专利名称：浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于工程测量及仿真设计领域，尤其涉及一种浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统。
背景技术：
在工程建设等领域，例如沉管法隧道施工及海上船舶平台等，需要精确测量大型移动物体的方位以及三维姿态，以便于进行施工对接及保证工程安全，尤其是对于水下移动施工工程而言，不仅要求高度安全性，而且整个施工过程在水面以下，施工区域离岸较远，施工工期比较长，特别是如果工程所处水域水体浑浊度高，即使安装水下摄像头也无法看清施工过程，这样就会对这个施工带来较高难度，容易发生碰撞等重大事故。现有的传统方法一般通过潜水员探摸及测量数据报数等方法进行测量，不仅效率较低且不够直观、精确，在这种情况下，提供一种精度达到厘米级、能全天候长时间独立工作、能同时多点采集移动平台的方位、倾角数据并无线长距离传输、实时三维动态模型显示的信息集成系统将能对施工过程提供高效、直观、精确的工程参考。使得现场施工及管理人员能及时了解移动物体方位、姿态以及施工阶段，并能在施工后对整个施工过程进行回放、分析、总结，从而提高工程质量。
实用新型内容针对现有的技术缺点，本实用新型的目的是提供一种监测精度达到厘米级、全天候长时间工作、能对移动平台进行自动实时数据测量、远距离无线数据传输及高精度的浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下:一种浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，包括:实时动态差分GPS定位模块，用于获取移动平台的定位数据；双向重力式倾角仪模块，用于获取移动平台的纵向及横向倾角数据；防水摄像头，用于拍摄所述移动平台周围设定范围内的真实环境；无线传输模块，用于将定位数据、倾角数据及真实环境数据传输至数据同步采集与处理模块；数据同步采集与处理模块，用于按设置同步采集定位数据及倾角数据，并对定位数据进行坐标系统转换，转换成预设类型坐标系，并自动将数据以采集时间命名进行保存；实时三维动画及信息显示模块，用于通过三维建模按照真实尺寸和形状显示所述移动平台，并根据数据同步采集与处理模块处理后的定位数据及倾角数据以三维仿真方式实时动态的显示移动平台相对方位及三维姿态，同时，还用于显示所述移动平台周围设定范围内等比例真实环境。较佳地，所述实时动态差分GPS定位模块包括设于岸边固定方位的RTK基站及分别设于移动平台上且高于水面以上的A测量塔及B测量塔的两个RTK移动站。较佳地，所述无线传输模块采用点对点无线桥接方式，包括:供电及数据采集接口集成模块，分别设置于A测量塔及B测量塔内，用于对仪器设备进行独立供电及采集相关数据，且数据采集接口数量为一个或一个以上；无线数据发射天线，与供电及数据采集接口集成模块相连接用于发送数据；无线数据接收天线，固定设置于岸边与数据同步采集与处理模块相连接，用于接收无线数据发射天线所发送的数据。较佳地，所述无线数据发射天线及无线数据接收天线采用全向或全向与定性相结合的方式。较佳地，所述无线传输模块的无线传输带宽为100兆以上。具体地，所述数据同步采集与处理模块包括:设置模块，用于按需要调节采集模块的数据采集时间间隔及采集参数；采集模块，用于将无线数据接收天线所接收到的不同波特率及设置参数的定位数据及倾角数据进行同步采集；转换模块，用于对采集模块采集的定位数据进行坐标系统转换，转换成预设类型坐标系；存储模块，用于将所有采集及转换后的数据自动保存于数据文件中，数据文件自动按采集时间命名；较佳地，所述实时三维动画及信息显示模块还用于实时动态的显示移动平台方位角、与固定点的距离及高度偏移值。具体地，所述实时三维动画及信息显示模块包括:数据读取模块，用于读取数据同步采集与处理模块中保存的数据；显示调节模块,用于设置三维动画的显示参数,所述显示参数包括动态显示时间间隔、回放速度；显示模块，用于根据显示调节模块设置的显示参数将数据读取模块读取的数据按设定方式进行显示，所述设定方式包括侧向、正向、透视图及特定部位特写。较佳地，所述防水摄像头的数量为一个或一个以上与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果:本系统采用实时动态差分GPS及动画仿真的方式实时动态显示移动平台的方位姿态信息，直观、高效和高精度(厘米级)，大大提高施工安全及工程效率，自动化程度高，实现对整个施工过程的任意回放及精确监测，具有广泛应用前景。
图1是本实用新型系统实施例一的结构示意图。图2是本实用新型系统实施例二的结构示意图。图3是本实用新型的鸟瞰示意图。图4为RTK流动站及无线数据发射天线结构示意图。
