CN114995395A - 高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统、方法及终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量艇姿态调整技术领域，公开了一种高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统、方法及终端，在无人艇上集成多种高精度传感设备及执行机构，在大阻力条件下实时的进行姿态测量和传感器方位调节；采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态以及控制参数，并在输入时计算传感设备调整量；在计算过程中，利用推估算法修正调整量，计算结果反算调整无人船控制，形成闭环反馈。本发明通过在无人艇上集成了多种高精度传感设备及执行机构，可实时在大阻力条件下进行姿态测量，保证调整量的准确、稳定和预判性；利用传感器方位调节，保障了数据的真实、准确、有效。

Description

高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统、方法及终端

技术领域

本发明属于测量艇姿态调整技术领域，尤其涉及一种高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统、方法及终端。

背景技术

随着无人船产品的日益完善，无人船在水域的各类应用日渐增多，应用场景也不断扩大。然而针对高流速水域，大面积区域进行水文、测绘、水环境测量时，小型无人船无法胜任，大型人工船只作业效率低、避风期长、设备安装精度无法保障。这样的情景就为高速无人艇提供了最匹配的应用场景。当前传感设备与无人船都是通过法兰等结构进行硬连接，但由于中大型无人艇在水中运行时速度不同会造成姿态变化，特别是在水情复杂状况下，可能使传感设备无法正常工作。无人测量船重要的一个应用场景就是在水情复杂、作业困难区域搭载高精度传感设备进行勘察、探测活动。而这些设备往往对姿态要求较高，如何解决在复杂水况下进行有效的测量是无人船研究中的重要一环。

但是，现有技术采用刚性连接，严重影响设备使用。目前无人船上搭载传感设备都是采用刚性连接，在船有大幅或剧烈振动时会对测量成果造成严重影响甚至无法使用的情况。部分无人船应用中使用了升降杆，因为螺杆齿轮有间隙，这种方法会加剧传感设备的不稳定性。

同时，现有设备入水较深，高速情况下，阻力大，无法使用现成姿态模块。在无人船应用中，设备往往深入水中，力矩大，防水要求高。现有的姿态控制机构在防水等级、控制方法、动力等方面都不足以满足无人船应用要求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术采用刚性连接，严重影响设备使用；大型水域水情复杂，无人船在运行中必然会受到风速、波浪、表面流速度等各类因素影响，无法保障船体以固定姿态平稳运行，特别在一些风浪较大情况下，船体还会上下波动或剧烈振动。随着无人船船体姿态的变化，搭载在无人船平台上的传感设备也会因船体的的变化发现姿态变化，这会对传感设备的测量成果带来较大影响。当前大部分无人船上搭载传感设备都是采用刚性连接，即通过法兰或抱箍将传感或换能器与船体间进行固定，在船有大幅或剧烈振动时会对测量成果造成严重影响甚至无法使用的情况；

(2)传感设备安全性：复杂水域中礁石、浅滩较为常见，大型船只往往吃水较深，为了保证传感器获得有效的测量数据，设备的换能器一般会略低于船低，导致传感器入水较深。复杂水域中礁石、浅滩较为常见，没有有效的传感设备收放装置可能会在礁石、浅滩区域导致传感设备撞损。部分无人船应用中使用了升降杆，但因为螺杆齿轮有间隙，这种方法会因波浪带来振动，加剧了传感设备的不稳定性。此外无人船的收放、运输过程中也要考虑此问题，避免传感设备的损坏或大量操作。

(3)针对姿态对换能器带来的影响，目前一般采用软件后处理的方式抵消一部分影响。但这种方法受到水深、水下地形地貌起伏、水体环境等多种因素影响，有时软件处理的结果会加大误差的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统、方法、介质、设备及终端。

本发明是这样实现的，一种高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法包括：

在无人艇上集成多种高精度传感设备及执行机构，在大阻力条件下实时的进行姿态测量和传感器方位调节；采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态以及控制参数，并在输入时计算传感设备调整量；在计算过程中，利用推估算法修正调整量，计算结果反算调整无人船控制，形成闭环反馈。

