一种水下三维相对定位光电测绳装置

技术领域

本申请属于海洋工程领域，具体涉及一种水下三维相对定位光电测绳装置。

背景技术

海洋工程中，可以利用电子测绳装置确定两个水下构件间的距离和相对方向。电子测绳装置能够测出自带绳子的长度和拉动方向。实际应用中，将电子测绳装置的两端分别固定于两个水下构件上。电子测绳装置通过一个编码器测量经过绳子的长度以确定构件间的距离，以及通过结合其他两个编码器分别测量绳子在不同方向的偏转量，以确定构件间的相对方向。

在海底应用电子测绳装置进行测量时，例如在水下通过电子测绳装置测量沉管式隧道的两个管节时，由于管节较长，测量所需的绳子也较长。在绳子较长的情况下，要保证编码器方向测量的精度，需要对装置的传动机构进行改进。然而，由于改进涉及到多个编码器，使得电子测绳装置机械结构复杂、制作难度大。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种水下三维相对定位光电测绳装置，能够解决电子测绳装置机械结构复杂、制作难度大的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种水下三维相对定位光电测绳装置，包括：距离测量单元，所述距离测量单元包括测绳本体和编码器，所述测绳本体经过所述编码器并带动所述编码器转动，所述编码器用于根据转动的数值确定所述测绳本体经过的距离；以及角度测量单元，所述角度测量单元包括拉杆、激光器和相机，其中，所述拉杆包括与所述测绳本体的直径相同的中空结构，所述测绳本体经由所述中空结构贯穿所述拉杆，所述拉杆与所述激光器固定连接，所述激光器用于投射激光至所述相机，所述角度测量单元用于根据激光的投射位置和预先确定的投射位置与拉杆方向的对应关系，确定所述拉杆的三维方向。

第二方面，本申请实施例提供了一种水下三维相对定位光电测绳系统，包括：至少两套如第一方面所述的水下三维相对定位光电测绳装置；以及相对位姿测量装置，用于根据所述水下三维相对定位光电测绳装置的测量结果，进行水下构件相对位姿测量。

在本申请实施例中，通过距离测量单元，所述距离测量单元包括测绳本体和编码器，所述测绳本体经过所述编码器并带动所述编码器转动，所述编码器用于根据转动的数值确定所述测绳本体经过的距离；以及角度测量单元，所述角度测量单元包括拉杆、激光器和相机，其中，所述拉杆包括与所述测绳本体的直径相同的中空结构，所述测绳本体经由所述中空结构贯穿所述拉杆，所述拉杆与所述激光器固定连接，所述激光器用于投射激光至所述相机，所述角度测量单元用于根据激光的投射位置和预先确定的投射位置与拉杆方向的对应关系，确定所述拉杆的三维方向，能够解决电子测绳装置机械结构复杂、制作难度大的问题。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳装置的另一种结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳系统的一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳装置进行详细地说明。

图1示出本发明实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳装置的结构示意图。所述水下三维相对定位光电测绳装置包括：距离测量单元1，拉杆2，激光器3，相机4，控制单元(未示出)。

水下三维相对定位光电测绳装置用于测量两个水下构件的相对距离和相对方向，可选的，水下三维相对定位光电测绳装置的一端安装在其中一个构件上，另一端挂接于另一个构件上。

所述距离测量单元1包括测绳本体和编码器，所述测绳本体经过所述编码器并带动所述编码器转动，所述编码器用于根据转动的数值确定所述测绳本体经过的长度。可选的，测绳本体采用2mm的316不锈钢钢丝。可选的，编码器为旋转式编码器。测绳本体经过编码器，带动编码器转动。根据编码器转动的数值，例如编码器转动的圈数或者编码器被遮挡的开孔数，能够确定测绳本体经过编码器的长度。可选的，编码器在直径为10cm左右的轴上，可以设置6万多个开孔，其长度测量精度可达0.07mm。

