CN111562583A - 一种可升降悬挂式船体测绘设施及工作方式 - Google Patents

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陈轩
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Abstract

本发明公开了一种水下船体测绘设施及其工作方式，所述的系统包括L型可升降立架、导流罩、升降驱动系统、声呐簇、姿态标定装置、声速标定装置、船舶识别装置、数据处理计算系统。所述的声呐簇部署在L型可升降立架上，可以随立架升降到水下位置进行探测。姿态标定装置和声速标定装置安装在L型可升降立架底端，测量立架姿态变化信息和声速信息并提供相应数据作为计算补偿数据，提高系统测绘精度。本发明可布置在任意水面设施或建筑侧表，测量时不需船舶停靠，实现全自动测绘，同时L型可升降立架不碍航，可适用于航道较窄的水域，同时结构轻巧，为后期的设备维护保养提供便利。

Description

一种可升降悬挂式船体测绘设施及工作方式
技术领域
本发明涉及船体测绘、水下探测、船舶安全检测等技术领域，特别是一种船体测绘设施及其工作方式。
背景技术
船舶实际通航运行中，船舶违章运货、船舶超吃水、船底附着异型结构物现象时长发生，对航运安全产生严重威胁。船体水下部分往往具有隐蔽性，为保障航运安全和效率，必须进行水下船体测绘。
现有船舶水下测绘技术是将声呐安装在水下固定平台上或是安装在水面建筑物两侧进行测量，这种型式具有如下缺点：测绘设施安装在水下固定平台或是水面建筑物两侧，耗资巨大，且维护不易；忽略部署平台姿态变对测绘精度影响；测绘设施功能较少且单一、实施后需要其他系统配合才能使用。
发明内容
为解决现有技术存在的弊端，本发明设计了一种有效解决上述问题的可升降悬挂式船体测绘设施及工作方式。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可升降悬挂式船体测绘设施，包括L型可升降立架、导流罩、升降驱动系统、声呐簇、姿态标定装置、声速标定装置、船舶识别装置、数据处理计算系统。所述的L型可升降立架由L型钢结构架、滑轨，和齿条构成，所述的L型钢结构架含有不同种类安装孔，所述的滑轨和齿条安装在L型钢结构架内侧，负责给L型钢结构架升降提供支撑和导向。所述的导流罩安装在L型钢结构架迎流和背流方向，减小L型钢结构架收到的水流冲击力。所述的升降驱动系统包括电机和齿轮，所述的电机给L型可升降立架升降提供动力，所述的齿轮负责传动。所述的声呐簇包含单波束深声呐和多波束声呐，所述的单波束声呐和多波束声呐安装在L型可升降立架上，由安装孔固定。所述的姿态标定装置包含水位高度计和电子罗盘，所述水位高度计和电子罗盘安装在L型可升降立架上，收集L型可升降立架姿态信息。所述的声速标定装置包含声速剖面仪，所述的声速剖面仪安装在L型可升降立架上，采集水下声速信息。所述的船舶识别装置包含AIS设备，所述的AIS设备负责收集设施附近船舶信息。所述数据处理计算系统包含控制采集模块和计算模块，所述的控制采集模块负责控制采集各类传感器数据，所述的计算模块用来计算船体测绘结果。
一种可升降悬挂式船体测绘设施的工作方式，包括如下步骤：
A、L型立架下放到位
L型可升降立架由升降驱动系统驱动，下放至立架底端距水面合适位置处。
B、立架姿态测量
记录姿态标定装置的水位高度计在立架上的安装位置值，立架下放到水下后测记录水位高度计在水下的具体位置值，同时记录电子罗盘测得立架绕3个轴向的偏摆角度值。
C、声速标定
声速标定装置实时测量水下声速数据信息。
D、声呐数据采集
数据处理计算系统控制采集声呐数据，得到实时声呐点云数据集。记录单波束声呐安装位置值，单波束声呐开始工作后，记录其单帧数据。记录多波束声呐安装位置值，多波束声呐开始工作后，记录采集到的声呐点云数据集。
E、船舶数据收取
船舶识别装置的AIS设备实时收集附近船舶信息报文，得到附近船舶的信息及位置数据集，并通过串口将数据发送给数据处理计算系统。
F、综合计算
数据处理计算系统对收集到的船体声呐点云数据进行数据处理，还原船底轮廓。数据处理计算系统依据立架姿态信息对单波束声呐数据进行补偿修正，得到修正后的单波束声呐的单帧数据；使用姿态数据、修正过单波束数据、及测得声速值对多波束点云数据集进行修正，从而最终得到准确船体测绘结果，最后依据船舶识别装置提供的船舶信息报文，将船舶信息和船体测绘结果匹配，生成一条含船舶信息和测绘结果的完整结果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、由于本发明结构设计小巧、可在水面设施或建筑单侧安装部署、升降方便，所以耗资小，易于维护检修，并且投入使用后不会碍航。需要对船舶进行测绘时，船舶只需通过固定区域就可，不停靠、不登船，杜绝通航安全隐患。
