CN111427010A - Rov水下定位***及定位方法 - Google Patents

Rov水下定位***及定位方法 Download PDF

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CN111427010A CN202010310798.5A CN202010310798A CN111427010A CN 111427010 A CN111427010 A CN 111427010A CN 202010310798 A CN202010310798 A CN 202010310798A CN 111427010 A CN111427010 A CN 111427010A
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杨丰茂
安妍妍
张博
楚立鹏
付圣峰
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Abstract

本发明公开了一种ROV水下定位***及定位方法，ROV水下定位***，包括：声信标，设于ROV，声信标用于发射定位信号；阵列的N个矢量水听器，矢量水听器用于接收定位信号并转发出去；计算机，与声信标、以及N个矢量水听器均通信连接，计算机用于：控制声信标发射定位信号；接收N个矢量水听器转发的N个定位信号并基于N个定位信号确定ROV的N个相对位置，相对位置包括ROV相对于矢量水听器的方位及距离；基于N个相对位置，计算ROV相对于N个矢量水听器的N个第一极坐标；基于N个相对位置，采用短基线定位方法，计算ROV的第二极坐标；基于第一极坐标和第二极坐标，采用权值分配方法，计算ROV的目标极坐标。采用本发明，可以提高短基线定位***的定位精度。

Description

ROV水下定位***及定位方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种ROV水下定位***及定位方法。
背景技术
遥控无人潜航器即ROV(Remote Operated Vehicle)，能在水下游动、携带特定器具以执行、完成特定任务。这类水下机器人的最大优点是水面平台(母船)可以为其源源不断地提供能源，因此能在水下长时间地工作。它们应用广泛，可以安装机械手等作业工具，在水下资源开发、考古、打捞、救助等方面都已经有实际应用。ROV在执行任务之前，首先要明确自身位置,目前通用的方法是利用超短基线或短基线定位方法对水下ROV进行定位，短基线定位精度理论上要高于超短基线定位，但定位精度仍有提高空间。
发明内容
本发明实施例提供一种ROV水下定位***及定位方法，用以解决现有技术中ROV定位精度低的问题。
一方面，本发明实施例提出一种ROV水下定位***，包括：
声信标，设于所述ROV，所述声信标用于发射定位信号；
阵列的N个矢量水听器，所述矢量水听器用于接收所述定位信号并转发出去；
计算机，与所述声信标、以及N个所述矢量水听器均通信连接，所述计算机用于：
控制所述声信标发射定位信号；
接收N个所述矢量水听器转发的N个定位信号并基于所述N个定位信号确定所述ROV的N个相对位置，所述相对位置包括所述ROV相对于所述矢量水听器的方位及距离；
基于N个所述相对位置，计算所述ROV相对于N个所述矢量水听器的N个第一极坐标；
基于所述N个相对位置，采用短基线定位方法，计算所述ROV的第二极坐标；
基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
根据本发明的一些实施例，所述***还包括：
定位模块，用于确定所述N个矢量水听器的中心的大地坐标；
所述计算机，还用于：
对所述目标极坐标进行姿态修正，确定所述ROV相对于三维坐标系的相对坐标，所述三维坐标系以所述N个矢量水听器的中心为坐标原点、垂直水面向上方向为Z轴、平行水面方向为XY轴；
基于所述相对坐标和所述中心的大地坐标，确定所述ROV的大地坐标。
根据本发明的一些实施例，所述矢量水听器，用于：
获取声压信息和振速信息，以确定所述定位信号。
根据本发明的一些实施例，所述计算机，用于：
根据公式1，计算所述ROV的目标极坐标，
Figure BDA0002457762010000021
其中，(LatR,LonR,DepR)为所述ROV的目标极坐标，(Lati,Loni,Depi)为所述ROV第一大地坐标，(LatL,LonL,DepL)为所述ROV第二大地坐标。
根据本发明的一些实施例，所述计算机与所述声信标通过ROV传输缆连接。
根据本发明的一些实施例，所述N满足：N≥3；
任意两个所述矢量水听器之间的距离大于等于5米且小于等于20米。
第二方面，本发明实施例提出一种ROV水下定位方法，包括：
控制设于所述ROV上的声信标发射定位信号；
利用阵列的N个矢量水听器接收所述定位信号；
基于所述N个定位信号确定所述ROV的N个相对位置，所述相对位置包括所述ROV相对于所述矢量水听器的方位及距离；
基于N个所述相对位置，计算所述ROV相对于N个所述矢量水听器的N个第一极坐标；
基于所述N个相对位置，采用短基线定位方法，计算所述ROV的第二极坐标；
基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：
