核電站水下機器人的導航系統技術方案

核電站水下機器人的導航系統，包括掃描聲納、深度計、嵌入式航姿系統組成的導航傳感器單元、傳輸傳感器數據并在岸上實時接收單元、對多種傳感器數據處理單元、核電站微小型水下機器人的工作環境單元、實時顯示核電站微小型作業潛艇導航信息單元。本發明專利技術利用多種傳感器的信息和水下機器人在核電站堆芯池、構件池工作環境的信息，提供水下機器人的工作位置和狀態。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及核電站水下機器人的導航系統，主要是利用多種傳感器和微小型水下機器人的核電站工作環境信息，提供水下機器人的工作位置和狀態。
技術介紹
現今，核電站的安全已經日益受到重視。核電站在大修期間，需要對核電站內多處場所進行監測、檢修。因為核電站中存在核輻射的環境，所以機器人成為了任務的執行者。其中核電站微小型水下機器人就是在堆芯池、構件池內完成觀測和簡單作業的任務。水下機器人完成任務就需要實時知道水下機器人的工作位置和狀態，即需具備導航系統。目前的水下機器人常用的導航系統有長/短基線定位聲納、GPS、慣導系統等。其中，長/短基線定位聲納系統需要安裝固定的位置基陣，成本較高，而且不適合在核電站內安裝；GPS在核電站內無法接收到信號，不能使用；高精度的慣導系統價格昂貴，且體積上也不適合微小型水下機器人的使用。針對核電站微小型水下機器人在核電站堆芯池和構件池的工作要求專利技術的導航系統，為微小型水下機器人在核電站工作提供的安全保障。
技術實現思路
本專利技術的目的是為核電站水下機器人在核電站的堆芯池和構件池內工作時提供導航信息。本專利技術的目的是這樣實現的核電站水下機器人導航系統包括導航傳感器單元、傳輸和接收單元、數據處理單元、工作環境單元、顯示單元。所述的導航傳感器單元包括嵌入式航姿系統、深度計和掃描聲納；嵌入式航姿系統由三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀、三軸磁強計和DSP處理芯片組成，測量水下機器人的角速度和加速度，并能實時解算出水下機器人的三維姿態信息；深度計測量水下機器人的深度；掃描聲納測量水下機器人和池壁的距離。其中深度計的測量范圍是0-40米，測量精度4cm。掃描聲納能進行360°范圍的掃描，識別的分辨率有10cm。傳輸和接收單元，將嵌入式航姿系統解算的姿態信息傳輸到水下機器人的控制模塊，然后通過控制模塊將嵌入式航姿系統的測量數據和深度計的測量數據由一路RS485進行傳輸。掃描聲納的數據量大，通過單獨的一路RS485通訊傳輸到岸上數據處理單元。數據處理單元，將導航傳感器單元的測量數據進行濾波方法處理，包括如下將深度計數據進行均值濾波，將掃描聲納數據進行圖像處理得到二維平面的位置和航向角，然后處理過的兩個傳感器數據和航姿系統的加速度數據、姿態數據通過聯邦卡爾曼濾波處理，解算出微小型水下機器人在工作環境的位置數據。工作環境單元，包括核電站水下機器人工作的堆芯池和構件池的虛擬環境。通過對核電站內實際堆芯池和構件池的尺寸測量，利用軟件畫出兩個池的虛擬環境。同時構造環境網格和坐標系，利用數據處理單元的結果可以將水下機器人的位置在環境中顯示。并且，可以將水下機器人的作業路線也在虛擬環境中呈現。顯示單元，把核電站水下機器人的工作位置和狀態通過界面實時顯示出來。顯示具備縮放功能，可以對水下機器人的定位情況放大，以便更清晰的顯示狀態。本專利技術的優點包括(I)應用于核電站水下機器人,基于的導航傳感器體積較小、成本較低，實現較簡單；(2)基于多傳感器的數據預處理和聯邦卡爾曼濾波，使得導航系統的結果穩定可靠，并能達到較高精度；(3)本專利技術能實時提供核電站水下機器人在堆芯池和構件池內工作的位置和狀態，并顯示水下機器人在工作路線。 附圖說明圖I為核電站水下機器人導航系統的原理圖；圖2為導航傳感器單元的示意圖；圖3為數據處理單元的算法流程圖；圖4為工作環境單元示意具體實施例方式下面結合附圖對專利技術的技術方案進行詳細說明圖I核電站水下機器人導航系統的原理圖。整個系統包括導航傳感器單元、傳輸和接收單元、數據處理單元、工作環境單元、顯示單元。首先通過導航傳感器單元的聲納、深度計和嵌入式航姿系統對核電站微小型水下機器人的狀態進行測量，如圖2所示，以此獲得水下機器人的加速度、角速度、姿態信息、深度信息和距離池壁的距離。