無(wú)人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用與探討

付明亮

摘要：以往進(jìn)行的水下地形測(cè)量使用人工操作，存在諸多困難。本文擬以無(wú)人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用為研究主題，基于使用GPS技術(shù)的無(wú)人船開(kāi)展水下測(cè)量試驗(yàn)。本文首先對(duì)當(dāng)前的無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行概述，并介紹其工作原理。之后依靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)人船水下測(cè)量情況進(jìn)行分析。從結(jié)果來(lái)看，無(wú)人船在水下測(cè)量工作中，具有著極好的前景，可以有效避免測(cè)量時(shí)的安全威脅，提升測(cè)量的效率和準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：無(wú)人船；水下地形測(cè)量；試驗(yàn)

前言：根據(jù)調(diào)查區(qū)域的類(lèi)型，水下測(cè)量一般分為海洋和內(nèi)陸水域兩種，就這兩種類(lèi)型而言，較陸地測(cè)量，其難度都是無(wú)法比擬的。具體來(lái)說(shuō)，首先水下測(cè)量的對(duì)象具有不可見(jiàn)性，其次是測(cè)量時(shí)，水面很難保持平穩(wěn)、船只很難保持位置固定一一易晃動(dòng)移位，再者載人船有很多危險(xiǎn)，淺灘、近岸無(wú)法到達(dá)或者不易到達(dá)。這些因素的存在，導(dǎo)致水下測(cè)量的誤差和困難有時(shí)候會(huì)很大。就測(cè)量方法來(lái)說(shuō)，水下測(cè)量通常是讓船只停留水面，測(cè)量水下的地貌地形等情況，有時(shí)當(dāng)水體不穩(wěn)定時(shí)，還需要采取涉水測(cè)量的方法，但在測(cè)量時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)及人員配置都是較大的，對(duì)人員安全和財(cái)產(chǎn)安全造成了一定威脅。

基于上述考慮，無(wú)人船進(jìn)行的水下測(cè)量，可以有效解決測(cè)量中的危險(xiǎn)問(wèn)題，降低人工成本。并且，無(wú)人船搭載大量的高新技術(shù)和工具，在測(cè)量準(zhǔn)度及工作效率上都得到了很大的提升。

2無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1系統(tǒng)組成及其功能

就目前所見(jiàn)的無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成來(lái)說(shuō)，其大致分為以下幾個(gè)部分：無(wú)人船平臺(tái)，自動(dòng)導(dǎo)航裝置，聲納裝置，GPS，外圍傳感器，岸基控制中心等。其工作的主要原理是通過(guò)聲納和GPS的雙重測(cè)量，繼而以確定水下地形地貌的坐標(biāo)和高度。此外，該測(cè)量系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)：

（1）獨(dú)立導(dǎo)航功能

在無(wú)人船中裝備有智能芯片，通過(guò)芯片工作人員可實(shí)時(shí)獲取無(wú)人船的GPS路線，并將之與預(yù)先設(shè)定的航線坐標(biāo)對(duì)比，這樣可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行航線的調(diào)整。

（2）智能避障功能

無(wú)人船的船頭部分安裝有攝像機(jī)和距離傳感器，當(dāng)無(wú)人船在航行中，工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船的航行情況，一旦遭遇障礙物時(shí)，傳感器可做到迅速傳遞距離信息給智能芯片中，這時(shí)無(wú)人船會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的安全距離數(shù)值，果斷采取避讓或停止的動(dòng)作。這一過(guò)程的完成，很少有人為參與的加入，在很大程度上提升了無(wú)人船測(cè)量工作的效率和安全性。

（3）實(shí)時(shí)通訊功能

無(wú)人船系統(tǒng)還安裝有數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和實(shí)時(shí)地圖傳設(shè)備，依托這兩種設(shè)備無(wú)人船可進(jìn)行與岸上操控中心數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對(duì)接。測(cè)量數(shù)據(jù)支持的傳輸范圍在10公里內(nèi)，船上的相機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳到工作站，同時(shí)工作站根據(jù)測(cè)量需求給無(wú)人船傳達(dá)動(dòng)作指令，繼而實(shí)時(shí)調(diào)整船舶航行軌跡。

（4）具有平穩(wěn)，持久的航行能力

無(wú)人測(cè)量船在硬件上也相應(yīng)做出了一些改進(jìn)和調(diào)整，具體來(lái)說(shuō)，如將傳統(tǒng)船只單體設(shè)計(jì)變?yōu)槿w設(shè)計(jì)，做到船只重心的降低，這樣能夠顯著改善其抗風(fēng)浪的能力，使船在行駛中更加順暢。此外，為了提升船的續(xù)航能力，在船上使用了高容量的鋰聚合物電池，從而大大增加了電源容量，一次出行可連續(xù)工作5小時(shí)或以上，有效地提升了工作效率。

