水下定位

2024-08-31

水下定位（精选九篇）

水下定位篇1

美国目前正在探索建立水下互联网的可行性,同时也希望创建水下全球定位系统( GPS) 。美国国防预先研究计划局已发出项目征集方案,研究在海床上安装声学信号源,组成类似GPS的系统,使在海底的潜艇不必浮出水面就可得到精确定位信息。该系统名为深海导航定位系统。此项目正在寻求低成本、低功耗的水下导航传感器。GPS覆盖全球表面,但其无线频段信号和其他高频信号一样在水下是阻断的。研究人员正寻找可传播至海洋的声源,使潜水艇像飞机、船舶、汽车获取GPS信号一样,具备多源定位校准能力。项目按照计划将分3阶段,在48个月内完成。( 中国海洋报)

水下定位篇2

GPS在水下航行器导航定位系统中的应用

将GPS和电子罗盘进行组合,用于大航程小型自主水下航行器的航向控制系统,介绍了系统的硬件组成、路径规划和导航算法.

作者：杜向党许晖石秀华 Du Xiangdang Xu Hui Shi Xiuhua 作者单位：西北工业大学航海工程学院,西安,710072刊名：振动、测试与诊断 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF VIBRATION，MEASUREMENT & DIAGNOSIS年，卷(期)：200028(Z1)分类号：V211.7关键词：组合导航定位系统航向控制 GPS

水下定位篇3

关键词:砼灌注桩钢筋笼准确定位防止上浮措施

1 保证安装在砼灌注桩中钢筋笼位置的准确的方法

1.1 桩基定位要准确和做好保护桩的工作

在桩施工前,首先要进行桩基位置的定位,桩位的准确是保证桩基及钢筋笼子位置准确的前提条件,这里就涉及到工程施工中桩基的定位的问题,施工员的工作不仅要把桩基的位置找准,而且还要做好保护桩的工作,以备桩基施工钢筋定位等后期使用。施工现场都要出入一些大型工程车辆,一不注意就将事先布置好的保护桩碾压破坏掉,因此在做保护桩的时候,考虑的是不仅能方便恢复桩位点,而且还要尽量避免做好的保护桩遭到破坏。

以上只是最基本的保证桩基位置准确的方法,更重要的是保证钢筋笼在桩基中混凝土位置的准确,下面进行一些简要的介绍。

1.2 护筒的质量、规格要满足施工的要求

钻孔使用的护筒要圆而且制作护筒的钢板不能小于8毫米(冲击钻施工时用的护筒的钢板不能小于12毫米),护筒的直径应比桩基的直径大约200~300毫米左右即可(冲击钻施工时护筒的直径要比上述值适当大些),埋设护筒时使其中心与桩位的中心重合,(规范中规定误差不能超过50毫米,实际操作中要控制在20毫米内),因为护筒是保证钢筋笼位置准确的第一个屏障,钢筋笼子要通过护筒安装进桩基钻孔内。另外护筒周围的回填土要尽量用不易渗水的粘土或煤矸石粉沫等回填,并要夯打结实。防止钻孔施工时外溢的泥浆渗过护筒周围的回填土,从而使护筒的位置倾斜或者发生位置改变。

1.3 做到钻杆中心和桩位中心重合

埋好护筒后开始稳钻机,钻机的基础平台要平整和结实,稳钻机时最重要的是保证钻杆的中心和桩位的中心要重合,并且要保证钻机的竖直,使钻机的磨盘中心和桩位的中心重合为止(通过吊线坠检查两者误差不宜超过10毫米);冲击钻是使其钢丝绳中心和桩位的中心重合,经校和无误后才能制备泥浆准备钻孔。在钻孔的过程,通过保护桩恢复桩位中心,在钻孔时,要经常检查、校和钻杆的中心是否与桩位中心重合。

1.4 壁杆与吊线坠相结合的方法来控制钢筋笼子的位置准确性

为了保证安装后的钢筋笼能在钻孔灌注桩的中心位置,通常在安装钢筋笼之前,用长6m~8m,直径50~80mm的钢管在一端焊接上“?”型的挂钩,制作4～6个壁杆,均匀挂在护筒的四周后,才能开始安装钢筋笼子。在护筒的周围均匀安装4～6个壁杆的目的是能使钢筋笼在壁杆的挤靠下,在钻孔内保持垂直,同时也能有效防止钢筋笼嵌入孔壁的泥里,设计上在钢筋笼周围上焊接几个长几十厘米长的“]”型的钢筋来做混凝土的保护层几乎是没有用的,经过实践检验,壁杆的作用基本上能控制住钢筋笼的位置,使其不会有产生太大的偏差,使钢筋笼子的位置基本上能满足规范规定的要求。精确的控制还要用吊线坠来实现,在安装完钢筋笼后,通过保护桩恢复桩位的中心点,然后抽孔内的泥浆,直到漏出钢筋笼的顶面,在钢筋笼的顶端挂“十”字线,用线坠来校和钢筋笼上挂的“十”字线中心与桩位的中心是否重合,否则用大锤、钢管敲打、撬动钢筋笼的吊筋使其中心与桩位的中心重合为止。但当钢筋笼的顶面至泥浆的上面距离较大时,抽泥浆的方法往往容易造成塌方,因此用吊线坠的方法就不再适用。那么处理方法就是在钻孔之前尽量使桩基位置的标高降低,以减少桩顶与施工地面的高度差。

2 控制钻孔灌注桩中钢筋笼上浮的方法

由于钢筋笼子安装在钻孔的泥浆内,人既看不见也摸不着,在浇注桩基混凝土时,如果操作不当,很容易引起钢筋笼子上浮,造成工程质量事故。现在简单介绍一下浇筑桩基混凝土时,能够有效防止钢筋笼子上浮的方法。

2.1 引起钢筋笼子上浮的几种可能原因

2.1.1 钻孔底部泥渣清理不符合要求

当钻孔深度达到设计标高后,孔内沉渣过深,桩底的泥块也没有完全搅碎和冲出孔外,就将钻头、钻杆卸掉,安装导管。在浇注桩基水下混凝土时,混凝土将沉渣、泥块一起向上顶起,而泥块再混凝土的冲击作用下将钢筋笼子整体托起,造成钢筋笼子的上浮。