然后利用傳輸和接收單元將各類傳感器的數據從水下傳輸到數據處理單元。導航傳感器的信息通過兩路RS485進行通訊傳輸。深度計和嵌入式航姿系統的傳感器信息通過一路RS485通訊，聲納傳感器信息通過單獨一路RS485進行傳輸。數據處理單元是通過對各傳感器的信息進行處理以獲取水下機器人的位置和姿態。處理過程可以分為預處理和信息融合兩步。預處理包括深度計量測信息的預處理、聲納信息的預處理、加速度信息的預處理。具體的過程如下。深度計量測信息的預處理，可以通過均值濾波器處理。深度計在測量時量測值存在噪聲，為得到平緩數據，依據如下公式進行處理Dk= ((1^2+(1^+4)/3 (I)Dk為預處理后的深度值，dk為深度計測量的數據。聲納信息的預處理是為了將傳輸來的聲納數據轉化為聲納圖像，再進行圖像處理獲得水下機器人的平面位置和航向角信息。聲納每次發射的聲波都是呈扇形放射性的對當前角度上的區域進行掃描，掃描的最大距離是30m，全方位進行掃描。通過對接收到的回波的各個參數的分析，可以正確的在該方向上繪制一次掃描的圖像。通過連續的掃描，就得到了 360°范圍的圖像。其中返回強度值較大的，就是代表測量獲得的池壁。然后通過灰度變化，提取出池壁的距離信息。通過平面幾何的運算，以此得到水下機器人在平面內的位置和航向角。加速度計的預處理通過陀螺儀信息融合，提高加速度值的精度，具體過程可以通過卡爾曼濾波器處理，下式為狀態方程和量測方程 式中X= 為處理后的加速度計值；z = 為加速度計測量的加速度值；Φ (t) = -S為由陀螺儀量測值組成的轉移矩陣；H(t) = I為單元陣。預處理后的加速度值經過一次積分可以獲得水下機器人的速度，如下面式子表示，Vk = Vk-JakAt (3)式中At為計算周期。計算得到速度再經過一次積分可以獲得水下機器人的位置，如下面式子表示，pk = Pk-Avk Δ t (4)而通過加速度積分獲得的位置為水下機器人的相對位置，它需要已知前一刻的絕對位置。通過這樣遞推的方式，來實時得到水下機器人的絕對位置。這樣的方式會得到較大的誤差。而由深度計和聲納解算出來的位置信息為水下機器人在水池內的絕對位置。因此，通過信息融合來實現最優的導航信息。將兩種處理后的數據一起通過聯邦卡爾曼濾波器處理，解算得到水下機器人的位置和狀態，如圖3所示。接著構建工作環境單元，如圖4所示，對核電站實際的堆芯池和構件池進行虛擬環境的建模。同時在虛擬環境中建立絕對坐標系和網格，通過數據處理單元的位置和姿態信息就可以在虛擬環境中顯示出來。最后通過VC開發界面，將水下機器人的模型和工作環境單元結合，利用顯示單元將核電站微小型水下機器人的工作位置和狀態實時的顯示出來。此系統針對核電站水下機器人系統而開發。它可以為核電站水下機器人提供可靠的導航信息，為微小型水下機器人在核電站安全工作提供了保障。權利要求1.核電站水下機器人的導航系統，其特征是包括導航傳感器單元、傳輸和接收單元、數據處理單元、工作環境單元、顯示單元；導航傳感器單元利用嵌入式航姿系統測量水下機器人的加速度、姿態和航向，深度計測量水下機器人的深度，掃描聲納測量水下機器人的二維平面位置；傳輸和接收單元把多種傳感器的信息從水下傳輸到岸上的數據處理單元；數據處理單元將導航傳感器的數據進行濾波融合，得到水下機器人的工作位置；工作環境單元是把核電站水下機器人的實際工作環境進行了虛擬仿真處理；顯示單元是將核電站水下機本文檔來自技高網...

【技術保護點】
核電站水下機器人的導航系統，其特征是：包括導航傳感器單元、傳輸和接收單元、數據處理單元、工作環境單元、顯示單元；導航傳感器單元利用嵌入式航姿系統測量水下機器人的加速度、姿態和航向，深度計測量水下機器人的深度，掃描聲納測量水下機器人的二維平面位置；傳輸和接收單元把多種傳感器的信息從水下傳輸到岸上的數據處理單元；數據處理單元將導航傳感器的數據進行濾波融合，得到水下機器人的工作位置；工作環境單元是把核電站水下機器人的實際工作環境進行了虛擬仿真處理；顯示單元是將核電站水下機器人的工作位置和狀態實時的顯示。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：丑武勝，方斌，馬鑫，郭曉旗，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：