具体实施方式
[0034]以下结合其中的较佳实施例对本实用新型方案进行详细阐述。图1中示出了本实用新型的浮式及半潜式移动平台方位与姿态检测系统实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例中的浮式及半潜式移动平台方位与姿态检测系统包括有:实时动态差分GPS定位模块101，用于获取移动平台的定位数据；双向重力式倾角仪模块102，用于获取移动平台的纵向及横向倾角数据；一个以上的防水摄像头106，用于拍摄所述移动平台107周围设定范围内的真实环境，；无线传输模块103，用于将定位数据及倾角数据传输至数据同步采集与处理模块104 ；数据同步采集与处理模块104，用于按设置同步采集定位数据及倾角数据，并对定位数据进行坐标系统转换，转换成预设类型坐标系，并自动将数据以采集时间命名进行保存；实时三维动画及信息显示模块105，用于通过三维建模按照真实尺寸和形状显示所述移动平台107，并根据数据同步采集与处理模块104处理后的定位数据及倾角数据以三维仿真方式实时动态的显示移动平台107相对方位及三维姿态，同时，还用于显示所述移动平台107周围设定范围内等比例真实环境。根据本实施例中的系统，其通过实时动态差分GPS定位模块101实时获取移动平台的定位数据，通过双向重力式倾角仪模块102实时获取移动平台107的纵向及横向倾角数据，并通过数据同步采集与处理模块104对同步采集的定位数据转换到预设类型的坐标系，通过三维建模及仿真的方式实时显示移动平台107的相对方位、三维姿态等信息，使得对浮式及半潜式移动平台的监控直观、高效，大大提高了施工安全及工程效率。其中，如图1所示，在本实施例的系统中，该防水摄像头106是用于拍摄上述移动平台107周围设定范围内的真实环境。此时，基于防水摄像头106所拍摄的真实环境，上述实时三维动画及信息显示模块105，还可以用于显示移动平台107周围设定范围内等比例真实环境，为精确监测移动平台107的方位及姿态等提供更进一步的参考。其中，上述防水摄像头106，可以设置有一个或一个以上的多个，具体的防水摄像头106的个数，可以根据具体对周围环境的覆盖度等实际需求进行设定，图2是对图1的进一步细化，其中，上述实时动态差分GPS定位模块101包括设置于岸边固定位置的RTK基站及分别设于移动平台107上且高于水面的A测量塔109及B测量塔108的两个RTK移动站1011，所述A测量塔109及B测量塔108内均设置有采集RTK移动站1011及倾角仪数据的供电及数据采集接口集成模块1031。图3中示出了上述实时动态差分GPS定位模块101的设置方式的示意图。如图3所示，RTK基站设置、架设在岸边的固定位置，两个RTK移动站1011设置于移动平台107且高于水面的A测量塔109、B测量塔108上。其中，如图3、图4所示，上述无线传输模块103采用点对点的无线桥接方式来实现，具体可以包括与A测量塔109及B测量塔108内的供电及数据采集接口集成模块1031相连接的无线数据发射天线1032及固定设置于岸边与数据同步采集与处理模块104相连接的无线数据接收天线1033。供电及数据采集接口集成模块1031，用于保证移动平台上的仪器全天候长时间连续工作及提供连接和扩充各仪器设备数据接口，且所述数据接口的数量可根据需要进行扩充。无线数据发射天线1032及无线数据接收天线1033采用全向或全向与定性相结合的方式，该无线传输模块103的无线传输带宽可以达到100兆以上，以便于能够将A测量塔109及B测量塔108内的供电及数据采集接口集成模块1031采集的数据实时传输到无线数据接收天线1033 (岸上的控制中心)，数据传输稳定、传输距离远且延时低。双向重力式倾角仪模块102安装于移动平台107内或上表面上，并与设置在A测量塔109或B测量108塔上的供电及数据采集接口集成模块1031相连接。结合图2中所示为例，双向重力式倾角仪模块102采集的纵向及横向倾角数据通过无线传输模块103发送回岸上控制中心，控制中心通过数据同步采集与处理模块104接收无线传输模块103传送过来的纵向及横向倾角数据，并接收实时动态差分GPS定位模块101传送的移动平台107的定位数据，并对接收到的定位数据进行转换处理及保存，处理后的数据提供给实时三维动画及信息显示模块105进行相对方位与姿态的三维实时显示。同时所有传输设备、线路等都集中在防水箱里面，防水并能在70摄氏度的高温环境下工作。为了确定移动平台107的方位、方位角和姿态，需要通过A测量塔109及B测量塔108的坐标及整个平台的纵向和横向倾斜角度反算移动平台107上特征点的三维坐标。