CN107607093B - 一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及湖泊监测技术领域，具体涉及一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，包括：接收巡航指令，规划出若干个目标点，形成螺旋形巡航路径；进行螺旋形路径巡航，记录路径中各目标点位置的平面坐标和水位高程；依据记录的平面坐标和水位高程，绘制水下三维地图，通过等高线容积法算出库容；多次巡航并计算动态库容。本发明提供一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，通过规划螺旋形路径巡航探测绘制出三维地形图，并自动监测分析动态库容，具有高效率、高精度和高可靠性等优点。

Description

一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法

技术领域

本发明涉及湖泊监测技术领域，具体涉及一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法。

背景技术

湖泊的动态库容指的是湖泊蓄水量的动态变化，它对于水资源合理配置与规划、灾害预警、蓄水供水、防洪防旱、气候调节以及生态环境平衡等方面具有举足轻重的指导作用。

目前主要通过遥感技术测量湖泊水面面积，进而分析湖泊的扩张和萎缩情况，但是在湖泊动态库容方面的研究相对缺乏。而现有技术用到遥感技术，成本较高，且库容是依据函数关系计算求解得来，所测库容不够精确，进而影响到对湖泊动态库容的监测。

因此，亟需一种高效的监测湖泊动态库容的方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高效的基于无人艇的湖泊动态库容监测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下方案。

一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，包括：

接收巡航指令，规划出若干个目标点，形成螺旋形巡航路径；

进行螺旋形路径巡航，记录路径中各目标点位置的平面坐标和水位高程；

依据记录的平面坐标和水位高程，绘制水下三维地图，通过等高线容积法算出库容；

多次巡航并计算动态库容；

接收巡航指令，并通过目标点规划螺旋形巡航路径具体为：

无人艇行驶至湖岸，采集湖岸线的二维图，通过canny边缘检测算子求出湖岸线，并求导出湖岸线切线方向；

保持无人艇与湖岸间距不变，沿湖岸线切线方向航巡湖岸边线一周，并定时记录湖岸边线坐标；

根据记录的坐标，通过遗传算法得出若干个离散的目标点以规划螺旋形巡航路径。

进一步地，进行螺旋形路径巡航，具体为：

导航模块识别无人艇当前位置和目标点平面坐标，以及无人艇当前航向；

依据当前位置和目标点平面坐标，获取当前位置与目标点距离及航偏角；

实时判断当前位置与目标点距离是否小于一定数值，若小于一定数值，则将下一目标点作为新的目标点航行，否则继续往当前目标点航行；

进一步地，记录路径中各点位置的平面坐标和水位高程，具体为：

视觉模块检测湖岸线以实现无人艇避开障碍；

GPS模块实时获取定位信息；

惯性模块探测无人艇加速度和方向角，利用四元素法解算出速度，位置，姿态角，并作误差分析以减少误差；

利用卡尔曼滤波算法对GPS模块和惯性模块探测到的数据进行解析，获取各目标点的平面坐标和航向；

利用多波束回声探测仪探测出各目标点水位高程。

进一步地，分析动态库容作出警报，具体为：

动态库容变化大于一定范围，无人艇通过通信模块向上位机进行暴雨危险报警；

动态库容变化小于一定范围，无人艇通过通信模块向上位机进行干旱危险报警。

本发明的有益效果：提供一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，通过规划螺旋形路径巡航探测绘制出三维地形图，并自动监测分析动态库容来实现警报，具有高效率、高精度和高可靠性等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的螺旋形路径示意图。

图3为本发明实施例采用的无人艇的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如图1，一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测装置，包括：

主控制器1，对动态库容监测装置的各模块进行控制；

多波束回声探测仪2，探测目标点的水位高程；

路径规划模块3，规划目标点，形成螺旋形巡航路径；

存储模块4，存储探测到的数据；

电源模块5，提供监测装置工作需要的电压；

电机驱动模块6，驱动舵机7和直流电机8以调节航向和航速；

导航模块9，引导无人艇进行螺旋形航行路径航行；

通信模块10，进行上位机11与无人艇之间的通信；

所述主控制器1分别与多波束回声探测仪2，路径规划模块3，存储模块4，电源模块5，电机驱动模块6，导航模块9，通信模块10电性连接；所述上位机11与通信模块10电性连接，所述舵机7，直流电机8均分别与电机驱动模块6电性连接。

其中，如图3所示，多波速回声测深仪2和导航模块9通过固定装置连接，固定装置固定于无人艇的一侧，导航模块9设于固定装置的顶端，多波速回声测深仪2设于固定装置的底端，其中固定装置可采用木杆来实现。

