摘要：利用计算机技术、自动化技术和现代测绘技术，研发了集成无人船、GPS、测深仪、避障雷达、无线通讯设备、计算机、电子罗盘、动力系统等多种设备为一体的无人船测量系统。系统具备自动过滤渔网、自动避障、油电混合驱动等功能，适应于浅滩、水库、湖泊池塘等测量困难水域的水下断面和地形测量。实际应用结果表明：特定困难区域的水下地形测量与传统的人工船测量相比，无人船测量具有效率高、精度高的优势。无人船测量系统作为一种新的测量技术和方法，在未来的水上作业中将有更加广阔的应用前景。
关键词：无人船测量系统；水库地形测量；应用
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。
一、水库地形测量中无人船测量系统构建
无人船测量系统主要由岸基控制系统和无人测量船两个分体系统单元组成。系统由小船、推进系统、避障雷达、GPS 系统、测深系统、电子罗盘、电源、发电机、船载主控、无线传输等 10 个分体系统组成。
（一）岸基控制系统
岸基控制系统由计算机、测控软件以及通讯单元组成。岸基控制系统与测量船之间通过无线电进行通讯。依托无线遥控系统进行测量船命令的发射和信息接收，利用海洋测量软件实现测量船相关控制功能，并接收到测量船的运行参数(船速、经纬度、航向、俯仰角、横滚角)与水深数据，并进行实时记录显示。
（二）测量船系统
测量船系统主要由船体、GPS、测深仪、电子罗盘、推进系统、电源、无线传输系统、避障雷达、船载主控系统等组成船体。
1.船体
船体由不锈钢框架和两个 PVC 平衡翼组成。船长 1． 5 m，宽 0． 5 m，重 20 kg。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.GPS
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。
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。
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。
5.推进系统
推进方式采用单推进器矢量推进器方式，由旋转推进器作用轴的舵机和推进器组成。利用单片机控制 12V 400W 水下推进器的正转、反转、加速、减速和停止，以实现船体的前进、后退、加速、减速和停止;舵机由推进器作用轴和步进电机组成，通过旋转作用轴改变推进方向，进而改变船体航向，可旋转0° ～ 180°。
6.电源
电源采用油电混合动力系统，由发电机和 12 V 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。
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7.无线传输系统
为了不干扰岸基控制系统命令的发出和测量数据的接收，采用两对频率 433 MHz的无线模块，独立传输控制命令和测量数据，传输距离可达 2 km。
8.避障雷达
无人船船体还安装了防水型的超声波测距避障模块，当遇到水面障碍物时，可以根据预设的避障距离进行避障。
9.船载主控系统
基于 PC104 总线的 PCM －9375 单板计算机作为主控计算机，结合 PCM － 3643的 8 端口 ＲS － 232 扩展卡，利用模块化的集成方式，以 ＲS － 232 串口连接无线模块、推进器单片机控制器、测深仪、GPS、电子罗盘、避障雷达，具有即插即用优势，方便传感器的更换与扩展。船载主控系统可实时采集、记录、处理数据并向岸基控制系统发送所测量的水下地形数据，接收岸基控制系统发出的控制命令或依据预编程任务，向推进系统下达控制指令，并接收推进器控制命令的响应回执。
二、无人船测量系统在水库地形测量中的应用
所研制的无人船测量系统先后成功运用于玉符河流域重要河道地形测量(三期)项目中的断面测量，山东省基础省级下级基础测绘项目中，临沂市会宝岭水库中，在烟台市沐浴水库中水下地形测量项目中的湖泊、水库水下地形测量。
（一）河道断面测量应用
在玉符河流域重要河道断面测量中，断面点偏离断面线距离小于 0． 2 m，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。表 1 为无人测量船的断面测量数据与人工行船测量的断面数据对比。无人船断面测量高程精度满足规范要求，获取的断面数据偏离断面线更小，断面数据平面精度更高
（二）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。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。
（三）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 5 h，保障船体正常返回。
结束语
无人船测量系统虽实现了远程自动控制传输和测量数据接收，但在测深仪功率和灵敏度调节方面仍停留在人工调节阶段，为了能更加自动化地开展水下地形测量工作，今后需要进一步改进和提升测深仪系统，使其可根据水深变化情况自动调节功率和灵敏度，以增加测量深度的精确度。
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论文作者:王晓明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/3
标签：测量论文; 系统论文; 地形论文; 水下论文; 船体论文; 断面论文; 水库论文; 《基层建设》2019年第29期论文;