2.1.2 浇注混凝土过快

现在很多钻孔灌注桩设计的钢筋笼子都是半笼,(笼子比桩身短几米或十几米)当混凝土面接触到钢筋笼子时,如果继续快速浇筑混凝土,则钢筋笼子在上泛的混凝土的冲击作用下整体上浮。

2.1.3 调整好混凝土的塌落度

一般水下浇注桩基的混凝土塌落度应控制在18~22cm,浇筑桩基的混凝土都要求有很好的和易性与流动性,以此来保证混凝土在浇注的过程中能有很好的“泛浆”。否则混凝土的和易性和流动性不好,浇筑桩基将是十分困难的,先浇筑的混凝土已经快要凝固成整体,而将钢筋笼子整体托起,从而引起其上浮。

2.2 防止钢筋笼子上浮的方法

防止钢筋笼子上浮的方法应从钢筋笼子上浮原因的角度上来处理:

2.2.1 防止桩底泥渣、泥块过多的方法是:在钻孔深度达到设计标高时,不要立即停止钻机转动,而是要空转(吊住钻杆,孔深不增加)一段时间,这期间泥浆坑内的泥浆与孔内的泥浆要不间断的循环,并且要注意,泥浆坑内的泥浆不能太稀,密度要不小于1.2,如果孔底有砂还要进行涝砂工作,待泥浆调均匀、泥块搅碎,方可进行下一道工序的施工,即拔钻杆和安装浇注水下混凝土的导管。

2.2.2 在施工半笼的桩基时,当浇筑的混凝土接触到钢筋时,要将浇注混凝土的速度适当放缓,待浇筑的混凝土高度高出钢筋笼子底面1~2米时,再加快混凝土的浇注速度,这时桩中的混凝土已经将钢筋笼子裹住,钢筋笼子将不会再上浮。另外减导管时,应计算准其底口的位置,使导管口不要处在与钢筋笼子底面相近的地方。因为这样,从上面导管下来的混凝土正好冲击钢筋笼子的底面,从而造成钢筋笼子上浮。

2.2.3 控制混凝土的塌落度与连续性浇筑,也是防止钢筋笼子上浮的有效方法之一

如施工现场搅拌的混凝土,要根据搅拌机的规格、型号,满足规定的搅拌时间要求,即搅拌的混凝土不能太“生”,塌落度也要满足桩基施工的要求;如果是商品混凝土,则要严格控制混凝土出厂时间过长,(尤其在夏季天热的时候,混凝土在运输途中不能过长),这些都是造成混凝土流动性与和易性丧失的原因等。

在浇筑桩基混凝土时,要格外注意的是:当钢筋笼子安装到距离钻机平台较深的位置时,(桩基副孔较深)就要求在浇筑混凝土时,格外注意观察悬吊钢筋笼子的吊筋变化情况,如果看到吊筋有一点儿向上“撺”时,就已经表明钢筋笼子已经上浮了,此时要立即采取措施,放慢混凝土的浇筑速度,反复的用钻机上的卷扬机“慢提快落”导管,即慢慢的将浮出的钢筋笼子带回浇筑的混凝土中,另外在钢筋笼子上焊接一根钢筋标杆漏出泥浆表面,当发现标杆上浮时,也说明钢筋笼子上浮了,此时要立即采取措施,将上浮的钢筋笼子恢复回原位。

水下二次定位系统软件设计篇4

近年来,由于差分式全球定位系统(DGPS)和高精度水声定位技术的飞速发展,为水下以及海底高精度大地坐标的精确测量提供了更先进的技术手段。利用基于GPS定位与水声定位相结合的水下二次定位技术,解决了建立海洋大地控制网,测绘水下地形、海洋资源开发、海洋工程建设、海底地壳运动的监测等各种服务。本文研究的是一种基于GPS定位系统的水下二次定位技术的软件设计。

1 系统结构原理

本文构建的由GPS定位和水声定位相结合的水下定位系统,是利用舰载水声数据采集单元(DAU)作为水下定位的中继站,将水声相对定位技术结合GPS技术由水面定位向水下延伸,形成GPS定位和水声定位相结合的水下定位系统,从而可以直接获得目标的大地经纬度坐标,其定位精度可以保证与GPS水面定位精度在同一量级。本水声测量定位系统采用长基线单向测距方案,DAU根据设定的时间间隔周期触发水下应答器,应答器接收到询问信号后,回应应答信号,经DAU处理后得到该水下目标的斜距和地址码信息。测量数据由RS232口传输给PC机,进行数据融合计算,最终得到目标应答器的大地坐标数据。整套系统具体是由GPS接收机、主控计算机、舰载水声数据采集单元(DAU)、应答器、编码器等组成的一套设备。整个系统如图1所示。

①GPS接收机:利用差分GPS接收机提高舰船水声基站的水上定位精度,为整个系统提供高精度授时和时间基准。

②主控计算机:主要负责GPS数据的接收载基站参数的设置以及对数据的融合处理,是整个定位系统的核心,协调着整个系统的运行。不仅具有实时定位解算和显示、记录目标轨迹及运动参数的功能,而且可以依据海区参数设计最佳阵形及布阵作业方案、系统自检与故障诊断、数据事后处理和回收等。

③数据采集单元:主要是一个水下测距系统,是主控数据处理软件与应答器相联系的桥梁。接收主控数据处理软件的参数设置,可以根据不同的海况和探测范围随时改变信号发射功率和接收增益,与应答器进行水声通信和距离测定,并完成与主控数据处理软件的数据通信。

④应答器:应答器是布放于海底的全密闭式低功耗系统,每一个应答器的组号和ID号(地址码)的值可以根据需求设定。主要包含一套声信号处理装置和射频信号处理装置,当应答器检测出是呼叫自己的组信号时,会利用声纳设备发出回应信号。

