CN111780723B - 一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，包括以下步骤：S1、AUV释放前的对准阶段。即AUV下水时调整声波发射器的指向为竖直向上，将定位无人机精确置于AUV正上方，使得无人机下方正中央的声波检测器对准定向声波束的中心；S2、AUV和无人机的自主测绘。本发明将卫星导航技术推广到地下探测领域，对地下探测起到极大的促进和推动作用，基本实现深度100m之内的地下河地理位置的测绘，在地图上完成地下河位置、每一河段的河床宽度、深度等信息的标注，为地理测绘人员、地下资源开采人员提供地下河位置信息，为水文研究者、淡水生物研究者提供地下河视频资料，加快地下空间开发的进度。

Description

一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法

技术领域

本发明涉及地下河探测技术领域，具体为一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法。

背景技术

现有的地下河探测技术，涉及到物理、化学等多个学科领域，探测思路多样。然而，物探、钻探等方法在地理信息、地下资源探测方面是通用的，并非针对地下河测绘而单独设计，这些技术属被动探测，即只能在探测地点确定脚下区域是否存在地下河，若要探测地下河的流向，只能从已测地点开始向四周盲目搜索，探测的成本很高，耗费较大的人力物力，且探测效率较低，难以对地下河进行完整的、系统的地理信息的测绘。同位素示踪、标志物投放等方法，虽能确定地下河入口、出口和天窗的连通情况，在宏观上证明地下河系统的水循环过程，但无法探测地下河段全貌，确定地下位置，且耗费物力较大，测绘投入和获取成果不对等。对于实地考察的方法，在不大量增加人力投入的情况下，也只能探测到地下河的冰山一角。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，以解决上述背景技术中提出对于实地考察的方法，在不大量增加人力投入的情况下，也只能探测到地下河的冰山一角的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下测绘方法：一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，包括以下步骤：

S1、无缆水下机器人AUV(Autonomous Underwater Vehicle)释放前的对准阶段。即AUV下水时调整声波发射器的指向为竖直向上(其后一直保持这个角度)，将定位无人机精确置于AUV正上方，使得无人机下方正中央的声波检测器对准定向声波束的中心；

S2、AUV和无人机的自主测绘。对准之后释放AUV，使其随着河流流向移动。垂直穿透到地面的定向声波束在水平面的投影也会移动，无人机下端的声波检测器阵列能敏感到声波强度最大点的变化方向，将检测到的变化方向融入控制回路，控制无人机旋翼的转速和方向，使其跟着声波强度最大点移动，因此能实时跟踪地下AUV；

S3、AUV和无人机的回收。即当AUV到达河流出口之后，测绘人员回收AUV和定位无人机，从无人机中调出北斗卫星导航数据，还原出AUV运动轨迹，完成地下河位置测绘，同时从AUV中获取各类传感器数据，丰富和完善地下河的测绘信息。

优选的，所述步骤S1中无人机下端需要搭载高精度的定向声波检测装置。本方案拟在无人机上搭载9个声波检测器，其中8个副检测器在无人机底面均匀围成一个圆，1个主检测器位于圆中央，9个检测器位于同一水平面内。

优选的，步骤S2初始时刻主检测器敏感到的声波强度最大。在AUV往下一个位置移动的过程中，声波强度最大点也会在检测器阵列平面上移动。由于副检测器围成了一个圆，无论强度最大点往哪个方向移动，均会被其中一个副检测器敏感到。因此，在下一时刻，8个副检测器中会有一个出现最大值。

优选的，所述步骤S2中无人机设置有拍照系统，根据地标数据对应采集时间匹配每一张测绘无人机所采集的二维照片，并根据每张二维照片中的定位标记点和像控点坐标，对二维照片进行标记排序，并采用Smart3D技术将标记过的二维照片按照坐标合成整体的三维影像模型。

优选的，所述无人机上搭载激光测距仪，激光向飞行的正前方发射，将声波检测器数据和激光测距仪数据同时融入运动控制回路中。当检测到正前方某个距离范围内没有障碍物时，则在稳定跟踪声波信号的同时，缓慢降低飞行高度。一旦检测到距离阈值内出现障碍物，则逐渐增大飞行高度，竖直方向的飞行速度与无人机和障碍物距离成正比。

