無人船在水下地形測量中的應用與探討

付明亮

摘要：以往進行的水下地形測量使用人工操作，存在諸多困難。本文擬以無人船在水下地形測量中的應用為研究主題，基于使用GPS技術的無人船開展水下測量試驗。本文首先對當前的無人船測量系統進行概述，并介紹其工作原理。之后依靠試驗數據，對無人船水下測量情況進行分析。從結果來看，無人船在水下測量工作中，具有著極好的前景，可以有效避免測量時的安全威脅，提升測量的效率和準確度。

關鍵詞：無人船；水下地形測量；試驗

前言：根據調查區域的類型，水下測量一般分為海洋和內陸水域兩種，就這兩種類型而言，較陸地測量，其難度都是無法比擬的。具體來說，首先水下測量的對象具有不可見性，其次是測量時，水面很難保持平穩、船只很難保持位置固定一一易晃動移位，再者載人船有很多危險，淺灘、近岸無法到達或者不易到達。這些因素的存在，導致水下測量的誤差和困難有時候會很大。就測量方法來說，水下測量通常是讓船只停留水面，測量水下的地貌地形等情況，有時當水體不穩定時，還需要采取涉水測量的方法，但在測量時的風險及人員配置都是較大的，對人員安全和財產安全造成了一定威脅。

基于上述考慮，無人船進行的水下測量，可以有效解決測量中的危險問題，降低人工成本。并且，無人船搭載大量的高新技術和工具，在測量準度及工作效率上都得到了很大的提升。

2無人船水下測量系統的構成

2.1系統組成及其功能

就目前所見的無人船水下測量系統的構成來說，其大致分為以下幾個部分：無人船平臺，自動導航裝置，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聲納和GPS的雙重測量，繼而以確定水下地形地貌的坐標和高度。此外，該測量系統還具有以下特點：

（1）獨立導航功能

在無人船中裝備有智能芯片，通過芯片工作人員可實時獲取無人船的GPS路線，并將之與預先設定的航線坐標對比，這樣可以實時地進行航線的調整。

（2）智能避障功能

無人船的船頭部分安裝有攝像機和距離傳感器，當無人船在航行中，工作人員可以實時監控無人船的航行情況，一旦遭遇障礙物時，傳感器可做到迅速傳遞距離信息給智能芯片中，這時無人船會根據預設的安全距離數值，果斷采取避讓或停止的動作。這一過程的完成，很少有人為參與的加入，在很大程度上提升了無人船測量工作的效率和安全性。

（3）實時通訊功能

無人船系統還安裝有數據傳輸設備和實時地圖傳設備，依托這兩種設備無人船可進行與岸上操控中心數據的實時對接。測量數據支持的傳輸范圍在10公里內，船上的相機和數據采集設備可以實時將數據傳到工作站，同時工作站根據測量需求給無人船傳達動作指令，繼而實時調整船舶航行軌跡。

（4）具有平穩，持久的航行能力

無人測量船在硬件上也相應做出了一些改進和調整，具體來說，如將傳統船只單體設計變為三體設計，做到船只重心的降低，這樣能夠顯著改善其抗風浪的能力，使船在行駛中更加順暢。此外，為了提升船的續航能力，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，一次出行可連續工作5小時或以上，有效地提升了工作效率。

2.2無人船系統的測量原理

無人船系統裝備有GPS、聲納這兩種主要的測量儀器。在開展水下測量時，其工作原理如下：

首先船只發出聲波，聲波從水底傳到船上時，聲納獲取水下O1點的深度h1，此時船上的GPS設備開始測量船在水面O2點的平面坐標x、Y和高程值H（這時O1、O2、O2和O4在同一豎直軸線上）。在獲得上面的數據后，水底O1點的高程數據H1可以通過式（1）計算獲得，具體詳見下圖。

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

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

3水下測量試驗

3.1實驗過程

本次無人船測量試驗采用了云洲智能生產的ME70無人船，該無人船采用RF無線射頻點對點雙向通信，距離為5km，在充滿電后可以持續工作約10小時，其測深精度為2cm±0.1%h（h代表水深），定位精度（RTK）為水平±8mm+lppmRMS、垂直±15mm+1ppm RMS，試驗采樣的地點為一處3500平方米的水庫，水庫附近的地形較為開闊。在進行試驗的當天，水面較為平穩，沒有風浪，所以對測量精度的干擾可以忽略不計。

在試驗中，工作人員分別進行了手動遙控和自動航行兩種方式的測量，無人船總共的測量時間約40分鐘，總共的采集數據約1000個，我們從這些數據中隨機抽取了30個進行比對研究，之后在水庫排水后，進行了該30個數據的人工測量。具體的試驗樣本如下，其中G1為無人機測量高程，G2為人工測量高程，△G表示二者的差值：

通過比較這些數據發現，△G數值大于零的有14個，小于零的有16個，呈現出正態分布的特點。而G1和G2的平均差為0.018m，這個數據是很小的，基本可以忽略不計，這說明無人船測量的數據較人工測量來說其差值符合誤差范圍，表明無人船的測量是較為可靠的。

3.2注意問題

經過本次的試驗，我們也發現無人船在測量中存在著一些問題：

（1）本次試驗選取的水域面積不大，導致無人船的自動巡航效果受到了減縮，我們認為，無人船自動巡航功能的能力不只如此，如果在較大的水域機械能測量時，自動巡航能力將會得到更為充分地展現。

（2）無人船系統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，將會對聲波傳播造成阻礙，因此獲取的數據也難以反應水底的真實情況。結語：總之，通過上文的考察、試驗和分析，我們認為，無人船在水下地形測量工作中作用顯著突出，其依托高科技設備和手段，能夠實現自動化地水下地形地貌測量，且測量數據有效，工作時間短，安全穩定、高效，給當前的水體測量提供了很大的幫助。endprint