⑤编码器:通过射频信号对应答器的组号和ID号进行非电路接触式编程设置,应答器的应用更为灵活。

本技术采用的应答器可以随时随地大量分组布放,通过GPS水面定位和水声定位,经由一定的算法求出其坐标位置,同时对定位数据信息实现了实时动态显示,从而可以对一个较大的区域中的海底状况进行评估。

2 软件实现

该系统的功能是利用GPS和数据采集单元DAU输入来的各种数据,通过水上GPS定位技术与水下水声定位技术结合,以便达到水下应答器最精确的定位,因此主控软件的核心是数据采集和数据处理以及图形显示。主控软件采用Visual Basic开发,由其提供的MSComm控件进行多串口通信,利用COM组件MatrixVB对VB进行扩展,从而调用Matlab算法。后台以Access数据库作为支撑,采用ADO方式连接。

2.1 系统命令流程

本软件开发思路主要是:由多个子功能系统组成一个大系统,各功能系统由菜单连接而成。构成每个功能系统的实体主要有菜单、数据库列表、屏幕、图形、文件报表等。整个软件必须保证数据采集的有效性和正确性,它是其他子功能系统正确的基础,同时提供系统数据的存储和计算;提供各种用户屏幕界面,方便用户的操作;提供轮船运行轨迹和应答器实时位置更新,方便用户对运行航线的实时调整;并可将采集数据输出到文本文件中,方便数据的存储并可打印输出。软件部分功能的主体视图都是布放在主窗口之上,如发射和接收按钮、实时接收到的关键数据显示、绘图显示等。系统的一些附加功能,如串口参数设置、整个测量系统参数设置、接收到的完整信息、数据处理、刷新等,都是建立在Dialog上的,再通过主窗口的菜单项加以调用。

软件的主要功能可概括为三部分:数据采集、数据处理和位置显示。程序设计之前,首先考虑控制命令的流程,再考虑数据流程,最后进行编写。通过传输命令,计算机可以控制整个系统的操作并获得所需要的数据。命令传输过程中,命令流程图如图2所示。首先由主控软件控制GPS的采集,GPS每秒反馈船的位置坐标,与此同时按照作用范围每秒或每两秒发送二进制的组号信息触发DAU,DAU回应包含组号、ID号和测距的二进制信息,软件经过数据融合后进行数据处理、数据存储和图像显示。系统命令流程图如图2所示。

2.2 主体框架

整个软件的功能模块由系统设置、数据采集通讯、数据存贮与管理、位置计算、动态画面监测等主要部分组成。软件的主体界面由文件管理、系统设置、显示、数据处理及帮助等组成,详细结构如图3所示。

2.3 多串口数据的采集

整个软件首先必须保证数据采集的有效性和正确性,因此数据采集的程序流程设计是至关重要的一步,特别是在该系统中,既要支持GPS和DAU同时通过串口高效地采集数据,又要保证每个设备独立工作的有效可靠性。

系统运行时,当设置完GPS接口参数和系统参数后打开连接GPS的端口,GPS设备每秒更新一次导航数据传送给主控软件,在GPS数据质量可靠的基础上判断DAU是否初始化完成,此时如果DAU不处于工作状态则GPS独立工作,如果DAU处于工作状态则通过给DAU一个触发信号来启动水声通信的设备,在等待DAU回应水声数据的一段时间间隔内,通过实时的算法处理将上一轮同步后的水声数据与GPS数据解算出对应的水下目标位置信息。与GPS和DAU的串口采集程序流程图如4所示。

2.4 算法实现

由于应答器是随意布放的,其响应也是随机的。所以说对某一个应答器数据的处理不是一次完成的,因此,在程序处理中,应建立全局变量对数据进行一定的临时保存工作。程序经过不断的循环,对多次接收到的不同的以Group号和ID号为区别特征的应答器数据进行各个独立计算,从而不断修正应答器位置。算法的实现流程如图5所示。

最后,当测量结束后,会有一些后续处理,剔除掉奇异点并通过实时结果的聚类进行重处理以提高解算精度,最后将结果保存并显示。

3 结束语

软件采用Visual Basic开发,利用COM组件MatrixVB对VB进行扩展,调用matlab算法并以Access数据库作为支撑,采用ADO连接方式处理GPS和数据采集单元DAU输入来的各种数据,通过水上GPS定位技术与水下水声定位技术结合,以便达到水下应答器最精确的定位。在硬件基础上通过两次湖试对软件进行了测试,软件工作正常,能够很好地满足水下二次定位系统的需要。

参考文献

[1]Keith Vickery,Acoustic positioning systems-A practical overview ofcurrent systems,Sonardyne[J].Inc.2003.

[2]田甜.水下定位系统关键技术研究[D].西北工业大学硕士学位论文,2008.

[3]李精文,李军.GPS水下定位的水声定位算法[J].华东船舶工业学院学报,1998,12(5).

[4]李明峰,冯宝红,刘三枝.GPS定位技术及其应用[M].北京:科学出版社,2006.

水下定位篇5

关键词：超短基线,侧扫声呐,水下定位

0引言

南方电网主网与海南电网联网系统 (以下简为 “联网系统”) 于2009年6月30日建成投产, 联网系统在琼州海峡敷设了3根单相海底电缆, 作为南方电网主网与海南电网的联络线。受狭管效应影响, 琼州海峡常年海流较大, 而海底电缆部分海域海床为泥沙底质, 易因海水冲刷而使海底地形地貌产生巨大变化。同时琼州海峡是国内最繁忙的航道之一, 船舶抛锚现象较为频繁。为及时了解海底地形地貌的变化情况, 确保海底电缆安全, 需定期使用侧扫声呐系统对海底电缆路由海域开展地形地貌测量。为获取精度较高的测量数据, 需精确定位侧扫声呐的拖鱼在水下的位置。目前国内常见的定位方法是利用水声传感器对拖鱼进行位置测量, 并辅助其他姿态传感器, 可以得到较高精度的拖鱼位置信息。

