CN108151715B - 一种浅水区水下地形测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提拱了一种浅水区水下地形测量装置及方法，该装置包括安置在浅水区附近已知控制点上的GNSS基准站、移动运行载体以及设置在所述移动运行载体上的工作台、GNSS移动站、IMU惯性测量单元、角度旋转编码器、探深杆以及数据存储芯片；所述探深杆伸入水下的一端固定金属球，且所述金属球与水下地形直接接触。本发明采用机械探深杆直接接触水下地形测量的方法，避免声学或光学水底测量时发生的数据异常，结合GNSS移动站、IMU惯性测量单元以及角度旋转编码器移动轨迹采集技术，动态获取水下地形数据，提高水下地形的测量精度和测量效率。

Description

一种浅水区水下地形测量装置及方法

技术领域

本发明涉及水下地形测量领域，特别是涉及一种浅水区水下地形测量装置及方法。

背景技术

水下地形测量是海洋测绘、航道测绘、湖泊测绘等工程测绘的重要作业内容。水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。水上定位手段主要包括光学仪器定位、无线电定位、卫星定位和组合定位等；水上测深手段主要靠回声测深仪。

对于浅水区水下地形测量，目前较为常用的方法包括：人工使用GNSS RTK和探杆进行单点定位探深，此方法作业效率低，人工成本高，且对人员安全及仪器设备安全威胁极大；或者采用声学测量方法，但此方法在浅水区容易受到干扰，在浅水区声学设备一旦离开水面，就无法得到正常数据，造成数据异常，测量精度低；或者采用移动式GNSS RTK和激光测距的的单点测量方法，此方法采集频率较低，且激光在浅水区复杂的水质情况下容易造成干扰，同样也会造成数据异常，测量精度低。

发明内容

本发明的目的是提拱了一种浅水区水下地形测量装置及方法，通过卫星定位与惯性导航技术进行水上移动轨迹采集，通过改进的机械探深杆直接接触水底地形，避免声学或光学水底测量时发生的数据异常，相比传统作业不仅提高了测量精度和测量效率，而且降低劳动强度和安全风险。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种浅水区水下地形测量装置，所述装置包括安置在浅水区附近已知控制点上的GNSS基准站、移动运行载体以及设置在所述移动运行载体上的工作台、GNSS移动站、IMU惯性测量单元、角度旋转编码器、探深杆以及数据存储芯片；所述探深杆伸入水下的一端固定金属球；所述数据存储芯片设置在所述IMU惯性测量单元的一侧；

所述工作台的一端设有旋转轴承；所述探深杆与所述旋转轴承连接，且所述探深杆沿所述旋转轴承旋转；所述角度旋转编码器设置在所述旋转轴承的旋转中心上；所述角度旋转编码器用于采集所述探深杆的旋转角度；

所述工作台与所述移动运行载体通过所述旋转轴承连接；在所述移动运行载体转弯或水平方向移动时，所述工作台与所述探深杆在水平方向上沿所述旋转轴承随所述移动运行载体运动；

所述IMU惯性测量单元固定在所述工作台的另一端；所述IMU惯性测量单元上设有支撑杆；所述支撑杆的一端与所述IMU惯性测量单元固定连接，所述支撑杆的另一端与所述GNSS移动站固定连接。

