CN109085597A - 用于水下地形测量的无人艇 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水下地形测量的无人艇。根据本发明的实施方式的无人艇包括艇体；测量单元，测量单元用于测量存在于艇体所在水面的周围地形；观察单元，观察单元用于使用声波的反射波来测量水下地形；推进单元，推进单元包括行进方向推进装置和侧向方向推进装置，其中，行进方向推进装置使艇体沿向前方向及向后方向移动，侧向方向推进装置使艇体沿向左方向及向右方向移动或者使艇体旋转；以及控制单元，控制单元通过测量单元测量存在于艇体所在水表面的周围地形、基于测量到的周围地形来计算艇体的位置和姿态、并且操作推进单元的行进方向推进装置和侧向方向推进装置以执行艇体的姿态控制，使得计算出的艇体的位置和姿态与目标位置和目标姿态一致。

Description

用于水下地形测量的无人艇
技术领域
本公开涉及一种无人艇，并且更具体地，涉及能够测量水下地形的无人艇。
背景技术
近年来，用于获取诸如水深、沉积物管理、水下地形测量和温度测量之类的水下信息的目的的研究设备由固定类型变成使用无人艇的移动类型。
无人艇是由远程操作员通过有线及无线通信方式远程控制的。在远程操作员的视野不能到达的较大的区域中，无人艇基于使用包括在艇内的图像和艇的自定位测量值的位置信息自动地或手动地控制。
通常，从卫星获得信息的GPS(全球定位系统)用于自定位测量方法、即导航。
然而，由于GPS仅在能够接收到卫星信号的情况下才可用，所以精确度根据接收条件而降低到几米或以上，因此不适合获得精确的位置信息。
正因为如此，现有的基于GPS的导航技术在测量卫星信号无法到达的水下地形，诸如电厂水道、室内水箱、排水系统方面、以及在即使可以接收到GPS信号，但需要位置精度的任务，例如水下结构检查方面存在局限性。
另外，现有的无人艇通过使得设置在用于测绘及观察的艇体中的两个主推进装置的推力不同、或者通过启动位于主推进装置后面的方向键来改变行进方向。然而，艇体很难在侧向方向上移动或者以这种方法旋转。因此，为了精确地控制艇体的姿态，需要能够利用精确的位置测量使艇体向前、向后、向左和向右移动并且使艇体旋转的推进方法。
发明内容
本公开的实施方式提供了一种能够更精确且更有效地执行艇体的位置测量和姿态控制的无人艇。
根据本公开的一方面，可以提供无人艇，该无人艇包括艇体；测量单元，测量单元用于测量存在于艇体所在水面的周围地形；观察单元，观察单元用于使用声波的反射波来测量水下地形；推进单元，推进单元包括行进方向推进装置和侧向方向推进装置，其中，行进方向推进装置使艇体沿向前方向及向后方向移动，侧向方向推进装置使艇体沿向左方向及向右方向移动或者使艇体旋转；以及控制单元，控制单元通过测量单元来测量存在于艇体所在水表面的周围地形，基于测量到的周围地形来计算艇体的位置和姿态，操作推进单元的行进方向推进装置和侧向方向推进装置以执行艇体的姿态控制，使得计算出的艇体的位置和姿态与目标和姿态一致。
此外，侧向方向推进装置可以包括多个推进装置，并且所述多个推进装置可以设置成关于艇体的中心轴线对称。
此外，控制单元可以在通过测量单元检测到周围地形时根据距周围地形的距离来计算艇体的纵向位置，并且可以在未检测到周围地形时使用由线材连接至特定地形的固定点的距离测量装置来计算艇体的纵向位置。
此外，距离测量装置可以包括卷筒、马达和编码器，其中，卷筒上缠绕有连接至固定点的线材，马达通过使卷筒旋转来解绕线材或者将线材缠绕在卷筒上，编码器根据马达的转数来感测卷筒的转数。
