关键词：水域机器人；全球导航卫星载波实时差分（ＧＮＳＳ－ＲＴＫ）定位；测深；水下地形测量
引言
水下地形图是保障航道疏浚、清淤工程实施及航行安全的重要基础测绘资料。不仅受到航运部门及航行船只的关注，同时也是航道测量专家大力研究的核心问题。一种新型水域测量机器人，成为传统测量方法瓶颈问题的理想解决方案，正逐渐被越来越多的航道行业技术人员关注和使用。
1水下机器人体系结构简介
为了提高水下机器人的自主性能，能够完成复杂水域环境的各项任务，水下机器人体系结构的研究变得尤为重要。水下机器人的系统体系结构的研究工作，能够完善水下机器人的自主学习能力，提高水下机器人系统的集成度，增强水下机器人的安全性和可靠性t1610能够控制和影响整个系统结构，行为和功能的战略设计决策称为体系结构。体系结构主要包括5个部分:子系统部分，子系统所必备的硬件和软件部分的大规模组件;系统资源部分，系统的资源管理、任务分配;资源分配部分，系统的资源分配以及相互通信;系统可靠性部分，系统故障诊断和自我修复:系统应用部分，各部分之间地连接和上层应用;水下机器人的体系结构是指机械、电路、驱动等控制机构，是指导水下机器人行为特性的关键技术。一方面涉及到理论和算法的研究，包括运动理论、力学方程、流体分析、路径规划、惯性导航、机器自检等;另一方面也有研发和组件的探索，例如机器搭建、任务分配、信息采集、数据处理、紧急升沉等。水下机器人能够完成复杂水域环境下的监测任务和特殊任务，不是简简单单的将上述方法堆砌起。如何将上述方法进行有效的整合，形成一套完整的水下机器人运行机制，让水下机器人能够及时有效的进行运动控制、姿态调整、信息采集，使得整个水下机器人完整的融为一体，让各个机器组件、电路模块、采集模组在时间和空间上进行有效配合[f}81，使得水下机器人的驱动体系结构高度整合。上层规划控制机制主要调配时间和空间的分配，类似于计算机的多任务处理。底层驱动控制主要为力学、流体力学、信号采集、惯性导航等，类似于计算机的键盘、摄像头等机构的信息采集。水下机器人的驱动体系结构包含于水下机器人控制系统体系，本文研制工作建立的驱动控制体系和水下机器人所需的体系结构兼容性较好。
2水域机器人的水下地形测量系统研究与应用
2.1水下地形测量
采用水域机器人测量系统对该项目进行１∶５００水下地形测量，在测量准备工作就绪后，通过遥控器控制无人测量船沿水域边界航行，获取测区的水域测量范围。根据此范围在岸基控制中心生成测深线，测深线按横断面方式布设，断面方向与岸线长边垂直，布设为平行线，测深线间距为１０ｍ，测深线上测深点间距为５ｍ。通过控制中心遥控无人测量船沿测线自动进行测量。同时，为确保测量数据的可靠性，在作业组不同时期测深的相邻测深段布设了不少于两条重合测深线；并在测深过程中或测深结束后布设检测线对测深线进行检查，检测线与主测深线垂直相交。共检测７６０点，据经数据比对，检测线与主测深线相交处、相邻测段的重复测深线重合点处，水深点的深度比互差均小于０．４ｍ，满足《工程测量规范》ＧＢ ５００２６－２００７中水域地形测量的相关精度要。
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2.2蜗轮蜗杆减速器的选择
本文所采用的减速器有两个作用，分别是用于在伺服电机和测量平台之间传递扭矩和为可倾斜测量平台提供自锁功能。考虑到在重心测量过程中，负载转矩最大能够达到400N.n，为了保证测量平台能够在较大的负载转矩下低速平稳转动，本文选用较高减速比的蜗轮蜗杆减速器。为了使测量平台整体结构更加紧凑，方便减速器与平台转轴之间的装配，本文采用的蜗轮蜗杆减速器其蜗轮和蜗杆均采用空心轴式，使用时采用平键连接的方式，将测量平台转轴和减速器输出端相连。本文最终选择了上海欧传传动公司生产的CFRV090-100型减速器。其传动比为100:1，能承受的最大负载扭矩为SOONurn,满足了设计要求。