其中，导航模块9包括DSP芯片91，GPS模块92，惯性模块93，视觉模块94，所述DSP芯片91分别与GPS模块92，惯性模块93，视觉模块94电性相连。

本实施例中，处于湖泊中的任意一个位置的无人艇，通过通信模块10接收到上位机11的启动指令后，无人艇启动并径直向前行使至湖岸，期间视觉模块94实时检测无人艇是否到达湖岸。当无人艇到达湖岸后，视觉模块94采集湖岸线的二维图像，得到的二维图像中的湖岸线是带有一定弧度的。主控制器1通过canny边缘检测算子求出湖岸线，再对边缘曲线求导求出湖岸线切线方向。主控制器1控制无人艇沿湖岸线切线方向行使，若视觉模块94检测到当前航向与湖岸线的切线方向不一致，则通过舵机7调整无人艇的当前航向，使得无人艇当前航向与湖岸线的切线方向平行。通过视觉模块94检测无人艇到湖岸线的距离，并保持无人艇与湖岸的间距不变。主控制器1通过电机驱动模块6调节直流电机8的速度，进而使得无人艇沿着湖岸线的切线方向匀速航行。

无人艇在沿着湖岸线航行过程中，每隔一定时间(优选为10s)记录湖岸边线的平面坐标。当无人艇重新回到起始点S时，得到湖岸边线一周的坐标。路径规划模块3根据湖岸线坐标，利用遗传算法得出若干个离散的目标点，航行时便可通过目标点进行螺旋形路径巡航，如图2所示。

无人艇自动沿着螺旋轨迹巡航，螺旋轨迹由一系列离散的目标点组成。通过导航模块9获取无人艇的当前航向α，当前位置A的平面坐标(A_j,A_w)，目标点B平面坐标为(B_j,B_w)。

根据A和B的平面坐标可以求解出无人艇当前位置A到目标点B的距离L和目标航向角β₂。其中，目标航向角是引入的中间值，目的是辅助计算出偏航角。L表示无人艇当前位置与目标点之间的距离。无人艇当前航向α和目标航向β₂的差值表示偏航角γ，根据偏航角控制无人艇相应的左转和右转一定的角度γ。

若无人艇当前位置A到目标点B的距离小于一定数值(优选为3米)时，则可认为无人艇到达目标点B，并从若干个离散目标点构成的螺旋形规划轨迹中选取B点的下一个目标点作为新的目标点，通过螺旋形轨迹规划中的目标点更新来使无人艇完成螺旋轨迹的航行。其中，当前位置与目标点之间距离L和偏航角γ的计算包括以下步骤：

根据三面角余弦公式，求当前位置A(A_j,A_w)，目标点B(B_j,B_w)与地球球心O连线构成的圆心角C：

cos(C)＝cos(90-B_w)×cos(90-A_w)+sin(90-A_w)×cos(B_j-A_j)，

C＝arccos(cos(90-B_w)×cos(90-A_w)+sin(90-A_w)×cos(B_j-A_j))，C表示A、B两点与地球球心连线构成的圆心角。

求解出目标航向。

其中β1是为求出目标航向β₂而引入的一个中间量。由于β1并非目标航向，需要根据B相对于A的位置在四个象限进行讨论，依据不同情况对计算结果进行不同处理。假设A点固定于原点，则:

若B点相对A在第一象限，β₂＝β₁；

若B点相对A在第二象限，β₂＝360+β₁；

若B点相对A在第三、四象限，β₂＝180-β₁。

其中，求出的β₂即为目标航向。

求解出当前位置与目标点之间距离L。距离L等于圆心角C乘以地球半径，即

其中R为地球半径。

求解偏航角和更新目标点。根据α和β₂的差值求出无人艇此时的偏航角γ＝α-β₂。当γ＞0时通过舵机控制无人艇左转的角度为γ；当γ＜0时，通过舵机控制无人艇右转的角度为γ。无人艇不断检测当前位置到目标点的距离L，若L小于一定数值(优选L＜3米)，则认为无人艇到达目标点A，将目标点A更新为螺旋线轨迹上的下一个点，然后再通过导航模块9获取无人艇的当前航向，当前位置以及新的目标点的平面坐标，以此重复来引导无人艇进行螺旋形轨迹航巡。若L大于一定数值(优选L>3米)，则认为无人艇还没有到达目标点A，无人艇继续朝着目标点A前进。在螺旋轨迹的拐点处，无人艇求解距离和偏航角的方式依旧不变。

无人艇依据目标点自动进行螺旋形巡航。无人艇沿着规划好的螺旋轨迹航行，直到到达湖泊中心O，此时无人艇的航行轨迹覆盖整个湖泊。无人艇再从O点出发，沿着O-S连线方向直接返回S点，如图2所示。螺旋形路径的航线路线更短、适合于形状复杂多变的湖泊，从终点O返回起点S距离更短，因此巡航效率更高、适应性更强。

