海底电缆巡检用水下航行器智能监测系统及组合导航方法与流程

本发明涉及的是一种海底电缆巡检系统，本发明也涉及一种海底电缆巡检系统的组合导航定位方法。

背景技术

海底电缆广泛应用于海岛间供电、海上作业平台供电、海上风电场、跨江河海峡短程输电等重要场合，是海洋电力传输的重要介质及方式。然而，由于海水的腐蚀作用，早年铺设的海底电缆绝缘保护层老化脱落、线缆断裂等事故时常发生，加之其易受到船锚、水下作业活动、水下大型生物及水下洋流运动的损坏，由此引发的漏电危害、电力中断、人身安全威胁及经济问题及都是极为严重的。为此，为保证输电海缆的安全稳定运行及对其潜在危险进行预警，需要建立有效的海底电缆巡检措施。

传统的海底电缆巡检办法主要包括：(1)定期派遣潜水人员水下巡检，该方式总体作业时间长、水下拍照取证及信息记录困难、效率低、危险性高且有时因电缆铺设水深过大致使潜水人员无法完成巡检任务；(2)水面母船下部搭载监测设备对水下电缆定期巡检，这种方法费用高、灵活度低，且在进行小范围和大深度作业时受限严重。因此实现基于水下航行器的智能监测系统对海底电缆进行全方位高效巡检是十分必要的，然而导航定位技术是实现水下航行器自主有效航行的关键技术，必须加以解决。传统导航定位系统面临成本高、体积大、功耗大、过于笨重、不易安装、维护费用高等突出问题，无法满足水下航行器对导航设备低成本、小型化、便于防水密封的实际需求。此外，单一导航定位方式面临导航定位信息不全面、准确度低、系统冗余可靠性低等问题，无法满足水下航行器对导航信息全面准确及导航系统高可靠性的特定要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够实现对海底电缆的全方位、高效能巡检的海底电缆巡检用水下航行器智能监测系统。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的海底电缆巡检用水下航行器智能监测系统的组合导航方法。

本发明的海底电缆巡检用水下航行器智能监测系统包括自主水下航行器、水面浮台和岸站监控系统；

所述自主水下航行器的头部为半球壳状，正前方壳体上分布有四个前向dvl传感器；自主水下航行器的中部为长形圆柱壳状，其上部分布有供电通信一体化接口、弓形吊装挂钩、高清云台相机，其下部分布有水下照明灯，其侧部对称分布两个dvl传感器，自主水下航行器中部舱内设置有多功能运动控制电路、信息与处理与通信电路以及组合导航系统；自主水下航行器尾部为半球壳状，其上均等分布有三个舵叶，其后通过旋转轴与螺旋桨连接；螺旋桨外部设置保护环，所述保护环通过支架与自主水下航行器尾部固连；

所述水面浮台的壳体下部为半球壳状、上部为圆台状，下部半球状壳体内部固连有金属支撑支架，电源箱固连在金属支撑支架地板上；水面浮台内部中部台面上安装有gps接收机和无线传输模块；水面浮台最顶部安装有gps接收天线和无线传输天线；水面浮台供电通信一体化线缆通过底部小圆形孔径与延伸出来连接水下航行器供电通信接口；

所述岸上监控站包括监控pc机及供电电源，监控pc机具有数据存储与分析、数据可视化效果处理、图像信息处理功能，用于接收水下回传信息及水下监测控制。

基于本发明的海底电缆巡检用水下航行器智能监测系统的组合导航方法为：组合导航系统包括mins、gm、dvl、visual四个子导航系统；mins是由mems陀螺仪、mems加速度计组成的微惯性导航系统，通过数据采集电路获得陀螺仪和加速度的原始输出，经数据预处理得到载体运动的角速度和加速度信息，再经积分过程，获得角增量和速度及位置信息，辅以初始载体姿态信息并经四元数姿态更新算法获得实时载体姿态信息；gm子系统的三轴磁强计测量地磁强度矢量信息并经椭球拟合补偿校正，再辅以水平倾角经正交投影分解过程获得磁航向信息，经当地罗差补偿获得相对于真北方位的载体航向信息；dvl子系统通过声波发射与接收获得多普勒频移信息，在考虑声波发射器安装倾角及航行器运动姿态的情况下经速度投影分解获得运载体速度信息，经积分过程加之初始位置获得实时位置信息；visaul子系统经图像信息采集与预处理，结合slam算法提取出图像目标特征点及特征点间距，经空间坐标变换至导航坐标系，获得载体位置变化信息，再通过测定特征点对应时刻差得到其速度信息。