2、忽略部署平台姿态变对测绘精度影响；由于本发明使用姿态标定装置对本发明的水下姿态进行监测，并收集姿态数据对最总测绘结果进行修正。本专利能够有效避免部署平台的姿态变化对测绘结果的影响，有效提高测绘精度。
3、本发明专利提供了一套完整的技术方案，含基础结构方案、声呐数据采集方案、数据计算方案、船舶识别方案等，功能齐全，专利方案实施后可直接进行测绘使用。
附图说明
图1是本发明的设施结构示意图。
图2是本发明的原理框架图。
图中：1、L型可升降立架；2、导流罩；3、升降驱动系统；4、多波束声呐；5、单波束声呐；6、水位高度计；7、声速标定装置；8、电子罗盘；9、船舶识别装置；10、数据处理计算系统；11、水面平台。
具体实施方式
参见图1至图2，对本发明作进一步的说明：
如图1所示，一种可升降悬挂式船舶测绘设施，包括包括L型可升降立架(1)、导流罩(2)、升降驱动系统(3)、声呐簇(4)(5)、姿态标定装置(6)(8)、声速标定装置(7)、船舶识别装置(9)、数据处理计算系统(10)。L型可升降立架(1)及通过升降驱动系统(3)通过焊接或螺栓固定等方式安装在需要部署的水面平台上(11)，通过升降驱动系统(3)提供的动力实现水下升降，同时导流罩(2)安装在立架迎流和背流侧，减小立架(1)受到的水流冲击力，从而保护立架。声呐簇(4)(5)、姿态标定装置(6)(8)、声速标定装置(7)安装在立架(1)固定位置处，可随立架下方到水中。船舶识别装置(9)安装在水面平台(11)外部无遮挡区域，保证通讯信号正常。声呐簇(4)(5)、姿态标定装置(6)(8)、声速标定装置(7)、船舶识别装置(9)通过通信线缆将各类信号传输给数据处理计算系统(10)。本发明各部分相互之间的关系如图2所示。
本发明的具体操作步骤如下：
1、开启升降驱动系统电机，电机开动后，带动齿轮转动，齿轮带动立架上的齿条运动，立架沿导轨向水下放，将立架下放到水下所需位置；
2、立架姿态测量。姿态标定装置的水位高度计在立架上的安装位置为h1，立架下放后，水位高度计测得水深值为h2(t)。电子罗盘在立架上的安装位置为h3，实时测得立架绕初始位置3个轴向的偏摆角度θ1(t)，θ2(t)，θ3(t)。通过整合上述立架姿态测量数据，得到立架实时姿态矩阵Matt(t)＝(h1，h2(t)，h3，θ1(t)，θ2(t)，θ3(t))。
3、声速标定。整套设施在工作时，声速标定装置实时测量设施工作水域声速为数据c(t)，得到实时水下声速矩阵矩阵C(t)＝(c(t))。
4、单波束声呐安装位置为{s1，s2...sn}，多波束声呐安装位置s’，得到声呐簇的位置矩阵H＝(s1，s2...sn，s’)。设施开始工作后，数据处理计算系统控制声呐簇进行数据采集，得到实时单波束单帧数据集Ds(t)＝(d1(t)，d2(t)...dn(t))、实时的多波束声呐点云数据集Dm(t)。
5、船舶数据收取。船舶识别装置的AIS设备实时收取船舶信息报文，得到附近船舶的信息及位置数据集Dv(t)＝{(MMSI1，lat(t)，lng(t))...(MMSIn，lat(t)，lng(t))}，并通过串口将数据发送给数据处理计算系统。
6、数据处理计算系统对收集到的船体声呐点云数据进行数据处理，还原船型轮廓，步骤为：使用姿态信息Matt(t)对单波束圣拿数据进行修正，得到修正后的单波束声呐的单帧数据D’s(t)＝F(Matt(t)，H，Ds(t))，其中F为单波束声呐数据的姿态修正函数；使用姿态数据Matt(t)和修正过单波束数据D’s(t)对多波束点云数据集进行修正，得到修正后的多波束声呐的点云数据集D’m(t)＝F’(Matt(t)，H，D’s(t)，Dm(t))，其中F’为多波束声呐点云数据集的修正函数；使用实时水下声速数据C(t)对经过立架姿态和单波束声呐数据修正过得多波束点云数据集D’m(t)进行声速矫正，最终得到准确船体测绘结果数据集D”m(t)＝D’m(t)·C(t)/Vc，其中Vc为声呐内置声速值。最后依据船舶识别装置提供的船舶信息报文Dv(t)，将船舶信息和船体测绘结果匹配，生成一条含船舶信息和测绘结果的完整结果。

