CN112113611A - 一种无人船流速流量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人船监测的技术领域，提出了一种无人船流速流量测量系统，通过在船体上布置用于提供纵横方向的水体过流通道的量测管路，在量测管路上设置流量计从而实现了船体在浸没深度内相对河湖水体的流速流量的直接测量，通过在船体上设置用于获取船体实时位置信息的差分GPS模块从而实现了河湖水体表面流速的间接测量，通过在船体上设置用于探测感知断面水深的声呐探测传感器从而实现了河流断面流量的估算测量。本发明的上述方案基于量测管路能够实现表层盲区的流速流量精确测量，可为实时调整船体供能模块的能量输出和舵机方向提供定量化依据，从而能够有效提升无人船控制系统的动作响应精度，可直接服务于具有相应精度要求的水文业务工作。

Description

一种无人船流速流量测量系统

技术领域

本发明涉及无人船监测的技术领域，更具体地说，是涉及一种无人船流速流量测量系统。

背景技术

无人船是一种可以无需遥控控制，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，英文缩写为USV(unmanned surface vessel)，其融合了船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控、网络化系统、信息处理、运动控制等专业技术，可实现自主规划、自主导航、自主环境感知、智能避障、远距离通信、模式识别、视频实时传输和网络化监控等功能。ADCP(声学多普勒流速剖面仪)是目前被广泛使用于海洋、河口的流场结构调查和流速流量测验的仪器，利用声学多普勒效应原理进行流速测量，能直接测出断面的流速剖面，基于ADCP的无人船流速测量设备，减少了常规人工测验的时间，降低了工作强度，被广泛应用于海洋、河口的流场结构调查和流速流量测验。然而，现有的基于ADCP的无人船流速测量系统通常会存在测量盲区，常见的如顶部盲区，顶部盲区又称为表层盲区,通常由三方面原因造成:一是因测量探头入水后,探头无法施测其以上部分的水体流量产生的盲区；二是换能器电陶瓷片发射声波后,压电陶瓷片会产生余震压，要等到余震衰减掉后压电陶瓷片才能够正常接收回波信号，余震衰减需要一点时间，这个时间乘以声速即为声学多普勒流速仪的盲区；三是连续发送的声波脉冲与脉冲之间有一定的距离,大约为二分之一单元深度。顶部盲区通常为无人船浸没深度范围的深度区域，针对顶部盲区通常通过软件来进行估算，存在一定的测量误差，从而影响无人船控制系统的动作响应精度，最终影响有相应精度要求的水文业务工作。因此，如何实现待测水体表层盲区的流速流量精确测量，有效提升无人船控制系统的动作响应精度成为需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人船流速流量测量系统，旨在解决现有技术中如何实现待测水体表层盲区的流速流量精确测量的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种无人船流速流量测量系统，安装在船体上，包括设于所述船体内的船载控制模块，分别与所述船载控制模块电性连接的供能模块、数据采集模块、通信模块，以及与所述通信模块连通的远程控制模块，其特征在于，所述数据采集模块包括布置于所述船体上用于提供纵横方向的水体过流通道的量测管路，设置于所述量测管路上的流量计，设置于所述船体上用于获取所述船体实时位置信息的差分GPS模块，以及设置于所述船体上用于探测感知断面水深的声呐探测传感器。

进一步地，所述量测管路包括纵向管路和横向管路，所述纵向管路沿所述船体轴线方向分别布置于所述船体左右两侧，所述横向管路沿垂直于所述船体船轴线方向分别布置于所述船体首尾两侧，所述纵向管路和所述横向管路均布置于所述船体吃水线以下位置，且所述纵向管路与所述横向管路均分别与河湖水体联通。

进一步地，所述纵向管路沿所述船体侧板的外侧并紧靠所述船体的船肋呈流线型布置。

进一步地，所述横向管路垂直于所述船体的轴线方向穿过所述船体的侧板布置。

进一步地，所述供能模块包括蓄电池模块和燃油模块，所述船体内部沿首尾方向依次设置密封舱，用于容纳所述船载控制模块的控制舱，用于容纳所述声呐探测传感器的工作舱，用于容纳所述蓄电池模块的电池舱以及用于容纳所述燃油模块的动力舱。

