CN114044095A - 用于流域测量的无人船 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于流域测量的无人船，包括船体和集控中心，所述集控中心与船体通信，显示船体的航行状态和测量状态，记录测量数据，并在远端通过遥控手柄实现船体的远程遥控，或船体按照既定路线自动完成测量过程；所述船体上设置有推进单元、测量单元、感知单元、导航单元和控制单元。本发明用于流域测量的无人船可以实现流域无人化自动测量，提高测量效率，减少人力劳动，降低复杂水域测量危险性。

Description

用于流域测量的无人船
技术领域
本发明涉及无人船，更具体地说，涉及一种用于流域测量的无人船。
背景技术
无人船在测绘行业已有广泛的应用，主要用于河道测量、海域测量、海底探矿、极地考察、地球物理等方面。该行业已经发展多年，业内对无人船的接受程度普遍较高，主要适用于复杂水况和减少人力重复劳动方面具有较大优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种实现流域无人化自动测量，提高测量效率，降低复杂水域人工测量危险性的用于流域测量的无人船。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于流域测量的无人船，包括船体和集控中心，所述集控中心与船体通信，显示船体的航行状态和测量状态，记录测量数据，并在远端通过遥控手柄实现船体的远程遥控，或船体按照既定路线自动完成测量过程；
所述船体上设置有推进单元、测量单元、感知单元、导航单元和控制单元；
所述推进单元为通过设置在船体尾部的推进器和执行器为船体提供航行动力，所述推进器通过执行器与控制单元连接；
所述测量单元通过设置在船体的测量仪器和定位设备为流域测量；
所述感知单元为船体采集环境和障碍物信息并发送至控制单元；
所述导航单元用于获取无人船的全局位姿，包括体船的经度、纬度、航向和航速；
所述控制单元通过接收集控中心的指令、向集控中心发送船体工作状态及环境状况，然后通过设置在船体内的主控制器实现控制船体的运动和避障。
上述方案中，所述推进单元采用纯电动推进方式、纯内燃机推进方式或混动动力推进方式。
上述方案中，所述测量单元包括设备安装工位、测量仪器和定位设备，所述测量仪器和所述定位设备通过串口电缆连接至控制单元；所述设备安装工位通过螺杆与所述船体连接；所述测量仪器通过螺杆与所述设备安装工位连接；所述定位设备通过立柱与所述设备安装工位连接。
上述方案中，所述感知单元包括海事雷达、激光雷达和光电器；所述海事雷达为船舶行业宽带远距离探测雷达；所述激光雷达用于获取局部环境信息；所述光电器为高清光电摄像头。
上述方案中，所述船体包括艏尖舱、供电设备舱、贯穿式设备安装井舱、控制及测量设备舱；所述艏尖舱为内部填充轻质材料的独立水密舱；所述供电设备舱内设置有两块设备电池，并预留有小型发电机布置位置；所述贯穿式设备安装井仓内用于设置测量单元；所述控制及测量设备舱用于设置组合导航系统、电台、主控制器和执行器。
上述方案中，所述组合导航系统为卫星导航系统和惯性导航系统的集合体，用于采集船体的经度、纬度、航向和航速。
上述方案中，所述供电设备舱设置有温湿度传感器、水浸传感器及自动排水舱底泵，所述控制及测量设备舱也设置有温湿度传感器、水浸传感器及自动排水舱底泵。
上述方案中，所述集控中心包括工控机、遥控手柄、电台、蓄电池、集控天线；所述集控中心通过所述电台采用所述天线进行无线传输实现与船体交互数据，所述集控中心根据当前船体航行情况及测量状态向主控制器下发控制指令；
所述工控机用于安装监控后台软件，用于显示无人船航行状态和测量状态，记录测量数据，给无人船下发控制指令；
所述遥控手柄用于无人船的远程遥控航行；
所述电台用于传输监控后台下发给无人船的控制指令；
所述蓄电池用于给所述工控机、所述遥控手柄、所述电台供电。
上述方案中，所述控制单元采用电台与所述集控中心通讯，完成控制指令数据、测量状态数据、船体状态数据的交互。
实施本发明的用于流域测量的无人船，具有以下有益效果：
1、本发明通过光电摄像头、海事雷达、激光雷达以及组合导航系统与控制单元配合，实现无人船在流域环境下按照预定轨迹高精度自动航行，实际航行轨迹与预定轨迹偏差小于1m，并且具备岸线识别、自主避障、自动切换计划线功能，保证了测量过程数据的完整性以及无人船的安全性，提升了测量效率；
2、本发明通过远程集控控制无人船，同时能够监控无人船航行状态、测量作业记录，具备数据导出和查看历史数据记录时间段内的地图轨迹、历史曲线功能。对于一些数据异常位置，采用不同颜色标识，为后期分析测深数据提供依据；