进一步，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法包括以下步骤：

步骤一，分别测量无人船实时姿态和传感设备实时姿态；

步骤二，记录船舶当前时刻速度和转变舵角的动力参数；

步骤三，预测下一采样时刻船舶的速度和转变档位的动力参数；

步骤四，计算传感设备当时测量最佳姿态；

步骤五，计算、推估传感设备姿态调整量；

步骤六，驱动姿态调整系统执行指令；

步骤七，检查实时结果，计算偏差，纳入积分器、微分器；

步骤八，反向修正船只动力参数，并重复测量无人船实时姿态。

进一步，所述步骤一中的测量无人船实时姿态包括：

利用GNSS测量实时三维位置、姿态和各轴向加速度、角速度。

所述测量传感设备实时姿态包括：

利用在传感设备上三维电子罗盘测量传感器的三维姿态。

所述步骤二中的记录船舶当前时刻速度和转变舵角的动力参数包括：

采集当前船舶电控单元中的最新信息，包括船的速度、档位以及转弯舵角的相关动力参数和控制参数。

所述步骤三中的预测下一采样时刻船舶的速度和转变档位的动力参数包括：

采样记录下一采样时刻船预期的动力参数和控制参数；船舶的自动控制单元根据目标任务、历史运动状况和控制指令预测指标。

所述步骤四中的计算传感设备当时测量最佳姿态包括：

根据多个历元采样的结果、传感器最佳测量姿态和运动趋势，计算传感设备在当前时刻的最佳姿态，并将结果作为调整目标进入计算单元。

进一步，所述步骤五中的计算、推估传感设备姿态调整量包括：

将信息输入至计算单元，计算单元根据船与测量传感设备的相对姿态差异、目标传感设备姿态位置，计算出调整量。

所述步骤六中的驱动姿态调整系统执行指令包括：

执行单元按步骤五计算的结果对姿态进行调整。

所述步骤七中的检查实时结果，计算偏差，纳入积分器、微分器包括：

采样最新的传感器姿态，检查调整结果，将偏差纳入积分器、微分器用于修正下一次调整。

所述步骤八中的反向修正船只动力参数包括：

将当前传感器姿态和预期传感器姿态输出给船舶自动控制单元；控制单元将根据传感器类型、姿态调整参数与运动规划目标控制船舶运行；在传感器不工作时，船舶按照最有效运动目标执行；传感器工作时，船舶将参数不同传感设备调整速度、转弯舵角实现最优运行。

进一步，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法还包括：

通过船载IMU获取船有三维姿态、三轴角速度、三维位置加速度；与电机相连接的减速机与IMU都钢性安装在船体上，两者间有固定的几何关系；旋转传感器的支架与角度传感器同轴，当传感器旋转一个角度时，角度传感器旋转同样的角度，故角度传感器测得传感器的旋转量，结合初使角度得到传感器与船体IMU的角度偏差；基于测量到的IMU数据，得到传感器与垂线方向的偏差；得到偏差后，电机根据指令向指定方向旋转，使传感设备趋向垂线方向，角度传感器、IMU采集新的观测调整新的指令逐渐保证传感设备与垂线重合。

进一步，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法还包括：

船载IMU获取船有三维姿态：俯仰α、横滚β、航向θ，三轴角速度ω_α、ω_β、ω_θ，三维位置加速度

姿态调整的目的是实现传感设备与垂线方向重合，若当前俯仰值为α₁，角度传感器测量值为α₂，则：

α₃＝90-α₁-α₂；

故传感设备姿态待调整量为：

δ＝90-α₃＝α₁+α₂；

将值投影到平面上，则：

δ′＝δ·sin(β)；

由于IMU提供当前角速度，则下一时刻俯仰α_t+1为：

α_t+1＝α+ω_α；

下一时刻待调整量为：

利用算法对滞后进行控制：

E_t＝δ_t

E_t+1＝δ_t+1

将E_t、E_t+1作为输入量引入Smith预估控制，实现提前预判：

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法的高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统包括：船体、定位GNSS、姿态测量模块IMU、船舶控制模块、采集与计算模块、姿态控制模块、角度传感器以及传感器设备。