可选的，所述GNSS移动站的测量中心和所述IMU惯性测量单元的测量中心位于同一铅垂线上。

可选的，所述旋转轴承、所述GNSS移动站以及所述IMU惯性测量单元固定为同一刚体。

可选的，所述探深杆上带有刻度。

可选的，所述探深杆为伸缩杆。

可选的，所述GNSS移动站的采样频率大于等于1Hz。

可选的，所述IMU惯性测量单元的采样频率大于等于200Hz。

可选的，所述移动运行载体为橡皮艇、皮划艇或水陆两用车。

本发明还提供了一种浅水区水下地形测量装置方法，所述方法包括：

获取GNSS基准站数据、GNSS移动站数据以及移动运行载体的姿态数据；

根据所述GNSS基准站数据、所述GNSS移动站数据以及所述移动运行载体的姿态数据，确定所述移动运行载体的移动轨迹；

获取探深杆的旋转角度信息以及所述探深杆的长度信息；

根据所述探深杆的旋转角度信息、所述探深杆的长度信息及所述移动运行载体的行走轨迹，确定所述探深杆与水下地形接触的金属球的移动轨迹。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提拱了一种浅水区水下地形测量装置及方法，该装置包括安置在浅水区附近已知控制点上的GNSS基准站、移动运行载体以及设置在所述移动运行载体上的工作台、GNSS移动站、IMU惯性测量单元、角度旋转编码器、探深杆以及数据存储芯片；所述探深杆伸入水下的一端固定金属球，且所述金属球与水下地形直接接触；所述工作台的一端设有旋转轴承；所述探深杆与所述旋转轴承连接，且所述探深杆沿所述旋转轴承旋转；所述角度旋转编码器设置在所述旋转轴承的旋转中心上；所述角度旋转编码器用于采集所述探深杆的旋转角度；所述IMU惯性测量单元固定在所述工作台的另一端；所述IMU惯性测量单元上设有支撑杆；所述支撑杆的一端与所述IMU惯性测量单元固定连接，所述支撑杆的另一端与所述GNSS移动站固定连接。本发明采用机械探深杆直接接触水下地形测量的方法，避免声学或光学水底测量时发生的数据异常，结合GNSS移动站、IMU惯性测量单元以及角度旋转编码器移动轨迹采集技术，动态获取移动轨迹下方的地形数据，提高水下地形的测量精度和测量效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例浅水区水下地形测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例浅水区水下地形测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提拱了一种浅水区水下地形测量装置及方法，通过卫星定位与惯性导航技术进行水上移动轨迹采集，通过机械探杆直接接触水底地形，避免声学或光学水底测量时发生的数据异常，相比传统作业不仅提高了测量精度和测量效率，而且降低劳动强度和安全风险。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

先对专业名称进行解释。

角度旋转编码器：将机械转动或角位移转换为电信号输出的传感器，记录角度真实变化量。

GNSS：全球卫星导航系统或全球导航卫星系统(英文：GlobalNavigationSatellite System，简称GNSS)。

IMU：惯性测量单元(英文：Inertial measurementunit，简称IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，并以此解算出物体的姿态。

图1为本发明实施例浅水区水下地形测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提拱的浅水区水下地形测量装置包括安置在浅水区附近已知控制点上的GNSS基准站、移动运行载体以及设置在所述移动运行载体上的工作台1、GNSS移动站2、IMU惯性测量单元3、角度旋转编码器4、探深杆5以及数据存储芯片6。将GNSS基准站架设在陆地控制点上并与GNSS移动站2同时接收卫星数据。IMU惯性测量单元3用于获取移动运行载体的姿态数据。

所述探深杆5伸入水下的一端固定金属球7；所述数据存储芯片6设置在所述IMU惯性测量单元3的一侧。

所述工作台1的一端设有旋转轴承8；所述探深杆5与所述旋转轴承8连接，且所述探深杆5沿所述旋转轴承8旋转。所述角度旋转编码器4设置在所述旋转轴承8的旋转中心上。所述探深杆5可绕所述角度旋转编码器4的同心转动，在移动测量的过程中，水下地形的改变或水上载体状态改变都将使所述探深杆5不离开水底而使相对于工作台1的角度量发生改变。所述角度旋转编码器4用于采集所述探深杆5的旋转角度。

所述工作台1与所述移动运行载体通过所述旋转轴承8连接；在所述移动运行载体转弯或水平方向移动时，所述工作台1与所述探深杆5在水平方向上沿所述旋转轴承8随所述移动运行载体运动。

所述IMU惯性测量单元3固定在所述工作台1的另一端。所述IMU惯性测量单元3上设有支撑杆9。所述支撑杆9的一端与所述IMU惯性测量单元3固定连接，所述支撑杆9的另一端与所述GNSS移动站2固定连接。

所述GNSS移动站2的测量中心和所述IMU惯性测量单元3的测量中心位于同一铅垂线上。

所述旋转轴承8、所述GNSS移动站2以及所述IMU惯性测量单元3固定为同一刚体。同时，所述GNSS移动站2、所述IMU惯性测量单元3以及角度旋转编码器4同时安装在工作台1上，三者相对位置不变，也构成同一刚体。

移动运行载体通过工作台1拖拽探深杆5在浅水域行驶，获取水下地形数据。所述移动运行载体为橡皮艇、皮划艇或水陆两用车。

所述探深杆5为带有刻度的伸缩杆，所述探深杆5为用金属或其它材料制成并带有底盘的刻有标度、可供读数的用于测量水深的刚性标度杆。

所述GNSS移动站2的采样频率大于等于1Hz。所述IMU惯性测量单元3的采样频率大于等于200Hz。

采用本发明提供的测量装置的工作过程如下：

将本发明提供的测量装置安装在测量用皮划艇或水陆两用车上，调整探深杆的长度，以适应测区水域，在测量装置准备就绪后，沿预定的采集路线进行不间断数据采集。GNSS移动站、IMU惯性测量单元组合的导航设备获取移动运行载体位置姿态数据，角度旋转编码器获取金属球在水底行进过程中上端的旋转变量。

与现有技术相比，本发明创新点如下：

第一，本发明使用机械装置替代声学、激光测距等非接触测量方式进行水下测量，结合水上移动轨迹采集获得大地坐标的水下地形数据。探深杆结合角度旋转编码器可以使浅水区测量的方式改变，由站点的单点采集转换为人工操作少的连续轨迹采集。

第二、探深杆改造：将传统的探深杆与GNSS移动站、IMU惯性测量单元通过旋转轴承连接，探深杆的下端固定圆形金属球，方便探深杆靠金属球重力接触水底，探深杆上端连接设备旋转轴承，旋转轴承使用角度旋转编码器进行同心角度旋转测量。