1超短基线系统定位原理

超短基线定位系统主要由发射基阵、应答器、接收基阵和数据处理单元组成 (其结构框图如图1所示) , 实际生产中一般将发射基阵、接收基阵制作到同一探头内形成收发基阵。将至少3个收发基阵安装到船体不同位置, 应答器安装到拖鱼本体。系统通过测定各接收基阵接收到的信号相位差来确定接收基阵到拖鱼的相对方位角;通过测定声波到接收基阵的时间, 再利用声速剖面修正波速线, 最终确定接收基阵到拖鱼的相对距离, 从而确定拖鱼的相对位置。

应用由3个收发基阵组成的最简单的超短基线系统, 原理如图2所示。

采用直角三角形基阵, 直角边的阵元间距为d, X轴指向船首方向, 3个基阵的坐标如图2所示, 分别为 (0, d, 0) 、 (0, 0, 0) 、 (d, 0, 0) , 拖鱼上的应答器坐标为 (x, y, z) , 以位于坐标原点的基阵为基准点, 可以计算得到和其他2个基阵的相位差计算公式:

由于在实际生产中斜距r远大于阵元间距d, 因此可推导出公式 (8) 、 (9) :

式中, λ为接收到的声波波长;v为接收到的声波在水中的传播速度;Δt为拖鱼上的应答器发出声波后, 声波被船舶上的接收基阵接收到的时间间隔。

公式中, 相位差φ12、φ23可以使用仪器测量得到, 声波的波速v、时间间隔Δt也可以测量得到, 因此可以计算得到斜距r, 而声波波长λ为已知量, 将上述数据代入公式 (8) 、 (9) 、 (3) , 最终可计算得到拖鱼的坐标值 (x, y, z) 。

2超短基线定位系统应用中的误差分析

根据图1可以了解到超短基线的数据来源主要有DGPS、船载姿态传感器、收发基阵等, 因此在实际应用中, DGPS/船载姿态传感器的稳定性和可靠性、水下作业环境、海况都是超短基线定位系统的主要误差来源。为尽可能减少误差, 提升系统定位精度, 需首先明确超短基线定位系统的误差来源, 进而才能尽可能降低显著误差, 取得良好的测量结果。通过分析总结, 超短基线的误差主要来源于以下2类:

(1) 校准误差。超短基线定位系统的坐标由DGPS系统提供, 同时船舶姿态传感器提供船舶实时摆动参数。上述系统在实际使用过程中存在的误差将直接影响超短基线定位系统的精度。同时在实际操作过程中, 受航速、潮流影响, 拖鱼上应答器与收发基阵之间的位置关系在不断变化, 导致收发基阵之间的相位差也在不断变化, 也会影响系统的定位精度。

(2) 环境误差。声波在水下传播过程中, 受海洋环境影响, 将会产生反射、散射、折射、扩散等物理现象, 上述情况都将影响测时准确度。同时声波在不同温度、盐度、深度海水中的传播速度不同, 因此需根据实际情况, 建立声波传播通道的详细模型, 计算声线传播的详细轨迹, 得出收发基阵和应答器之间几何斜线和相位差之间的准确关系。

3结语

随着联网系统二回建设、海南核电逐步投产, 对海底电缆的运行和维护要求将越来越高。对于侧扫声呐拖鱼的水下精确定位将是海底电缆运维工作的一项重要研究课题, 本文对于超短基线定位系统应用于侧扫声呐拖鱼的水下精确定位进行了初步的探讨, 但是由于水下定位工作的复杂性, 如何有效提高超短基线定位系统对拖鱼的水下定位精度, 还需开展深入研究。

参考文献

[1]庄杰枣, 王绍智, 郑铁民, 等.侧扫声呐探测的若干问题[J].海洋测绘, 1996 (4)

[2]罗声荣.侧扫声呐和多波束测深系统在海洋调查中的综合应用[J].海洋测绘, 2003 (1)

[3]邢志伟, 于开洋, 王晓辉.超短基线定位系统在ROV动力定位中应用的可行性研究[J].机器人, 2002 (6)

[4]黄俊峰, 邢志伟, 李一平.基于超短基线的缆控水下机器人动力定位[J].控制工程, 2002 (6)

基于单片机的水下机器人定位系统篇6

本课题研究的机器人工作在大约40 m深的浆液下,为了防止水煤浆由于长时间的存贮而沉淀,他能在按照预先规划的轨迹行走时完成搅拌功能。在这种条件下,一个很重要的问题就是机器人定位功能的实现,用来实时了解其具体位置。本机器人定位系统采用多路超声波传感器测距,然后采用三点定位法[1],把测距信息转化为机器人的位置信息。超声波作为一种无接触检测方式,与激光、红外以及无线电测距相比,在水煤浆中可以比较容易地穿透水煤浆达到测距的目的,且精度较高。

1 超声波测距系统

1.1 超声波测距原理

超声波测距原理一般采用时间度量法,计算公式为:

$D = v t (1)$

式中D(m)为超声波传播的距离,v(m/s)为超声波在介质中传播的速度,t(s)为超声波在介质中传播的时间。而超声波在介质中传播的速度由介质的性质和温度T(℃)决定,由此可得到水中超声波的波速[2]为:

$v = 1 449.2 + 4.623 Τ - 0.054 Τ^{2} (2)$

1.2 超声波测距的硬件系统

系统硬件框图如图1所示,其设计为分布式控制系统。在本系统中USR1为超声波发射传感器,USR2,USR3,USR4为接收传感器,他是型号为JSS-03的液下专用超声波传感器,该传感器既可做接收用同时也可做发射用,其灵敏度高,额定脉冲工作电压高,瞬时输出功率大。温度传感器选用DS18B20[3],该传感器具有单总线、抗干扰、测温范围宽(-55 ～+125 ℃)、适合远距离恶劣环境测温的特点。在本系统中使用的单片机(MCU0,MCU1,…MCU4)均选用51系列单片机AT89C52。