其中，所述GNSS、IMU和姿态控制模块以固定的几何关系安装在船体上，传感器设备通过固定杆件和法兰安装在执行单元上；通过IMU测量船的姿态，通过角度传感器，测量传感器与船的相对关系，计算传感器要保证正常作业姿态的调整量，通过执行机构调整传感器姿态。

所述执行机构由电机、减速机、机械结构以及角度传感器组成，经控制中心计算出待调整量后，执行机构驱动电机旋转，角度传感器实时监测旋转位置并将这一信息回传至控制中心；控制中心根据偏差、旋转趋势、角加速度信息计算下一历元控制信号。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

在无人艇上集成多种高精度传感设备及执行机构，在大阻力条件下实时的进行姿态测量和传感器方位调节；采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态以及控制参数，并在输入时计算传感设备调整量；在计算过程中，利用推估算法修正调整量，计算结果反算调整无人船控制，形成闭环反馈。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

在无人艇上集成多种高精度传感设备及执行机构，在大阻力条件下实时的进行姿态测量和传感器方位调节；采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态以及控制参数，并在输入时计算传感设备调整量；在计算过程中，利用推估算法修正调整量，计算结果反算调整无人船控制，形成闭环反馈。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态、控制参数，通过这样输入时计算传感设备调整量。在计算过程中为了保证调整量的准确、稳定和预判性，还加了推估算法，修正调整量，减少超调，提高调整准确性。为了保证测量成果，计算结果还会反算调整无人船控制，形成一个有效闭环。

为了提高调整精度，减少振荡，避免频繁调整，本发明加入了以下参数： 1.船的运动参数：知道船舶运动情况可以有效判断船只接下来的姿态变化，从而提高调整准确度、减少调整量；2.加入预估算法：将推估的下一历元参数代入计算，可以做出一定量的提前调整，进而减少调整振荡；3.与船舶控制形成闭环反馈系统：船舶控制时执行有利于传感调整的动作指令，保障传感设备工作指令。

本发明还具有以下效果：

1.无人船专用姿态调整系统

本发明主要针支无人船应用领域、可在水域使用，防水性能好、力矩大，调整过程中结合无人船船舶控制实现精确控制。与无人船舶控制有反馈机制。

2.带预估的姿态调整算法

本发明没有简单的进行偏差调整而是结合众多参数实现了带预估的姿态调整算法。

3.与船舶控制形成了有效的闭环反馈机制

姿态调整模块在本发明中不是单独运行了，而是与船舶控制系统联动，与无人船舶控制有反馈机制。这就形成了一个闭环，可以更有效、更稳定的实现传感设备的状态控制。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明利用一整套装置、算法实现传感设备在运动中的高精度实时姿态调整，通过在无人艇上集成了多种高精度传感设备及执行机构，可实时在大阻力条件下进行姿态测量，传感器方位调节，保障了数据有真实、准确、有效。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

当前实用中的无人船中，绝大部分为小型无人船。其主要作用是作为没有人船的一个重要补充。本发明进一步强化了无人船在大面积水域的实用性。一旦无人船可在大面积水域进行实用化日常生产，其作业规模和产生的价值将是几何级数增长。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

目前在些车载和无人机平台上有类似方案，但在无人船上没有。特别是之前的方案都是在干端，也就是调整的是空气中的设备。第二，现有的装置都是独立运行的，而本发明的系统则实现了船舶自动控制与姿态调整的联动和相互反馈，形成了闭环系统。

(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

传感设备如何获得有效的、高质量的数据成果，是无人船在应用拓展中的重要指标。在复杂的水域条件下，这一问题的影响大幅增加，本发明旨在解决，风浪条件下，姿态频繁变化情况下保证数据质量稳定、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的简单姿态调整模式示意图；