此外，控制单元可以通过测量单元测量作为位于水面上并且在艇体的行进方向上的周围地形的壁表面，基于艇体的局部坐标来计算对应于测量到的壁表面的直线，并且计算局部坐标的原点与计算出的直线之间的距离和角度，以计算距测量到的壁表面的距离和艇体相对于测量到的壁表面的姿态。
此外，无人艇可以包括惯性测量单元，惯性测量单元用于测量包括艇体的侧倾和俯仰的姿态改变信息，其中，控制单元可以基于通过惯性测量单元测量到的艇体的姿态改变信息来校正艇体的位置和姿态信息以及水下地形位置的测量值，并且可以测绘测量到的水下地形，其中，使用在水下地形测量期间通过测量单元测量到的周围地形信息来计算艇体的位置和姿态信息，并且通过观察单元测量水下地形位置的测量值。
此外，测量单元包括2D激光扫描器，2D激光扫描器通过激光扫描来测量存在于艇体所在水面的周围地形，并且2D激光扫描器可以包括支承构件，支承构件构造成即使在艇体倾斜的情况下也可以通过自重来保持激光扫描表面和水面彼此平行。
附图说明
图1是根据本公开的实施方式的无人艇的俯视立体图。
图2是根据本公开的实施方式的无人艇的仰视立体图。
图3是根据本公开的实施方式的无人艇的前视图。
图4是根据本公开的实施方式的无人艇的侧视图。
图5是本公开的实施方式中的具有另一样式的侧向推进装置的无人艇的俯视立体图。
图6是本公开的实施方式中的具有另一样式的侧向推进装置的无人艇的仰视立体图。
图7是本公开的实施方式中的具有另一样式的侧向推进装置的无人艇的前视图。
图8是本公开的实施方式中的具有另一样式的侧向推进装置的无人艇的侧视图。
图9是用于说明使用根据本公开的实施方式的无人艇中的2D激光扫描器(LiDAR)识别壁的视图。
图10是用于说明基于根据本公开的实施方式的无人艇中的艇体的局部坐标来计算壁表面距离和角度的视图。
图11是用于说明在使用根据本公开的实施方式的无人艇中的2D激光扫描器(LiDAR)测量行进方向上的距离的视图。
图12A和图12B是用于说明在使用根据本公开的实施方式的无人艇中的线材来测量行进方向上的距离的视图。
图13A至图13C是用于说明如何水平地保持根据本公开的实施方式的无人艇中的2D激光扫描器(LiDAR)的视图。
图14是根据本公开的实施方式的无人艇中的艇体的推进装置的构型图。
图15A至图15C是用于说明使根据本公开的实施方式的无人艇中的艇体沿各个方向移动的推进装置的操作的视图。
图16是根据本公开的实施方式的无人艇中的控制单元的示意控制框图。
图17是用于说明用根据本公开的实施方式的无人艇进行水下地形测绘的视图。
图18A至图18D是用于说明根据本公开的实施方式的无人艇如何在诸如直线、曲线、直线的较宽区域、曲线的较宽区域之类的各种地形中移动的视图。
图19是用于说明使用根据本公开的实施方式的无人艇测量封闭水道中的沉积物的视图。
图20是示出了在用根据本公开的实施方式的无人艇测量水道沉积物之后的测绘结果的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图对本公开的实施方式进行详细描述。提供以下实施方式以向本公开所属的领域的普通技术人员充分传达本公开的精神。本公开不限于本文中所示的实施方式，而是可以以其他形式来实施。附图不旨在以任何方式限制本公开的范围，并且为了说明清楚起见，部件的尺寸可能被夸大。
图1是根据本公开的实施方式的无人艇的俯视立体图，图2是根据本公开的实施方式的无人艇的仰视立体图，图3是根据本公开的实施方式的无人艇的前视图，图4是根据本公开的实施方式的无人艇的侧视图。
参照图1至图4，无人艇是能够远程遥控的艇。