优选的，所述AUV上也安装完整的北斗定位解算装置，在河流出口、入口和地下河天窗等地可以接收到卫星信号，凭此可以测量到地下河轨迹线上几个零散点的经纬度，再在探测器上安装惯性导航IMU，和零散的几个卫星定位点进行滤波结合，则可以在无人机丢失声波跟踪的情况下，单凭AUV上搭载的惯导和卫导的组合导航系统，勾勒出河流的大致位置走向。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将卫星导航技术推广到地下探测领域，对地下探测起到极大的促进和推动作用，基本实现深度100m之内的地下河地理位置的测绘，在地图上完成地下河位置、每一河段的河床宽度、深度等信息的标注，为地理测绘人员、地下资源开采人员提供地下河位置信息，为水文研究者、淡水生物研究者提供地下河视频资料，加快地下空间开发的进度。

2、本发明显示地下河等资源的位置信息，为地下河资源的开发和利用保驾护航，促进水文系统研究、水下生物研究，促进可持续发展以及西部大开发战略的实施。

3、本发明为地下救援等难题提供技术支撑。

4、本发明为其它卫星信号到达不了的区域的定位问题提供解决思路，例如水下领域，促进卫星导航定位技术的推广。

附图说明

图1为本发明定位无人机底端的声波检测器排列放大图；

图2为本发明声波强度变化过程检测图；

图3为本发明的测绘过程简图；

图4为本发明的测绘过程流程图。

附图中：1为AUV，2为无人机，21为定向声波检测装置，21a为副检测器，21b为主检测器，3为地表，4为地层，5为地下河。

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测绘方法进行清楚、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。

请参阅图1-4，本发明提供测绘方法：一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，完成地下河测绘的具体操作可以分为三个阶段：

第一阶段为AUV1释放前的对准。由于定向声波需要严格限制为竖直向上，因此AUV上搭载的定向声波发射器21的发射端需要一直朝上。AUV开始在水中移动后，易受水流影响，其俯仰角、偏航角和航向角会一直改变，因此搭载声波发射器的机械结构需要设计成类似于平台式惯性导航中IMU的搭载机构，使得发射器的指向不随载体3个角度的改变而改变。

地面定位器选择为无人机2，其下端需要搭载高精度的定向声波检测装置。本方案拟在无人机上搭载9个声波检测器，其中8个副检测器21a在无人机底面均匀围成一个圆，1个主检测器21b位于圆中央，9个检测器位于同一水平面内，排列方式如图1所示。

AUV下水时，调整声波发射器的指向为竖直向上(其后的测绘过程一直保持这个角度)，将定位无人机精确置于AUV正上方，使得主检测器对准定向声波束的中心，与副检测器相比能检测到最大的声波强度值。

第二个阶段为AUV和无人机的自主测绘。对准之后释放AUV，使其随着河流流向移动。垂直发射到地面的定向声波束在水平面的投影也会移动，因此要求声波检测装置能敏感到声波强度最大点的变化方向，将检测到的变化方向融入控制回路，控制无人机旋翼的转速和方向，使其跟着声波强度最大点移动。本方案将多个声波检测器在无人机下端排成阵列，就是用于检测声波强度最大点的移动方向。

初始时刻主检测器敏感到的声波强度最大。在AUV往下一个位置移动的过程中，声波强度最大点也会在检测器阵列平面上移动。由于副检测器围成了一个圆，无论强度最大点往哪个方向移动，均会被其中一个副检测器敏感到。因此，在下一时刻，8个副检测器中会有一个出现最大值。假设出现最大值的副检测器在右端，检测过程如图2所示。

图2中，将检测器加黑，表明其敏感到了最大强度的声波。在一个检测周期内声波强度最大点由主检测器移动到了右侧副检测器，因此主检测器与右检测器的连线方向即为声波强度的移动方向，也就是AUV的运动方向。将声波传感器数据融入旋翼控制回路即可使无人机向右侧飞行，使得声波强度最大点再次出现在主检测器上，而后开始下一个周期的声波检测。因此无人机能通过检测声波强度，实时跟踪AUV，AUV的运动轨迹与无人机的运动轨迹在水平面上大致重合。考虑到如果水下AUV运动的速度较大，则声波强度最大点移动会较快，可能导致无人机因运动灵敏度不够而丢失对于声波的跟踪。因此，需要减缓地下AUV的运动速度，可以将AUV的速度信息接入其控制回路中，当AUV速度超过阀值时，输出控制信号使推进器逆向转动，减小速度。测绘过程中，AUV上的摄像头、激光测距仪、气压计等也会同时工作，测量地下河的其他地理信息。这一阶段的测绘过程可以表示为如下图3所示。

目前，国内外对于无人机的卫星导航定位的研究已经非常深入，屡见不鲜。“北斗”应用于无人机后，对无人机定位精度、机动性能、可靠性、无人机与指挥所之间相互协调能力等都有很大提高。因此，虽不能实现地下AUV的实时定位，但在地面端的无人机上安装高精度北斗卫星定位芯片后，能为无人机提供实时准确的位置信息和进行实时导航，加强地面测绘人员和设备与无人机的信息交流，提高对无人机的测控能力，间接获取地下AUV的位置信息。