图3是本发明实施例提供的优化的姿态调整模式示意图；

图4是本发明实施例提供的理想状态下相对示意图；

图5是本发明实施例提供的传统方法高速状态下设备姿态示意图；

图6是本发明实施例提供的经调整后高速状态下传感器姿态示意图；

图7是本发明实施例提供的执行机构示意图；

图8是本发明实施例提供的计算单元的计算原理示意图；

图9是本发明实施例提供的计算算法示意图。

图10(a)是本发明实施例提供的未经姿态调整的测量成果图；

图10(b)是本发明实施例提供的姿态调整后的测量成果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统、方法及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法包括以下步骤：

S101，分别测量无人船实时姿态和传感设备实时姿态；

S102，记录船舶当前时刻速度和转变舵角的动力参数；

S103，预测下一采样时刻船舶的速度和转变档位的动力参数；

S104，计算传感设备当时测量最佳姿态；

S105，计算、推估传感设备姿态调整量；

S106，驱动姿态调整系统执行指令；

S107，检查实时结果，计算偏差，纳入积分器、微分器；

S108，反向修正船只动力参数，并重复测量无人船实时姿态。

本发明实施例提供的高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统包括：船体、定位GNSS、姿态测量模块IMU、船舶控制模块、采集与计算模块、姿态控制模块、角度传感器以及传感器设备。

其中，GNSS、IMU和姿态控制模块以固定的几何关系安装在船体上，传感器设备通过固定杆件和法兰安装在执行单元上；通过IMU测量船的姿态，通过角度传感器，测量传感器与船的相对关系，计算传感器要保证正常作业姿态的调整量，通过执行机构调整传感器姿态。

执行机构由电机、减速机、机械结构以及角度传感器组成，经控制中心计算出待调整量后，执行机构驱动电机旋转，角度传感器实时监测旋转位置并将这一信息回传至控制中心；控制中心根据偏差、旋转趋势、角加速度信息计算下一历元控制信号。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明通过在无人艇上集成了多种高精度传感设备及执行机构，实时在大阻力条件下进行姿态测量，传感器方位调节，保障了数据有真实、准确、有效。

本发明采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态、控制参数，通过这样输入时计算传感设备调整量。在计算过程中为了保证调整量的准确、稳定和预判性，还加了推估算法，修正调整量，减少超调，提高调整准确性。为了保证测量成果，计算结果还会反算调整无人船控制，形成一个有效闭环。

一、作业步骤：

1.测量无人船实时姿态

利用GNSS(GNSS定义、IMU(IMU定义)测量实时三维位置、姿态和各轴向加速度，角速度。

2.测量传感设备实时姿态

利有在传感设备上三维电子罗盘测量传感器的三维姿态。

3.记录船舶当前时刻速度、转变舵角等动力参数

采集当前船舶电控单元中的最新信息，包括船的速度、档位、转弯舵角等相关动力参数和控制参数。

4.预测下一采样时刻船舶的速度、转变档位等动力参数

采样记录下一采样时刻船预期的动力参数和控制参数。船舶的自动控制单元会根据目标任务、之前的运动状况、控制指令预测这些指标。这些指标也是船舶自动控制的必备要素之一。

5.计算传感设备当时测量最佳姿态

根据之前多个历元采样的结果、传感器最佳测量姿态和运动趋势，计算传感设备在当前时刻最佳的姿态。这一结果将做为调整目标进入计算单元。

6.计算，推估传感设备姿态调整量

将以上信息输入至计算单元，计算单元将依据船与测量传感设备的相对姿态差异、目标传感设备姿态位置，计算出调整量。

7.驱动姿态调整系统执行指令

执行单元按第6步计算的结果对姿态进行调整。

8.检查实时结果，计算偏差，纳入积分器、微分器。

采样最新的传感器姿态，检查调整结果，将偏差纳入积分器、微分器用于修正下一次调整。

9.反向修正船只动力参数

将当前传感器姿态和预期传感器姿态输出给船舶自动控制单元。控制单元将根据传感器类型、姿态调整参数与运动规划目标来控制船舶运行。在传感器不工作时，船舶将按照最有效运动目标执行。传感器工作时，船舶将参数不同传感设备调整速度、转弯舵角实现最优运行。

