[发明专利]一种基于粒子算法的水下定位方法

说明书

本发明公开了一种基于粒子算法的水下定位方法，水体采用光滑粒子流体动力学方法模拟，遥控无人潜水器采用一系列粒子形成的DEM单元模拟，遥控无人潜水器与水面控制单元之间的脐带缆采用弹簧单元模拟，通过采用光滑粒子流体动力学方法与离散单元法相结合，同时计算遥控无人潜水器、水流及缆线间相互动力作用，计算获得缆线及遥控无人潜水器在复杂水体环境下的实时运动位置；通过缆线实时位置计算遥控无人潜水器与水面控制单元之间的相对位置，根据水面控制单元的绝对坐标位置，实现遥控无人潜水器实时水下定位。本发明能够实现ROV水下精准定位，突破了传统需要在复杂环境下布设定位装置的局限，有效地避免了采用声学定位手段存在的信号干扰等问题。

技术领域

本发明涉及一种水下定位方法，尤其涉及一种基于粒子算法的水下定位方法。

背景技术

近年来，水下机器人(Remote Operated Vehicle，ROV，又称水下无人潜水器)逐渐应用于水库大坝及涵(隧)洞等水下建筑物水下检测，如图1所示。而精准的水下定位是ROV完成水下各种复杂任务的前提。目前，水库及长距离涵(隧)洞等复杂环境下ROV水下定位仍存在难度。水库环境下ROV水下定位主要依靠超短基线和GPS完成，如图2所示ROV水下定位信号传输存在不足。超短基线主要应用于海洋环境，传统超短基线内置的GPS定位精度不够，且只能提供全球WGS84坐标，无法得到大坝环境的当地绝对坐标。涵(隧)洞内悬浮物质相较于水库水体含量更高，ROV水下定位声学信号反射干扰较为严重，且水体能见度较低，布置定位辅助设施难度较大，很难对水下机器人进行精准定位。且对于水库及涵(隧)洞等复杂环境下ROV水下检测，需对坝面或洞壁的渗水点、裂缝及其他细小缺陷进行检测并确定缺陷部位，由于裂缝多为毫米级，导致ROV水下精准定位难度更大，且对ROV的定位精度要求更高。另外，ROV通常采用声学手段进行水下定位，对于水库环境，ROV水下检测主要针对大坝、泄输水建筑物进口、近坝库岸及库底等区域进行，此类区域具有复杂的环境和几何形态，水面以下不同的介质对声波的反射特性各不相同，导致水库环境的水声定位系统发射的声波会在近坝库岸山体、库底形成多径反射，同时不同几何形状的水工建筑物也会对声波形成各种吸收、反射、衍射作用。此外，汛期多泥沙量河流上的水库水体浊度更高，作业水体能见度低，对声波信号也会造成衰减作用。此类水下定位仪器设备一是定位精度仍有待进一步提高，二是存在一定的适用条件，需要结合现场条件进行布置及测量。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于粒子算法的水下定位方法，有效提高ROV的水下定位精度。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于粒子算法的水下定位方法，水体采用光滑粒子流体动力学方法模拟，遥控无人潜水器采用一系列粒子形成的DEM单元模拟，遥控无人潜水器与水面控制单元之间的脐带缆采用弹簧单元模拟，通过采用光滑粒子流体动力学方法与离散单元法相耦合，计算遥控无人潜水器、水流及缆线之间相互动力作用，计算获得遥控无人潜水器及缆线在复杂水体环境下的实时运动位置；通过缆线实时位置计算遥控无人潜水器与水面控制单元之间的相对位置，根据水面控制单元的绝对坐标位置，实现遥控无人潜水器实时水下定位。

该方法具体包括：建立遥控无人潜水器粒子模型、分析复杂水体环境的流态特征、遥控无人潜水器运动动力过程模拟以及实时计算遥控无人潜水器水下位置。

所述的建立遥控无人潜水器粒子模型是采用离散单元法将遥控无人潜水器离散为一系列粒子形成的DEM单元。

所述的分析复杂水体环境的流态特征，是通过流速仪捕捉复杂水体环境中水流的流态特征，包括水流的流速、流向。

所述的遥控无人潜水器运动动力过程模拟，是基于所测得的复杂水体环境的水流流速、流向特征，对将遥控无人潜水器在复杂水体环境中的运动过程进行计算，计算过程包括：

(1)水体之间相互作用采用光滑粒子流体动力学方法模拟，基于以下连续性方程及动量方程求解：