3、本发明的测量设备安装工位灵活性高，可满足不同测量设备的快速安装与更换，且船体采用分舱设计，保证了船体的安全性；
4、本发明的集控中心集成度高，给户外测量提供了便利性，且能够完全无人化，船体能够独立自主按照预定路线完成流域无人化测量，节省人力成本，也保障人身安全，降低事故风险。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明用于流域测量的无人船的结构示意图；
图2为本发明用于流域测量的无人船的原理框图；
图3为本发明用于流域测量的无人船的集控中心原理框图；
图4本发明测量单元的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示，本发明用于流域测量的无人船，包括船体16和集控中心17。集控中心17与船体16保持通信，显示航行状态和测量状态，记录测量数据，并在远端通过遥控手柄11实现船体16的远程遥控，或船体16按照既定路线自动完成测量过程。
船体16上搭载有推进单元1、测量单元2、感知单元3、导航单元4、控制单元5。推进单元1为船体16提供航行动力；测量单元2搭载测量仪器201和定位设备202用于流域测量；感知单元3用于采集船体16周围的环境和障碍物信息并发送至控制单元5，区分岸线及环境信息、静态障碍物、动态障碍物信息，同时将图像实时上送至集控中心17；导航单元4用于获取船体16的全局位姿，包括船体16的经度、纬度、航向和航速；控制单元5采集导航单元4的全局位姿和感知单元3的环境和障碍物信息控制船体16的航行，用于船体16运动、避障等控制操作，并与集控中心17进行交互数据，在集控中心17实时显示航行状态和测量状态。
船体16内部采用分舱设计，分别为艏尖舱、供电设备舱、贯穿式设备安装井舱、控制及测量设备舱。艏尖舱为独立的水密舱，内部填充轻质材料，保证船首部因碰撞或其他意外情况发生破损时，水不至于进入艏尖舱内；供电设备舱布置有两块设备电池，并预留有小型发电机布置位置；贯穿式设备安装井仓用于安装测量单元2；控制及测量设备舱用于布置组合导航系统、电台12、主控制器6、执行器102等设备。供电设备舱布置有温湿度传感器、水浸传感器及自动排水舱底泵，控制及测量设备舱也布置有温湿度传感器、水浸传感器及自动排水舱底泵。
推进单元1包括推进器101、执行器102，推进器101安装在船体16尾部，推进器101通过执行器102与控制单元5连接，主控制器6控制推进器101以实现船体16包括但不限于前进、停止、右转、左转、原地旋转的动作。推进单元1根据需求采用纯电动推进方式或纯内燃机推进方式及混动动力推进方式。在本实施例中，船体16采用内燃机推进方式，提高航行动力与运动灵活性，采用舵控转向。
控制单元5为主控制器6，接收集控中心17的指令、向集控中心17发送船体16工作状态及环境状况。控制单元5通过电台12与远端的集控中心17通讯，完成控制指令数据、测量状态数据、船体状态数据的交互。
感知单元3包括海事雷达7、激光雷达8和光电器9。光电器9为高清光电摄像头，采用以太网接口接入主控制器6，主控制器6通过电台12将高清光电摄像头的数据发送至集控中心17，电台12通过船体天线14无线传输至集控中心17，便于操作人员实时观察流域测量的现场情况。海事雷达7为船舶行业宽带远距离探测雷达，本发明使用海事雷达7能够更加可靠、全面地识别周围环境障碍物，如浮标、航行的船只、岸线，可有效防止丢失障碍物目标。控制单元5采集海事雷达7、激光雷达8和光电器9的检测数据，为船体16完成自动航行提供可靠的保障。海事雷达7用于获取全局环境信息；激光雷达8用于获取局部环境信息。通过主控制器6程序驱动海事雷达7和激光雷达8，并获得雷达返回图像、数据等信息，可直观有效反映出雷达所扫描的周围环境信息，区分岸线及环境信息、静态障碍物、动态障碍物信息。该扫描信息分成两路，一路通过电台12发送到集控中心17用于显示，一路发送到主控制器6用于船体16运动、避障等控制操作。主控制器6根据该扫描信息，用于船体16运动、避障等控制操作，通过降速、转向、等有效手段规避航线上的移动或固定目标，并在安全的规避距离外绕过障碍物并回到预设轨迹，完成航行任务。主控制器6根据该扫描信息，用于船体16运动控制操作，检测到接近岸边时自动减速转向、切换至下一条任务航线。
导航单元4为卫星导航系统和惯性导航系统的集合体，用于采集船体16的经度、纬度、航向和航速。导航单元4能够接收差分位置信号，最高实现厘米级定位，保证船体16按照预定轨迹高精度可靠航行，实现与预定轨迹航迹偏差小于1m。