10.重复第一步。

二、工作原理

本发明涉及以下模组，包括船体、定位GNSS、姿态测量模块IMU、船舶控制模块、采集与计算模块、姿态控制模块(执行单元)、角度传感器、传感器设备。GNSS、IMU和执行单元以固定的几何关系安装在船体上，传感器设备通过固定杆件和法兰安装在执行单元上。为了保证传感器设备在水中保持指定姿态，通过IMU测量船的姿态，通过角度传感器，测量传感器与船的相对关系，计算传感器要保证正常作业姿态的调整量，通过执行机构调整传感器姿态。

为了提高调整精度，减少振荡，避免频繁调整，本发明加入了以下参数： 1.船的运动参数：知道船舶运动情况可以有效判断船只接下来的姿态变化，从而提高调整准确度、减少调整量；2.加入预估算法：将推估的下一历元参数代入计算，可以做出一定量的提前调整，进而减少调整振荡；3.与船舶控制形成闭环反馈系统：船舶控制时执行有利于传感调整的动作指令，保障传感设备工作指令。

简单姿态调整模式如图2所示，优化的姿态调整模式如图3所示。

理想状态下相对示意图如图4所示，传统方法高速状态下设备姿态如图5 所示，经调整后高速状态下传感器姿态如图6所示。

三、执行机构

执行机构由电机、减速机、机械结构、角度传感器组成，经控制中心计算出待调整量后，执行机构驱动电机旋转，角度传感器实时监测旋转位置并将这一信息回传至控制中心。控制中心根据偏差、旋转趋势、角加速度等信息计算下一历元控制信号。

首先通过船载IMU可以获取船有三维姿态(航向、俯仰、横滚)、三轴角速度、三维位置加速度。其次，有一台与电机相连接的减速机与IMU都钢性安装在船体上，两者间有固定的几何关系。减速机是两头出轴，轴的一端与一台角度传感器的测量轴连接在一起。另一端与传感器支架转轴连接在一起，故旋转传感器的支架与角度传感器同轴。当传感器旋转一个角度时，角度传感器也旋转同样的角度。故角度传感器可以测得传感器的旋转量，结合其初使角度可以得到传感器与IMU(即船体)的角度偏差。考虑测量到的IMU的数据，就可以得到传感器与垂线方向的偏差。(IMU测得船体与垂线方向的偏差，角度传感器测得传感设备与船的偏差，故得到传感设备与垂线的偏差。本发明的调整目的是让传感设备与垂线方向重合，故这一偏差就是本发明的调整量)得到这一偏差后，电机根据指令向指定方向旋转，使传感设备趋向垂线方向，角度传感器、IMU采集新的观测调整新的指令逐渐保证传感设备与垂线重合。

结构上有以下特点：1)IMU与减速机保持固定几何关系。2)减速机两头出轴。3)减速机轴一头与角度传感器的测量轴同轴并锁定。同时将角度传感器的法兰与减速机固定在一起，从而使得减速机轴转动时，角度传感器的测量轴也转动，但角度传感器自身固定不动。这样才得以测得轴的转动角度。4)减速机轴的另一头与传感设备的安装支架同轴固定，减速机轴旋转特定角度，传感设备也旋转同样角度，同时角度传感器可测得这一角度。5)电机与减速机相连，降低了转速，增加扭矩，从而使得这一方案可以实现。

执行机构图如图7所示。

四、计算单元

船载IMU可以获取船有三维姿态(俯仰α、横滚β、航向θ)、三轴角速度 (ω_α、ω_β、ω_θ)、三维位置加速度

姿态调整的目的是实现传感设备与垂线方向重合。如当前俯仰值为α₁，角度传感器测量值为α₂。

则，

α₃＝90-α₁-α₂

故传感设备姿态待调整量为：

δ＝90-α₃＝α₁+α₂

同时由于存在横滚，这一值还需要投影到平面上。则，

δ′＝δ·sin(β)

由于IMU提供了当前角速度，则下一时刻俯仰α_t+1为：

α_t+1＝α+ω_α

下一时刻待调整量为：

δ_t+1＝＝α_1(t+1)+α_2(t+1)