无人艇的艇体10可以呈对称地设有浮体11的双体船的形式。由于艇体10设置为呈双体船形式，因此其在水面上具有相对较小的侧倾和俯仰，并且相对稳定。此外，艇体10可以是艇体10完全浸没在水中的潜水形式或者是艇体10部分地浸没在水中的半潜水形式。
诸如测量单元20、观察单元30、推进单元40、通信单元50和控制单元60之类的各种单元安装在无人艇的艇体10中。
控制单元60电连接至测量单元20、观察单元30、推进单元40和通信单元50。
测量单元20、通信单元50和控制单元60密封地容纳在壳体12内部，使水不会渗透。
测量单元20可以包括2D激光扫描器(光探测和测距；LiDAR)21、惯性测量单元(IMU)22和使用线材的距离测量装置23。
2D激光扫描器(LiDAR)21检测周围的地形信息，例如存在于艇体10前方的水面上的壁表面。
惯性测量单元22(IMU)可以测量诸如艇体10的俯仰、侧倾和横摆之类的姿态改变信息。惯性测量单元(IMU)22可以基于3轴角速度、3轴加速度和3轴磁传感器来提供诸如艇体10的位置、姿态和速度之类的姿态信息。
使用线材的距离测量装置23通过用线材将固定位置与艇体10连接并使用线材的长度来测量从固定位置到艇体10的距离。
观察单元30可以包括作为用于测量水下地形的设备的声呐31(声音导航和测距)。声呐31使用声波测量水下地形。声呐31通过测量以短的间歇音发射声波并将声波反射到水下地形以及使声波从水下地形返回所需的时间来测量距水下地形的距离，并且声呐31通过旋转声音发射器来检测方向。
推进单元40可以包括作为主推进装置的行进方向推进装置41和作为辅助推进装置的侧向方向推进装置42。例如，推进单元40可以包括两个行进方向推进装置41和四个侧向方向推进装置42。行进方向推进装置41的数目和侧向方向推进装置42的数目可以根据需要而改变。
行进方向推进装置41设置在艇体10的底表面上，以使艇体10沿向前的方向或向后的方向移动。行进方向推进装置41通过改变旋转方向来使艇体10前进或后退。
一对侧向方向推进装置42分别设置在浮体11的上侧部。每一对相对于彼此对称地设置。即，每一对相对于艇体10的中心轴线对称。侧向方向推进装置42设置成使得每个推进装置的吹风方向指向艇体10的外部。
侧向方向推进装置42可以呈在水面上产生空气压差的风扇的形式。
另一方面，如图5至图8中所示，侧向方向推进装置42可以呈浸没在水面下的水下推进装置的形式。
通信单元50是用于远程操作无人艇的无线或有线通信装置。该通信单元50执行与远处的外部控制器的通信。
控制单元60通过测量单元的2D激光扫描器(光探测和测距；LiDAR)21测量艇体的周围地形信息，基于测量到的周围地形信息来计算艇体10的位置和姿态，并且控制推进单元40的行进方向推进装置41和侧向方向推进装置42的操作以执行艇体10的姿态控制，使得计算出的艇体的位置和姿态与目标位置和目标姿态一致。
此外，控制单元60通过使用艇体10的位置和姿态信息以及例如艇体10的俯仰和侧倾信息的姿态改变信息来校正声呐位置的测量值，以测绘水下地形，其中，使用在使用观察单元30的声呐31进行水下地形测量期间通过2D激光扫描器(光检测和测距，LiDAR)21测量的周围地形信息来计算艇体10的位置和姿态信息，并且通过惯性测量单元(IMU)22来测量例如艇体10的俯仰和侧倾信息的姿态改变信息。控制单元60移动艇体10并且实时累积测绘数据以完成整个地形图。
因此，包括上述构型的无人艇具有能够对封闭水道、水箱等的沉积物进行测绘，并且能够判断水下结构的优点，这是由于即使没有接收到GPS信号，也可以执行艇体10的位置测量和姿态控制，并且在接收到GPS信号时可以以更高的精度来执行艇体10的位置测量和姿态控制。
