CN105270583A - 测量型无人艇及测量方法 - Google Patents

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张安民
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Abstract

一种测量型无人艇，包括以下结构：船体，构成无人艇的硬件承托平台，船体中设置空间密闭的船舱；GNSS主机，测定无人艇的当前位置；测深仪，测定无人艇当前位置的水深；无线数传模块，与控制装置相连接，传输当前位置信息和设备工作状态，接收控制指令。一种测量型无人艇的测量方法中，无人艇根据控制装置得到的指令信号自动对预定水域进行测量，并自动将测量得到的水深数据与测量点的位置坐标对应匹配，通过无线数传模块和存储器对水深信息和位置信息进行传输和备份，测量航程完成后，即可得到该水域的多点水深信息，进而将信息汇总得出该水域的水深状况和水下地形状况。

Description

测量型无人艇及测量方法
技术领域
本发明涉及水道测量和海洋监测的技术领域，具体说是一种将自动对设定水域内的水深和海底地貌状况进行采样测绘或探测的测量型无人艇及测量方法。
背景技术
目前，海洋测绘的项目和内容正不断增加，对测绘方法以及测绘技术的研发和应用提出了越来越高的要求。在海上外业测深调查中通常采用人工乘船逐个测线逐个测区测绘的方式进行。一般分为两个部分：一是远离岸边的深海区(水深超过15m)；二是近岸浅海区(水深0～15m)。
在深海区作业时，通常使用大船（吃水3.5m以上）架设测量设备进行连续测量，如果测量设备运转正常、天气条件许可，这部分的测量一般比较顺利，但大船的油耗较大，污染物排放也较大。
在近岸浅海区作业时，由于大船吃水太深无法进行，而只能换用小船（吃水1m以下）进行。而浅水区的作业难度远大于深水区，在实际操作中存在以下问题：其一，在小船上架设测量设备比较困难；其二，小船一般只能涨潮时作业，无法实现全天候作业；其三，近岸水域环境通常非常复杂：浅滩、暗礁等都将对测量工作带来很大的安全隐患；其四，在小船上的外业调查人员工作环境异常艰苦、安全无法保证。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自动对设定水域内的水深或海底地貌状况进行测绘或探测的测量型无人艇及测量方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
本发明的测量型无人艇，包括以下结构：
船体，为三体船结构，构成无人艇的硬件承托平台，中间的主船体内部设置空间密闭的主船舱，两侧浮体分别与主船体相连接固定；
GNSS主机，设置在主船舱内，测定无人艇的当前位置；
GNSS天线，接收GNSS信号，与GNSS主机相连接；
测深仪，设置在主船舱内，测定无人艇当前位置的水深；
测深换能器，设与测深仪相连接，且测深换能器位于无人艇的吃水线以下；
无线数传模块，设置在主船舱内，传输当前位置信息和对应的水深测量数据；
无线数传天线，固定在船体上，与无线数传模块相连接。
本发明还可以采用以下技术措施：
所述的测量型无人艇，还包括：
推进装置，与两侧浮体相连接，推动船体前进；
转向装置，与两侧浮体相连接，改变船体行进方向；
控制装置，设置在上述主船舱内，与推进装置和转向装置通过电路相连接，控制驱动装置和转向装置工作，同时控制装置还与GNSS主机、测深仪、无线数传模块相连接；
操控天线，与控制装置相连接，接收控制指令并将控制指令传输至控制装置；
供电电池，为无人艇的各用电装置供电。
所述的主船体和浮体分别采用一体成型的结构。
所述的浮体各舱体内部为中空结构，并将中空结构依据不同设备设置多个设备舱，各设备舱构成相互密闭的空间。
所述的三个船体由紧固连接件连接，主船体中央的下方设置可更换的测深换能器，在无人艇的重心位置安装三维姿态仪，三维姿态仪与控制装置相连接。
所述的各船舱的密闭空间分别由对应的盖板密封，主船体的上盖板中央设置GNSS天线。
所述的控制装置中设置备份测量信息的存储器。
本发明的测量型无人艇的测量方法，包括以下步骤：
A、设定测量区域范围的坐标；
B、根据测量区域特征自动生成计划测线，即测量型无人艇的航行路线；
C、无人艇上的控制装置通过操控天线接收指令信号；
D、控制装置根据接收到的指令信号控制推进装置和转向装置工作，使无人艇按航行路线行进；
E、GNSS主机获知无人艇当前的位置信息，并将位置信息实时传输至控制装置，同时测深仪将测量得到的当前位置的水深信息也发送至控制装置；
F、控制装置实时将位置信息和水深信息进行匹配并存储器中备份，需要时可通过无线数传模块和无线数传天线实时回传至甲板或岸上单元；
G、无人艇测量航程完成后，进行水深改正。
所述的无人艇自动生成计划测线、按照计划测线自动航行作业。