所述拉杆包括与所述测绳本体的直径相同的中空结构，所述测绳本体经由所述中空结构贯穿所述拉杆。可选的，所述测绳本体通过设置在所述拉杆2端面的中心孔贯穿所述拉杆2，所述中心孔的直径与所述测绳本体的直径相同。由于实际测量时，使用的测绳本体长度较长，在水下环境下，难以准确感应测绳本体的长度变化和角度变化。通过在测绳本体外套设刚性拉杆，可以克服上述难题。

此外，测绳本体穿过拉杆2的中空结构。拉杆2端面中心孔的直径与测绳本体的直径相同，能够保证拉杆2方向与测绳本体方向一致。可选的，拉杆为一条空心碳纤维管，或者拉杆由其他密度与水密度接近的刚性材质制成。

激光器3，用于发出激光，所述激光器3与所述拉杆2固定连接；所述激光投射到所述相机4；根据所述激光在所述相机4的投射位置以及预先确定的投射位置与拉杆方向的对应关系，能够确定所述拉杆2的三维方向。

拉杆方向变动时，激光器3及其发出的激光的方向发生相应的变动，激光在相机上的投射位置进而发生相应的变化。投射位置与拉杆反向存在预先确定的对应关系，因此可以根据投射位置及对应关系，确定拉杆的方向。实现采用光学摄影方法测定测绳本体的方向的目的。

本发明实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳装置，通过距离测量单元，所述距离测量单元包括测绳本体和编码器，所述测绳本体经过所述编码器并带动所述编码器转动，所述编码器用于根据转动的数值确定所述测绳本体经过的距离；以及角度测量单元，所述角度测量单元包括拉杆、激光器和相机，其中，所述拉杆包括与所述测绳本体的直径相同的中空结构，所述测绳本体经由所述中空结构贯穿所述拉杆，所述拉杆与所述激光器固定连接，所述激光器用于投射激光至所述相机，所述角度测量单元用于根据激光的投射位置和预先确定的投射位置与拉杆方向的对应关系，确定所述拉杆的三维方向，能够使得电子测绳装置机械结构变得简单、易于设计和制作，可以将装置重量从原有的170kg减少至15kg左右。

图2示出本申请实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳装置的另一种结构示意图。

所述距离测量单元还包括供所述测绳本体11缠绕的绕线盘13，所述绕线盘13与电机(未示出)连接，所述电机用于张紧所述测绳本体11。可选的，所述电机为步进电机。

在水下测量时，所述测绳本体11的长度较长，而拉杆2的长度有限。换言之，拉杆2不能达到与测绳本体11一样的长度。那么在测绳本体11方向变化时，拉杆2和测绳本体11之间可能存在夹角。可选的，所述绕线盘13为弹簧绕线盘，绕线盘13可以对测绳本体11施加一定的作用力，使测绳本体11保持张紧状态。然而，绕线盘13可以施加的力有限，一般在50N左右，不足以张紧测绳本体11。将步进电机与绕线盘13连接，可以增大用于张紧测绳本体11的力。即使测绳本体11更长，也能被张紧。可选的，可以用步进电机替代绕线盘13和步进电机的组合。

因此，通过步进电机张紧测绳本体11，使测绳本体11的方向与拉杆2的方向保持一致，提高方向的准确性。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：应力传感器6，用于测量所述测绳本体11体对所述拉杆2的作用力；在通过控制单元确定所述作用力大于阈值的情况下，启动所述电机。在绕线盘13施加给测绳本体11足以张紧测绳本体11的时，可以不用开启步进电机。因此增加了应力传感器6感应测绳本11体对所述拉杆2的作用力。可选的，可以将应力传感器6设置在拉杆2的出线端，即测绳本体11从拉杆2拉出的位置。应力传感器6将测量的作用力反馈给控制单元，控制单元根据作用力反馈计算调节量和方向，进而判断是否需要控制步进电机调节测绳本体11。在所述作用力超出阈值的情况下，控制启动步进电机。所述阈值可以根据历史经验值或者测量精度要求进行设定。

