一种无人艇走航式海底缆线无源电磁探测系统及定位方法

摘要

本发明目的在于公开一种针对海底缆线的无人艇走航式无源电磁探测系统及定位方法，海缆探测传感器配置主要包括一套电磁探测系统、一套对底探测高度计及航行器导航系统。设计无人艇探测平台以往复走航式的航行方式进行海缆路由点的探测和定位，走航式航路由直线探测航路和直线航路间的过渡航路组成，探测系统在直线测线段进行环境电磁信号采集，并基于采集到的电磁信号进行海缆路由点的定位解算，基于已探明的海缆路由点位置规划下一条测线上的关键航路点，进而完成无人艇探测平台的往复航行和海缆路由点的无人化定位。本发明所设计海缆探测及定位方法相较于目前工程实践中使用的方法，具有成本低、效率高、精度高、无人力资源消耗等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程与技术领域，涉及到海底缆线系统的检测及维护领域，更具体的为，一种无人艇走航式海底缆线无源电磁探测系统及定位方法。

背景技术

海底缆线主要包括海底电缆、海底光缆及海底光电复合缆。海底光缆通信由于其大容量、高质量、低价格等优势成为国际间最主要的通信手段，占据了全球95％以上的国际间数据通信量。随着5G、云业务等互联网相关业务的迅速发展对数据通信的爆炸式增长需求，对海底光缆带宽及数量的需求迅速增加。海底电缆在海洋风力发电、岛屿间电力传输等电能传输领域发挥着巨大作用。海底缆线经常受到地震、抛锚等自然和人为因素的干扰，而经常处于损伤、断裂、悬置等非正常运行工况，因此需要实时更新海缆的路由位置信息，以为海缆维护作业提供依据。目前工程实践中多采用水面船舶作为探测平台、手持电磁探测器的形式，以往复走航式的方式对海缆路由点进行探测；基于探测人员观察电磁异常的反馈，并结合无人船的GPS经纬度信号反馈，从而大致确定海缆路由点的大致经纬度信息。该种传统探测方法通过水面船舶由探测人员进行探测作业，因此该种作业方法存在探测精度低、人员依赖度高、不能确定海缆路由点的埋设或暴露状态等问题。

论文“海缆埋设深度检测技术的研究”(《电线电缆》，2005,3(3):38-42)、论文“海底光缆路由跟踪系统设计与实现”(学位论文，华中科技大学)论文“基于磁信号引导的水下机器人海缆自动跟踪技术研究”(学位论文，华中科技大学)公开了一种海缆路由近距离跟踪覆盖式路由定位方法。所公开探测系统主要包括两个同构的三轴电磁探测传感器。所述对比文件基于不同的前提假设，推导了一种基于相同传感器配置方案的海缆路由定位算法，主要包括偏航角度、横向偏距、垂向偏距定位算法。然而该种海缆探测和定位算法基于理想的海缆电磁信号，而电磁探测平台和水下复杂电磁环境所带来局部电磁噪声难以避免，因此所公开的海缆探测和定位算法在工程实践中多出现海缆定位结果漂移不稳定、探测平台跟踪丢失等问题。因此，走航式探测方法基于一系列多点位的电磁探测序列组对一个海缆路由点进行定位，具有较强的容错性和鲁棒性，是目前工程实践中常用的海缆探测及定位方法。

发明内容

本发明针对现有工程实践中走航式海缆路由探测和定位中存在的不足和缺陷，设计了一套基于电磁探测传感器的无人艇海缆智能探测及定位方法，以提高海缆探测和定位精度，提高探测工作效率，减小人力等资源消耗。本发明设计包含了对海缆探测的硬件配置方案、探测流程设计、智能定位算法。本发明为海缆运行维护作业提供了一套符合海洋工程实践、无人化的自主探测系统，旨在准确探明海底缆线的路由点经纬度信息和埋设深度。

本发明所解决的技术问题主要包括走航式海缆(海底缆线)电磁探测传感配置方案设计、规划与探测一体化流程设计、海缆路由智能定位算法设计。本发明所采用的技术方案：

1、走航式海缆(海底缆线)无源电磁探测系统，系统传感配置方案灵活可选，该套探测系统的标准配置主要包括一个三轴正交电磁探测器或两个单轴电磁探测传感器、一个对底探测高度计、导航系统(导航系统用于确定无人艇探测平台在大地坐标系下的绝对位置，即经/纬度信息，并将绝对位置与电磁探测信息、高度计信息按照时间戳一一对应；针对水面无人航行器，导航系统为GPS或北斗定位系统；针对水下无人艇体，导航系统指组合导航系统，具体包括多普勒计程仪、惯性导航单元等传感器，用于给出探测平台在水下航行的实时位置和姿态)。