进一步地，所述纵向管路的首端位于所述控制舱与所述密封舱的交界处，所述纵向管路的尾端位于所述动力舱与所述电池舱的交界处，所述横向管路中的首部管路紧靠所述控制舱与所述密封舱之间的分隔板布置，且所述首部管路位于所述控制舱内，所述横向管路中的尾部管路紧靠所述动力舱和所述电池舱之间的分隔板布置，且所述尾部管路位于所述电池舱内。

进一步地，所述流量计两侧通过活动接头可拆卸地连接所述量测管路。

进一步地，还包括设置于所述船体内用于获取所述船体与水平面之间的倾角变化信息的航姿传感器。

进一步地，所述船体上还布置有侧向喷水管路，所述侧向喷水管路用于向所述船体左右两侧喷水以向所述船体提供辅助动力。

进一步地，所述差分GPS模块包括两个分别设置于所述船体首尾处的蘑菇头天线和与所述蘑菇头天线连接的GPS采集板。

本发明提供的无人船流速流量测量系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的无人船流速流量测量系统安装在船体上，通过在船体上布置用于提供纵横方向的水体过流通道的量测管路，在量测管路上设置流量计从而实现了船体在浸没深度内相对河湖水体的流速流量的直接测量，通过在船体上设置用于获取船体实时位置信息的差分GPS模块从而实现了河湖水体表面流速的间接测量，通过在船体上设置用于探测感知断面水深的声呐探测传感器从而实现了河流断面流量的估算测量。本发明的上述方案基于量测管路能够实现表层盲区的流速流量精确测量，可为实时调整船体供能模块的能量输出和舵机方向提供定量化依据，从而能够有效提升无人船控制系统的动作响应精度，可直接服务于具有相应精度要求的水文业务工作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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它的附图，在附图中：

图1是本发明一实施例的无人船流速流量测量系统的平面示意图；

图2是图1中横向管路布置位置示意图；

图3是图1各模块之间控制逻辑关系示意图。

附图标记说明：

100、船体；101、轴线；102、船体左侧；103、船体右侧；104、船体首部；105、船体尾部；106、密封舱；107、控制舱；108、工作舱；109、电池舱；110、动力舱；200、船载控制模块；300、供能模块；301、蓄电池模块；302、燃油模块；400、数据采集模块；401、纵向管路；402、横向管路；4021、首部管路；4022、尾部管路；403、流量计；500、通信模块；600、远程控制模块；700、差分GPS模块；701、蘑菇头天线；800、声呐探测传感器；900、航姿传感器。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“连通”等术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：

本发明的无人船流速流量测量系统可应用于需要水深、流速和流量测量的各种场合，以下以河湖水体中流速流量测量为例进行说明。

如图1和图3所示，本实施例中，无人船流速流量测量系统安装在船体100上，包括设于船体100内的船载控制模块200，分别与船载控制模块200电性连接的供能模块300、数据采集模块400、通信模块500，以及设于岸上的与通信模块500连通的远程控制模块600，数据采集模块400包括布置于船体100上用于提供纵横方向的水体过流通道的量测管路，设置于量测管路上的流量计403，设置于船体100上用于获取船体100实时位置信息的差分GPS模块700，以及设置于船体100上用于探测感知断面水深的声呐探测传感器800。

具体地，在本实施例中，船载控制模块200主要用于负责数据采集、数据上报、数据解算分析和接收上位机指令等操作；与船载控制模块200连接的供能模块300主要用于为船体100内与流速流量测量系统相关的不同电子电器设备进行供电；通信模块500通过在船载控制模块200中集成无线网卡,可实现远程联网的实时通信；数据采集模块400主要通过各个传感器以及采集单元把采集到的数据信息发送到船载控制模块200进行解析运算,再通过通信系统把数据传输到相关部门或远程控制模块600以完成无船航行状态的控制；远程控制模块与本实施例中的无人船流速流量测量系统相关的功能包括：数据接收、差分GPS联合解算和部分水文业务工作的分析处理。

