一种水下智能脐带缆定位系统及对潜水员进行定位的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水下智能脐带缆定位系统及对潜水员进行定位的方法，定位系统，主要由水面终端、电缆、脐带及安装于脐带上的若干个水下节点组成，每个水下节点均包括用于检测该水下节点三轴姿态角以及加速度并进行处理的惯性测量单元、用于检测该水下节点当前位置水深的深度计、用于对惯性测量单元和深度计的数据进行处理并将数据传输到水面部分的数据计算与传输模块；水面终端包括计算单元、用于获得各水下节点GPS或北斗坐标的坐标接收器和用于为水下节点、计算单元和坐标接收器供电的电源模块。

【技术实现步骤摘要】
一种水下智能脐带缆定位系统及对潜水员进行定位的方法
本专利技术涉及一种水下智能脐带缆定位系统及对潜水员进行定位的方法。
技术介绍
如图1所示，潜水员在水下使用管供式潜水装具进行水下作业时均使用脐带连接到水面，脐带的作用是由水面提供呼吸气体、通讯等功能。众所周知，潜水员在水下作业时风险较高，最重要的一点是无法准确掌握潜水员在水下的准确位置。目前，针对潜水员在水下的定位主要通过声学手段，如超短基线进行定位。但由于一般的声学设备都固定布置在船上，使用不够灵活，对水深要求较高，同时声学定位还容易受到环境噪声的干扰(如水生信道的多途效应)、反射和障碍物等，应用范围及灵活性受到极大限制。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种水下智能脐带缆定位系统及对潜水员进行定位的方法，它能够实现潜水员水下的精准定位，而且该系统不依赖于声学定位，显示位置的同时，还能够显示脐带的形状，进一步提高水下安全；将惯性测量单元和二次Bezier曲线进行结合，并通过信任域优化算法进行数值求解，实现精确定位其采用的技术方案如下：一种水下智能脐带缆定位系统，其特征在于：主要由水面终端、电缆、脐带及安装于脐带上的若干个水下节点组成，所述水下节点沿脐带分布，所述水下节点之间通过电缆连接，由电缆提供电力以及数据传输；每个水下节点均包括用于检测该水下节点三轴姿态角以及加速度的惯性测量单元、用于检测该水下节点当前位置水深的深度计、用于对惯性测量单元和深度计的数据进行处理并将数据传输到水面部分的数据计算与传输模块；所述水面终端包括计算单元、用于获得各水下节点GPS或北斗坐标的坐标接收器和用于为水下节点、计算单元和坐标接收器供电的电源模块。一种利用上述水下智能脐带缆定位系统对潜水员进行定位的方法，其特征在于：步骤S1,坐标接收器获得各水下节点的准确GPS或北斗坐标，设水面终端为U0，由此向下水下节点依次为U1，U2，···，UM；步骤S2,首先通过U0的准确坐标，计算出U1的坐标，再在U1坐标的基础上计算出U2，依次往下计算，直到最终的潜水员头部节点。在上述技术方案基础上，所述步骤S2具体为：a)坐标系设为世界坐标系，U0的坐标P0(t)可由坐标接收器准确地获得，所估算的U1，U2，···，UM的位置均相对于U0；测得U0的坐标P0(t)和朝向H0(t)，设相邻水下节点之间脐带的长度为L，且不可伸长，所述长度L事先可确定；b)通过U1的深度计测得U1所处深度Z1(t)，通过U1的惯性测量单元测得U1的加速度和朝向H1(t)；c)U1的修正坐标P1′(t)的获得，其分为以下两步：①U1惯导坐标P1(t)的获得陀螺仪的测量模型：其中，是指陀螺仪实际测得的角速度，ω代表需要求解的角速度，bg代表随时间缓慢变化的偏差bias，ηg是指白噪声，上述参数都是时间的函数；加速度计测量模型为：其中，ba代表加速度随时间缓慢变化的偏移bias，ηa是白噪声，代表实际测得的加速度，a代表需要求解的加速度，R为旋转角度，上述参数都是时间的函数；g为重力加速度；根据惯性测量单元的运动方程以及离散化处理，U1在[t+Δt]时刻的旋转角度R(t+Δt)、速度V(t+Δt)以及坐标P(t+Δt)可通过下列公式获得：其中，连续噪声项ηg、ηa当中经过离散后可以分别得到ηgd、ηad，它们之间的关系如下Cov(ηg(t))＝Δt×Cov(ηgd(t))Cov(ηa(t))＝Δt×Cov(ηad(t))基于上述步骤，可获得P1(t)及初始坐标P1(0)；②依靠曲线拟合，实现P1(t)的优化，得到P1′(t)；首先，依靠已经获得的P0(t)、H0(t)、P1(t)、H1(t)参数，计算出P01(t)；然后，依据P0(t)、P01(t)、P1(t)，生成U0至U1之间的二次Bezier曲线，其公式为：B(k)＝(1-k)2P0(t)+2k(1-k)P01(t)+k2P1(t),k∈[0,1]此时，生成的曲线即对应于U0至U1之间的脐带，设此曲线的长度为Lqn指将U0至U1之间的曲线所划分成的段数,i∈[0,n]；此时，U0至U1之间脐带长度L应当等于U0至U1之间二次Bezier曲线的长度Lq，可得Lq-L＝0同时，结合这一条件，并基于信任域优化算法，P1′(t)的初始解为P1(0)，从而得到P1′(t)，此时P0(t)、P1′(t)所对应的二次Bezier曲线即为U0至U1之间的脐带的实际形状；d)通过U2的深度计测得U2所处深度Z2(t)，通过U2的惯性测量单元测得U2的加速度和朝向H2(t)；e)U2的修正坐标P2′(t)的获得，此步骤与U1的修正坐标P1′(t)的获得方法相同；f)以此类推，依次获得U3、···UM的修正坐标，从而实现潜水员的定位。本专利技术具有如下优点：一、该系统能够实现潜水员水下的精准定位，而且该系统不依赖于声学定位，由于采用非声学定位技术，故不用担心环境噪声干扰(如：水太浅、水声信道的多途效应)、反射和障碍物；也不存在其它传感器、应答器、供电、接线等问题；没有烦琐的布放安装，无需专业的声学背景；误差相对固定、定位位置不会产生无法预知的跳跃；二、显示位置的同时，还能够显示脐带的形状，进一步提高水下安全；三、将惯性测量单元和二次Bezier曲线进行结合，并通过信任域优化算法进行数值求解，实现精确定位。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一种实施例，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。图1：管供式潜水装具结构示意图；图2：本专利技术所述水下智能脐带缆定位系统的结构示意图；图3：本专利技术所述步骤c)中U0至U1之间的二次Bezier曲线；具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术作进一步说明：下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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专利技术中的具体含义。如图2所示，一种水下智能脐带缆定位系统，其特征在于：主要由水面终端、电缆、脐带及安装于脐带上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下智能脐带缆定位系统，其特征在于：主要由水面终端、电缆、脐带及安装于脐带上的若干个水下节点组成，所述水下节点沿脐带分布，所述水下节点之间通过电缆连接，由电缆提供电力以及数据传输；/n每个水下节点均包括用于检测该水下节点三轴姿态角以及加速度的惯性测量单元、用于检测该水下节点当前位置水深的深度计、用于对惯性测量单元和深度计的数据进行处理并将数据传输到水面部分的数据计算与传输模块；/n所述水面终端包括计算单元、用于获得各水下节点GPS或北斗坐标的坐标接收器和用于为水下节点、计算单元和坐标接收器供电的电源模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下智能脐带缆定位系统，其特征在于：主要由水面终端、电缆、脐带及安装于脐带上的若干个水下节点组成，所述水下节点沿脐带分布，所述水下节点之间通过电缆连接，由电缆提供电力以及数据传输；
每个水下节点均包括用于检测该水下节点三轴姿态角以及加速度的惯性测量单元、用于检测该水下节点当前位置水深的深度计、用于对惯性测量单元和深度计的数据进行处理并将数据传输到水面部分的数据计算与传输模块；
所述水面终端包括计算单元、用于获得各水下节点GPS或北斗坐标的坐标接收器和用于为水下节点、计算单元和坐标接收器供电的电源模块。