所述的无人艇在作业时根据测量人员的指令调整航线和测量状态，在无人艇开始工作时自动记录作业测绘母船的位置信息，作业完成后或出现异常情况时自动返回。
本发明具有的优点和积极效果是:
本发明的测量型无人艇及测量方法中，无人艇根据控制装置得到的指令信号自动对预定水域进行水深测量，并自动将测量得到的水深数据与测量点的位置坐标对应匹配，通过无线数传模块对水深信息和位置信息进行传输和备份，测量航程完成后，即可得到该水域的多点水深信息，进而将信息汇总得出该水域的水深状况和地形状况。
附图说明
图1是本发明的测量型无人艇的结构示意图；
图2是本发明的测量型无人艇的侧视图；
图3是本发明的测量型无人艇的后视图
图4是本发明的测量型无人艇的各装置的连接示意图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。
图1是本发明的测量型无人艇的结构示意图；
图2是本发明的测量型无人艇的侧视图；
图3是本发明的测量型无人艇的后视图
图4是本发明的测量型无人艇的各装置的连接示意图。
如图1至4所示，本发明的测量型无人艇，包括以下结构：
船体，为三体船结构，构成无人艇的硬件承托平台，中间的主船体1中设置空间密闭的主船舱，两侧浮体3增加船体的稳性，安装电机和推进装置，也可作为延时电池舱；
GNSS主机，设置在船舱内，测定无人艇的当前位置信息,GNSS主机是采用了GPS、北斗、GLONASS、Galileo等定位***中任一种***的装置；
三维姿态仪，测定船体的姿态和运动信息，三维姿态仪是一种高性能三维运动姿态测量***，它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维姿态数据；本发明中的三维姿态仪的运算方法和结构都采用现有技术中已有的产品和技术方案,故不再说明书中进行详细描述。
GNSS天线2，接收GNSS信号，与GNSS主机相连接，GNSS天线接收多个导航卫星发出的信号，GNSS主机根据卫星信号解算位置坐标，通过GNSS天线和GNSS主机的定位运算方法为通常所用的方法，因而省略对该算法的说明；
测深仪，设置在主船舱内，测定无人艇当前位置的水深，测深仪还可以更换为声纳，通过声纳采集水下目标的声纳图像，通常依据无人艇所执行的具体任务的不同选择使用不同的测量设备；
测深换能器4，设置在主船体的下部,与测深仪相连接，当采用声纳进行探测时，测深换能器相应更换为声纳换能器，在实际工作中依据具体的探测任务不同更换不同的探测设备，测深换能器位于无人艇的吃水线30cm以下，本发明中所采用的具体探测设备都为现有技术中所采用的设备，所以不对相关具体结构和运算方法进行描述和说明；
无线数传模块，设置在船舱内，与控制装置、GNSS主机和测深仪相连接，接收GNSS主机和测深仪测定出的当前无人艇的位置信息和该观测位置对应的水深测量数据，并将无人艇和探测设备的状态或测量数据向测绘者的接收设备进行发送；
无线数传天线6，固定在船体上，与无线数传模块相连接，构成数据的发送端。
本发明的测量型无人艇，还包括：
推进装置7，与船体相连接，推动船体前进，本实施例中采用直流无刷电机驱动的螺旋桨8作为推进装置；
转向装置9，与船体活动连接，改变船体行进方向，转向装置即无人艇的转向舵，转向装置安装在上述螺旋桨的后侧，通过改变螺旋桨8带动的推进水流方向改变船体的航向；
控制装置，设置在上述主船舱内，对无人艇的工作、探测设备的工作状态进行监测和控制；控制装置与推进装置和转向装置通过电路相连接，控制驱动装置和转向装置工作，通过控制驱动装置的工作状态可以改变无人艇的航速，而通过改变转向装置的工作状态可以改变无人艇的航向，控制装置的控制策略依据测绘者在航程开始时发送到的测绘指令信息和航程中实时发送的后续指令信息，按指令信息完成航行线路和测绘作业动作，同时控制装置还与GNSS主机、测深仪、无线数传模块和三维姿态仪相连接，控制装置接收GNSS主机传输的位置信息并将位置信息与预定航行路线进行比对，当航向发生偏转时及时通过对转向装置的控制修正航向，还可以根据指令信息的设定控制测深仪进行水域中各观测点的间隔测量和定点测量；
操控天线11，与控制装置相连接，接收控制信号并将控制信号传输至控制装置；
供电电池，为无人艇的各用电装置供电，也为推进装置即上述直流无刷电机提供动力。供电电池采用可充电的超级电容。
船体采用一体成型的三体船结构，三各船体可视使用情况拆卸和组装，以便于运输。双体船的结构扩大了船体底部与水面的接触面积，削弱了风浪对船体的影响，提高了无人艇在水面上航行作业时的稳定性，也不容易在浅滩处搁浅。
浮体13内部为中空结构，并将中空结构依据不同设备设置多个设备舱，各设备舱构成相互密闭的空间。在两浮体中还可以设置压舱物以提高船体的稳定性，同时也可以作为电池舱分别设置额外的供电电池，以提高无人艇的续航能力。
主船舱和浮体内的密闭空间分别由对应的盖板15密封，既便于使用者对船舱和浮体内的各装置或部件进行更换和维护，也防止外部的水进入到空间内。