各导航子系统提供冗余导航信息，这些冗余导航信息同时参与多传感器信息融合算法的运算，它们之间互为参考校正，提高组合导航系统的导航信息精度和系统冗余可靠性及容错性。

本发明的适用于海底电缆巡检的水下航行器智能监测系统包括自主水下航行器、水面浮台、岸站监控系统三大部分。

自主水下航行器包括航行器头部、航行器中部、航行器尾部三个主体部分，三者之间在内部用螺钉固定连接，并在外部使用圈作防水密封处理；其中，航行器头部为半球壳状，采用防水耐压浮力材料制作，其正前方壳体上分布有四个前向dvl传感器，用于对自主水下航行器测速定位，其声波发射孔采用防水胶处理；航行器中部为长形圆柱壳状，采用防水耐压浮力材料制作，其上部分布有供电通信一体化接口，用于和水面浮台供电通信一体化线缆插座连接；弓形吊装挂钩采用软体耐拉钢丝制作，用于通过小型吊装车投放和收起自主水下航行器；高清云台相机通过舱内小型云台电机驱动控制，实现全方位旋转以捕获海底电缆周围各角度图像信息及电缆局部故障点信息；其下部分布有水下照明灯，采用低压高亮技术制作，用于水下照明；侧部对称分布两个dvl传感器，用于对自主水下航行器测速定位，其声波发射孔采用防水胶处理；航行器尾部为半球壳状，采用防水耐压浮力材料制作，其上均等分布有三个舵叶，用于使航行器稳定前行；其后通过旋转轴与螺旋桨连接，螺旋桨可通过控制实现多自由度转动，为航行器提供多个方向的推力。螺旋桨外部为其保护环，通过支架与航行器尾部固连，用于保护螺旋桨使其不被水下杂物缠绕。应当指出的是：航行器中部舱内还包含有多功能运动控制电路、信息与处理与通信电路、组合导航系统等重要部分，因其位于内部，不便以图示出。

水面浮台包括水面浮台壳体，下部为半球壳状，上部为圆台状，均采用轻型防水材料制作；下部半球状壳体内部固连有金属支撑支架，用于安放电源，电源为蓄电池电源箱通过紧固螺钉固连在安装支架地板上；浮台内部中部台面上安装有gps接收机和无线传输模块，分别用作测速定位和无线信息传输；浮台最顶部安装有gps接收天线和无线传输天线，均通过高强力防水胶与浮台壳体固连。此外浮台供电通信一体化线缆通过浮台底部小圆形孔径与延伸出来，用于连接水下航行器供电通信接口。

所述的岸上监控站包括监控pc机及供电电源，其中监控pc机具有数据存储与分析、数据可视化效果处理、图像信息处理等功能，用于接收水下回传信息及水下监测控制。

本发明采用水下航行器作为智能监测系统平台，实现海底电缆巡检的智能化；采用小型水面浮台作为信息传输中转及水下航行器提供二次电能供应，极大提高其水下续航能力和连续巡检作业时间；采用mins/dvl/visual/gm的组合导航定位方式，实现了水下航行器姿态、速度、位置等导航信息的全面获取，且通过联邦滤波技术实现各导航子系统的数据信息有效融合，提高导航定位信息的精度，满足监测系统低成本、小型化、低功耗、便于安装、易密封防水等技术要求。水下航行器通过线缆(内含通信光缆与电源线)与浮台联系、浮台通过无线传输模块与电厂基站联系，克服了水下信息传输困难，实现了海底电缆巡检信息存储、图像信息采集及数据实时回传，实现对海底电缆的全方位、高效能巡检。