当系统处于工作状态,由MCU0每隔3 s产生一个脉冲,信号经过放大激发信号发生器ST-3A,然后触发超声波发生器USR1;同时给MCU2,MCU3,MCU4的中断INT0一个低电平,使他们开始计时。当接收超声波传感器接收到发射超声波传感器发出的信号后,立即把产生的接收信号传给单片机,中间的信号调理过程为一级放大(放大100倍)、带通滤波、二级放大(放大50倍)、电压比较、光电隔离,其中电压比较的基准电压可调,当信号电压高于基准电压时使MCU的INT1中断。INT0中断和INT1中断的时间间隔即为发射与接收传感器间的时间,他存储在单片机固定的RAM中。而温度传感器DS18B20是分时完成对环境温度的测量的,采用严格的时序单片机进行双向通讯。单片机把温度信息存在他的固定RAM中。

1.3 超声波测距的软件系统

要完成对机器人的位置信息的测量就要求把存储在单片机RAM内的时间信息和温度信息采集到上位机中,然后把这些信息融合起来得到机器人的确切坐标。工控机与下位机采用串口通讯方式,通讯协议为MODBUS协议。同时上位机采用VC 6.0作为开发工具,工控机的软件程序采用模块化编程,程序主要由串口通讯模块、三点定位模块、数据库模块及界面模块组成,其循环通讯的流程如图2所示。

2 实验

2.1 实验准备

为了验证程序的可靠性和对比两种超声波发射传感器在定位过程中的效果,做了水下定位实验,该实验是在9 m×7 m的长方形水池中进行的,水深25 cm左右。在实验之前在水平面内建立直角坐标系,同时在r=3 300 mm的圆周上均匀放置三个超声波接收传感器,其坐标(单位:mm)分别为(3 300,0)、(-1 650,2 858)、(-1 650,2 858),在实验过程中超声波发射传感器在此圆周内移动。

根据以前一系列的实验结果,在本次实验的软件系统中对测距程序按下式进行了修正:(单位:mm)

$y = (x - 240) / 1.083 6 (3)$

2.2 实验结果

(1) JSS-03型超声波发射传感器

该传感器的最佳发射频率为10 kHz,发射面为一个平面,波束角为60°,其指向性很强,在此定位系统中,3个接收传感器都能够收到该发射传感器的信号,但在其波束角内的接收传感器接收的信号比其他两个强,这就影响了接收传感器触发时的灵敏性。

如图3所示,中间的实线圆为经过非线性优化过的发射传感器的移动轨迹,半径为3 204 mm,这些定位点分散在轨迹圆的周围,外侧的虚线圆为偏离原点最远点所在的圆,内侧的虚线圆为距离原点最近的点所在的圆,最大误差为8.08%,这些误差主要来自于发射中心产生的误差和测距产生的误差。

(2) LYF-20型圆周发射传感器

复制的最佳发射频率为22 kHz,发射面为圆柱面,他的优点就是对于三个接收传感器而言发射中心是固定的,并且他们接收的信号强弱一致,但他的指向性不强,由于信号分散,故其发射的信号弱于JSS-03型传感器。如图4所示。由于从发射源头就避免了发射中心产生的误差,所以他的定位精度较高,主要误差来自于测距误差,其优化后的轨迹圆半径为3 154 mm,最大误差为3.78%。在此可以看出,频率对超声波的测距是有很大影响的,频率越大,精度越高。

3 结语

从实验结果看出,定位系统是可行的,有较高的可靠性,并且本系统的实时性可达1 s,其精度也可以达到我们预期的效果,但是硬件系统还有提升的空间。研究内容对水下机器人的定位,信号的采集,数据的远距离传输等都有参考价值。

摘要：水下机器人的定位系统利用超声波传感器获取距离信息,同时采用三点定位法计算出位置坐标。利用单片机存储时间信息和温度信息,并将这些信息实时传送到工控机程序完成定位。最后,通过实验获取了超声波的定位数据,并采用非线性优化的方法对数据进行了分析,得到两种不同发射传感器的定位精度,对以后改进系统和提高定位精度都有参考价值。

关键词：超声波,水下定位系统,单片机,测距

参考文献

[1]俞竹青.那须康雄.超声波网络导航中移动机器人的位置计算[J].机器人技术及应用,2002(3):36-39.

[2]桑金.水深测量中的声速改正问题研究[J].海洋测绘,2006,26(3):17-20.

水下定位篇7

在水下定位技术方面,目前普遍使用长基线、短基线和超短基线等水下声定位系统。但由于这些系统在布设、校准和维护等方面都比较困难,费时耗资,灵活性差,不能机动,作用范围有限,无法满足水下航行器的导航、以及高精度水下绝对定位的要求[1]。惯性导航系统(INS,以下简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。但是也存在以下缺点:(1)定位误差随时间而增大,长期精度差;(2)每次使用之前需要较长的初始对准时间;(3)设备的价格较昂贵。法国ASCA公司开发了全球第一套水下GPS目标跟踪系统用于水雷对抗、水下搜救和水下哑弹爆破,近期又利用该项技术进行海洋水下导弹试验和水下军事平台建设。文献[2]提出了一种基于GPS的水下高精度立体定位导航系统,主要对系统组成、主要功能和应用前景进行了介绍,但未对系统的总体误差进行分析。

本文在探讨GPS定位原理和水下超声定位原理基础上,将文献[2]给出的系统进行简化,提出了一种基于GPS导航卫星实现水下定位的实现方法,通过分析GPS定位误差,以及水下定位误差,得到了这种定位方法的总体误差,证明了这种方法的有效性。

1系统总体构成

1.1卫星导航系统现状

目前,主要的卫星定位系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO和中国的北斗卫星导航系统。

GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等军事目的。到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座即已布设完成。

GLONASS系统由24颗卫星组成,精度在10 m左右,军民两用,设计到2009年底服务范围拓展到全球。

GALILEO系统是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统,它的基本服务有导航、定位、授时,特殊服务有搜索与救援,将从2014年起投入运营。

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,已成功发射九颗北斗导航卫星。预计在2012年建成区域性导航系统,在2020年左右建成全球卫星导航系统。

上述卫星系统均能够成为基于导航卫星实现水下定位的天基部分,但就目前各系统的可用性,以及相关设备使用的普及型而言,GPS导航系统是其中佼佼者。因此,本文立足GPS系统构建一个水下定位系统。

