一种多波束位置伺服控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多波束位置伺服控制方法。
【背景技术】
[0002] 准确的海岛（礁）和大陆架海底海岸地形是确定我国领海、专属经济区的重要依 据，远海岛礁浅水区海底海岸地形及近岸水上地形测量一直是国内外测绘领域的一个难点 问题。船载水岸线上下一体化测量系统是一种集成多波束测深仪、激光扫描仪、惯性测量单 元、卫星接收机等多传感器的系统，通过多传感器协同采集信息，能够同时获取浅水区海底 海边地形及近岸水上地形数据，实现了水上水下一体化数据采集，有效解决了不易到达岛 礁地形测量、涉海单位海岸带和滩涂地形的测量问题。其中，在利用船载水岸线上下一体化 测量系统进行浅水区海底海岸地形及水上地形测量的作业中，采集的水上水下数据要达到 无缝拼接一体化的效果，海岸水下数据的采集是至关重要的。在船载水岸线上下一体化测 量系统中多波束测深仪主要是用于水下测量工作，能够有效探测水下地形，得到高精度的 三维地形图。
[0003] 目前，常用的多波束换能器的安装方法有三种：第一种方法是将多波束换能器直 接安装平行固定与船体，换能器接收面朝下与船底平行；此种方法针对海岸线水上水下一 体化测量过程中，平行发射的波束难以采集水下岸边的数据，难以达到数据水上水下一体 化的效果；第二种方法是在安装杆上为多波束换能器设置多个安装角度，换能器接受面与 船底成固定夹角；此方法可以在一定程度上解决采集海岸水下数据的问题，但是此方法针 对海底海岸多样化的地形采集不灵活，多波束换能器一旦开始工作，其换能器声波发射接 收面角度便固定，无法对不同的海底海岸地形进行灵活的测量；同时此方法在每次更换安 装角度后均要重新标定计算多波束换能器与惯性测量单元的空间关系，不但增加了作业的 复杂性，同时由于测量现场环境的限制，标定计算无法实时进行；第三种方法是采用多个不 同角度多波束换能器采集的方法；此种方法虽然在一定程度上解决了海底海岸地形多样化 以及无法实时标定计算多波束换能器与惯性测量单元的空间关系给数据采集带来的不便， 但是采用多个换能器的方法无疑提高了采集的成本，同时采集一些不必要的冗余数据。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种多波束位置伺服控制方法，以解决多波束换能器以固 定角度安装时无法获得最理想数据的问题，可以使多波束换能器在水下灵活的旋转，对需 要不同角度采集的水下地形调整到最优角度进行测量；同时本发明通过标定基准角度坐标 系，实现任意角度换能器的坐标系转换，以克服换能器更换角度后标定任务无法实时完成 的弊端。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种多波束位置伺服控制方法，其控制系统包括控制器、驱动器、电机、内部编码 器和外部编码器；内部编码器为电机自带编码器；该方法包括如下步骤：
[0007]a由外部编码器确定多波束换能器绕其前进方向的旋转角度，定义该旋转角度为 基准角度；在基准角度下标定计算多波束测深仪与惯性测量单元的空间关系，将多波束系 统在基准角度下的多波束换能器坐标系定为换能器基准角度坐标系；
[0008]b外部编码器将所述基准角度发送给控制器，由控制器向驱动器发出位置指令，驱 动器控制电机转动并带动多波束换能器进行旋转，同时内部编码器和外部编码器不断向驱 动器反馈电机及多波束换能器位置信息用于使多波束换能器准确到达指定位置；
[0009]c在多波束换能器到达指定位置后，控制器通过外部编码器实时记录并存储多波 束换能器在水下作业过程中产生的偏转角度，获得实时换能器偏转坐标系；同时控制器进 行时间同步，获得与GPS时间同步后的时间戳；
[0010] d控制器根据实时记录的偏转角度和与GPS时间同步后的时间戳，将换能器偏转 坐标系下波束点坐标转到换能器基准角度坐标系下。
[0011] 优选地，所述控制器为嵌入式计算机、单片机或PLC。
[0012] 优选地，多波束测深仪与惯性测量单元的空间关系包括安置角和偏移量参数。
[0013] 优选地，所述步骤c中，偏转角度的信息读取方法为：
[0014] 外部编码器采用N位绝对值编码器，且采用SSI通讯协议，数据传输采用同步方 式；当空闲阶段不发生数据传输的时候，控制器将外部编码器的时钟信号置高，此时，外部 编码器的数据位为高；第一个时钟脉冲信号的下降沿触发外部编码器载入发送数据，然后 在每一个时钟信号的上升沿外部编码器送出数据，数据的高位在前，低位在后，当将N位数 据传送完毕后，控制器将时钟信号置高，数据位也对应回到高电平，一次位置信息传递完 成。
[0015] 优选地，所述步骤c中，控制器内的时间系统与GPS时间实现同步的方法如下：