在下文中，将对包括上述构型的无人艇测量水面上的位置的方法、即具体的导航方法进行描述。
根据本公开的实施方式的无人艇的导航是用于使无人艇沿着周围地形，例如周围壁表面移动的方法。
图9是用于说明使用根据本公开的实施方式的无人艇中的2D激光扫描器(LiDAR)识别壁的视图。
参照图9，无人艇使用位于艇体10上的2D激光扫描器21识别周围地形，例如壁表面，并提取壁表面的直线部分。
从2D激光扫描器21发射的呈虚线的激光束在周围地形的壁表面上发生反射并返回到2D激光扫描器21。壁表面的直线部分通过使用LiDAR识别点提取，该识别点是激光束在周围地形的壁表面上发生反射的点。
图10是用于说明基于根据本公开的实施方式的无人艇中的艇体的局部坐标计算壁表面距离和角度的视图。
参照图10，无人艇基于艇体10的局部坐标计算从原点至所提取的直线的垂直距离d和直线的角度θfbk。垂直距离d在沿着壁表面移动时成为宽度yfbk并且直线的角度θfbk转化成艇体10相对于行进方向的姿态。
在下文中，将对测量艇体10沿行进方向移动的位置的方法。
图11是用于说明使用根据本公开的实施方式的无人艇中的2D激光扫描器(LiDAR)测量行进方向距离的视图，并且图12A和图12B是用于说明使用根据本公开的实施方式的无人艇中的线材测量行进方向距离的视图。
参照图11，在通过使用2D激光扫描器21感测艇体10的行进方向而检测到行进方向上的地形时，无人艇根据距地形的距离l来计算艇体10的长度方向上的位置xfbk，该位置xfbk在艇体10的行进方向上。
参照图12A和图12B，在通过使用2D激光扫描器21感测艇体10的行进方向而未检测到行进方向上的地形时，无人艇利用使用线材的距离测量装置23来计算艇体10的长度方向上的位置。
使用线材的距离测量装置23包括其上缠绕连接至固定点的线材的滚筒23A、通过使滚筒23A旋转而解绕线材或者将线材缠绕在滚筒23A上的马达23B、以及根据马达23B的转数来感测卷筒23A的转数的编码器。
因此，可以通过使用马达23B的旋转力将连接至地形的固定点的线材保持为直线并且通过编码器23C测量滚筒23A的转数来获得从艇体10到地形的固定点的距离，从而可以计算出艇体10的移动方向上的位置xfbk。
图13A至图13C是用于说明如何水平地保持根据本公开的实施方式的无人艇中的2D激光扫描器(LiDAR)的视图。
参照图13A至图13C，2D激光扫描器21通过诸如枢轴或铰链之类的支承构件H连接。
支承构件H使2D激光扫描器21的激光扫描表面与水面保持平行。
即使艇体10由于支承构件H而倾斜，2D激光扫描器21也能够通过自重来始终保持水平位置。因此，能够补偿艇体10的倾斜。
下文中，将对基于艇体10的位置测量的结果来控制艇体10的位置和姿态的艇体推进方法进行描述。
可以具有一个或两个行进方向推进装置41。行进方向推进装置41可以是通常在无人艇中使用的推进装置。
可以具有四个侧向方向推进装置42。侧向方向推进装置42可以使艇体10在水面上沿侧向方向移动或旋转，从而引导艇体10在距离作为周围地形的壁表面恒定距离处沿恒定的方向行进。
图14是根据本公开的实施方式的无人艇中的艇体的推进装置的构型图。
参照图14，两个行进方向推进装置41L、41R和四个侧向推进装置42LF、42LB、42RF、42RB操作成使艇体10前后或左右移动以及使艇体10旋转。
图15A至图15C是用于说明使根据本公开的实施方式的无人艇中的艇体沿各个方向移动的推进装置的操作的视图。