1.2基于GPS水下定位系统组成

系统主要由GPS卫星星座、水上GPS浮标、安装于水下用户的超声波接收器组成。其中,水上GPS浮标安装有GPS接收机和超声波信号发生器。系统具体结构如图1所示:

系统工作时,水面GPS浮标通过接收GPS信号进行精密定位,获取准确位置,同时作为水下用户的定位信号源,利用超声波发出定位信号,与GPS卫星定位同理,须使用4个浮标为水下用户提供定位信息。

具体工作流程为:

(1) 水下用户发出定位请求;

(2) 水面GPS浮标对信号进行精确时延估计,将结果会同GPS定位数据等信息进行解算;

(3) 水面GPS浮标将解算结果发给水下接收装置;

(4) 水下用户利用上述信息解算出自己位置。

2用户定位原理

从上述分析可以看到,水下用户定位过程包括水面浮标的GPS定位和水下用户的超声波定位两个过程。

2.1GPS定位原理

2.1.1 利用到达时间测距

假定有一颗卫星正在发射测距信号。卫星上的一个时钟控制着测距信号广播的定时。这个时钟和星座内每一颗卫星上的其他时钟与一个记为GPS系统时的内在系统时标有效同步。用户接收机也包含一个时钟,暂定其与系统时同步。定时信息内嵌在卫星的测距信号中,使接收机能计算出信号离开卫星的时刻,由此,可计算出卫星至用户的传播时间。将其乘以光速便求得卫星至用户的距离R。将把用户定位于以卫星为球心的球面上的某一地方。

当利用三颗卫星进行上述过程,便将用户同时定位在三个球面上,易知三球交于两个点。然而,其中只有一个是用户的正确位置。对于地球表面上的用户来讲,显然离地面最近的一点是真实位置。

2.1.2 确定卫星到用户的距离

确定矢量u,代表用户接收机相对于ECEF坐标系原点的位置。用户坐标xu,yu,zu未知。矢量r表示用户到卫星的偏移矢量。在ECEF笛卡尔坐标系中卫星位于坐标xs,ys,zs。矢量s代表卫星相对于坐标原点的位置。矢量s由卫星广播的数据计算。卫星距用户矢量r是

r=s-u (1)

矢量r的幅值为:

‖r‖=‖s-u‖ (2)

Tu表示接收机时钟与系统时之间的偏移,δt表示卫星时钟与系统时之间的偏移,c为光速,Δt为传播时间。

几何距离为:

r=cΔt (3)

伪距为:

ρ=r+c(Tu-δt) (4)

2.1.3 用户位置的计算

由上述内容可得方程组

$ρ_{i} = \sqrt{(x_{i} - x_{u})^{2} + (y_{i} - y_{u})^{2} + (z_{i} - z_{u})^{2}} + c t_{u}$ ;

i=1,2,3,4 (5)

式(5)中未知量为xu,yu,zu,tu。带入其余数值,可以计算得出。

2.2水下定位原理

声波可在水下传播,超声波是水下测距的重要手段。振动频率高于20 kHz的声波称之为超声波。超声波具有方向性强、反射性强和功率大的特点,因此超声技术的应用几乎遍及工农业生产、医疗卫生、科学研究及国防建设等方面。超声波是一种弹性机械波,它在水中可实现远距离传播,所以在声纳、超声波鱼群探测仪等方面得到了广泛的研究和应用,本文水下定位采用的即为超声波技术。

由GPS浮标接收到GPS信号后,系统及时计算出浮标位置,借助超声波发给水下用户,水下用户通过类似于GPS定位原理的计算,得出自己位置。

2.3其它问题

在实际进行水下定位时,还须考虑卫星发射电磁波的能量问题,水下用户的防水工艺问题,以及水面风浪产生误差等,因篇幅关系,本文不对上述误差进行更进一步地探讨。

3误差分析

3.1GPS误差精度分析

为了分析各种误差对精度的影响,通常要作一种基本的假设,即将误差源归属到卫星的伪距中,并可看成伪距值的等效误差。伪距值的实际精度称为用户等效距离误差(UERE)。对于某一颗给定卫星来说,UERE被视为与该卫星相关联的每个误差源所产生影响的统计和。

由GPS确定的位置/时间解的精度最终表示为几何因子与伪距误差因子之积。

在适当假设的条件下,伪距误差因子即卫星的UERE,几何因子表示卫星/用户的相对几何布局对GPS解的误差的复合影响。一般地,将它称为与卫星/用户几何布局相关联的几何精度因子(DOP)。

系统总UERE由来自每个系统区段(空间段、控制段和用户段)的分量组成。这种预算是在用单频测量值或双频测量值测定电离层延迟的条件下预定的(本文讨论的是双频测量)。对这些误差分量取平方和的平方根(RSS)以形成系统总UERE。

表1示出了对典型的当前UERE预算所做的估计值,双频用户可利用技术几乎完全消除由电离层延迟引入的误差。

DOP概念的意思是,由测量误差引起的位置误差取决于用户与卫星仰角之间的相对几何布局。在GPS中,精度因子参数是由cov(dx)各分量之和与σUERE之比来定义的。在计算DOP时进行了以下两点假设:

(1) 用户/卫星几何布局被认为是固定的。

(2) 在cov(dx)和dx的规范中使用的是本地用户坐标系。即,正x轴指东,y轴指北,z轴指天。

则有如下公式存在:

在SA政策取消后,全球范围内双频PPS三维位置误差日均全球性能为4.5 m(95%)[4]。

3.2水下定位误差分析

经探测,浮标至水下接收机的距离为l,声速为v,发射到接收间隔时间为t,有:

l=vt (7)

对式(7)两边微分,得

dl=tdv+vdt (8)

则易得,水下定位的精度是由时间和声速两个参数的精度决定。如将v看作常量,则上式简化为

$d l = v d t = \frac{v}{f}$ (9)

由于在水下,受到海水干扰,声波分辨率约为100 μs,而声波在海水中的速度约为1 531 m/s(25 ℃),所以水下误差约为0.15 m。由于各GPS浮标之间相互独立,故总误差应是其平方和的平方根。