附图说明

图1是基于自主水下航行器的海底电缆巡检智能监测系统总体示意图。

图2是自主水下航行器结构示意图。

图3是组合导航系统信息获取过程图。

图4是基于联邦滤波器的组合导航多传感器信息融合原理图。

图5是海底电缆巡检智能监测系统整体工作流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1本发明的基于自主水下航行器的海底电缆巡检智能监测系统包括：1-岸上监控站，1-1监控pc机，1-2电源；2-水面浮台，2-1gps接收天线，2-2无线传输天线，2-3gps接收机，2-4浮台壳体，2-5无线传输模块，2-6电源安装支架，2-7电源，2-8供电通信一体化电缆；3-无人水下航行器。所述的岸上监控站包括：1-1监控pc机及1-2供电电源，其中1-1监控pc机具有数据存储与分析、数据可视化效果处理、图像信息处理等功能，用于接收水下回传信息及水下监测控制。所述的2-水面浮台包括：2-4水面浮台壳体，下部为半球壳状，上部为圆台状，均采用轻型防水材料制作；下部半球状壳体内部固连有2-6电源支撑支架，用于安放2-7电源，电源为蓄电池电源箱通过紧固螺钉固连在安装支架地板上；浮台内部中部台面上安装有2-3gps接收机和2-5无线传输模块，分别用作测速定位和无线信息传输；浮台最顶部安装有2-1gps接收天线和2-2无线传输天线，均通过高强力防水胶与2-4浮台壳体固连。此外2-8浮台供电通信一体化线缆通过浮台底部小圆形孔径与延伸出来，用于连接3-水下航行器供电通信接口。所述的3-自主水下航行器将在实施例二中作详细说明。3-1航行器头部，3-2前向dvl传感器，3-3航行器中部，3-4供电通信一体化接口，3-5吊装挂钩，3-6顶部高清云台相机，3-7照明灯，3-8侧部dvl传感器，3-9航行器尾部，3-10航行器舵叶，3-11螺旋桨，3-12螺旋桨护环，3-13防水密封圈。

结合图2自主水下航行器结构具体包括：3-1航行器头部，3-3航行器中部，3-9航行器尾部三个主体部分，三者之间在内部用螺钉固定连接，并在外部使用3-13防水密封圈作防水密封处理；其中，3-1航行器头部为半球壳状，采用防水耐压浮力材料制作，其正前方壳体上分布有四个3-2前向dvl传感器，用于对3-自主水下航行器测速定位，其声波发射孔采用防水胶处理；3-3航行器中部为长形圆柱壳状，采用防水耐压浮力材料制作，其上部分布有3-4供电通信一体化接口，用于和2-8水面浮台供电通信一体化线缆连接；3-5弓形吊装挂钩采用软体耐拉钢丝制作，用于通过小型吊装车投放和收起3-自主水下航行器；3-6高清云台相机通过舱内小型云台电机驱动控制，实现全方位旋转以捕获海底电缆周围各角度图像信息及电缆局部故障点信息；其下部分布有3-7水下照明灯，采用低压高亮技术制作，用于水下照明；侧部对称分布两个3-8dvl传感器，用于对自主水下航行器测速定位，其声波发射孔采用防水胶处理；3-9航行器尾部为半球壳状，采用防水耐压浮力材料制作，其上均等分布有三个3-10舵叶，用于使航行器稳定前行；其后通过旋转轴与3-11螺旋桨连接，3-11螺旋桨可通过控制实现多自由度转动，为3-航行器提供多个方向的推力。3-11螺旋桨外部为其3-12保护环，通过支架与3-9航行器尾部固连，用于保护3-11螺旋桨使其不被水下杂物缠绕。应当指出的是：航行器中部舱内还包含有多功能运动控制电路、信息与处理与通信电路、组合导航系统等重要部分，因其位于内部，不便以图示出。