由于传感器的调整要经过一系统的电子驱动和机械结构来完成，针对当前计算好的待调整量要经过一定的时间才能实施，这就造成了调整的滞后。这就需要专门的算法对这一滞后进行控制，减少超调实现精确控制。

E_t＝δ_t

E_t+1＝δ_t+1

将E_t、E_t+1作为输入量引入Smith预估控制，实现提前预判：

计算单元如图8所示。

算法流程示意图(参考无人车控制里的带预估的控制算法)如图9所示。

注：

IMU：惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。

GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)，它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统等。

本发明的关键点和欲保护点包括：

1.无人船状态调整系统：专用的无人船姿态调整系统。

2.带预估的闭环姿态调整算法：本算法有两大特点，1)带预估的，就是提前预估调整量，减少振荡；2)与船舶控制单元联动，计算时计入控制参数，结果输出影响船舶控制，实现整个行程的有效调整，保障测量有效性。

在实验室中和一些车载甚至船载平台上有类似方案，但在无人船上没有。特别是之前的方案都是在干端，也就是调整的是空气中的设备。第二，现有的装置都是独立运行的，而本发明的系统则实现了船舶自动控制与姿态调整的联动和相互反馈，形成了闭环系统。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

在水下地形测量的应用中，是否对传感设备进行姿态调整主要会对测深成果带来影响。未经调整的传感器会使得测深设备无法获得船体正下方的水深，一般情况下获取的数值大于真实值，但因水深不同、姿态变化，这一差值也在变动。在地形起伏较大区域，获取的数值可能小于真实值，差值的变化更加剧烈，通过后处理调整几乎不可能。

一个具体的水下地形项目中，我们分别采用了两种不同的方法进行了测量。未经姿态调整的测量成果中我们可以明显的看到锯齿状等高线的，这与真实的水下地形不符合，明显的体现出测量成果的不合理性。其原因就是由于姿态变化带来的扰动引起的。而加载了姿态调整系统后的测量成果明显更加平滑，合理，真实地反映了该水域水下地形地貌。图10(a)未经姿态调整的测量成果图，图10(b)姿态调整后的测量成果图。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法，其特征在于，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法包括：

在无人艇上集成多种高精度传感设备及执行机构，在大阻力条件下实时的进行姿态测量和传感器方位调节；采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态以及控制参数，并在输入时计算传感设备调整量；在计算过程中，利用推估算法修正调整量，计算结果反算调整无人船控制，形成闭环反馈。

2.如权利要求1所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法，其特征在于，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法包括以下步骤：

步骤一，分别测量无人船实时姿态和传感设备实时姿态；

步骤二，记录船舶当前时刻速度和转变舵角的动力参数；

步骤三，预测下一采样时刻船舶的速度和转变档位的动力参数；

步骤四，计算传感设备当时测量最佳姿态；

步骤五，计算、推估传感设备姿态调整量；

步骤六，驱动姿态调整系统执行指令；

步骤七，检查实时结果，计算偏差，纳入积分器、微分器；

步骤八，反向修正船只动力参数，并重复测量无人船实时姿态。

3.如权利要求2所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法，其特征在于，所述步骤一中的测量无人船实时姿态包括：

利用GNSS测量实时三维位置、姿态和各轴向加速度、角速度；

所述测量传感设备实时姿态包括：

利用在传感设备上三维电子罗盘测量传感器的三维姿态；

所述步骤二中的记录船舶当前时刻速度和转变舵角的动力参数包括：

采集当前船舶电控单元中的最新信息，包括船的速度、档位以及转弯舵角的相关动力参数和控制参数；

所述步骤三中的预测下一采样时刻船舶的速度和转变档位的动力参数包括：

采样记录下一采样时刻船预期的动力参数和控制参数；船舶的自动控制单元根据目标任务、历史运动状况和控制指令预测指标；

所述步骤四中的计算传感设备当时测量最佳姿态包括：

根据多个历元采样的结果、传感器最佳测量姿态和运动趋势，计算传感设备在当前时刻的最佳姿态，并将结果作为调整目标进入计算单元。

4.如权利要求2所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法，其特征在于，所述步骤五中的计算、推估传感设备姿态调整量包括：

