基于MEMS姿态传感器的水下面形变形实时监测系统的制作方法

本发明涉及水下地形测量技术领域，更具体涉及一种基于mems姿态传感器的水下面形变形实时监测系统。

背景技术：

海洋约占地球将近四分之三的表面积，同时我国是一个海洋大国，拥有近300万平方公里的海域面积。随着经济的快速发展及人口的不断膨胀，对能源的需求不断增加，人们已将目光投向海洋，对海洋资源的勘测、开发、利用已成为必要。然而一方面，海洋较陆地环境复杂，勘测设备在深海中可能发生表面变形，造成设备无法正常工作，甚至报废；另一方面，人们对海底地形了解甚少，直接开发将会付出很高代价，并且在开发过程中也可能出现地形的塌陷，造成水下工程的瘫痪等事故。因此，对于水下面形变形的实时监测具有重要意义，是迫切需要的。

目前采用的水下地形地貌测量方法主要是通过测深技术来实现，大致分为竹竿铅垂原始测深、单波束回声测深仪常规测深以及多波束测深系统三个阶段。常规的单波束测深仪只能得到测量船正下方的水深，获取的地形数据量少，测量所需时间长。多波束测深系统集测深与侧扫声呐功能于一身，相比于单波束具有测量范围大、速度快等优点。但是多波束测深系统获得的是水底多个点的水深值，随着测量船的前进，测得一条带状大量的水深数据，再通过定位系统实时提供的测量船的坐标，最终利用专业软件得到测区内的水下地形图，其体积庞大、系统复杂、勘测成本高，测量范围有限。

加拿大measurand公司的shapeaccelarray(saa，阵列式形状测量系统)产品是一种可以被放置在一个钻孔或嵌入结构内的变形监测传感器。它由多段连续节(segment)串接而成，內部由微电子机械系统(mems)加速度计组成。该系统可应用与边坡滑移远程监测，铁路路基沉降监测及相关地形监测。但是，一方面，该阵列的结构为圆管形，在布防过程中须防止其发生扭转，距离越长，发生扭曲的概率越大，即实际操作中须保证阵列的方向标记“x-mark”对齐。而在海底，只能通过rov(遥控无人潜水器)进行布防与安装，其要求将增加布防的难度；另一方面，该阵列的传感器是加速度传感器，对于水平布防时，只能监测二维的变形情况，即纯水平运动(水平位移)时无法有效检测。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于mems姿态传感器的水下面形变形实时监测系统。

为解决技术问题，本发明是通过如下技术方案实现：

提供一种基于mems姿态传感器的水下面形变形实时监测系统，包括主控计算机、水下数据存储单元和多个并列的带状传感器阵列，主控计算机通过水下数据存储单元与各传感器阵列相连；其特征在于，所述传感器阵列具有下述结构：

每个传感器阵列的外部均由封装材料密封，内部包括通过柔性接头连接的多节矩形管；每节矩形管中布置一个mems姿态传感器，各mems姿态传感器通过电缆连接采集单元，后者与水下数据存储单元相连；

所述mems姿态传感器是9轴姿态传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力仪，能将获得的加速度、角速度与磁场强度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为欧拉角或四元数的数据形式。

本发明中，在带状的传感器阵列中，各mems姿态传感器与采集单元、水下数据存储单元的电路连接关系为：相邻的2个mems姿态传感器为一组并联于同一个模拟iic总线，该模拟iic总线包括sda和scl两条线，sda与scl同时分别通过上拉电阻连接至采集单元的vcc接口；每相邻三组mems姿态传感器对应于同一个采集单元，各采集单元通过can总线连接于水下数据存储中心。

本发明中，所述封装材料是硫化橡胶层，柔性接头是指液压软管，矩形管是不锈钢材质的矩形管。

本发明中，每个传感器阵列的首端设有圆形钩，用于与水下机器人(rov)连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、不同于saa产品通过重力矢量在加速度计轴上的投影来确定倾斜角度，本发明采用的mems姿态传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力仪，能将获得的加速度、角速度与磁场强度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为欧拉角或四元数的数据形式。这其中就包括纯水平方向的移动信息，从而能同时检测纯水平运动的情况。也就是说，本发明构建三维海底地形矢量模型的原始数据来源是由姿态信息(四元数形式)，能同时检测纯水平运动的情况。而saa的数据是静态时的倾斜角。对于水平布防时，saa只能监测二维的变形情况，即纯水平运动(水平位移)时无法有效检测。

2、相对于现有技术中带状传感器阵列所采用的圆管，本发明采用矩形管。一方面将有效防止扭转，另一方面易于观察是否发生扭转(无需倚靠产品上的标志判断是否扭转)；即便发生扭转调整操作也更简单，对海底等需采用机器布防领域具有较大意义。

3、本发明可以直接测量水下地形地貌，有效地提高测量的速度以及降低成本。

4、本发明不仅适用于包括水下地形地貌等水下面形变形实时监测，同样适用于陆地上的面形变形实时监测，尤其对于矿山工程、隧道工程、滑坡等不具备视像条件下巷道围岩等变形监测。