2.2無(wú)人船系統(tǒng)的測(cè)量原理

無(wú)人船系統(tǒng)裝備有GPS、聲納這兩種主要的測(cè)量?jī)x器。在開(kāi)展水下測(cè)量時(shí)，其工作原理如下：

首先船只發(fā)出聲波，聲波從水底傳到船上時(shí)，聲納獲取水下O1點(diǎn)的深度h1，此時(shí)船上的GPS設(shè)備開(kāi)始測(cè)量船在水面O2點(diǎn)的平面坐標(biāo)x、Y和高程值H（這時(shí)O1、O2、O2和O4在同一豎直軸線上）。在獲得上面的數(shù)據(jù)后，水底O1點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)H1可以通過(guò)式（1）計(jì)算獲得，具體詳見(jiàn)下圖。

式（1）中的h2和h3是已知的參數(shù)。而O1和O4的平面坐標(biāo)也是相同的，分別為為x和Y，通過(guò)上述的計(jì)算，我們可以獲取水底O1點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

需要注意的是，船只在工作中很容易受到風(fēng)浪的干擾，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)存在一定的誤差值，該誤差是由于船體在測(cè)量時(shí)的輕微搖動(dòng)造成的。盡管測(cè)量船設(shè)備具有一定的誤差糾正功能，但是應(yīng)用的范圍也僅限于較小的誤差，如果風(fēng)浪較大時(shí)，測(cè)量誤差將無(wú)法避免，所以工作人員在測(cè)量前要密切關(guān)注測(cè)量水體的天氣等情況。

3水下測(cè)量試驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次無(wú)人船測(cè)量試驗(yàn)采用了云洲智能生產(chǎn)的ME70無(wú)人船，該無(wú)人船采用RF無(wú)線射頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信，距離為5km，在充滿電后可以持續(xù)工作約10小時(shí)，其測(cè)深精度為2cm±0.1%h（h代表水深），定位精度（RTK）為水平±8mm+lppmRMS、垂直±15mm+1ppm RMS，試驗(yàn)采樣的地點(diǎn)為一處3500平方米的水庫(kù)，水庫(kù)附近的地形較為開(kāi)闊。在進(jìn)行試驗(yàn)的當(dāng)天，水面較為平穩(wěn)，沒(méi)有風(fēng)浪，所以對(duì)測(cè)量精度的干擾可以忽略不計(jì)。

在試驗(yàn)中，工作人員分別進(jìn)行了手動(dòng)遙控和自動(dòng)航行兩種方式的測(cè)量，無(wú)人船總共的測(cè)量時(shí)間約40分鐘，總共的采集數(shù)據(jù)約1000個(gè)，我們從這些數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取了30個(gè)進(jìn)行比對(duì)研究，之后在水庫(kù)排水后，進(jìn)行了該30個(gè)數(shù)據(jù)的人工測(cè)量。具體的試驗(yàn)樣本如下，其中G1為無(wú)人機(jī)測(cè)量高程，G2為人工測(cè)量高程，△G表示二者的差值：

通過(guò)比較這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，△G數(shù)值大于零的有14個(gè)，小于零的有16個(gè)，呈現(xiàn)出正態(tài)分布的特點(diǎn)。而G1和G2的平均差為0.018m，這個(gè)數(shù)據(jù)是很小的，基本可以忽略不計(jì)，這說(shuō)明無(wú)人船測(cè)量的數(shù)據(jù)較人工測(cè)量來(lái)說(shuō)其差值符合誤差范圍，表明無(wú)人船的測(cè)量是較為可靠的。

3.2注意問(wèn)題

經(jīng)過(guò)本次的試驗(yàn)，我們也發(fā)現(xiàn)無(wú)人船在測(cè)量中存在著一些問(wèn)題：

（1）本次試驗(yàn)選取的水域面積不大，導(dǎo)致無(wú)人船的自動(dòng)巡航效果受到了減縮，我們認(rèn)為，無(wú)人船自動(dòng)巡航功能的能力不只如此，如果在較大的水域機(jī)械能測(cè)量時(shí)，自動(dòng)巡航能力將會(huì)得到更為充分地展現(xiàn)。

（2）無(wú)人船系統(tǒng)使用的聲納穿透能力不佳，一旦聲波遇到水體中較大的懸浮物時(shí)，將會(huì)對(duì)聲波傳播造成阻礙，因此獲取的數(shù)據(jù)也難以反應(yīng)水底的真實(shí)情況。結(jié)語(yǔ)：總之，通過(guò)上文的考察、試驗(yàn)和分析，我們認(rèn)為，無(wú)人船在水下地形測(cè)量工作中作用顯著突出，其依托高科技設(shè)備和手段，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化地水下地形地貌測(cè)量，且測(cè)量數(shù)據(jù)有效，工作時(shí)間短，安全穩(wěn)定、高效，給當(dāng)前的水體測(cè)量提供了很大的幫助。endprint