将信息输入至计算单元，计算单元根据船与测量传感设备的相对姿态差异、目标传感设备姿态位置，计算出调整量；

所述步骤六中的驱动姿态调整系统执行指令包括：

执行单元按步骤五计算的结果对姿态进行调整；

所述步骤七中的检查实时结果，计算偏差，纳入积分器、微分器包括：

采样最新的传感器姿态，检查调整结果，将偏差纳入积分器、微分器用于修正下一次调整；

所述步骤八中的反向修正船只动力参数包括：

将当前传感器姿态和预期传感器姿态输出给船舶自动控制单元；控制单元将根据传感器类型、姿态调整参数与运动规划目标控制船舶运行；在传感器不工作时，船舶按照最有效运动目标执行；传感器工作时，船舶将参数不同传感设备调整速度、转弯舵角实现最优运行。

5.如权利要求1所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法，其特征在于，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法还包括：

通过船载IMU获取船有三维姿态、三轴角速度、三维位置加速度；与电机相连接的减速机与IMU都钢性安装在船体上，两者间有固定的几何关系；旋转传感器的支架与角度传感器同轴，当传感器旋转一个角度时，角度传感器旋转同样的角度，故角度传感器测得传感器的旋转量，结合初使角度得到传感器与船体IMU的角度偏差；基于测量到的IMU数据，得到传感器与垂线方向的偏差；得到偏差后，电机根据指令向指定方向旋转，使传感设备趋向垂线方向，角度传感器、IMU采集新的观测调整新的指令逐渐保证传感设备与垂线重合。

6.如权利要求1所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法，其特征在于，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法还包括：

船载IMU获取船有三维姿态：俯仰α、横滚β、航向θ，三轴角速度ω_α、ω_β、ω_θ，三维位置加速度

姿态调整的目的是实现传感设备与垂线方向重合，若当前俯仰值为α₁，角度传感器测量值为α₂，则：

α₃＝90-α₁-α₂；

故传感设备姿态待调整量为：

δ＝90-α₃＝α₁+α₂；

将值投影到平面上，则：

δ′＝δ·sin(β)；

由于IMU提供当前角速度，则下一时刻俯仰α_t+1为：

α_t+1＝α+ω_α；

下一时刻待调整量为：

δ_t+1＝＝α_1(t+1)+α_2(t+1)；

利用算法对滞后进行控制：

E_t＝δ_t

E_t+1＝δ_t+1

将E_t、E_t+1作为输入量引入Smith预估控制，实现提前预判：

7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整方法的高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统，其特征在于，所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统包括：船体、定位GNSS、姿态测量模块IMU、船舶控制模块、采集与计算模块、姿态控制模块、角度传感器以及传感器设备；

其中，所述GNSS、IMU和姿态控制模块以固定的几何关系安装在船体上，传感器设备通过固定杆件和法兰安装在执行单元上；通过IMU测量船的姿态，通过角度传感器，测量传感器与船的相对关系，计算传感器要保证正常作业姿态的调整量，通过执行机构调整传感器姿态；

所述执行机构由电机、减速机、机械结构以及角度传感器组成，经控制中心计算出待调整量后，执行机构驱动电机旋转，角度传感器实时监测旋转位置并将这一信息回传至控制中心；控制中心根据偏差、旋转趋势、角加速度信息计算下一历元控制信号。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

在无人艇上集成多种高精度传感设备及执行机构，在大阻力条件下实时的进行姿态测量和传感器方位调节；采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态以及控制参数，并在输入时计算传感设备调整量；在计算过程中，利用推估算法修正调整量，计算结果反算调整无人船控制，形成闭环反馈。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

在无人艇上集成多种高精度传感设备及执行机构，在大阻力条件下实时的进行姿态测量和传感器方位调节；采集船舶与传感设备的实时姿态、船舶运动状态以及控制参数，并在输入时计算传感设备调整量；在计算过程中，利用推估算法修正调整量，计算结果反算调整无人船控制，形成闭环反馈。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求7所述高速无人测量艇传感设备实时姿态调整系统。

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