确定所述N个矢量水听器的中心的大地坐标；
对所述目标极坐标进行姿态修正，确定所述ROV相对于三维坐标系的相对坐标，所述三维坐标系以所述N个矢量水听器的中心为坐标原点、垂直水面向上方向为Z轴、平行水面方向为XY轴；
基于所述相对坐标和所述中心的大地坐标，确定所述ROV的大地坐标。
根据本发明的一些实施例，所述利用阵列的N个矢量水听器接收所述定位信号，包括：
所述矢量水听器获取声压信息和振速信息，以确定所述定位信号。
根据本发明的一些实施例，基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
根据公式1，计算所述ROV的目标极坐标，
Figure BDA0002457762010000041
其中，(LatR,LonR,DepR)为所述ROV的目标极坐标，(Lati,Loni,Depi)为所述ROV第一大地坐标，(LatL,LonL,DepL)为所述ROV第二大地坐标。
采用本发明实施例，利用矢量水听器在水面平台上搭建短基线定位***，可以进一步提高短基线定位***的定位精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例中ROV水下定位***的结构示意图；
图2是本发明实施例中ROV水下定位***的结构示意图；
图3是本发明实施例中ROV水下定位***的结构示意图；
图4是本发明实施例中ROV水下定位方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
一方面，如图1-图3所示，本发明实施例提出一种ROV水下定位***1，包括：
声信标10，设于所述ROV 2，所述声信标10用于发射定位信号；
阵列的N个矢量水听器20，所述矢量水听器20用于接收所述定位信号并转发出去；
计算机30，与所述声信标10、以及N个所述矢量水听器20均通信连接，所述计算机30用于：
控制所述声信标发射定位信号；
接收N个所述矢量水听器转发的N个定位信号并基于所述N个定位信号确定所述ROV的N个相对位置，所述相对位置包括所述ROV相对于所述测量点的方位及距离；
基于N个所述相对位置，计算所述ROV相对于N个所述矢量水听器的N个第一极坐标；
基于所述N个相对位置，采用短基线定位方法，计算所述ROV的第二极坐标；
基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
采用本发明实施例，利用矢量水听器在水面平台上搭建短基线定位***，可以进一步提高短基线定位***的定位精度。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
根据本发明的一些实施例，所述计算机30，用于：
基于所述ROV相对于N个所述矢量水听器的方位及距离，根据侧向方法，计算所述ROV相对于N个所述矢量水听器的N个第一极坐标；
基于所述ROV相对于N个所述矢量水听器的距离，采用短基线定位方法，计算所述ROV的第二极坐标。
如图1所示，根据本发明的一些实施例，所述***1还包括：
定位模块40，用于确定所述N个矢量水听器的中心的大地坐标；
所述计算机30，还用于：
对所述目标极坐标进行姿态修正，确定所述ROV相对于三维坐标系的相对坐标，所述三维坐标系以所述N个矢量水听器的中心为坐标原点、垂直水面向上方向为Z轴、平行水面方向为XY轴；
基于所述相对坐标和所述中心的大地坐标，确定所述ROV的大地坐标。
根据本发明的一些实施例，所述矢量水听器20，用于：
获取声压信息和振速信息，以确定所述定位信号。
根据本发明的一些实施例，所述计算机30，用于：
根据公式1，计算所述ROV的目标极坐标，
Figure BDA0002457762010000061
其中，(LatR,LonR,DepR)为所述ROV的目标极坐标，(Lati,Loni,Depi)为所述ROV第一大地坐标，(LatL,LonL,DepL)为所述ROV第二大地坐标。
根据本发明的一些实施例，所述计算机30与所述声信标10通过ROV传输缆连接。
根据本发明的一些实施例，所述N满足：N≥3；
任意两个所述矢量水听器20之间的距离大于等于5米且小于等于20米。
第二方面，如图4所示，本发明实施例提出一种ROV水下定位方法，包括：
S1，控制设于所述ROV上的声信标发射定位信号；
S2，利用阵列的N个矢量水听器接收所述定位信号；
S3，基于所述N个定位信号确定所述ROV的N个相对位置，所述相对位置包括所述ROV相对于所述矢量水听器的方位及距离；
S4，基于N个所述相对位置，计算所述ROV相对于N个所述矢量水听器的N个第一极坐标；
S5，基于所述N个相对位置，采用短基线定位方法，计算所述ROV的第二极坐标；
S6，基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
采用本发明实施例，利用矢量水听器在水面平台上搭建短基线定位***，可以进一步提高短基线定位***的定位精度。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：
确定所述N个矢量水听器的中心的大地坐标；
对所述目标极坐标进行姿态修正，确定所述ROV相对于三维坐标系的相对坐标，所述三维坐标系以所述N个矢量水听器的中心为坐标原点、垂直水面向上方向为Z轴、平行水面方向为XY轴；
