120的三维坐标。

本实施例中，连接绳130为弹性绳，能够伸长或者缩短，以便于呈直线形地连接倾角仪140和水下物体300之间。

需要说明的是，倾角仪140包括第一倾角传感模块(图未示)和第二倾角传感模块(图未示)。第一倾角传感模块用于测量连接绳130延伸方向与竖直方向之间的第一夹角，且发送给控制模块110。第二倾角传感模块用于测量连接绳130延伸方向与正西方向之间的第二夹角，且发送给控制模块110，但并不仅限于此，在其它实施例中，第二夹角也可以为连接绳130延伸方向与水平面上任一方向之间的夹角，例如正北方向、正南方向或者正东方向等，对第二夹角的位置不作具体限定。

值得注意的是，定位模块160安装于浮标平台120上，用于测得浮标平台120相对于基站200的三维坐标，定位模块160与控制模块110电连接或者通信连接，定位模块160能够将浮标平台120相对于基站200的三维坐标发送给控制模块110，控制模块110能够根据水下物体300相对于浮标平台120的三维坐标以及浮标平台120相对于基站200的三维坐标计算得出水下物体300相对于基站200的三维坐标。本实施例中，定位模块160为差分GPS。

本实施例中，基站200设置于距离水域一定距离的陆地上，且与定位模块160通信连接，定位模块160能够精确地测量出浮标平台120相对于基站200的三维坐标，并将该三维坐标发送给控制模块110。但并不仅限于此，在其它实施例中，基站200也可以设置在水域内的其它位置，对基站200的设置位置不作具体限定。

本发明实施例提供的水下物体定位装置100，浮标平台120用于漂浮于水面上，倾角仪140固定安装于浮标平台120上，连接绳130的一端与倾角仪140连接，另一端用于与水下物体300连接，倾角仪140用于测量连接绳130的倾斜角度数据，且发送给控制模块110，水深传感器150用于安装于水下物体300上，以检测水下物体300的深度数据，且发送给控制模块110，控制模块110用于根据倾斜角度数据和深度数据计算得出水下物体300相对于浮标平台120的三维坐标。与现有技术相比，本发明提供的水下物体定位装置100结构简单，生产成本低，能够在不改变周围环境的情况下快速地对水下物体300进行定位，方便快捷，测量精度高，使得水下物体定位***10稳定可靠，方便实用。

第二实施例

请结合参照图4、图5和图6，本发明实施例提供了一种水下物体300定位方法，用于测量水下物体300的三维坐标。

该水下物体300定位方法包括：

步骤S101：利用水深传感器150测量水下物体300的深度数据。

需要说明的是，水深传感器150能够根据所受压力计算得出所在位置的水下深度，并将该水下深度转换为深度数据，且发送给控制模块110。但并不仅限于此，在其它实施例中，若在固定的已知深度的水下进行作业时，其水下深度已知，此时便无需安装水深传感器150。

步骤S102：利用倾角仪140测量连接绳130的倾斜角度数据。

本实施例中，倾角仪140包括第一倾角传感模块和第二倾角传感模块，第一倾角传感模块用于测量连接绳130延伸方向与竖直方向之间的第一夹角，且发送给控制模块110，第二倾角传感模块用于测量连接绳130延伸方向与正西方向之间的第二夹角，且发送给控制模块110。

具体地，步骤S102包括两个步骤，分别为：

步骤S1021：利用第一倾角传感模块测量连接绳130延伸方向与竖直方向之间的第一夹角。

步骤S1022：利用第二倾角传感模块测量连接绳130延伸方向与正西方向之间的第二夹角。

值得注意的是，本实施例中，对步骤S101和步骤S102的先后顺序不作具体限定，可以先进行步骤S101，再进行步骤S102，也可以先进行步骤S102，再进行步骤S101。

步骤S103：利用控制模块110根据水下物体300的深度数据和连接绳130的倾斜角度数据计算得出水下物体300相对于浮标平台120的三维坐标。

本实施例中，根据计算公式：R＝h*tanθ；x＝R*sinψ；y＝R*cosψ；计算得出水下物体300相对于浮标平台120的三维坐标(x，y，h)。

式中，R为连接绳130在水平面上的投影长度，h为水下物体300的深度，θ为第一夹角的度数，ψ为第二夹角的度数，y为R在正西方向上的投影长度，x为R在正北方向上的投影长度。

步骤S104：利用差分GPS检测出浮标平台120相对于基站200的三维坐标。

本实施例中，差分GPS安装于浮标平台120上，基站200设置于距离水域一定距离的陆地上，且与差分GPS通信连接，差分GPS能够精确地测量出浮标平台120相对于基站200的三维坐标，并将该三维坐标发送给控制模块110。

步骤S105：利用控制模块110根据水下物体300相对于浮标平台120的三维坐标以及浮标平台120相对于基站200的三维坐标计算出水下物体300相对于基站200的三维坐标。