第三个阶段为AUV和无人机的回收。即当AUV能稳定接收到北斗卫星信号时，表明AUV已经到达了露天宽广之地。此时AUV停止声波发送，测绘人员回收AUV和定位无人机，从无人机中调出北斗卫星导航数据与水下机器人的 惯性器件的数据，还原出AUV运动轨迹，完成地下河位置测绘，同时从AUV中获取各类传感器数据，丰富和完善地下河的测绘信息。测绘过程可由图4表示。

本发明使用时，将装备有定向声波发射器的无缆水下机器人放到地下河入口，并与具有北斗定位功能的无人机进行精确位置对准，使两者严格处于同一竖直线上；释放AUV使其随着河流移动，AUV竖直向上发射的定向声波在水平面上的投影也会随之移动，其中定向声波中心点的强度最大；无人机通过下端排成阵列的多个声波检测器敏感到声波强度最大点的移动方向，该方向不仅是无人机预规划的飞行方向，而且也是AUV在地下河中的前进方向，故当无人机实时跟踪声波移动，即可保证无人机始终维持在AUV的正上方附近飞行；通过在无人机上安装的北斗卫星信号接收器和位置解算芯片，与水下机器人的惯性器件进行数据融合，即可间接得到AUV的经纬度信息；在地下河出口回收AUV和无人机，整理测量数据，得到地下河位置、河床宽度等测绘信息，完成对地下河的勘探任务。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、AUV释放前的对准阶段，即AUV下水时调整声波发射器的指向为竖直向上，其后声波发射器一直保持竖直向上的角度，将定位无人机精确置于AUV正上方，使得无人机下方正中央的声波检测器对准定向声波束的中心；

S2、AUV和无人机的自主测绘，对准之后释放AUV，使其随着河流流向移动，垂直穿透到地面的定向声波束在水平面的投影也会移动，无人机下端的声波检测器阵列能敏感到声波强度最大点的变化方向，将检测到的变化方向融入控制回路，控制无人机旋翼的转速和方向，使其跟着声波强度最大点移动，因此能实时跟踪地下AUV；

S3、AUV和无人机的回收，即当AUV到达河流出口之后，测绘人员回收AUV和定位无人机，从无人机中调出北斗卫星导航数据，还原出AUV运动轨迹，完成地下河位置测绘，同时从AUV中获取各类传感器数据，丰富和完善地下河的测绘信息。

2.根据权利要求1所述的一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，其特征在于：所述步骤S1中无人机下端需要搭载高精度的定向声波检测装置，包括在无人机上搭载9个声波检测器，其中8个副检测器在无人机底面均匀围成一个圆，1个主检测器位于圆中央，9个检测器位于同一水平面内。

3.根据权利要求2所述的一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，其特征在于：步骤S2初始时刻主检测器敏感到的声波强度最大，在AUV往下一个位置移动的过程中，声波强度最大点也会在检测器阵列平面上移动，由于副检测器围成了一个圆，无论强度最大点往哪个方向移动，均会被其中一个副检测器敏感到，因此，在下一时刻，8个副检测器中会有一个出现最大值。

4.根据权利要求1所述的一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，其特征在于：所述步骤S2中无人机设置有拍照系统，根据地标数据对应采集时间匹配每一张测绘无人机所采集的二维照片，并根据每张二维照片中的定位标记点和像控点坐标，对二维照片进行标记排序，并采用Smart3D技术将标记过的二维照片按照坐标合成整体的三维影像模型。

5.根据权利要求1所述的一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，其特征在于：所述无人机上搭载激光测距仪，激光向飞行的正前方发射，将声波检测器数据和激光测距仪数据同时融入运动控制回路中，当检测到正前方某个距离范围内没有障碍物时，则在稳定跟踪声波信号的同时，缓慢降低飞行高度，一旦检测到距离阈值内出现障碍物，则逐渐增大飞行高度，竖直方向的飞行速度与无人机和障碍物距离成正比。

6.根据权利要求1所述的一种在组合导航条件下实现地下河测绘的测绘方法，其特征在于：所述AUV上也安装完整的北斗定位解算装置，在河流出口、入口和地下河天窗等地可以接收到卫星信号，凭此可以测量到地下河轨迹线上几个零散点的经纬度，再在探测器上安装惯性导航IMU，和零散的几个卫星定位点进行滤波结合，则可以在无人机丢失声波跟踪的情况下，单凭AUV上搭载的惯导和卫导的组合导航系统，勾勒出河流的大致位置走向。