2、走航式海缆电磁探测系统传感器的标准配置方案，三轴正交电磁探测器和单轴电磁探测传感器为可互换配置。当选用三轴正交电磁探测传感器时，其三轴与探测平台本体的三轴互相平行，且其作用中心点与探测平台的XOZ平面共面；当选用两个单轴电磁探测传感器时，其中一轴与探测平台艏向X轴平行，其中一轴与探测平台Z轴平行，两个传感器作用中心点连线与探测平台Y轴平行。

3、探测平台导航系统，导航系统主要用于确定海缆路由点的经纬度信息。当探测平台为水下航行器时，导航系统可选为水下组合导航系统；当探测平台为水面无人船时，导航系统可选为GPS导航定位系统。

4、走航式电磁探测规划方法及流程设计，海缆路由定位方法主要包括海缆路由点定位优化算法、海缆路由点预测算法、走航式航路点规划算法。初始阶段为海缆搜索阶段，根据海缆维护日志所记录的海缆路由大致位置，在海缆路由两侧设定两个初始航路点，并使两航路点间直线航路与海缆路由呈接近垂直状态；指定的两个初始航路点及后续设计航路点均在同一二维水平面内，针对水面无人船，所设计航路点及探测航路均位于水面，针对水下探测平台，所设计航路点及探测航路处于指定深度(指定深度视该区域水深而定，需保证指定深度距海床有一定安全航行距离，如距海床表面3-10米)；当探测平台处于直线航线探测阶段，基于电磁信号采集序列判定满足海缆定位算法启动条件时，启动海缆路由定位算法，并基于算法输出直线航线上的海缆路由点位置(其计算过程给定如以下第5点所示的海缆路由智能定位算法)；基于已探明的海缆路由点预测下一个海缆路由点的大致位置(其计算过程给定如以下第6点所示海缆路有点预测算法)，并基于预测海缆路由点计算关键航路点，关键航路点即走航式直线航路的两端点(其计算过程给定如以下第7点所示关键航路点规划算法)。

5、所述海缆路由智能定位算法，海缆路由定位算法的核心即循环优化算法给定如下：

6、所述海缆路由点预测算法，针对和第二个海缆路由点及第二个之后的海缆路由点预测算法分别给定如下：

7、所述关键航路点规划算法，关键航路点的规划算法给定如下：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明所设计海底缆线被动电磁探测方法与传统海缆探测方法相比，实现了海缆探测无人化，减小了人力、物力资源消耗，可显著提高探测精度、探测效率。

2、本发明所设计海底缆线被动电磁探测配置方案及定位方法可通用于自主水下机器人、混合式水下机器人、自主无人船、适用于水面无人船、遥控水下机器人等多种不同形式的海洋航行器或探测平台。

3、本发明所设计海底缆线被动电磁探测传感器配置方案简单可行，仅需在海洋航行器平台上固定安装一个三轴电磁探测传感器，相较于对比文件中的跟踪探测方法相比，减小了传感器的数量、简化了电磁探测传感器的安装形式；而高度计、组合导航系统为常规航行器的标准传感配置。

4、本发明所设计海底缆线路由定位算法相较于对比文件中的跟踪探测方法相比，海缆路由定位算法与航行器运动规划算法仅通过确定的路由点进行桥接，并与航行的跟踪控制过程相剥离，从而可保证航行器探测过程中具有稳定的航行性能，因此所设计海缆路由定位方法具有更强的容错性和鲁棒性。

5、本发明所设计海底缆线路由定位算法相较于对比文件中的海缆跟踪探测相比，由于单个的海缆路由点基于直线航路上采集的一系列电磁信号组进行定位和优化，降低了局部异常电磁噪声对定位结果的影响，因此所设计海缆路由定位方法具有更强的信号容错性。

6、本发明所设计海缆探测及路由定位方法中，探测平台仅需航行在一定深度的水平面进行航行探测，即定深航行，从而降低近海底航行时航行器操纵性不足带来的触底等风险，因此所设计海缆探测及定位方法可提升无人艇探测平台的航行安全。