附图说明

图1是带状mems姿态传感器阵列水下监测系统的结构示意图；

图2是mems传感阵列带圆形钩的端部示意图；

图3是mems传感阵列分解示意图；

图4是mems传感阵列横向断面示意图；

图5是mems传感阵列纵向横截面示意图；

图6传感阵列的电路连接示意图；

图7是水下面形监测系统的原理图。

图中附图标记：1传感器阵列；2水下数据存储单元；3水面；4主控计算机；21圆形钩；22封装材料；31柔性接头；32刚性矩形管；41mems姿态传感器；51电缆；61采集单元；62为上拉电阻；71单个mems姿态传感器的姿态信息；72mems传感阵列的姿态信息；73计算机显示水下面形变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

水下面形变形实时监测系统，包括主控计算机4、水下数据存储单元2和多个并列的带状的传感器阵列1，主控计算机4通过水下数据存储单元2与各传感器阵列1相连；所述传感器阵列1具有下述结构：

每个传感器阵列1的外部均由封装材料22(硫化橡胶层)密封，内部包括通过柔性接头31(液压软管)连接的多节不锈钢材质的刚性的矩形管32；每节矩形管32中布置一个mems姿态传感器41(布置时要保证各mems姿态传感器41的坐标轴一致)。各mems姿态传感器41分别通过电缆51连接采集单元61，后者与水下数据存储单元2相连；每个传感器阵列1的首端设有圆形钩21，用于与rov(水下机器人、水下运载器等)连接。

mems姿态传感器41是9轴姿态传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力仪，能将获得的加速度、角速度与磁场强度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为欧拉角或四元数的数据形式。

在带状的传感器阵列1中，各mems姿态传感器41与采集单元61、水下数据存储单元2的电路连接关系为：相邻的2个mems姿态传感器41为一组并联于同一个模拟iic总线，该模拟iic总线包括sda、scl两条线，sda与scl同时分别通过上拉电阻62连接至采集单元61的vcc接口；每相邻三组(共6个)mems姿态传感器41对应于同一个采集单元61(即3个模拟iic总线)。

各采集单元61通过can总线连接于水下数据存储单元2。水下数据存储单元2将接收到数据以电信号形式由电缆接至位于水面的主控计算机4。主控计算机4利用扭转角度和各节矩形管的长度确定变形后的位置，进而以mems姿态传感器41的姿态信息数据为基础建立三维模型，并通过显示屏展现海底地形地貌的三维图73。

在现有技术中，建立三维模型已有很多可选方案。本发明可以通过四元数构建分段折线的方法，通过旋转理论建立模型，然后此基础上通过插值拟合扩展成曲面，生成水下地形地貌的三维图。相关内容可通过本领域技术人员掌握的技能实现，且不是本发明要重点阐述的内容，故不再赘述。

下面对本实施例的工作步骤进行说明：

1、带状传感器阵列的设置

(1)每条带状的传感器阵列1均包括间隔布置的不锈钢材质的矩形管32及柔性接头31。每节矩形管32的长20cm、宽30mm，高20mm。带状传感阵列首端设圆形钩21，用于与rov对接。柔性接头31可选液压软管。带状的传感器阵列1外部以柔性的硫化橡胶层密封，使其具有良好的防水性以及耐压性的同时具备变形能力。

(2)在布置mems姿态传感器41时，将其平放在矩形管32的内部，并保证每个传感器的初始坐标系方向一致。mems姿态传感器41的型号可选择深圳君悦智控公司的jy901模块，量程：加速度±16g，角速度:±2000°/s，角度±180°；可获得的数据包括：四元数、加速度、角速度、角度、磁场。

(3)根据所选的传感器接口，采集单元61可采用意法半导体st公司的stm32，采集单元61通过can总线将数据传送至水下数据存储单元2。连接采集单元61的电缆51均布置于矩形管32中。

每个模拟iic总线将连接2个mems姿态传感器为一组，总线的上拉电阻选用1.5k欧姆。每6节mems姿态传感器为一段(3组，三个模拟iic总线)，每三段共用一个采集单元61。本发明中，水下数据存储单元2是指can总线数据存储器模块，本实施例中可选用campbellscientific公司生产的dataloggercr300型号产品。

(4)在使用前连接好系统电路：将带状的传感器阵列1、水下数据存储单元2和主控计算机4通过电缆依次连接。

2、安装与布防

通过rov(水下机器人、水下运载器等)辅助布防：先将带有传感阵列的卷盘从甲板下放至海底，然后以rov将带状的传感器阵列1从卷盘抽出，并铺设于海底。

3、数据获取和运算

通过mems姿态传感器41的姿态信息数据，主控计算机4可获知每节矩形管32的旋转情况，据此建立变形模型并通过插值拟合的方式整合成面形的变形情况，即得到水下地形地貌的凹凸变化情况。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多物体的形状测量。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有三维面形形状测量，均应认为是本发明的保护范围。