$σ = \sqrt{σ_{1}^{2} + σ_{2}^{2} + σ_{3}^{2} + σ_{4}^{2}} = 0.3 m$ (10)

即水下定位的平均误差约为0.3 m。

3.3系统总误差分析

系统产生误差的原因有很多,例如水上风浪误差、由于水温变化造成水中声速不稳定产生的误差、机器设备的仪器误差等,本文的主要目的是阐述水下定位的系统模型,并进行简要的误差分析,故暂且忽略上述误差源,仅作大体误差分析。

由于确定水面GPS浮标位置的过程与确定水下用户的过程相互独立,所以有

σ总 $= \sqrt{σ_{浮标}^{2} + σ_{用户}^{2}} = 4.51 m$ (11)

显然,这个误差是在用户可接受范围内。

4结束语

本文在探讨GPS定位原理和水下超声定位原理基础上,提出了一种基于GPS导航卫星实现水下定位的实现方法,通过分析GPS定位误差,以及水下定位误差,在假设水面GPS浮标定位过程与水下用户定位过程相互独立基础上,计算了总体定位误差,计算结果表明:总体定位误差为4.51 m,这对于例如水下搜救等绝大多数民用功能,和水雷对抗、和水下哑弹爆破等部分军用需求是比较有效的[5]。

参考文献

[1]张红梅,赵建虎,杨鲲,等.水下导航定位技术.武汉大学出版社,2010

[2]王泽民,罗建国,陈琴仙,等.水下高精度立体定位导航系统.声学与电子工程,2005;2:1—3

[3] Taylor J,Barnes E.GPS current signal-in-space navigation perform-ance.Proc of the Institute of Navigation National Technical Meeting,San Diego,A,January 2005

[4] Elliott D,Hegarty J.Understanding GPS principles and applications,second edition.Beijing;Publishing House of ElectronicsIndustry,2007

水下定位篇8

1 实时性效果好的虚拟长度的基线测量

用于水面下的GPS定位系统, 由于水面浮标的位置是固定的, 因此可以通过利用水面浮标搭建一个水面基准平面, 在利用此系统之前, 需要对水面的浮标做个精准的测量, 保证水面浮标的精准坐标, 这个工作是保证GPS定位系统可以正常工作的基础。由于科技技术的高速发展, 现在通过GPS-RTX技术可以达到厘米级以上精度, 对于水下定位的GPS定位系统而言, 我们可以认为该系统是个没有误差的已知点。而对于该项系统来说, 我们实际上采用了两个以上的不同的虚拟坐标基准线。虚拟的水面基准平面实际上是利用不同的浮标接收到水下面的水声信号的时间点对应的位置来建立对应的基准平面。

2 水声推迟和系统时钟同步测量

GPS系统设计的关键技术的系统时钟必须是高精度的同步。GPS系统通过单方向的主动定位方法来保证实时的定位水下的物体具体坐标。单方向的主动定位方法也就是通过水下面的目标发送信号, 而在水上面的浮标接收刚刚发射的水声定位信号, 系统记下不同浮标接收到水声信号的时间点, 然后利用已经编写好的程序, 建立相应的模型对水下面的物体进行定位。

根据以上分析知, 时钟同步技术对于保证GPS系统精度是相当关键的。假如每个浮标的是时钟不是在同一时刻, 则系统建立的虚拟基线将出现误差, 因而系统计算信号到达的时间也将出现误差。

3 系统建立定位数学模型

GPS系统通过编写相应的程序, 利用双曲线的性质, 建立双曲线定位水下目标模型来搭建系统的定位模型。双曲线定位模型具有存在奇点的不同全局的特点, 且双曲线定位模型反应快速, 稳定, 实时效果好。但是如何才能搭建好相应的双曲线定位模型一直困扰着很多学者, 即使搭建了模型, 因为现有水平的限制, 往往搭建的系统的稳定性并不是特别的好。因而如何才能在现有的技术水平下搭建一个稳定的双曲线模型也是保证系统正常工作的关键技术。

4 GPS系统随机误差跟系统误差分析

GPS水下定位系统误差包括两种, 即水面建立基准线带来的误差和水下测量目标带来的误差。通过分析GPS水下定位系统建立的双曲线定位模型的误差和各种测距的环境因素带来对测距和定位精度的影响, 结合所有的影响因子对测距误差的影响过程, 调整系统的模型和相应的参数, 可以在一定程度上改变系统的定位精度, 提高GPS水下定位系统的测距精度和稳定性。

GPS水下系统有GPS测量误差、浮标在水面的不同位置带来的测量误差、声音在水下传播带来的测量误差、声线变形误差等几种。

其中, 水面基准线的误差是由于GPS测量误差和浮标在水面不同位置跟形状引起的;而水里面的目标的测量误差则是声音在水下传播速度变化带来的。

5 声音在不同介质层的传播问题

声音在水水中传播速度作为GPS水下定位系统中测距的固定量, 但是实际上, 声音在不同的含盐量的水中传播速度不同, 且即使是在同一种含盐量的水中, 由于海水温度的时刻改变和海水不同深度下的压力不同, 声音在水中传播的速度也是不同的。因而要精确的对声音在海水中的传播速度给出具体的测量值具有很大的难度。要消除声音在海水中的传播速度带来的误差基本上是不可能的, 因而要很精确的对水下的物体做出精准的定位也有一定的难度。如何构建一个实时性效果好的系统及时的测量声波在海水中的测量速度, 最大限度的减小因为声速带来的误差也是GPS水下定位系统应该考虑的问题。

6 准确及时的水声信号接收系统

由于检测环境的多样性, 水下目标的信号可以通过多种办法传递给GPS水下定位系统的接收端, 而且由于海水中噪声场的时刻变化也会给GPS水下定位系统接收定位信号带来困难, 因而如何才能高效的接收到定位信号, 避免定位信号的漏接, 或者接收到错误的定位信号, 都是保证GPS水下定位系统准确运行的前提。

7 多通道同时进行无线电数据通信

因为水面上的多个GPS浮标是同时工作的, 当GPS浮标接收到信号时都需要及时反馈接收到的信号给GPS水下定位系统, 而采用并行的通信方式可以保证GPS水下定位系统在同一时刻及时的接收到多个GPS浮标信号, 做到不遗漏任何一个多个GPS浮标信号。

8 GPS水下定位系统软件系统集成

GPS水下定位系统采用两个基地同时主动的并行工作的方式, 水下的目标物体的定位是在船体的控制中心进行处理计算的, 船体的控制中心不仅需要时刻检测系统的每个部分的工作情况, 还要及时处理浮标反馈回来的信号, 通过程序计算出水下目标的具体位置, 并通过串口或者CAN总线等方式进行数据通信。船体上的控制中心控制船体上的所有的工作, 因而软件集成的高效性和稳定性在一定程度上影响到GPS水下定位系统的稳定性。

参考文献

[1]蔡艳辉.差分GPS水下定位系统集成关键技术研究[D].辽宁工程技术大学, 2007.