需要先测量A测量塔109和B测量塔108上的RTK移动站1011相对于整个移动平台107的方位，这里需要测量其与移动平台107中轴线的水平距离xr、与距侧边的水平距离yr及与移动平台107上表面的垂直高度hr。从而由于移动平台107的尺寸已知(长宽高)，由A测量塔109及B两测量塔108上RTK移动站1011的GPS坐标(xl，yl, hi和x2, y2和h2)、RTK移动站1011相对于移动平 台107的相对方位(xrl, yrl, hr I和xr2, yr2和hr2)以及整个移动平台107的纵倾和横倾(ql和q2)可以反算出整个移动平台107上任意一点的平面坐标和高程，从而进一步可以计算移动平台107与其他已知点的平面距离、高差及中轴线偏差等 目息。如图2所示，所述数据同步采集与处理模块104包括:设置模块1041，用于按需要调节采集模块1044的数据采集时间间隔及采集参数；转换模块1042，用于对采集模块1044采集的定位数据进行坐标系统转换，转换成预设类型坐标系；如由WGS-84转换为2000国家大地坐标系。采集模块1044，用于将无线数据接收天线1033所接收到的不同波特率及设置参数的定位数据及倾角数据进行同步采集，确保方位数据和倾斜度数据属于同一时刻，从而得到移动平台某一时刻的准确方位和姿态；存储模块1043，用于将所有采集及转换后的数据自动保存于数据文件中，数据文件自动按采集时间命名，便于进行历史数据回放。如图3所示，该系统的工作过程如下:通过由设置在岸边固定位置的RTK基站及移动平台107上的2个RTK移动站组成的实时动态差分GPS定位模块获取移动平台107的定位数据，同时，通过设置在移动平台107上预定位置的双向重力倾角仪获取移动平台107的纵向及横向倾斜角度，防水摄像头106获取移动平台107附近的真实环境数据，无线传输模块103采用点对点无线桥接方式，将上述数据由带有三个定向及全向天线的无线数据发射天线远距离无线传输至设于岸边的无线数据接收天线110，无线数据接收天线110将接收到的数据输送至数据同步采集与处理模块104，经过对定位数据的坐标转换及处理，处理后的数据提供给实时三维动画及信息显示模块105进行相对方位与姿态的三维实时显示，该数据同步采集及处理模块104能同步采集两个RTK移动站1011定位数据及纵向及横向倾角仪数据，对无效及异常数据进行过滤，对接收到的GPS定位数据进行坐标系统转换，自动转换成当地采用的地方坐标系。能按需要调节数据采集时间间隔及采集参数，所有数据自动保存于数据文件，数据文件自动按采集时间命名，方便查看。所述实时三维动画及信息显示模块105包括:数据读取模块1051，用于读取数据同步采集与处理模块中保存的数据，如坐标数据、倾角数据、视频数据、移动平台方位角、与固定点的距离及高度偏移值等；显示调节模块1052,用于设置三维动画的显示参数,所述显示参数包括动态显示时间间隔、回放速度，按任意时间间隔及速度进行回放；显示模块1053，用于根据显示调节模块1052设置的显示参数将数据读取模块读取的数据按设定方式进行显示，所述设定方式包括侧向、正向、透视图及特定部位特写等，以便对移动平台107各个部位进行全面精确的观察。通过三维建模，实时三维动画及信息显示模块105不仅能按照真实尺寸和形状显示移动平台107，同时显示移动平台107周围一定范围内等比例真实环境，从而能根据接受到得监测数据实时显示移动平台107的相对方位(比如说距离目标点或目标线的偏离距离、偏离角度等)、三维姿态(移动平台107的方位角、纵向及横向倾角、移动平台107两端的高差等)等信息，并以仿真的方式把实时动态的动画三维显示出来，三维仿真物体与现场移动平台107的运动保持高度一致。所有的历史数据实时保存，可以在施工过程之后对整个施工过程进行三维运动过程精确回放，任意调节回放速度，从而可以对整个施工过程进行细致的检验及经验总结。与现有技术相比，本系统具有如下有益效果:本系统可以对浮于水面及潜入水下深度小于20米的大型移动平台107进行定位及获取姿态数据并通过所建立的三维模型把移动平台107的相对方位及姿态(两端高差及轴线偏差等)实时动态显示出来。考虑到水中的移动平台107与岸上监控点数据传输的困难，所有数据，包括视频流、GPS定位数据及倾角仪数据等都采用无线双向传输，同时带宽超过100兆，保证了数据传输的畅通性，传输距离可以达到1.5公里，同时考虑到移动平台107的方位可能处于任意方向，因此传输天线采用360度全向天线及定向天线相结合的方式以保证无线数据的稳定性。数据采集软件系统可以同时采集两个GPS方位数据及纵向和横向倾角数据，同时对GPS定位数据进行坐标转换以便于当地的所采用的坐标系统保持统一。