2.3机架设计
本设计采用的是多自由度螺旋桨系统加压水仓联合控制的方法，以实现静态沉浮和实现动态环境下节省能源的想法。水下机器人在水域中进行潜行时，水域的复杂环境和水体的粘性阻力[34]，使得水下机器人的运行流畅性和各自由度的灵活性必须提高。让水下机器人运行时阻力减小变得非常重要，不仅能够让机器人运行更加顺畅，同时能够节省一定的电力。本设计采用的开架设计，因为前期验证性测试，所以没有采用金属精加工，主体材质采用的是亚克力，方便切割和临时更改。外形采用多片亚克力板组合的方式，上下分为三层亚克力板，最上层是简易的护一罩，用于保护螺旋桨等机械结构，同时按照一定尺寸开出四个圆孔，用于水流的进出。中间层采用的是全镂空设计，四个圆形孔用来进出水流，同时中间采用十字盘的方式，以便固定无刷电机。中间上方部位留有电子设备密封舱的固定螺丝孔。中部下方部位为压水仓预留位置，中部下方两侧分别留有两个主推进电机位置。下层几乎为开孔设计，留有大部分的空隙，减小阻力以便水流进出。
2.4水下地形测量成果检核
为了验核水下高程数据精度，在利用水域机器人测量系统对该水域进行水下地形测量结束后，改变作业模式，乘船采用“全站仪＋测绳”的方式再次对水下高程点进行了检核，然后对测深线与主测深线相交处图上１ｍｍ范围内水深点的深度进行检查比对，本次共检校１２６点，限于篇幅，仅将部分数据列出.
2.5水域测量机器人系统拓展应用
随着社会经济的快速发展，物质生活水平也不断提高，然而我国的水资源形势十分严峻，不容乐观，主要有以下几个方面问题：①水环境污染严重，我国有约26％的地表水断面劣于水环境V类标准；②洪涝、地质、滑坡泥石流、突发性环境污染等事件频发；③水环境监测、水利基础设施检测、水文信息获取等手段落后，水资源利用效率不高。水域测量机器人系统未来的拓展应用包括湖泊、大坝、水库调查与测量，近海、海岸、港湾调查与监测，饮用水的水质、水情监测等。
结语
在进行外业测量过程中，水域机器人测量系统整体运行效果良好，能方便、快速的采集数据，并即时显示航线、水下测量高程，测量精度较高，数据内业处理和比较分析也较为简单。总体来说，基于水域机器人的水下地形测量系统的效率和精度均满足绝大多数工程测量要求。同时该系统可以在浅水滩、危险、近岸等水域作业，一定程度上填补了通过载人船只才能进行水下地形测量的空白，实现自动化、高精度、高效益的工作模式，降低水上作业安全风险，提高了工作效率和质量，在行业内有很好的应用前景。但由于应用时间较短和已有设备条件受限等原因，本项系统在今后的工作中还需要从以下几个方面进行改进：（１）目前无人船搭载的ＧＮＳＳ设备兼容性较差，需要进一步提升系统硬件兼容性；（２）无人船速度较慢，不能在流速较大的河流进行测量；（３）系统软件需进一步优化，增强数据查询和数据迁移功能。
参考文献
[1]封振玲，李志刚．数字测深仪与GPSRTK相结合进行无验潮模式水下地形测量［J］．矿山测量，2006（9）.
[2]吴恒友．GPS－RTK与数字测深集成技术在水库水下地形测量中的应用［J］．水利科技与经济，2006（15）.
论文作者: 李福强
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：水下论文; 测量论文; 机器人论文; 水域论文; 系统论文; 地形论文; 体系结构论文; 《科学与技术》2019年第20期论文;