[2]蔡艳辉.GPS动态定位—精密单点定位和整周模糊度搜索方法研究, 中国测绘科学研究院硕士论文, 2003.

[3]喻国荣.基于移动参考站的GPS动态相对定位算法研究, 武汉大学博士论文, 2003.

水下定位篇9

1 机器人定位系统的总体设计思路

在水下机器人高精度定位系统中,为了完成信号的通信与定位功能,系统主要包括信号发射板、定位模块、数据采集模块、通信模块、电子罗盘以及基于机器学习的水下机器人高精度定位模块,系统的结构逻辑设计图用图1 进行描述。

2 系统的主要硬件设计

2. 1 信号发射板的设计

信号发射板要负责在水下产生需要的调制信号,因为水下干扰往往较大,因此还需要带有信号处理功能和滤波功能。其硬件主要包括AT89S51 单片机用于进行信号的处理、RAM存储器存储水下数据、D/A数模转换器对水声新号进行模拟信号到数字信号的转换、低通滤波器用于过滤水下噪声、电源供电,具体硬件组成如图2 所示。

信号发射板的控制单元是AT89551 单片机,其和标准MCS-51 指令系统以及80C51 引脚结构兼容,芯片集成8 位中央处理器以及IPSFlash存储单元,能够为本文研究系统提供高性价比的解决方案。数模转换器采用的是TI公司生产的TLv5619,其本身具有微处理器,其双缓冲结构能够使输出得到锁存。

2. 2 水下距离数据采集模块

水下的距离数据采集模块是系统的重要组成部分,其性能的好坏直接影响了系统的机器人定位性能和定位精度。水下距离采集主要通过发送回波信号,利用回波信号的采集,实现数据搜集。该模块包括供电电源、数据上传模块、模拟信号调理模块、数据采集处理模块、A/D转换器。数据采集模块和接收换能器共同实现水下回波定位信号的接收与处理,具体硬件结构用图3 进行描述。

为了节约设计成本,图3 中的模拟调理部分采用MAXIM公司生产的OP37GP集成运算放大器。A / D转换器采用TI公司生产的ADS78n。在进行数据采集和处理的过程中,需对A/D转换器采集的数据进行实时处理,再发送至上位机,因此数据采集模块的中央处理器必须达到实时要求,同时也需具有高精度、大动态范围因此选择美国TI公司的TMS32OC3X系列浮点数字信号处理器TMS320VC33 作为本模块的中央处理器。

2. 3 水下机器人通信模块的硬件设计

通信模块主要负责水下机器人与地面基站的通信,同时解算出信号,实现各模块的数据交换,具体硬件结构用图4 进行描述。

通信模块和水上主机的通信采用异步串行通信方式,这里,将T1 公司生产的高性价比TL16C55O作为水下机器人异步通信芯片,对各模块接收的数据进行串行并行的转换。TL16C550 和水上上位机之间的串行通行接口标准采用的是RS-232C标准。将ADI公司生产的ADMZOZE作为电平转换芯片,其能够完成两路TTL电平与RS-232 电平的双向转换,使用简单方便。

2. 4 机器人定位模块的硬件设计

定位模块是水下机器人定位系统的核心模块,主要通过传感器和短基线的定位声纳,实现水下机器人的定位功能,具体硬件结构用图5 进行描述。

采用上海直川科技生产的ZCT260JS-LQQ-1A型数字双轴倾角传感器,其体积小,便于水下机器人的使用。电子罗盘采用迈科公司生产的HCM365V三维电子罗盘。压力传感器采用OMEGA公司的PX409 系列电子气压传感器,其具有很高的高精度,满足机器人水下定位系统的需求。压力传感器依据水下机器人所处位置的压力与水面压力差对其深度进行确定。短基线定位声纳主要包括3 个水听器与一个应答器,能够精确地获取水下机器人的经纬度信号。

3 机器学习在水下机器人定位过程中的引入

所谓机器学习,是指在水下机器人定位过程中,定位系统能够智能化地处理干扰信息,最大程度降低外部干扰对定位过程造成的影响。这里,采用支持向量机的抗干扰信号分类过程,作为机器人水下定位系统中,机器学习的主要算法。机器人水下定位过程,面临采集的海量带有大量干扰的定位信息,可采用. -不敏感损失函数的支持向量回归模型,使得机器人可以对信息进行自主分类,实现干扰的自动排除。具体实现过程如下:

采用式( 1) 描述可代表外部水下不定干扰的非线性回归函数。

式( 1) 中,ω 为角动量,b为常数。

对采集到的包含干扰的定位数据集进行拟合:

式( 2) 中,( x1,y1) ,…,( x1,y1) 为各干扰数据坐标点位置。

拟合误差函数采用 ε-不敏感损失函数

式( 3) 中,y为数据之间的距离。

引入信息分类核函数

式( 4) 中,φ( x) 为两点之间的相位差。

经非线性映射 φ( x) 将x映射至高维特征空间中,实现线性回归。

将径向基函数看作是支持向量机模型的核函数,信息分类计算:

引入上下松弛因子 ξi,ξi*,对机器人水下定位问题进行误差最小化建模。

式中,ξi为重要性因子,ξi** 为状态可能值的重要性因子。