2.根据权利要求1所述的一种水下智能脐带缆定位系统，其特征在于：自水面终端至潜水员，越靠近潜水员，脐带上的水下节点越密集。


3.一种利用如权利要求1或2所述水下智能脐带缆定位系统对潜水员进行定位的方法，其特征在于：
步骤S1,坐标接收器获得各水下节点的准确GPS或北斗坐标，设水面终端为U0，由此向下水下节点依次为U1，U2，···，UM；
步骤S2,首先通过U0的准确坐标，计算出U1的坐标，再在U1坐标的基础上计算出U2，依次往下计算，直到最终的潜水员头部节点。


4.根据权利要求3所述的一种对潜水员进行定位的方法，其特征在于：
所述步骤S2具体为：
a)坐标系设为世界坐标系，U0的坐标P0(t)可由坐标接收器准确地获得，所估算的U1，U2，···，UM的位置均相对于U0；测得U0的坐标P0(t)和朝向H0(t)，设相邻水下节点之间脐带的长度为L，且不可伸长，所述长度L事先可确定；
b)通过U1的深度计测得U1所处深度Z1(t)，通过U1的惯性测量单元测得U1的加速度和朝向H1(t)；
c)U1的修正坐标P1′(t)的获得，其分为以下两步：
①U1惯导坐标P1(t)的获得
陀螺仪的测量模型：



其中，是指陀螺仪实际测得的角速度，ω代表需要求解的角速度，bg代表随时间缓慢变化的偏差bias，ηg是指白噪声，上述参数都是时间的函数；
加速度计测量模型为：



其中，ba代表加速度随时间缓慢变化的偏移bi...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小俊，薛延华，王帅，申云磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军潜艇学院，
类型：发明
国别省市：山东;37