在本实施例中，数据采集模块400主要基于量测管路和流量计403来实现船体100相对河湖水体流速流量的直接测量。数据采集模块400主要包括布置于船体100上用于提供纵横方向的水体过流通道的量测管路以及设置于量测管路上的流量计403，通过船体100运行过程中，水流进入量测管路，利用量测管路上的流量计403对进入量测管路的水体的流速流量进行直接测量。优选地，为有利于保证流量、流速测量精度，量测管路宜选择D32及以上直径的管道，且直径大小应与船体100尺寸大小和船只排水量相协调。优选地，流量计403可选电磁流量计，其型号规格与量测管路管径一致，电磁流量计优选具正向、反向流量测量功能的数字输出量测传感器，以对量测管路的双向流量进行测量。电磁流量计可实现测量管内无阻碍流动测量，无压损，有利于保证流速流量的测量精度。

上述实施例中的差分GPS功能主要由差分GPS模块700和远程控制中心GPS参考站组成，可提供无人船船体100高精度实时平面坐标与航向信息，声呐探测传感器800优选用数字输出类传感器，可实时获取无人船船体100所处位置的河湖水深。

上述实施例的无人船流速流量测量系统作为智能无人船设备监测与感知系统的重要组成部分，基于量测管路能够实现表层盲区水体的流速流量精确测量，结合差分GPS模块700可实现河湖水体表面流速的间接测量，结合声呐探测传感器800探测感知的断面水深，可实现河流断面流量的估算测量，以上测量数据可为实时调整船体100供能模块300的能量输出和舵机方向提供定量化依据，从而能够有效提升无人船控制系统的动作响应精度，使无人船船流速流量测量系统更有利于服务具有相应精度要求的水文业务工作。

如图1所示，本实施例中，量测管路包括纵向管路401和横向管路402，纵向管路401沿船体100轴线101方向分别布置于船体100左右两侧，横向管路402沿垂直于船体100船轴线101方向分别布置于船体100首尾两侧，纵向管路401和横向管路402均布置于船体100吃水线以下位置，且纵向管路401与横向管路402均分别与河湖水体联通。

具体地，在本实施例中，量测管路优选由四根热镀锌管道按纵向和横向布置形成，纵向管路401在无人船船体左侧102和船体右侧103各布置一根，横向管路402在无人船船体首部104和船体尾部105各布置一根。量测管路的布置位置应位于无人船空载情况下吃水线以下平面。纵向管路401和横向管路402的两端均敞开，确保纵向管路401与横向管路402均分别与河湖水体联通。以上量测管路提供无人船稳定顺畅的双向流速流量的直接测量。当无人船运动轨迹及船首方向与河湖水面流线不一致时，无人船左右两侧的纵向管路401可差别化感知船体100两侧单位截面的过水量，无人船首尾布置的横向管路402可差别化感知无人船首尾两端的过水方向与过水量。通过感知采集到的数据信息可为无人船航向的控制提供定量化依据。

优选地，本实施例中，纵向管路401沿船体100侧板的外侧并紧靠船体100的船肋呈流线型布置。纵向管路401和船肋上述布置方式可形成一个统一的整体，有效地加强无人船整体的强度。具体地，纵向管路401可通过不同的连接方式安装于船体100侧板上，例如可采用抱箍进行安装，也可采用如胶粘剂粘合的方式，此处不作唯一限定。纵向管路401流线型的方式能够确保船体100整体的紧凑性，尽可能地降低船体100所受到的阻力。

优选地，本实施例中，横向管路402垂直于船体100的轴线101方向穿过船体100的侧板布置。横向管路402借助于船体100的侧板进行固定，具体地，可通过在船体100的侧板上打孔以供横向管路402穿过，在横向管路402与侧板连接的位置处做相应的密封处理，以防止水流进入船体100内部。横向管路402借助于船体100的侧板进行固定不需要其它额外的连接部件进行连接，使得整体结构简单，安装方便，且使得船体100整体具有良好的稳定性。

如图1和图2所示，本实施例中，供能模块300包括蓄电池模块301和燃油模块302，船体100内部沿首尾方向依次设置密封舱106，用于容纳船载控制模块200的控制舱107，用于容纳声呐探测传感器800的工作舱108，用于容纳蓄电池模块301的电池舱109以及用于容纳燃油模块302的动力舱110。