浮体主船体中间位置的上方和下方分别固定设置GNSS天线2和测深换能器4。其中GNSS天线设置在盖板的上方，而测深换能器设置在主船体的下方，测深换能器的最下端不超过浮体最底部对应的位置，从而使两个浮体对测深换能器起到保护作用，避免测深换能器在测量过程中或者在收纳运输时损坏。
控制装置中设置备份位置信息和水深数据的存储器，防止由于数据传输不畅造成的数据丢包，使用者通过读取存储器内的信息即可得到无人艇在测量航程内的所有测量数据。
本发明的测量型无人艇的测量方法，包括以下步骤：
A、设定测量区域范围的坐标；
B、根据测量区域特征自动生成计划测线，即测量型无人艇的航行路线，可以根据实际情况设置多种不同的测量线路，测量线路并不唯一；
C、无人艇上的控制装置通过操控天线接收指令信号；
D、控制装置根据接收到的指令信号控制推进装置和转向装置工作，使无人艇按航行路线行进，如在无人艇的行进过程中不再需要对航行线路进行调整，则无人艇会完全执行当前的指令信号以完成整个航程；
E、GNSS主机时刻获知无人艇当前的位置信息，并将位置信息实时传输至控制装置，同时测深仪将测量得到的当前位置的水深信息也发送至控制装置；
F、控制装置实时将位置信息和水深信息进行匹配，并在存储器中备份，需要时可通过无线数传模块和无线数传天线实时回传至甲板或岸上单元；
G、无人艇测量航程完成后，可按照相关规范进行水深改正，通过对应的位置信息和水深数据可以得到该水域的二维水深图、三维地形图、等深线渐变图、三维立体图等多种不同的测绘图表。
无人艇自动生成计划测线、按照计划测线自动航行作业
无人艇作业时能够根据测量人员的指令调整航线和测量状态，在无人艇开始工作时自动记录作业测绘母船的位置信息，当无人艇作业完成后或出现异常情况时自动返回测绘母船。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种测量型无人艇，其特征在于，包括以下结构：
船体，为三体船结构，构成无人艇的硬件承托平台，中间的主船体内部设置空间密闭的主船舱，两侧浮体分别与主船体相连接固定；
GNSS主机，设置在主船舱内，测定无人艇的当前位置；
GNSS天线，接收GNSS信号，与GNSS主机相连接；
测深仪，设置在主船舱内，测定无人艇当前位置的水深；
测深换能器，设置在主船体的下部,与测深仪相连接，且测深换能器位于无人艇的吃水线以下；
无线数传模块，设置在主船舱内，传输当前位置信息和对应的水深测量数据；
无线数传天线，固定在船体上，与无线数传模块相连接。
2.根据权利要求1所述的测量型无人艇，其特征在于，还包括：推进装置，与两侧浮体相连接，推动船体前进；
转向装置，与两侧浮体相连接，改变船体行进方向；
控制装置，设置在上述主船舱内，与推进装置和转向装置通过电路相连接，控制驱动装置和转向装置工作，同时控制装置还与GNSS主机、测深仪和无线数传模块相连接；
操控天线，与控制装置相连接，接收控制指令并将控制指令传输至控制装置；
供电电池，为无人艇的各用电装置供电。
3.根据权利要求2所述的测量型无人艇，其特征在于：主船体和浮体分别采用一体成型的结构。
4.根据权利要求3所述的测量型无人艇，其特征在于：浮体各舱体内部为中空结构，并将中空结构依据不同设备设置多个设备舱，各设备舱构成相互密闭的空间。
5.根据权利要求4所述的测量型无人艇，其特征在于：三个船体由紧固连接件连接，主船体中央的下方设置测深换能器，在无人艇的重心位置安装三维姿态仪，三维姿态仪与控制装置相连接。
6.根据权利要求5所述的测量型无人艇，其特征在于：各船舱的密闭空间分别由对应的盖板密封，主船体的上盖板中央设置GNSS天线。
7.根据权利要求1或6所述的测量型无人艇，其特征在于：控制装置中设置备份测量信息的存储器。
8.一种测量型无人艇的测量方法，包括以下步骤：
A、设定测量区域范围的坐标；
B、根据测量区域特征自动生成计划测线，即测量型无人艇的航行路线；
C、无人艇上的控制装置通过操控天线接收指令信号；
D、控制装置根据接收到的指令信号控制推进装置和转向装置工作，使无人艇按航行路线行进；
E、GNSS主机获知无人艇当前的位置信息，并将位置信息实时传输至控制装置，同时测深仪将测量得到的当前位置的水深信息也发送至控制装置；
F、控制装置实时将位置信息和水深信息进行匹配并在存储器中备份，需要时可通过无线数传模块和无线数传天线实时回传至甲板或岸上单元；
G、无人艇测量航程完成后，进行水深改正。
9.根据权利要求8所述的测量型无人艇的测量方法，其特征在于：无人艇自动生成计划测线、按照计划测线自动航行作业。
10.根据权利要求9所述的测量型无人艇的测量方法，其特征在于：无人艇在作业时根据测量人员的指令调整航线和测量状态，在无人艇开始工作时自动记录作业测绘母船的位置信息，作业完成后或出现异常情况时自动返回。
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