第三、水上移动轨迹采集：采用技术成熟的GNSS移动站、IMU惯性测量单元的组合导航技术方案进行，获取橡皮艇等移动运动载体的移动轨迹。具体为将GNSS移动站采集的移动运动载体的轨迹动态位置(大地坐标XYZ)、IMU惯性测量单元记录高频姿态数据，然后将采集的数据通过数据存储芯片存储，并传输至后期软件，由后期软件进行组合导航解算，获得移动运动载体加密的移动轨迹数据(包含坐标X、Y、Z姿态角Heading Pitch Roll和相应的时间信息)。

第四、数据存储芯片同时还存储角度旋转编码器采集的绝对角度变化数据，并传输至后期软件，由后期软件将GNSS移动站、IMU惯性测量单元、角度旋转编码器采集的数据在时间同步的基础上进行数据融合结算，最终输出金属球所在的位置的地理坐标xyz，通过移动轨迹的结算从而获得水下大面积的地形数据。具体为通过角度旋转编码器输出的角度值，可得到对应时间的水下测深金属球相对于移动运行载体的刚性平台的垂直方向相对角度，通过此角度与探深杆的长度构成极坐标，与水上平台的坐标姿态数据进行结算，输出水底测深金属所测量水底坐标数据。

第五、GNSS移动站的采样频率可达10Hz，IMU惯性测量单元的采样频率可达200Hz，高采样频率可以使移动运行载体持续行驶不用停止静态采集数据，效率高，整个数据采集过程中无需人工操作，安全系数高。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用机械结构探测水下地形，不受水质影响，同声学、光学探测仪相比，数据可靠性更强，更适合江河入海口，泥沙区域等复杂水域。

使用GNSS移动站、IMU惯性测量单元组合导航定位方法，使用后处理软件，进行轨迹数据组合解算，获得移动运行载体水上测量轨迹，且测量频率达到200Hz，在作业过程中无需停留，提高了测量效率。

使用探深杆结合金属球直接在移动运行载体后拖拽接触水底测量，相比声学、光学等非接触测量方法，提高测量精度。

为实现上述目的，本发明还提供了一种浅水区水下地形测量方法，所述方法应用于所述的浅水区水下地形测量装置上。

图2为本发明实施例浅水区水下地形测量方法的流程示意图，如图2所示，本发明提供的浅水区水下地形测量方法具体包括以下几个步骤：

步骤100：获取GNSS基准站数据、GNSS移动站数据以及移动运行载体的姿态数据。

步骤200：根据所述GNSS基准站数据、所述GNSS移动站数据以及所述移动运行载体的姿态数据，确定所述移动运行载体的移动轨迹。

步骤300：获取探深杆的旋转角度信息以及所述探深杆的长度信息。

步骤400：根据所述探深杆的旋转角度信息、所述探深杆的长度信息及所述移动运行载体的行走轨迹，确定所述探深杆与水下地形接触的金属球的移动轨迹。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种浅水区水下地形测量装置，其特征在于，所述装置包括安置在浅水区附近已知控制点上的GNSS基准站、移动运行载体以及设置在所述移动运行载体上的工作台、GNSS移动站、IMU惯性测量单元、角度旋转编码器、探深杆以及数据存储芯片；所述探深杆伸入水下的一端固定金属球；所述数据存储芯片设置在所述IMU惯性测量单元的一侧；

所述工作台的一端设有旋转轴承；所述探深杆与所述旋转轴承连接，且所述探深杆沿所述旋转轴承旋转；所述角度旋转编码器设置在所述旋转轴承的旋转中心上；所述角度旋转编码器用于采集所述探深杆的旋转角度；

所述工作台与所述移动运行载体通过所述旋转轴承连接；在所述移动运行载体转弯或水平方向移动时，所述工作台与所述探深杆在水平方向上沿所述旋转轴承随所述移动运行载体运动；

所述IMU惯性测量单元固定在所述工作台的另一端；所述IMU惯性测量单元上设有支撑杆；所述支撑杆的一端与所述IMU惯性测量单元固定连接，所述支撑杆的另一端与所述GNSS移动站固定连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述GNSS移动站的测量中心和所述IMU惯性测量单元的测量中心位于同一铅垂线上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转轴承、所述GNSS移动站以及所述IMU惯性测量单元固定为同一刚体。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探深杆上带有刻度。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探深杆为伸缩杆。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述GNSS移动站的采样频率大于等于1Hz。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述IMU惯性测量单元的采样频率大于等于200Hz。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动运行载体为橡皮艇、皮划艇或水陆两用车。

9.一种浅水区水下地形测量方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8任意一项所述的浅水区水下地形测量装置，所述方法包括：

获取GNSS基准站数据、GNSS移动站数据以及移动运行载体的姿态数据；

根据所述GNSS基准站数据、所述GNSS移动站数据以及所述移动运行载体的姿态数据，确定所述移动运行载体的移动轨迹；

获取探深杆的旋转角度信息以及所述探深杆的长度信息；

根据所述探深杆的旋转角度信息、所述探深杆的长度信息及所述移动运行载体的行走轨迹，确定所述探深杆与水下地形接触的金属球的移动轨迹。