可选的，在需要进行主动调节时，开启步进电机；在读取的应力传感器6的测量值指示需要进行微调时，开启步进电机，通过力反馈形成了调节回路。

通过设置应力传感器6，根据应力传感器6测量的作用力判断是否开启步进电机以对测绳本体11进行张紧，能够节约运行步进电机消耗的资源，增长装置的使用寿命。

在一种可能的实现方式中，所述相机包括：成像接光板41，用于接收所述激光；相机本体42，用于拍摄所述投射位置。

激光器3发射激光44，激光44投射到成像接光板41上，相机本体42记录激光在成像接光板41上的投射位置。可选的，将相机拍摄到的投射位置反馈给控制单元。可选的，所述相机本体42为数码相机或其他可以获取激光投射位置的位置传感器，例如相位灵敏(phase-sensitive detector,PSD)位置传感器。所述成像接光板41可以指示激光的投射位置，例如可以使用成像毛玻璃作为成像接光板41。相机本体42可以设置在水密盒里，以保护相机。成像接光板41可以设置于水密盒的一个端面。

通过成像接光板41和相机本体42，可以进一步明确如何获取到激光的投射位置。

在一种可能的实现方式中，所述对应关系为亚像素标定表，所述根据所述激光的投射位置以及预先确定的投射位置与拉杆方向的对应关系，确定所述拉杆2的三维方向包括：根据所述相机本体42拍摄的所述激光44在所述成像接光板41上的所述投射位置，确定与所述投射位置对应的亚像素位置；根据预先确定的所述亚像素标定表，确定与所述亚像素位置对应的角度值。可选的投射位置与拉杆方向的对应关系可以为预先获得的实验室数据。通过相机本体42记录投射位置，将记录的投射位置与预先标定的投射位置进行比较，能够高效地确定与投射位置对应的拉杆2的三维方向。

在一种可能的实现方式中，所述编码器12设置于所述拉杆2上。如果将编码器12设置于绕线盘13上，也可以通过绕线盘转动的圈数计算出测绳本体11的长度。然而，由于测绳本体11绕在绕线盘13的松紧度以及直径为可变的，此时编码器测量的精度会受到影响，或者根据编码器所得数据换算得到待测的长度所需的计算量较大。通过将编码器12设置于所述拉杆2，可以更方便、更精确的获得到测绳本体11的长度。

在一种可能的实现方式中，所述控制单元还用于按照预先确定的通信协议输出所述距离和所述三维方向。装置内的测量数值输入控制单元，控制单元通过各种计算、换算，按设定的协议打包上述数据，通过网口等通用接口输出长度和方向。所述装置还包括控制电路和计算单元。计算单元用于根据测量值计算输出值。能够使得装置测量、计算一体化，不需要外接计算机等设备，直接输出测量结果。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括防水箱20，用于容纳所述装置。激光在水下传播可能受到水体能见度、折射以及温盐特性影响，进而影响方向测量准确性。通过设置防水箱20容纳电子测绳装置，可以克服上述问题。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括直流电源(未示出)，用于给所述装置供电。可选的，采用外部直流电供电，装置内部稳流稳压后向装置包含的各部件供电。能够避免装置由于电流不稳定意外烧毁。

图3示出本申请实施例提供的一种水下三维相对定位光电测绳系统的一种结构示意图。

水下三维相对定位光电测绳系统300，包括：至少两套前述的水下三维相对定位光电测绳装置；以及相对位姿测量，用于根据所述水下三维相对定位光电测绳装置的测量结果，进行水下构件相对位姿测量。

可选的，获取各个水下三维相对定位光电测绳装置测量得到的方向值和长度值；通过相对位姿测量装置，调节两个待测水下构件的位置。在两套装置输出的方向和长度分别一致的情况下，说明两个构件在各方向保持对齐，可以实现水下构件相对位姿测量。

可选的，还可以根据多个水下三维相对定位光电测绳装置测量的方向值和/或长度值，进行对接。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。