附图说明

图1无人艇走航式海缆无源探测及定位过程；

图2为本发明走航式海缆无源探测系统配置及定位系统框架；

图3为电磁探测传感器在无人艇探测平台上的搭载配置方案(以无人船为例)，其中：(a)三轴正交电磁探测器搭载方案、(b)双单轴电磁探测器搭载方案；

图4为本发明海缆定位与规划算法流程图；

图5为本发明海缆路由点定位算法框架(以粒子群算法为例)。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细解释说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1是本发明无人艇走航式海缆无源探测及定位过程，图2是按照本发明的优选实施例所构建的走航式海缆无源探测系统软件、硬件配置及各模块之间的信息交互示意图。如图2所示，本发明探测传感配置即组合测量系统，主要用于采集环境电磁信号、对底高度信息，包括电磁探测传感器、对底高度计、探测平台导航系统；本发明海缆定位及规划算法主要用于定位海缆路由点位置和规划海缆探测航路，包括群体智能定位算法和在线航路规划算法。各单元之间的关系如下：由组合测量系统按照固定周期反馈添加地址戳的电磁探测信号序列组、对底高度信号；海缆路由智能定位算法根据上述信息进行海缆路由点定位；在线航路规划算法基于海缆路由定位结果进行探测航路规划，并规划生成关键路径点；航行器导航与控制基于关键路径点的指引进行航行器跟踪控制，从而进行海缆路由的重复探测和定位，进而形成“探测-定位-规划-跟踪-探测”的闭环。

电磁探测传感器和高度的安装方式设定如下。当选用一个三轴电磁探测传感器时，应保证互相正交的两轴分别于探测平台的艏向和侧向互相垂直，且传感器作用中心点位于探测平台左右对称平面内；当选用两个单轴电磁探测传感器时，应保证两个电磁探测传感器的中心轴线正交，且分别与探测平台的艏向和侧向保持平行，两个电磁探测传感器的作用中心距离尽量减小。

图4是针对海缆定位与规划算法的流程图。在探测初始阶段，根据海缆维护日志在海缆路由两侧指定两个航路点，使两航路点连线与海缆路由基本垂直；在无人艇探测平台航行过程中同步进行环境电磁信号采集和对底高度信号采集；根据电磁信号周期性判断是否满足海缆定位算法启动条件，当不满足定位算法启动条件时，继续进行航行器跟踪控制和电磁信号探测，当满足算法启动条件时，执行海缆路由定位算法，并由算法输出海缆路由点位置和路由点的埋设深度；然后基于已海缆路由位置预测和规划下一个海缆路由点的位置、关键航路点，基于规划航路点的指引继续进行航行器跟踪控制和电磁信号采集；在每个控制周期检测艇载剩余能源，当剩余能量不足时停止执行海缆跟踪探测。

所述海缆路由定位算法启动条件，指电磁探测传感器所感应到的海缆辐射电磁信号衰减到一定极限时，即启动基于群体智能的海缆路由定位算法。所谓电磁信号的衰减程度是利用电磁探测传感器水平轴和垂直轴方向上的信号分量差值进行衡量。海缆路由定位算法启动条件具体包括可用于电磁定位算法的有效电磁噪声序列的上界和下界。

由于电磁探测传感器采集的电磁序列中有电磁噪声的干扰，且可用于海缆定位算法的实际有用信号量有限，因此确定实际可用于海缆定位的电磁序列下界算法如下：

类似地，确定实际可用于海缆定位的电磁序列信号的上界，算法如下：

其中，inc

其中，D

所述海缆路由点预测算法如下。海缆路由点

其中，

特别地，当第一个海缆路由点确定后，针对第二个海缆路由点，预测算法如下：

所述关键路径点规划算法如下。

所述海缆路由点定位算法流程如图5所示，算法流程描述如下：

(1)选定兴趣区域(ROI)，限定海缆路由点的大致控制位置，兴趣区域是以测线上以电磁信号序列最大值点(x

其中，

(2)以粒子群算法为例，确定粒子群的规模(如m个粒子)，初始化每个粒子i(i＝1…m)的空间位置向量(x

(3)针对每个粒子i，基于电磁探测传感器信号序列评估其适应度F(x

其中，V

其中，(x

(4)将第1次循环时将1号粒子作为全局最优粒子，其适应度为全局最优适应度F(g)，全局最优粒子所对应的空间位置坐标记为p

(5)将所有粒子的适应度函数分别与全局最优适应度F(g)及每个粒子的个人历史最优适应度F(p

(6)当循环比较结束后，分别更新粒子的空间速度向量和空间位置向量，更新算法如下：

其中，v

(7)在每个循环结束后，检测是否达到所允许的最大循环次数，当达到所允许的最大循环次数时，结束粒子群算法，并输出全局最优粒子的坐标p

(8)结束海缆路由定位算法，输出并保存全局最优粒子坐标p

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种类似的变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内,本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。