无人艇沿着巡航路径行驶期间，通过多波速回声测深仪2探测各点水位高程，视觉模块94检测湖岸线以实现无人艇避开障碍；GPS模块92实时获取定位信息；惯性模块93由加速度计和陀螺仪组成，通过加速度计和陀螺仪分别测出无人艇的加速度和方向角，利用四元素法解算出速度，位置，姿态，并建立误差方程作误差分析；利用卡尔曼滤波算法对GPS模块92和惯性模块93获取的数据融合，获取高精度的平面坐标和航向。调整卡尔曼滤波参数，不断改变状态量和测量量在系统中所占比例，使无人艇在恶劣的环境条件，如遇到阴雨天气时，GPS搜索卫星少于3颗星时也能保持最优路径以至于不偏离航向。

根据测量所得数据绘制湖泊水下三维地形图，地形图数据保存在存储模块4中。再利用等高线容积法求解出湖泊库容，把水体按照不同高程微分成n层梯形体，库容由n层梯形体积分求得，数学模型为：

式中：V为库容，S_i为第i层横断面面积，S₀＝0，Δh_i为第i～i+1层等高线之间的高程差。

多次巡航求出相邻两次湖泊库容的差值即为动态库容。

无人艇监控的参数为湖泊的动态库容，相比简单监测库容的传统方式，动态库容更能直观的反映湖泊蓄水量的增幅和减幅变化。记第i天库容为V_i，第i阶段动态库容为ΔV_i，动态库容增减幅为η，计算公式为：

当η大于一定范围时(优选η＞0.5％)，说明在1天时间内降雨量过大，无人艇通过通信模块10向上位机11进行暴雨危险报警。当η小于一定范围时(优选η＜-0.1％)，说明在1天时间内蒸发量过大，无人艇通过通信模块10向上位机11进行干旱危险报警。

本实施例中，电源模块包括蓄电池和降压模块。蓄电池通过降压模块为主控制器1、GPS模块92、惯性模块93、视觉模块94、路径规划模块3、存储模块4、DSP芯片91和通信模块10提供5V电压，蓄电池直接为电机驱动模块6提供220V电压。

本实施例中，主控制器1通过电机驱动模块6调节直流电机8的速度，再通过舵机7控制无人艇的航向。无人艇在导航模块9、路径规划模块3和电机驱动模块6的配合下沿着规划好的路径实现自动巡航。

本实施例中，无人艇采用自动巡航的方式监控湖泊的动态库容，整个过程无需人工操作，完全由无人艇自动控制实现对湖泊动态库容的测量，节约了人工成本，提高了动态库容监测的效率、精度和可靠性。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，其特征在于，包括：

接收巡航指令，规划出若干个目标点，形成螺旋形巡航路径；

进行螺旋形路径巡航，记录路径中各目标点位置的平面坐标和水位高程；

依据记录的平面坐标和水位高程，绘制水下三维地图，通过等高线容积法算出库容；

多次巡航并计算动态库容；

所述接收巡航指令，规划出若干个目标点，形成螺旋形巡航路径具体为：

无人艇行驶至湖岸，采集湖岸线的二维图，通过canny边缘检测算子求出湖岸线，并求导出湖岸线切线方向；

保持无人艇与湖岸间距不变，沿湖岸线切线方向航巡湖岸边线一周，并定时记录湖岸边线坐标；

根据记录的坐标，通过遗传算法得出若干个离散的目标点，形成螺旋形巡航路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，其特征在于，进行螺旋形路径巡航，具体为：

识别无人艇当前位置和目标点平面坐标，以及无人艇当前航向；

依据当前位置和目标点平面坐标，获取当前位置与目标点之间的距离及航偏角；

实时判断当前位置与目标点距离是否小于一定数值，若小于一定数值，则将下一目标点作为新的目标点航行，否则继续往当前目标点航行。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，其特征在于，记录路径中各目标点位置平面坐标和水位高程，具体为：

实时检测湖岸线；

实时获取定位信息；

探测无人艇加速度和方向角，利用四元素法解算出速度、位置、姿态角，并分析以减少误差；

利用卡尔曼滤波算法对探测到的数据进行解析，获取各目标点的平面坐标和航向并作记录；

探测出各目标点的水位高程并作记录。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人艇的湖泊动态库容的监测方法，其特征在于，还包括，监测到动态库容后进行分析并作出警报：

若动态库容变化大于一定范围，无人艇通过通信模块向上位机进行暴雨危险报警；

若动态库容变化小于一定范围，无人艇通过通信模块向上位机进行干旱危险报警。

Images