结合图3组合导航系统信息获取过程具体说明如下：组合导航系统包括mins/gm/dvl/visual四个子导航系统，组合导航信息来源于系统各子导航系统，mins是由mems陀螺仪、mems加速度计组成的微惯性导航系统，通过数据采集电路获得陀螺仪和加速度的原始输出，经数据预处理得到载体运动的角速度和加速度信息，再经积分过程，获得角增量和速度及位置信息；辅以初始载体姿态信息并经四元数姿态更新算法获得实时载体姿态信息；gm子系统高精度三轴磁强计测量地磁强度矢量信息并经椭球拟合补偿校正，再辅以水平倾角经正交投影分解过程即可获得磁航向信息，经当地罗差补偿即获得相对于真北方位的载体航向信息；dvl子系统通过声波发射与接收获得多普勒频移信息，在考虑声波发射器安装倾角及航行器运动姿态的情况下经速度投影分解即可获得运载体速度信息，经积分过程加之初始位置即可获得实时位置信息；visaul子系统经图像信息采集与预处理，结合slam算法提取出图像目标特征点及特征点间距，经空间坐标变换至导航坐标系，即可获得载体位置变化信息，在通过测定特征点对应时刻差即得到其速度信息；应当指出的是：各导航子系统提供了冗余导航信息，这些信息同时参与多传感器信息融合算法的运算，它们之间是互为参考校正的，以提高组合导航系统的导航信息精度和系统冗余可靠性及容错性。

结合图4基于联邦滤波器的组合导航多传感器信息融合原理做具体说明：本发明中所采用的多传感器数据信息融合方案如图4所示，为联邦卡尔曼滤波结构，mins具有短时精度高、信息全面的特点，在此选为参考系统；dvl具有测速定位精度高的特点，用于定期校正mins速度、位置信息；gm具有航向测量精度高的特点用于定期校正mins航向信息；visual同样具有优越的测速定位功能且数据输出频率高，在gps信号失锁情况下，继续为系统提供速度、位置参考信息。dvl、gm、visual子系统均采用无反馈重置结构，保证了各局部滤波器相互独立、互不干扰，提供了最高的容错性能，最终，基于联邦滤波器的多传感器数据信息融合方案提高了组合导航的精度及容错能力。图中符号均为卡尔曼滤波方程惯用符号，在此对其含义不再赘述。

结合图5，海底电缆巡检智能监测系统工作流程具体如下：

步骤1，将整个海底电缆巡检智能监测系统，包括水下航行器、水面浮台及监控pc机，运输至岸边。系统正确接线，并开机自检，主要查看各子系统是否工作以及监控pc机接收数据是否正常，进入步骤2。

步骤2，确定系统各部分均能正常工作后，采用小型吊装车将水下航行器及水面浮台投放至岸边水中，进入步骤3。

步骤3，水下航行器搭载的组合导航系统、相机图像采集系统、运动控制系统等开始工作，以支持水下航行器自主下潜，搜索海底电缆，进入步骤4。

步骤4，水下航行器借助视觉传感器及声学多普勒传感器搜索到海底电缆，此时高清云台相机开始工作，对海底电缆及其周围环境进行拍照取证，同时水下航行器本体在组合导航系统及运动控制系统协调作用下，沿海底电缆巡检，进入步骤5。

步骤5，水下航行器自身搭载的数据存储与传输模块将水下航行器本体运动参数信息及海缆巡检图像信息实时存储，并借助水下通信光缆将信息传输至水面浮台无线收发模块，水面浮台作为数据传输中转再通过无线传输方式将数据实时传回至岸站监控pc机，同时水面浮台搭载的电源可以为水下航行器本体提供二次电能，增强其续航能力，进入步骤6。

步骤6，判断巡检过程中是否发现海底电缆故障点。若是发现故障点，则进入步骤7；否则，进入返回步骤4。

步骤7，一旦发现海底电缆有特殊故障点，水下航行器就会做定点定高悬停，借助mins/dvl/visual组合方式来实现水平位置和高程信息的精确测量，并借助运动控制系统来做到三维位置精准悬停，这样有利于云台相机拍照取证，通过云台相机拍摄多组特定照片，并记录故障点位置信息来建立故障点信息参数，将这些信息保存并回传，进入步骤8。

步骤8，判断对海底电缆的巡检是否完毕。若水下航行器继续沿海缆延伸处巡航，未能发现海缆，视为巡检完毕，则进入步骤9；否则，进入返回步骤6。

步骤9，一旦确定海底电缆全程巡检完毕，岸上监控站通过pc机向水下航行器发出返航指令，水下航行器在组合导航系统、运动控制系统等功能子系统协调工作下自主上浮。至此，智能监测系统完成对海底电缆的巡检工作。