无人船水下地形测量系统的开发与应用

宋鹏

摘要：水下地形测量是工程测量中的一项特殊测量。其主要任务是测量河流、湖泊、水库、港口和近海的水底点平面位置和高程，绘制水下地形图，为有关设计、规划部门提供基本的水下地形资料。由于被测对象的不可见性，以及水面不稳定、水流速度和水中障碍物等客观因素的影响，使得水下地形数据的准确定位和测量变得十分困难。水下测量的发展经历了六分仪后交叉法、经纬仪或平板前交叉法、全站仪测速极坐标法、无线电定位法、水声定位法和差分GPS定位法四个阶段，测深工具分别有测深杆、测深锤和回声测深仪等器具。

关键词：无人船；水下地形测量系统；开发；应用

1研究方法

利用自动化技术开展GPS、测深系统、电子罗盘、测量船、避障雷达的自动化连接，实现船体按照无线遥控器的指令或导航规定路线自动行驶以及遇到障碍自动避障;利用测量学技术开展水下地形测量中的自动定位与测深，实现水下地形数据的获取;利用计算机技术开发导航软件，形成岸基控制系统，实现无人测量船的远程控制、水下地形测量的精度与参数等的设置、水下地形数据的自动记录、水下地形数据的处理与成图等。采用系统集成的理念，构建无人船测量系统，实现水下地形测量到数据处理的自动化。

2无人船测量系统

2.1系统组成

2.1.1船体

船体由不锈钢框架和两个PVC平衡翼组成。船长1.5m，宽0.5m，重20kg。由于水下地形测量要求船体具有一定平衡性，因此测量船搭载了一对平衡翼。将电池仓放在船体的右舷探杆附近，推进系统置于尾部，测深仪主机密封在船仓内，GPS、无线天线和避障雷达固定在不锈钢框架上，推进系统下有不锈钢铁丝组成的过滤渔网、水体漂浮物过滤装置。这种开放装置易于拆卸。

2.1.2GPS

GPS采用中海达V30系列1+1组成GPS－ＲTK系统，岸上布设GPS基准站，船上搭载GPS移动站，用以实现船体的定位、导航，实时获取测量船的位置、航向、速度。

2.1.3测深仪

测深仪采用无锡海鹰公司生产的HY1500测深仪，用以实时获取水下深度。

2.1.4电子罗盘

电子罗盘采用Honeywell三维电子罗盘，可实时获取测量船的俯仰角、横滚角，以便后处理中纠正定位数据和水下测深数据。

2.1.5通信系统。

是实现无人船和岸基控制单元相互通信的重要窗口,无人船通过实时射频点对点通讯方式,可以实时将无人船的工作状态、航行姿态及任务状态传输到岸基系统。另外,还可以实时传输测深、流速、定位数据,也可以实时传输视屏数据,让用户在岸上就可实时获取信息。通信方式上,除了用户选择电台通讯外,还可选择4G通讯方式,突破通讯距离的限制。

2.1.6电源

电源采用油电混合动力系统，由发电机和12V蓄电池组成，设置自动断电隔离系统，当采用发电机供电时，蓄电池自动断开供电并开启充电模式，以保证在发电机没油的情况下可以应急使用蓄电池将测船遥控回来，正常情况下蓄电池可连续工作5h。

2.1.7控制系统

主要负责无人驾驶船舶的航迹控制。它由工业计算机（笔记本）或手持遥控器和通信单元组成。根据不同地区的水测图特点，可选择自动控制和远程控制两种控制方式。测量人员可以在两种控制模式之间自由切换，以适应复杂的水面条件。同时，岸基控制单元与水深测量船之间的无线通信将各种传感器数据和图像数据传输到控制软件中，使岸基操作人员能够实时掌握船体状态和测量数据，及时发现错误信息，调整导航航迹。外部和仪器设置。

2.1.8数据采集系统

它是整个测量系统的核心系统。主要负责各类数据的收集和记录。具体的采集工作由安装在无人驾驶船舶上的各种测量设备完成，如数字测深仪、多普勒速度剖面仪（ADCP）、超声波避碰声纳、摄像系统等设备。其中，水深数据和GPS定位数据是数据采集的重要内容。在数据采集软件中对水深数据进行检查、编辑、校正和存储，形成最终的水深数据，为下一次地形测绘提供数据依据。

2.2测量系统的基本原理

无人机测量系统是整个无人机系统的核心，承担着水深测量和导航定位任务。整个测量系统主要由数字测深仪、姿态传感器、GPS接收机、全角度摄像机和距离传感器等高精度传感设备组成。整个系统的导航定位采用GPS-RTK动态差分定位原理。在岸基上设置GPS参考站，接收GPS卫星信号，向安装在无人驾驶船舶上的GPS接收机发送差分数据，实现实时定位导航功能。水深测量是由安装在船上的数字双频发声器完成的。其基本原理是利用超声波穿透介质并在不同介质表面产生反射的现象。传感器（探头）发射超声波来测量反射波和反射波之间的时间差。

3系统应用

3.1河道断面测量应用

在珠江流域重要河道断面测量中，断面点偏离断面线距离小于0.2m，比人工行船测量更加精确;与传统的人工行船相比，汽车运输无人船节省了不同断面之间的行驶时间;提高了测量的精度和效率。

3.2水下地形测量应用

无人船测量系统成功应用于广州地铁跨江水下地形测量项目中的东山湖水下地形测量、大金钟水库水下地形测量和珠江浅滩测量，解决了水库、湖泊租用船只困难、浅滩水深较浅、渔网众多、传统人工行船无法测量的困难。与传统的人工行船相比，无人船测量系统测量的水下地形成果具有以下特点:①测线更加顺直，测量成果较美观。图3显示，无人船测量系统按照预先设置的计划线施测，定向定位效果较好。②由于无人船行驶较为平稳，换能器吃水较浅同时自带过滤渔网的功能，与人工船相比，在水流和风浪较小的水库、鱼塘和浅滩等区域，测量成果的精度更高。

3.3布置检查线和检查精准度

在应用无人测量船中,测量人员要把控好河道水上构筑物所处位置的检查线,要和主测深线垂直,长度不能小于主测深线,二者要在某位置相交,高程差值不能超过0.2m。同时,测量人员要根据《水运工程测量规范》,从不同方面入手仔细检查河道水下地形测量精准度,确保测量误差在规定范围内,为后续相关工作有序开展提供有力保障。

4结论

无人船测量系统在水库、鱼塘、湖泊、浅滩、渔网等障碍物较多测量困难的水域具有传统人工测量船无法比拟的测量优势，极大地解放和发展了生产力，提高了测绘效率。无人船测量系统自带的自动避障雷达系统，实现了遇到障碍物自动避让，保障了船体和设备的安全。无人船作为一种具有无人、可控、可扩展、自动等特点的水上观测平台，在局部区域水下地形测绘中具有明显技术优势，也已经成为现代水上观测技术的一个重要发展方向。自主研发的油电混合系统，实现了油电分离提供动力。在发电机汽油富余供电充足的情况下，蓄电池自动充电并终止向船体提供动力;在发电机汽油不足，供电动力较弱的情况下，蓄电池自动向船体提供动力，可使船体连续工作5h，保障船体正常返回。

参考文献

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