無人船水下測量系統(tǒng)及水下測量實驗分析

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1、2016年10月城市勘測Oct．2016第5期UrbanGeotechnicalInvestigation＆SurveyingNo．5文章編號:1672－8262(2016)05－151－04中圖分類號:P229.5，P258文獻標識碼:B無人船水下測量系統(tǒng)及水下測量實驗分析*陳立波，羅正龍，汪嵩(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波315042)摘要:針對水下測量較之于常規(guī)陸地測量存在諸多困難的情況，本文采用基于GPS測量技術的無人船測量系統(tǒng)進行水下測量，主要介紹了無人船測量系統(tǒng)的功能，水深測量和水下地形測繪的原理。通過對該設備的應用和

2、測量實驗結果的分析，表明該技術具有高度無人化、自動化和智能化，能有效提高水下測量效率。獲取的水下地形數(shù)據(jù)精度較高，同時保障了測量人員的人身安全，具有較好的水下測量應用前景。關鍵詞:GPS測量;無人船測量系統(tǒng);水深測量;水下地形測繪1引言體靠前的位置安裝了兩個攝像頭和距離傳感器，無人［1］船航行途中，操作人員能在岸上的監(jiān)視器上實時查看水下測量根據(jù)測區(qū)類型可以分為海洋測量和內(nèi)陸水域測量［2］，無論以上哪一種測量，水下測量都存在無人船前方的情況，前方一旦遇到障礙物，距離傳感器陸上測量難以克服的困難。首先是被測對象不可見，能實時把距離信息傳

3、送給智能芯片，后者根據(jù)設定的其次是水面的不穩(wěn)定性，這些都導致水下測量誤差較安全距離實現(xiàn)智能避障，不需要人工操作，大大提高了常規(guī)陸上測量大，甚至是測不準。水下測量通常采用無人船自主航行的安全性。的方法是通過船只從水面測量水下地形地貌;為了克服水面的不穩(wěn)定性，也有涉水測量的方法，但是無論是船只或涉水測量，人員的風險性都較大?；谝陨显?，本文采用了無人船測量系統(tǒng)進行水下測量。它集成了衛(wèi)星定位、無人船智能導航控制、實時通訊等眾多先進技術，提供了高精度、智能化、無人化、集成化、機動化、網(wǎng)絡化的水下測量解決方案，有效提高了水下測量的數(shù)學精度，

4、同時減少了工作人員的涉水風險。2無人船水下測量系統(tǒng)2.1系統(tǒng)組成及其功能圖1無人船測量系統(tǒng)示意圖無人船水下測量系統(tǒng)由無人船平臺、自動導航模［3］塊、聲吶探測模塊、GPS定位模塊、外圍傳感模塊、岸基操控終端、無人船專用軟件等組成(如圖1所示)。［4，5］其主要測量原理是聲吶測深和GPS定位相結合，從而測定水下特征點的平面坐標和高程。該系統(tǒng)同時還具備以下功能:(1)具備自主導航功能。該無人船體內(nèi)安裝了一枚智能芯片，可以根據(jù)上傳的航線坐標信息與GPS實時動態(tài)獲取的坐標信息進行比對，實時調(diào)整無人船航向，實現(xiàn)了無人船的自動航行，航線追蹤能力強

5、。圖2無人船障礙物探測避讓及儀器操作界面(2)具備智能避障功能(如圖2所示)。在無人船*收稿日期:2016—05—12作者簡介:陳立波(1983—)，男，工程師，主要從事工程測繪和攝影測量與遙感。152城市勘測2016年10月(3)具備實時通信功能。本系統(tǒng)配備了高性能數(shù)大，甚至超限，這在使用過程中需要注意。據(jù)傳輸模塊和實時圖傳模塊，實現(xiàn)了船岸數(shù)據(jù)的實時通訊。船岸數(shù)據(jù)能實現(xiàn)10km范圍內(nèi)的點對點射頻通訊。船上的攝像設備和數(shù)據(jù)獲取設備能實時把數(shù)據(jù)傳到岸上的工作站，同時岸上的工作站根據(jù)需要可以實時發(fā)送無人船操作指令，實時調(diào)整船只航行軌跡。

6、(4)具備平穩(wěn)、持久的航行能力。該無人船硬件系統(tǒng)也作了一些相應改進，比如把常規(guī)的單體設計改造成了三體設計，使得無人船重心更加低，抗風浪能力更加強，船只運行更加平穩(wěn)。另外提供了高容量鋰聚合物電池，可靠性和供電能力大大加強，單塊電池能連續(xù)工作1h，有效提高了野外工作效率。2.2系統(tǒng)測量原理圖4無人船測量誤差原理示意圖［6～8］［9］系統(tǒng)主要集成了GPS設備、聲吶設備和無以上是單波束聲吶的情況，該情況下獲取的水底人船設備(圖3)。其測量原理如下:當聲吶測定水下地形數(shù)據(jù)較為離散，為獲取更加密集的地形數(shù)據(jù)，需要O1點深度h1的時候，裝載在船上

7、的GPS設備同時測加密航線。當然，可以根據(jù)實際需要把單波束聲吶更得船表面O4點的平面坐標X、Y和高程值H(O1、O2、換成多波束聲吶或側掃聲吶，這樣就能提高單航線下O3和O4在同一豎直軸線上)。那么水底O1點的高程的工作效率，但是同時帶來數(shù)據(jù)轉換和處理的困難。值H1可以通過式(1)計算獲得。本文試驗所用的設備為單波束聲吶，因此不對其他情況展開討論。3水下測量試驗3.1數(shù)據(jù)采集2本次試驗地點選在了一處面積約為3500m的開闊魚塘。測量當天水面平靜，水面風浪對測量精度的影響基本可以忽略。數(shù)據(jù)采集過程中分別試驗了手動遙控和自動航行兩種模式

8、(如圖5所示)，無人船運行約40min，共采集水底特征點1000多個。圖3無人船測量原理示意圖H1=H－h(huán)1－h(huán)2－h(huán)3(1)其中h2和h3是已知參數(shù)。而O1和O4的平面坐標一致，為X和Y，這樣我們就獲得了水底O1點的三維坐標。由于水