三维实时动画显示系统能同时显示移动平台107的相对方位(比如说距离目标点或目标线的偏离距离、偏离角度等)、三维姿态(移动平台107的方位角、纵向及横向倾角、移动平台107两端的高差等)等信息，并以仿真的方式把实时动态的动画三维显示出来，三维仿真物体与现场移动平台107的运动保持高度一致，精度达到厘米级，同时把实时传送到岸边的水下及水上防水摄像头画面予以显示，两者能互相对照，从而使得监控手段非常直观、高效。所有的历史数据都实时保存，可以在施工过程之后对整个施工过程进行三维运动过程精确回放，任意调节回放速度，从而可以对整个施工过程进行细致的检验及经验总结，可广泛应用于河道工程施工(如沉管法施工的过江隧道)、海面舰船平台(如运油船、移动钻井平台等)以及其他浮式和半潜式(深度一般不超过20米)移动平台107的定位、方位角及三维姿态显示和信息测控等。可以直观、高效、高精度地显示移动平台107的实时状态，大大提高施工安全及工程效率。以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施案例。本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，其特征在于，包括: 实时动态差分GPS定位模块，用于获取移动平台的定位数据； 双向重力式倾角仪模块，用于获取移动平台的纵向及横向倾角数据； 防水摄像头，用于拍摄所述移动平台周围设定范围内的真实环境； 无线传输模块，用于将定位数据、倾角数据及真实环境数据传输至数据同步采集与处理模块； 数据同步采集与处理模块，用于采集和保存定位数据及倾角数据； 实时三维动画及信息显示模块，用于显示移动平台相对方位及三维姿态，同时，还用于显示所述移动平台周围设定范围内等比例真实环境。
2.根据权利要求1所述的浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，其特征在于，所述实时动态差分GPS定位模块包括设于岸边固定方位的RTK基站及分别设于移动平台上且高于水面以上的A测量塔及B测量塔的两个RTK移动站。
3.根据权利要求1所述的浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，其特征在于，所述无线传输模块采用点对点无线桥接方式，包括: 供电及数据采集接口集成模块，分别设置于A测量塔及B测量塔内，用于对仪器设备进行独立供电及采集相关数据，且数据采集接口数量为一个或一个以上； 无线数据发射天线，与供电及数据采集接口集成模块相连接用于发送数据； 无线数据接收天线，固定设置于岸边与数据同步采集与处理模块相连接，用于接收无线数据发射天线所发送的数据。
4.根据权利要求3所述的浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，其特征在于:所述无线数据发射天线及无线数据接收天线采用全向或全向与定性相结合的方式。
5.根据权利要求4所述的浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，其特征在于:所述无线传输模块的无线传输带宽为100兆以上。
6.根据权利要求1所述的浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，其特征在于:所述实时三维动画及信息显示模块还用于实时动态的显示移动平台方位角、与固定点的距离及高度偏移值。
7.根据权利要求1所述的浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，其特征在于:所述防水摄像头的数量为一个或一个以上。
专利摘要一种浮式及半潜式移动平台方位及三维姿态监测显示系统，包括实时动态差分GPS定位模块，用于获取移动平台的定位数据；双向重力式倾角仪模块，用于获取移动平台的倾角数据；防水摄像头，用于拍摄移动平台周围设定范围内的真实环境；无线传输模块，用于将相关数据传输至数据同步采集与处理模块；数据同步采集与处理模块，用于同步采集及转换相关数据；实时三维动画及信息显示模块，用于三维仿真方式实时动态地显示移动平台方位及姿态及周围真实环境。本实用新型采用GPS及三维仿真的方式实时动态显示移动平台的方位姿态信息，直观、高效和高精度，大大提高施工安全及工程效率，自动化程度高，实现对整个施工过程的精确监测，具有广泛应用前景。
文档编号G01C1/00GK203069788SQ201220675288
公开日2013年7月17日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者詹杰民, 唐灵, 喜扬洋, 苏炜, 赵陶, 李天赠, 胡文清 申请人:中山大学