基于所述相对坐标和所述中心的大地坐标，确定所述ROV的大地坐标。
根据本发明的一些实施例，所述利用阵列的N个矢量水听器接收所述定位信号，包括：
所述矢量水听器获取声压信息和振速信息，以确定所述定位信号。
根据本发明的一些实施例，基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
根据公式1，计算所述ROV的目标极坐标，
Figure BDA0002457762010000071
其中，(LatR,LonR,DepR)为所述ROV的目标极坐标，(Lati,Loni,Depi)为所述ROV第一大地坐标，(LatL,LonL,DepL)为所述ROV第二大地坐标。
下面参照图1-图3以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的ROV水下定位***。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
如图1-图3所示，ROV水下定位***1主要由水上部分、水面部分、水下部分组成。水上部分为干端设备，部署在水面平台以上；水面部分为湿端设备，需部署在水面以下，与水面平台硬连接；水下部分为湿端设备，搭载于ROV2上。
水下部分为声信标10。声信标10是定位信号发送装置，受水上部分的计算机30直接控制。
水面部分包括三个矢量水听器20，三个矢量水听器20阵列分布(即短基线基阵)。矢量水听器20用于感知布设位置处声压和振速信息并输出模拟测量信号。
水上部分包括：信号预处理模块50、计算机30、姿态传感器60、以及定位模块40(如北斗/GPS)。信号预处理模块50用于将矢量水听器采集的模拟信号转换为数字信号，并进行放大、滤波等预处理工作。计算机30用于控制、运算、显示等功能。姿态传感器60用于测量水面平台的姿态信息。定位模块40(用于获取水面平台的大地坐标。
具体而言，在水面平台部署三个矢量水听器20，间距根据水面平台的大小设置，通常在5m-20m之间，由三个矢量水听器20的声压通道组成短基线定位***，通过短基线定位***的定位原理对ROV2进行定位。
计算机30通过ROV传输缆与声信标10连接。短基线定位可采用同步定位方法。计算机30通过ROV传输缆控制声信标10发射定位信号，并记录信号发射时刻t1；矢量水听器20接收到信号后，经过一系列处理将数据传输到计算机30，计算机30记录数据接收时刻t2，t2与t1的差值再减去***固有时延tf，得到定位信号在声信道中的传播时间，结合声速信息，可计算出ROV2与水面平台之间的直线距离。即L＝c*(t2-t1-tf)。再根据三点定位的原理计算声信标10(即ROV)的位置(第二极坐标)，由于三点定位原理需要在球面波条件下使用，因此本发明实施例的***1在浅海中效果良好。
另外，每个矢量水听器20能够测得其与声信标10的距离，同时每个矢量水听器20还能够测得声信标10相对于矢量水听器20的方位，即单独的一个矢量水听器20均能得到一个声信标10的位置信息(第一极坐标)，再与短基线定位结果进行融合处理。
融合处理可采加权平均方法，权值可依据基元数进行设定。方法如下：设1～N号矢量水听器对ROV大地坐标位置的测量结果为(Lat1,Lon1,Dep1)、…、(LatN,LonN,DepN)，其中N大于等于3；利用短基线定位原理计算得到ROV大地坐标为(LatL,LonL,DepL)。
再利用加权平均方法对短基线定位结果和矢量水听器定位结果进行融合计算，短基线定位精度要高于矢量水听器定位精度，并且基阵长度越长及阵元数越多时，定位精度越高，基于上述因素进行权值分配，设海底资产真实定位结果为(LatR,LonR,DepR)，具体加权平均计算方法如下，其中N为超短基线基元数量，
Figure BDA0002457762010000091
当N＝3时，则短基线定位结果的权重为75％，三个测点矢量水听器定位结果的权重合计为25％，每个矢量水听器定位结果的权重相同，均为约8.3％；当测点越多时，短基线定位结果的权重越高，单次矢量水听器定位结果的权重越低。
ROV水下定位***的定位方法的具体步骤，包括：
计算机通过ROV传输缆向声信标发送控制指令；
声信标收到控制指令后，向水声信道发送定位信号；
矢量水听器阵列全程处于接收状态，实时将接收到的数据发送给信号预处理模块；
信号预处理模块进行信号调理，包括放大、滤波、AD转换等操作，输出数字信号给计算机；
计算机利用矢量水听器测向、同步测距等方法计算得到ROV相对于矢量水听器的位置极坐标(Lat1,Lon1,Dep1)、…、(LatN,LonN,DepN)；
利用短基线定位原理计算(LatS,LonS,DepS)；
利用加权平均融合算法计算(LatR,LonR,DepR)；
计算机读取通过姿态传感器获取的水面平台姿态信息，对上一步中得到的极坐标位置信息进行姿态修正，获取ROV相对于以矢量水听器基阵中心点为原点、垂直方向为Z轴，水平方向为XY轴的三维坐标相对位置；
计算机读取北斗/GPS提供的大地坐标信息，根据上一步中的与ROV相对位置信息，进行坐标转换，获取ROV的大地坐标系下的坐标；
不断更新ROV坐标。
例如，采用本发明实施例的ROV水下定位***进行ROV水下管线检测，包括：
海底石油管线在部署时都会记录路由坐标，当某些部位发生问题时，可以通过ROV准确地找到该位置，进行视频检测、故障排查，具体工作过程如下：