具体地，船体100内部上述功能舱室的划分仅作为实施例进行说明，根据实际需要，可在不同的舱室内安置不同的模块单元以实现不同的功能。密封舱106通常作密封设计，主要用于在船遇到故障或失事时，能够使得船头露出水面朝上，利于搜救。工作舱108内通常放置数据采集相关的模块单元，如声呐探测传感器800通常布置在工作舱108的底部用于测量无人船船体100当前位置的河湖水深，此外，工作舱108内也可根据需要安装ADCP(声学多普勒流速剖面仪)与本发明中的量测管路结合进行相关水体的流速流量测量。供能模块300包括蓄电池模块301和燃油模块302,燃油模块302为主要供能模块300,蓄电池模块301为辅助供能模块300。两种供能模块300可通过船载控制模块200进行任意切换,并相互补充，在风浪大、水速快、要求高船速等需要较大功率才能保证无人船处于测量姿态时采用燃油模块302；在通航环境优良、船速要求低时采用蓄电池模块301。

如图1所示，本实施例中，纵向管路401的首端位于控制舱107与密封舱106的交界处，纵向管路401的尾端位于动力舱110与电池舱109的交界处，横向管路402中的首部管路4021紧靠控制舱107与密封舱106之间的分隔板布置，且首部管路4021位于控制舱107内，横向管路402中的尾部管路4022紧靠动力舱110和电池舱109之间的分隔板布置，且尾部管路4022位于电池舱109内。

具体地，在上述实施例中，通常情况下，控制舱107、动力舱110以及电池舱109内部由于各模块单元的工作会产生一定的热量，在船体100内部狭小的空间内，需要考虑船舱内部的散热问题以确保各模块单元的正常工作。横向管路402中的首部管路4021紧靠控制舱107与密封舱106之间的分隔板布置，且首部管路4021位于控制舱107内，可在流速流量测量的同时，利用首部管路4021中流经的水对控制舱107进行水冷散热，同样的，尾部管路4022紧靠动力舱110和电池舱109之间的分隔板布置，且尾部管路4022位于电池舱109内，可利用尾部管路4022中流经的水对电池舱109进行水冷散热，同时也可兼顾对动力舱110进行水冷散热。上述管路的布置方式在实现流速流量测量功能的前提下，不需要额外的供能即可对船舱内部起到一定的水冷散热作用，减轻了测量系统整体的散热压力。

优选地，在本实施例中，流量计403两侧通过活动接头(图中未示出)可拆卸地连接量测管路。

在具体安装时，电磁流量计安装在量测管路的中部位置，为有利于电磁流量计的维修更换，电磁流量计两侧配活动接头，活动接头与量测管路之间可选择螺纹连接，电磁流量计与活动接头之间通过法兰连接。当电磁流量计出现故障需要维修或者更换时，只需拆卸下活动接头即可拆卸下电磁流量计，活动接头的连接方式使得电磁流量计的安装及拆卸都方便快捷，而不需要将量测管路整体进行拆卸，减少了安装及拆卸的工作量。

进一步地，在本实施例中，无人船流速流量测量系统还包括设置于船体100内用于获取船体100与水平面之间的倾角变化信息的航姿传感器900。

具体地，上述航姿传感器900通常布置在控制舱107的中轴线处，航姿传感器900用于获取船只实时纵摇、横摇情况，通过分析船只平面与水平面之间的倾角变化情况，可用来改进船只的行进阻力以及力矩大小的计算精度。而声呐探测传感器800获取的水深探测数据，通常应根据航姿监测数据和选定计算时长的移动平均水深数据进行修正计算。

进一步地，在本实施例中，船体100上还布置有侧向喷水管路(图中未示出)，侧向喷水管路用于向船体100左右两侧喷水以向船体100提供辅助动力。

侧向喷水管路可向船体100提供水平推力，以辅助船体100进行横向截面的流速流量测量。

进一步地，在本实施例中，差分GPS模块700包括两个分别设置于船体100首尾处的蘑菇头天线701和与蘑菇头天线701连接的GPS采集板(图中未示出)。

具体地，上述差分GPS模块700主要由2个船用蘑菇头天线701和1个支持双天线的GPS采集板组成。船用蘑菇头天线701布置在船体100甲板轴线101的首部和尾部，主要用于船只方位角的实时测量，通过对无人船实时采集的GPS位置信息和远程控制中心GPS参考站坐标信息进行联合解算，可实现无人船厘米级位置精度的实时测量。

