[發(fā)明專利]基于MEMS姿態(tài)傳感器的水下面形變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710394850.8
• 申請(qǐng)日: 2017-05-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107339969B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳家旺;徐春鶯;朱黃超;張永雷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B21/32
• 分類號(hào): G01B21/32
• 代理公司: 杭州中成專利事務(wù)所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發(fā)明涉及水下地形測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，旨在提供一種基于MEMS姿態(tài)傳感器的水下面形變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括：主控計(jì)算機(jī)、水下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和多個(gè)并列的帶狀傳感器陣列；每個(gè)傳感器陣列的外部均由封裝材料密封，內(nèi)部包括通過(guò)柔性接頭連接的多節(jié)矩形管；每節(jié)矩形管中布置一個(gè)MEMS姿態(tài)傳感器，各MEMS姿態(tài)傳感器通過(guò)電纜連接采集單元，后者與水下總控單元相連。本發(fā)明構(gòu)建三維海底地形矢量模型的原始數(shù)據(jù)來(lái)源是由姿態(tài)信息(四元數(shù)形式)，能同時(shí)檢測(cè)純水平運(yùn)動(dòng)的情況。采用矩形管有效防止扭轉(zhuǎn)，對(duì)海底等需采用機(jī)器布防領(lǐng)域具有較大意義。可以直接測(cè)量水下地形地貌，有效地提高測(cè)量的速度以及降低成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下地形測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于MEMS姿態(tài)傳感器的水下面形變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

海洋約占地球?qū)⒔姆种谋砻娣e，同時(shí)我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，擁有近300萬(wàn)平方公里的海域面積。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人口的不斷膨脹，對(duì)能源的需求不斷增加，人們已將目光投向海洋，對(duì)海洋資源的勘測(cè)、開(kāi)發(fā)、利用已成為必要。然而一方面，海洋較陸地環(huán)境復(fù)雜，勘測(cè)設(shè)備在深海中可能發(fā)生表面變形，造成設(shè)備無(wú)法正常工作，甚至報(bào)廢；另一方面，人們對(duì)海底地形了解甚少，直接開(kāi)發(fā)將會(huì)付出很高代價(jià)，并且在開(kāi)發(fā)過(guò)程中也可能出現(xiàn)地形的塌陷，造成水下工程的癱瘓等事故。因此，對(duì)于水下面形變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義，是迫切需要的。

目前采用的水下地形地貌測(cè)量方法主要是通過(guò)測(cè)深技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，大致分為竹竿鉛垂原始測(cè)深、單波束回聲測(cè)深儀常規(guī)測(cè)深以及多波束測(cè)深系統(tǒng)三個(gè)階段。常規(guī)的單波束測(cè)深儀只能得到測(cè)量船正下方的水深，獲取的地形數(shù)據(jù)量少，測(cè)量所需時(shí)間長(zhǎng)。多波束測(cè)深系統(tǒng)集測(cè)深與側(cè)掃聲吶功能于一身，相比于單波束具有測(cè)量范圍大、速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是多波束測(cè)深系統(tǒng)獲得的是水底多個(gè)點(diǎn)的水深值，隨著測(cè)量船的前進(jìn)，測(cè)得一條帶狀大量的水深數(shù)據(jù)，再通過(guò)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供的測(cè)量船的坐標(biāo)，最終利用專業(yè)軟件得到測(cè)區(qū)內(nèi)的水下地形圖，其體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、勘測(cè)成本高，測(cè)量范圍有限。

加拿大MEASURAND公司的ShapeAccelArray(SAA，陣列式形狀測(cè)量系統(tǒng))產(chǎn)品是一種可以被放置在一個(gè)鉆孔或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形監(jiān)測(cè)傳感器。它由多段連續(xù)節(jié)(segment)串接而成，內(nèi)部由微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)組成。該系統(tǒng)可應(yīng)用與邊坡滑移遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)及相關(guān)地形監(jiān)測(cè)。但是，一方面，該陣列的結(jié)構(gòu)為圓管形，在布防過(guò)程中須防止其發(fā)生扭轉(zhuǎn)，距離越長(zhǎng)，發(fā)生扭曲的概率越大，即實(shí)際操作中須保證陣列的方向標(biāo)記“x-mark”對(duì)齊。而在海底，只能通過(guò)ROV(遙控?zé)o人潛水器)進(jìn)行布防與安裝，其要求將增加布防的難度；另一方面，該陣列的傳感器是加速度傳感器，對(duì)于水平布防時(shí)，只能監(jiān)測(cè)二維的變形情況，即純水平運(yùn)動(dòng)(水平位移)時(shí)無(wú)法有效檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于MEMS姿態(tài)傳感器的水下面形變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

提供一種基于MEMS姿態(tài)傳感器的水下面形變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括主控計(jì)算機(jī)、水下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和多個(gè)并列的帶狀傳感器陣列，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)水下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元與各傳感器陣列相連；其特征在于，所述傳感器陣列具有下述結(jié)構(gòu)：

每個(gè)傳感器陣列的外部均由封裝材料密封，內(nèi)部包括通過(guò)柔性接頭連接的多節(jié)矩形管；每節(jié)矩形管中布置一個(gè)MEMS姿態(tài)傳感器，各MEMS姿態(tài)傳感器通過(guò)電纜連接采集單元，后者與水下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元相連；

所述MEMS姿態(tài)傳感器是9軸姿態(tài)傳感器，包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力儀，能將獲得的加速度、角速度與磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以得到姿態(tài)信息，并將其顯示為歐拉角或四元數(shù)的數(shù)據(jù)形式。