参照图15A，在使艇体10沿左侧方向移动的情况下，启动四个侧向方向推进装置42LF、42LB、42RF、42RB中的两个右侧方向推进装置42RF、42RB，同时停用两个行进方向推进装置41L和41R。
参照图15B，在使艇体10沿顺时针方向旋转的情况下，启动四个侧向方向推进装置42LF、42LB、42RF和42RB中的两个对角地相对的侧向方向推进装置42LF、42RB，同时停用两个行进方向推进装置41L和41R。
如此，位于一侧的两个侧向方向推进装置在沿侧向方向移动时启动，而对角地相对的两个侧向推进装置在旋转时启用。
参照图15C，在使艇体10沿行进方向移动的情况下，启动两个行进方向推进装置41L、41R，同时停用四个侧向方向推进装置42LF、42LB、42RF、42RB。
图16是根据本公开的实施方式的无人艇中的控制单元的示意控制框图。
参照图16，控制单元60接收来自2D激光扫描器(LiDAR)21的艇体10的周围地形的信息。
控制单元60的纵向控制器接收纵向距离值xfbk与目标纵向距离值xref之间的距离差值，并且输出对应于距离差值的值，其中，纵向距离值xfbk是基于周围地形的信息的距艇体10的行进方向上的地形的距离。
控制单元60的宽度方向控制器接收距离基于周围地形的信息的周围地形的宽度方向距离值yfbk与目标宽度方向距离值yref之间的距离差值，并输出对应于该距离差值的值。
控制单元60的姿态控制器接收相对于基于周围地形的信息的周围地形的角度值θfbk与目标角度值θref之间的角度差值，并输出对应于该角度差值的值。
控制单元60的输出分配器操作行进方向推进装置41和侧向方向推进装置42，以使用从纵向控制器、宽度方向控制器和姿态控制器输出的输出值来减小各个距离差和角度差，并且控制行驶方向推进装置41和侧向方向推进装置42的操作，使得艇体10的当前位置和当前姿态与目标位置和目标姿态一致，从而执行艇体10的姿态控制。
可以由无人艇执行的适合的水下勘测的类型包括水下地形或沉积物测量以及水下结构检查，在该无人艇中，艇体10的位置和姿态在水面处被控制并且艇体10的位置和姿态信息被实时保存。能够测量距离的声呐用于水下地形测量，并且一般来说，测量关于一行，例如扫描或多束光的信息。
图17是用于说明用根据本公开的实施方式的无人艇进行水下地形测绘的视图。
参照图17，如上所述，使用艇体10的位置信息测量和姿态控制方法以及如上所述安装在艇体10上的声呐测量信息来测绘水下地形。
艇体10的当前位置和角度以上述方式指定，并且通过惯性测量单元(IMU)将由扫描或多束光声呐所测量的一行水下距离测量值校正成当前的侧倾和俯仰角度值并测绘一行水下距离测量值。通过移动艇体10并实时存储测绘数据来完成整个地形地图。
图18A至图18D是用于说明根据本公开的实施方式的无人艇如何在诸如直线、曲线、直线的较宽区域、曲线的较宽区域之类的各种地形中移动的视图。
参照图18A至图18D，无人艇的位置测量和姿态控制不需要GPS，并且可以用于地形测绘的地形和矩形形状的周围地形或者弯曲形状的周围地形也是可能的。此外，具有直线的较大区域和具有曲线的较大区域也是可能的。
图19是用于说明使用根据本公开的实施方式的无人艇测量封闭水道中的沉积物的视图，以及图20是示出了在用根据本公开的实施方式的无人艇测量水道沉积物之后的测绘结果的图。
如图19和图20中所示，由于在即使没有接收到GPS信号的情况下，也能够执行无人艇的位置测量和姿态控制，因此可以进行封闭空间中的水道、水箱等中的沉积物的测绘以及水下结构的判断，并且在接收到GPS信号时可以以更高的精度执行无人艇的位置测量和姿态控制。无人艇的操作通过由远程操作控制器用无线或有线通信方法、特定通信方法和根据通常的水平配置控制器的方法来执行。