本发明的无人船流速流量测量系统中，船载控制模块200通常包括船载控制器及相关软件，其主要功能是负责采集GPS位置和航向、管路流量、水深和船只姿态倾角等原始监测信息，负责对原始监测信息进行解算和融合加工处理，负责与远程控制模块600的上位机进行通讯联络等。

船载控制模块200解算和融合分析功能包括：无人船船只与河湖水体之间的相对流速、无人船船只与大地之间的绝对流速、无人船所处河湖水面水流流场分布(大小与方向)、基于姿态改正的水深估算、无人船行进阻力估算、无人船侧向受力及力矩估算等。

本发明的上述无人船流速流量测量系统实现了无人船行进阻力测量、无人船侧向受力及力矩测量等，探测感知的流速流量数据能够为无人船的实时控制提供决策分析的基础数据支撑，为实时调整无人船供能系统的能量输出和舵机方向提供定量化依据，能够有效提升无人船控制系统的动作响应精度，依托无人船流速流量测量系统获取的水深、流速和流量数据可直接服务于具有相应精度要求的水文业务工作，如基于水深的水下地形测量应用、水流流速测量、基于断面控制河流流量测量等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人船流速流量测量系统，安装在船体上，包括设于所述船体内的船载控制模块，分别与所述船载控制模块电性连接的供能模块、数据采集模块、通信模块，以及与所述通信模块连通的远程控制模块，其特征在于，所述数据采集模块包括布置于所述船体上用于提供纵横方向的水体过流通道的量测管路，设置于所述量测管路上的流量计，设置于所述船体上用于获取所述船体实时位置信息的差分GPS模块，以及设置于所述船体上用于探测感知断面水深的声呐探测传感器。

2.如权利要求1所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述量测管路包括纵向管路和横向管路，所述纵向管路沿所述船体轴线方向分别布置于所述船体左右两侧，所述横向管路沿垂直于所述船体船轴线方向分别布置于所述船体首尾两侧，所述纵向管路和所述横向管路均布置于所述船体吃水线以下位置，且所述纵向管路与所述横向管路均分别与河湖水体联通。

3.如权利要求2所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述纵向管路沿所述船体侧板的外侧并紧靠所述船体的船肋呈流线型布置。

4.如权利要求3所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述横向管路垂直于所述船体的轴线方向穿过所述船体的侧板布置。

5.如权利要求4所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述供能模块包括蓄电池模块和燃油模块，所述船体内部沿首尾方向依次设置密封舱，用于容纳所述船载控制模块的控制舱，用于容纳所述声呐探测传感器的工作舱，用于容纳所述蓄电池模块的电池舱以及用于容纳所述燃油模块的动力舱。

6.如权利要求5所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述纵向管路的首端位于所述控制舱与所述密封舱的交界处，所述纵向管路的尾端位于所述动力舱与所述电池舱的交界处，所述横向管路中的首部管路紧靠所述控制舱与所述密封舱之间的分隔板布置，且所述首部管路位于所述控制舱内，所述横向管路中的尾部管路紧靠所述动力舱和所述电池舱之间的分隔板布置，且所述尾部管路位于所述电池舱内。

7.如权利要求1所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述流量计两侧通过活动接头可拆卸地连接所述量测管路。

8.如权利要求1所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，还包括设置于所述船体内用于获取所述船体与水平面之间的倾角变化信息的航姿传感器。

9.如权利要求6所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述船体上还布置有侧向喷水管路，所述侧向喷水管路用于向所述船体左右两侧喷水以向所述船体提供辅助动力。

10.如权利要求1至9任一项所述的无人船流速流量测量系统，其特征在于，所述差分GPS模块包括两个分别设置于所述船体首尾处的蘑菇头天线和与所述蘑菇头天线连接的GPS采集板。

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