[发明专利]一种水下智能脐带缆定位系统及对潜水员进行定位的方法

权利要求书

1.一种利用水下智能脐带缆定位系统对潜水员进行定位的方法，其特征在于：水下智能脐带缆定位系统主要由水面终端、电缆、脐带及安装于脐带上的若干个水下节点组成，所述水下节点沿脐带分布，所述水下节点之间通过电缆连接，由电缆提供电力以及数据传输；

每个水下节点均包括用于检测该水下节点三轴姿态角以及加速度的惯性测量单元、用于检测该水下节点当前位置水深的深度计、用于对惯性测量单元和深度计的数据进行处理并将数据传输到水面部分的数据计算与传输模块；

所述水面终端包括计算单元、用于获得各水下节点GPS或北斗坐标的坐标接收器和用于为水下节点、计算单元和坐标接收器供电的电源模块；

步骤S1,坐标接收器获得各水下节点的准确GPS或北斗坐标，设水面终端为U₀，由此向下水下节点依次为U₁，U₂，···，U_M；

步骤S2,首先通过U₀的准确坐标，计算出U₁的坐标，再在U₁坐标的基础上计算出U₂，依次往下计算，直到最终的潜水员头部节点；

所述步骤S2具体为：

a)坐标系设为世界坐标系，U₀的坐标P₀(t)可由坐标接收器准确地获得，所估算的U₁，U₂，···，U_M的位置均相对于U₀；测得U₀的坐标P₀(t)和朝向H₀(t)，设相邻水下节点之间脐带的长度为L，且不可伸长，所述长度L事先可确定；

b)通过U₁的深度计测得U₁所处深度Z₁(t)，通过U₁的惯性测量单元测得U₁的加速度和朝向H₁(t)；

c)U₁的修正坐标P₁′(t)的获得，其分为以下两步：

①U₁惯导坐标P₁(t)的获得

陀螺仪的测量模型：

其中，是指陀螺仪实际测得的角速度，ω代表需要求解的角速度，b_g代表随时间缓慢变化的偏差bias，η_g是指白噪声，上述参数都是时间的函数；

加速度计测量模型为：

其中，b_a代表加速度随时间缓慢变化的偏移bias，η_a是白噪声，代表实际测得的加速度，a代表需要求解的加速度，R为旋转角度，上述参数都是时间的函数；g为重力加速度；

根据惯性测量单元的运动方程以及离散化处理，U₁在[t+Δt]时刻的旋转角度R(t+Δt)、速度V(t+Δt)以及坐标P(t+Δt)可通过下列公式获得：

其中，连续噪声项η_g、η_a当中经过离散后可以分别得到η_gd、η_ad，它们之间的关系如下

Cov(η_g(t))＝Δt×Cov(η_gd(t))

Cov(η_a(t))＝Δt×Cov(η_ad(t))

基于上述步骤，可获得P₁(t)及初始坐标P₁(0)；

②依靠曲线拟合，实现P₁(t)的优化，得到P₁′(t)；

首先，依靠已经获得的P₀(t)、H₀(t)、P₁(t)、H₁(t)参数，计算出P₀₁(t)；

然后，依据P₀(t)、P₀₁(t)、P₁(t)，生成U₀至U₁之间的二次Bezier曲线，其公式为：

B(k)＝(1-k)²P₀(t)+2k(1-k)P₀₁(t)+k²P₁(t),k∈[0,1]

此时，生成的曲线即对应于U₀至U₁之间的脐带，设此曲线的长度为L_q

n指将U₀至U₁之间的曲线所划分成的段数,i∈[0,n]；

此时，U₀至U₁之间脐带长度L应当等于U₀至U₁之间二次Bezier曲线的长度L_q，可得

L_q-L＝0

同时，结合

这一条件，并基于信任域优化算法，P₁′(t)的初始解为P₁(0)，从而得到P₁′(t)，此时P₀(t)、P₁′(t)所对应的二次Bezier曲线即为U₀至U₁之间的脐带的实际形状；

d)通过U₂的深度计测得U₂所处深度Z₂(t)，通过U₂的惯性测量单元测得U₂的加速度和朝向H₂(t)；

e)U₂的修正坐标P₂′(t)的获得，此步骤与U₁的修正坐标P₁′(t)的获得方法相同；

f)以此类推，依次获得U₃、···U_M的修正坐标，从而实现潜水员的定位。

2.据权利要求1所述的利用水下智能脐带缆定位系统对潜水员进行定位的方法，其特征在于：对惯性测量单元采集的加速度信息采用卡尔曼滤波进行滤波处理。