[0016]cl控制器与GNSS接收机连接，接收GNSS接收机发送过来的PPS脉冲；
[0017]c2控制器与GNSS接收机进行通信，接收GNSS接收机发送的含有时间信息的报 文；
[0018]c3GNSS接收机的PPS脉冲是每秒发出1次，且PPS脉冲先于时间报文到达控制 器，同时控制器对接收到的时间报文进行解析，得到其中的GPS时间；
[0019]c4记控制器在首次解析时得到的GPS时间为h，记&时间的下一时间为12，当 t2时间的PPS脉冲到达控制器时，利用ti+ls修正控制器内部的时间，实现与GPS时间的同 步；
[0020] C5在实时采集多波束换能器偏转角度的同时，记录一次开始采集时的时间ts，记 录一次采集结束后的时间％;将t3和te的平均值tavg作为本次偏转角度采集的时间戳，连 同采集的偏转角度一并存储到控制器内部。
[0021] 优选地，所述步骤d具体包括：
[0022] dl根据实时记录的偏转角度α、时间戳和通过几何关系得到多波束换能器中心 与多波束换能器安置杆旋转中心间的距离r;
[0023] d2将换能器偏转坐标系下波束点坐标转到换能器基准角度坐标系下，其转换关系 如下：
[0024]
[0025] 其中，α。表示基准角度；α表示旋转角度；(^表示换能器基准角度坐标系；表 示换能器偏转坐标系，该坐标系是由α确定的多波束换能器坐标系。
[0026] 本发明具有如下优点：
[0027] 首先，本发明中多波束换能器可以在一定角度范围内在水下灵活的旋转来应对多 样的海底海岸地形，达到数据采集效果的最优化，更可以达到船载水岸线上下一体化测量 系统中要求的水上水下数据一体化的效果；其次，由本发明多波束位置控制系统提供的基 准角度、偏转角度和时间戳减少了标定计算带来的复杂性，给出基准角度进行一次标定计 算并确定换能器基准角度坐标系，在更换多波束换能器采集角度后，无需再进行标定计算， 只需根据实时偏转角度和与GPS时间同步后的时间戳，将换能器偏转坐标系下波束点坐标 转换到换能器基准角度坐标系下即可；最后，本发明方法利用一个多波束换能器在作业过 程中进行任意角度的旋转，有效地控制了数据采集的成本。
【附图说明】
[0028] 图1为船载水岸线上下一体化测量系统的示意图；
[0029] 图2为多波束换能器坐标系CM的不意图；
[0030] 图3为载体坐标系CIMU的不意图；
[0031] 图4为换能器基准坐标系CB的示意图；
[0032] 图5为换能器偏转坐标系&的不意图；
[0033]图6为本发明中多波束位置控制系统的结构框图；
[0034] 图7为本发明中外部编码器的输入输出时序图；
[0035] 图8为本发明中控制器接收PPS脉冲和时间报文的示意图；
[0036] 图9为本发明中控制器内部时间修正示意图；
[0037] 图10为本发明中坐标转换示意图；
[0038] 图11为本发明中一种多波束位置伺服控制方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明：
[0040] 一种多波束位置伺服控制方法，其控制系统包括控制器、驱动器、电机、内部编码 器和外部编码器；内部编码器为电机自带编码器，如图6所示。本发明多波束位置控制系统 能够控制多波束换能器在水下作业的过程中在一定角度范围内任意旋转进行数据采集。
[0041] 如图11所示，本发明方法具体包括以下步骤：
[0042] a确定多波束换能器基准角度坐标系
[0043] 首先利用已有技术对多波束测深仪、激光扫描仪、惯性测量单元、卫星接收机等多 传感器进行一体化固联，形成船载水岸线上下一体化测量系统，如图1所示。
[0044] 在船载水岸线上下一体化测量系统中存在多个坐标系，其中包括多波束换能器坐 标系CM，载体坐标系CIMU，换能器基准角度坐标系CB，换能器偏转坐标系(；。
[0045] 多波束换能器坐标系CM是以换能器接收端中心为原点0MB，以换能器前进方向为YM 轴，沿换能器接收端阵列平面垂直于YM轴右向为xM，过原点垂直于接收端接受阵列向连接 法兰方向为ZM，XM、YM与ZM构成右手坐标系，如图2所示。
[0046] 载体坐标系CIMU是以惯性测量单元的质心为原点0 _，其YIMU轴指向前进方向，XIMU 轴垂直于YIMU轴指向前进方向的右侧，ZIMU轴垂直于XIMU，YIMU轴向上，构成右手坐标系，如图 3所示。
[0047] 换能器基准角度坐标系心是由外部编码器给出的基准角度α。确定的，其中，α。 是多波束换能器绕其前进方向即YIMU的偏转角度，在此角度下标定计算多波束测深仪与惯 性测量单元的空间关系，包括安置角和偏移量参数，将多波束系统在基准角度α。下的多波 束换能器坐标系定为换能器基准角度坐标系，即为CB，