本实施例中，根据计算公式：a1＝x+b1；a2＝y+b2；a3＝h+b3；计算得出水下物体300相对于基站200的三维坐标(a1，a2，a3)。

式中，(a1，a2，a3)为水下物体300相对于基站200的三维坐标，(b1，b2，b3)为浮标平台120相对于基站200的三维坐标，(x，y，h)为水下物体300相对于浮标平台120的三维坐标。

本发明实施例提供的水下物体300定位方法的有益效果与第一实施例的有益效果相同，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下物体定位装置，用于测量水下物体的三维坐标，其特征在于，所述水下物体定位装置包括控制模块、浮标平台、连接绳、倾角仪和水深传感器，所述浮标平台用于漂浮于水面上，所述倾角仪固定安装于所述浮标平台上，所述连接绳的一端与所述倾角仪连接，另一端用于与所述水下物体连接，所述倾角仪用于测量所述连接绳的倾斜角度数据，且发送给所述控制模块，所述水深传感器用于安装于所述水下物体上，以检测所述水下物体的深度数据，且发送给所述控制模块，所述控制模块用于根据所述倾斜角度数据和所述深度数据计算得出所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的水下物体定位装置，其特征在于，所述倾角仪包括第一倾角传感模块和第二倾角传感模块，所述第一倾角传感模块用于测量所述连接绳延伸方向与竖直方向之间的第一夹角，且发送给所述控制模块，所述第二倾角传感模块用于测量所述连接绳延伸方向与正西方向之间的第二夹角，且发送给所述控制模块。

3.根据权利要求1所述的水下物体定位装置，其特征在于，所述水下物体定位装置还包括定位模块，所述定位模块安装于所述浮标平台上，用于测得所述浮标平台相对于基站的三维坐标。

4.根据权利要求3所述的水下物体定位装置，其特征在于，所述定位模块为差分GPS。

5.一种水下物体定位***，其特征在于，包括基站和如权利要求1所述的水下物体定位装置，所述水下物体定位装置还包括定位模块，所述定位模块安装于所述浮标平台上，用于测得所述浮标平台相对于所述基站的三维坐标，且发送给所述控制模块，所述控制模块用于根据所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标和所述浮标平台相对于所述基站的三维坐标计算得出所述水下物体相对于所述基站的三维坐标。

6.一种水下物体定位方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的水下物体定位装置，所述水下物体定位方法包括：

利用所述水深传感器测量所述水下物体的深度数据；

利用所述倾角仪测量所述连接绳的倾斜角度数据；

利用所述控制模块根据所述水下物体的深度数据和所述连接绳的倾斜角度数据计算得出所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标。

7.根据权利要求6所述的水下物体定位方法，其特征在于，所述倾角仪包括第一倾角传感模块和第二倾角传感模块，所述利用所述倾角仪测量所述连接绳的倾斜角度数据的步骤包括：

利用所述第一倾角传感模块测量所述连接绳延伸方向与竖直方向之间的第一夹角；

利用所述第二倾角传感模块测量所述连接绳延伸方向与正西方向之间的第二夹角。

8.根据权利要求7所述的水下物体定位方法，其特征在于，所述利用所述控制模块根据所述水下物体的深度数据和所述连接绳的倾斜角度数据计算得出所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标的步骤包括：

根据计算公式：

R＝h*tanθ；

x＝R*sinψ；

y＝R*cosψ；

式中，R为所述连接绳在水平面上的投影长度，h为所述水下物体的深度，θ为第一夹角的度数，ψ为第二夹角的度数，y为R在正西方向上的投影长度，x为R在正北方向上的投影长度；

计算得出所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标(x，y，h)。

9.根据权利要求6所述的水下物体定位方法，其特征在于，利用所述控制模块根据所述水下物体的深度数据和所述连接绳的倾斜角度数据计算得出所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标的步骤后，所述水下物体定位方法还包括：

利用差分GPS检测出所述浮标平台相对于基站的三维坐标；

利用所述控制模块根据所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标以及所述浮标平台相对于所述基站的三维坐标计算出所述水下物体相对于所述基站的三维坐标。

10.根据权利要求9所述的水下物体定位方法，其特征在于，所述利用所述控制模块根据所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标以及所述浮标平台相对于所述基站的三维坐标计算出所述水下物体相对于所述基站的三维坐标的步骤包括：

根据计算公式：

a1＝x+b1；

a2＝y+b2；

a3＝h+b3；

式中，(a1，a2，a3)为所述水下物体相对于所述基站的三维坐标，(b1，b2，b3)为所述浮标平台相对于所述基站的三维坐标，(x，y，h)为所述水下物体相对于所述浮标平台的三维坐标；

计算得出所述水下物体相对于所述基站的三维坐标(a1，a2，a3)。