设备安装、ROV下水；
计算机通过ROV传输缆向ROV发送控制指令；
ROV收到控制指令后，立刻通过声信标向水下声信道发送定位信号；
安装于水面平台下的矢量水听器阵列收到定位信号后，将数据传输给信号预处理模块进行信号调理；
信号调理后，将数据发送给计算机，计算机读取姿态传感器提供的姿态信息，北斗/GPS提供的大地坐标信息，进行分析处理得到ROV的水下大地坐标；
计算机根据ROV的大地坐标位置，驱动ROV向目标海底管线位置移动；
不断更新ROV位置，直到任务结束。
采用本发明实施例，利用矢量水听器基阵进行水下合作目标定位：传统ROV的水下定位多采用短基线或超短基线定位***，没有充分利用声场中的振速信息，采用加权平均方法融合矢量水听器及短基线定位两种方法的测量结果，提高定位精度，能够在ROV水下作业过程中获取ROV的大地坐标，与其他定位装置相比，能够提高传统方法的定位精度。
需要说明的是，以上所述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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种ROV水下定位***，其特征在于，包括：
声信标，设于所述ROV，所述声信标用于发射定位信号；
阵列的N个矢量水听器，所述矢量水听器用于接收所述定位信号并转发出去；
计算机，与所述声信标、以及N个所述矢量水听器均通信连接，所述计算机用于：
控制所述声信标发射定位信号；
接收N个所述矢量水听器转发的N个定位信号并基于所述N个定位信号确定所述ROV的N个相对位置，所述相对位置包括所述ROV相对于所述矢量水听器的方位及距离；
基于N个所述相对位置，计算所述ROV相对于N个所述矢量水听器的N个第一极坐标；
基于所述N个相对位置，采用短基线定位方法，计算所述ROV的第二极坐标；
基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：
定位模块，用于确定所述N个矢量水听器的中心的大地坐标；
所述计算机，还用于：
对所述目标极坐标进行姿态修正，确定所述ROV相对于三维坐标系的相对坐标，所述三维坐标系以所述N个矢量水听器的中心为坐标原点、垂直水面向上方向为Z轴、平行水面方向为XY轴；
基于所述相对坐标和所述中心的大地坐标，确定所述ROV的大地坐标。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述矢量水听器，用于：
获取声压信息和振速信息，以确定所述定位信号。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述计算机，用于：
根据公式1，计算所述ROV的目标极坐标，
Figure FDA0002457761000000021
其中，(LatR,LonR,DepR)为所述ROV的目标极坐标，(Lati,Loni,Depi)为所述ROV第一大地坐标，(LatL,LonL,DepL)为所述ROV第二大地坐标。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述计算机与所述声信标通过ROV传输缆连接。
6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述N满足：N≥3；
任意两个所述矢量水听器之间的距离大于等于5米且小于等于20米。
7.一种ROV水下定位方法，其特征在于，包括：
控制设于所述ROV上的声信标发射定位信号；
利用阵列的N个矢量水听器接收所述定位信号；
基于所述N个定位信号确定所述ROV的N个相对位置，所述相对位置包括所述ROV相对于所述矢量水听器的方位及距离；
基于N个所述相对位置，计算所述ROV相对于N个所述矢量水听器的N个第一极坐标；
基于所述N个相对位置，采用短基线定位方法，计算所述ROV的第二极坐标；
基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定所述N个矢量水听器的中心的大地坐标；
对所述目标极坐标进行姿态修正，确定所述ROV相对于三维坐标系的相对坐标，所述三维坐标系以所述N个矢量水听器的中心为坐标原点、垂直水面向上方向为Z轴、平行水面方向为XY轴；
基于所述相对坐标和所述中心的大地坐标，确定所述ROV的大地坐标。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用阵列的N个矢量水听器接收所述定位信号，包括：
所述矢量水听器获取声压信息和振速信息，以确定所述定位信号。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述第一极坐标和所述第二极坐标，采用权值分配方法，计算所述ROV的目标极坐标。
根据公式1，计算所述ROV的目标极坐标，
Figure FDA0002457761000000031
其中，(LatR,LonR,DepR)为所述ROV的目标极坐标，(Lati,Loni,Depi)为所述ROV第一大地坐标，(LatL,LonL,DepL)为所述ROV第二大地坐标。
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