Claims (2)

1.一种可升降悬挂式船舶测绘设施，其特征在于：包括包括L型可升降立架(1)、导流罩(2)、升降驱动系统(3)、声呐簇(4)(5)、姿态标定装置(6)(8)、声速标定装置(7)、船舶识别装置(9)、数据处理计算系统(10)。L型可升降立架(1)及通过升降驱动系统(3)通过焊接或螺栓固定等方式安装在需要部署的水面平台上(11)，通过升降驱动系统(3)提供的动力实现水下升降，同时导流罩(2)安装在立架迎流和背流侧，减小立架(1)受到的水流冲击力，从而保护立架。声呐簇(4)(5)、姿态标定装置(6)(8)、声速标定装置(7)安装在立架(1)固定位置处，可随立架下方到水中。船舶识别装置(9)安装在水面平台(11)外部无遮挡区域，保证通讯信号正常。声呐簇(4)(5)、姿态标定装置(6)(8)、声速标定装置(7)、船舶识别装置(9)通过通信线缆将各类信号传输给数据处理计算系统(10)。
2.根据权利要求1所述的一种可升降悬挂式船舶测绘设施的工作方式，其特征在于：
A、L型可升降立架(1)下放到位
L型可升降立架通过开启升降驱动系统(3)电机，带动齿轮转动，齿轮带动立架上的齿条运动，立架沿导轨向水下放，将立架下放到水下所需位置；
B、立架姿态测量
姿态标定装置(6)(8)的水位高度计在立架上的安装位置为h1，立架下放后，水位高度计测得水深值为h2(t)。电子罗盘在立架上的安装位置为h3，立架下水后，实时测得立架绕3个轴向的偏摆角度θ1(t)，θ2(t)，θ3(t)。通过整合上述立架姿态测量数据，得到立架实时姿态矩阵Matt(t)＝(h1，h2(t)，h3，θ1(t)，θ2(t)，θ3(t))。
C、声速标定
整套设施在工作时，声速标定装置(7)实时测量设施工作水域声速为数据c(t)，得到实时水下声速矩阵矩阵C(t)＝(c(t))。
D、声呐簇(4)(5)数据采集
单波束声呐安装位置为{s1，s2...sn}，多波束声呐安装位置s’，得到声呐簇的位置矩阵H＝(s1，s2...sn，s’)。设施开始工作后，数据处理计算系统控制声呐簇进行数据采集，得到实时单波束单帧数据集Ds(t)＝(d1(t)，d2(t)...dn(t))、实时的多波束声呐点云数据集Dm(t)。
E、船舶信息数据采集
船舶识别装置(9)的AIS设备实时收集附近船舶信息报文，得到附近船舶的信息及位置数据集Dv(t)＝{(MMSI1，lat(t)，lng(t))...(MMSIn，lat(t)，lng(t))}，并通过串口将数据发送给数据处理计算系统。
F、综合计算
数据处理计算系统(10)对收集到的船体声呐点云数据进行数据处理，还原船型轮廓，步骤为：使用姿态信息Matt(t)对单波束圣拿数据进行修正，得到修正后的单波束声呐的单帧数据D’s(t)＝F(Matt(t)，H，Ds(t))，其中F为单波束声呐数据的姿态修正函数；使用姿态数据Matt(t)和修正过单波束数据D’s(t)对多波束点云数据集进行修正，得修正后的多波束声呐点云数据集D’m(t)＝F’(Matt(t)，H，D’s(t)，Dm(t))，其中F’为多波束声呐点云数据集的修正函数；使用实时水下声速数据C(t)对经过立架姿态和单波束声呐数据修正过得多波束点云数据集D’m(t)进行声速矫正，最终得到准确船体测绘结果数据集D”m(t)＝D’m(t)·C(t)/Vc，其中Vc为声呐内置声速值。最后依据船舶识别装置提供的船舶信息报文Dv(t)，将船舶信息和船体测绘结果匹配，生成一条含船舶信息和测绘结果的完整结果。
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