如上所述，根据本发明的实施方式可以测绘封闭空间的水道、水箱等中的沉积物并且判断水下结构，这是由于即使没有接收到GPS信号，也能够执行艇体的位置测量和姿态控制，并且在接收到GPS信号的情况下也可以通过安装2D激光扫描器(LiDAR)、两个主推进装置和四个横向推进装置，使用2D激光扫描器识别周围地形、特别是壁表面，并且计算距壁表面的距离和相对于壁表面的角度，并且使用主推进装置和横向推进装置来执行艇体的姿态控制来以更高的精度执行艇体的位置测量和姿态控制。

Claims (7)

1.一种无人艇，包括：
艇体；
测量单元，所述测量单元用于测量存在于所述艇体所在水面的周围地形；
观察单元，所述观察单元用于使用声波的反射波来测量水下地形；
推进单元，所述推进单元包括行进方向推进装置和侧向方向推进装置，所述行进方向推进装置用于使所述艇体沿向前方向及向后方向移动，所述侧向方向推进装置使所述艇体沿向左方向及向右方向移动或者使所述艇体旋转；以及
控制单元，所述控制单元用于通过所述测量单元测量存在于所述艇体所在水表面的周围地形，基于测量到的周围地形来计算所述艇体的位置和姿态，并且操作所述推进单元的所述行进方向推进装置和所述侧向方向推进装置以执行所述艇体的姿态控制，使得计算出的所述艇体的位置和姿态与目标位置和目标姿态一致。
2.根据权利要求1所述的无人艇，
其中，所述侧向方向推进装置包括多个推进装置，并且所述多个推进装置设置成关于所述艇体的中心轴线对称。
3.根据权利要求1所述的无人艇，
其中，所述控制单元在通过所述测量单元检测到所述周围地形时根据距所述周围地形的距离来计算所述艇体的纵向位置，并且所述控制单元在未检测到所述周围地形时使用由线材连接至特定地形的固定点的距离测量装置来计算所述艇体的纵向位置。
4.根据权利要求3所述的无人艇，
其中，所述距离测量装置包括卷筒、马达和编码器，其中，所述卷筒上缠绕有连接至所述固定点的所述线材，所述马达用于通过使所述卷筒旋转来解绕所述卷筒上的所述线材或者将所述线材缠绕在所述卷筒上，所述编码器用于根据所述马达的转数来感测所述卷筒的转数。
5.根据权利要求1所述的无人艇，
其中，所述控制单元通过所述测量单元测量作为位于水面上并且在所述艇体的行进方向上的周围地形的壁表面，基于所述艇体的局部坐标来计算对应于测量到的壁表面的直线，并且计算所述局部坐标的原点与计算出的直线之间的距离和角度，以计算距所述测量到的壁表面的距离和所述艇体相对于所述测量到的壁表面的姿态。
6.根据权利要求1所述的无人艇，还包括惯性测量单元，所述惯性测量单元用于测量包括所述艇体的侧倾和俯仰的姿态改变信息，
其中，所述控制单元基于由所述惯性测量单元测量到的所述艇体的所述姿态改变信息来校正所述艇体的位置和姿态信息和所述水下地形的位置的测量值，并且测绘测量到的水下地形，其中，使用在水下地形测量期间通过所述测量单元测量到的周围地形信息来计算所述艇体的位置和姿态信息，并且通过所述观察单元来测量所述水下地形的位置的测量值。
7.根据权利要求1所述的无人艇，
其中，所述测量单元包括2D激光扫描器，所述2D激光扫描器用于通过激光扫描来测量存在于所述艇体所在水面的周围地形，并且所述2D激光扫描器包括支承构件，所述支承构件构造成即使在所述艇体倾斜的情况下也能够通过自重来保持所述激光扫描表面与水面彼此平行。
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