测量单元2包括设备安装工位203、测量仪器201和定位设备202。安装工位与船体16通过螺杆连接；测量仪器201通过螺杆与设备安装工位203连接；定位设备202通过立柱与设备安装工位203连接；测量仪器201和定位设备202分别通过串口电缆连接至控制单元5；安装工位底部为圆形法兰面，厚度6mm,承重能力强，安装牢靠，可满足常用测量仪器201设备的快速拆装与更换。
电台12能够实现高带宽信号传输，主要是以太网接口，以太网传输视频高带宽数据、传输控制指令数据、测量状态及反馈船体16状态数据，电台12同时还具备链路加密和信号强度显示，采用AES加密方式，可随时修改密钥，保证船体16的通信安全。
集控中心17包括工控机10、遥控手柄11、电台12、蓄电池13、集控天线15。工控机10采用以太网接口接入电台12，用于安装监控后台软件，显示船体16航行状态和测量状态，记录测量数据，给船体16下发控制指令，测量数据存储于工控机10；遥控手柄11采用串口方式接入工控机10，用于船体16的远程遥控航行；电台12用于传输监控后台下发给船体16的控制指令。蓄电池13用于给工控机10、遥控手柄11、电台12供电，蓄电池13容量30Ah，在野外测量无外部供电情况下，可满足户外测量连续工作8h。集控中心17通过电台12采用集控天线15无线传输与船体16交互数据，在集控中心17后台能够直观显示当前船体16位置、航向、航速、航线等状态，还可显示当前测量状态、测量数据记录；集控中心17根据当前船体16航行情况及测量状态向主控制器6下发控制指令，如设定船体的航线和航速，开始、停止测量，还可以通过本地人工手动遥控发送上述指令。
本发明的流域测量船体既可按照既定路线自动完成测量过程，也可以通过集控中心17遥控手柄11人工手动遥控进行测量。对于一些小水深和复杂边界环境适应性强，可有效对测量区域进行全覆盖性测量。对于流域水面静止的浮标等障碍物，船体16可自主绕过，对于流域水面移动的障碍物，悬停在安全区域，在可航行的时间窗口绕过，保证测量的数据满足精度要求。对于流域两侧的岸边，靠近岸边，船体16可自动检测岸线，接近岸边时能自动减速转向、切换至下一条计划线，保证测量过程数据的完整性以及船体16的安全性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种用于流域测量的无人船，其特征在于，包括船体和集控中心，所述集控中心与船体通信，显示船体的航行状态和测量状态，记录测量数据，并在远端通过遥控手柄实现船体的远程遥控，或船体按照既定路线自动完成测量过程；
所述船体上设置有推进单元、测量单元、感知单元、导航单元和控制单元；
所述推进单元为通过设置在船体尾部的推进器和执行器为船体提供航行动力，所述推进器通过执行器与控制单元连接；
所述测量单元通过设置在船体的测量仪器和定位设备为流域测量；
所述感知单元为船体采集环境和障碍物信息并发送至控制单元；
所述导航单元用于获取无人船的全局位姿，包括体船的经度、纬度、航向和航速；
所述控制单元通过接收集控中心的指令、向集控中心发送船体工作状态及环境状况，然后通过设置在船体内的主控制器实现控制船体的运动和避障。
2.根据权利要求1所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述推进单元采用纯电动推进方式、纯内燃机推进方式或混动动力推进方式。
3.根据权利要求1所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述测量单元包括设备安装工位、测量仪器和定位设备，所述测量仪器和所述定位设备通过串口电缆连接至控制单元；所述设备安装工位通过螺杆与所述船体连接；所述测量仪器通过螺杆与所述设备安装工位连接；所述定位设备通过立柱与所述设备安装工位连接。
4.根据权利要求1所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述感知单元包括海事雷达、激光雷达和光电器；所述海事雷达为船舶行业宽带远距离探测雷达；所述激光雷达用于获取局部环境信息；所述光电器为高清光电摄像头。
5.根据权利要求1所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述船体包括艏尖舱、供电设备舱、贯穿式设备安装井舱、控制及测量设备舱；所述艏尖舱为内部填充轻质材料的独立水密舱；所述供电设备舱内设置有两块设备电池，并预留有小型发电机布置位置；所述贯穿式设备安装井仓内用于设置测量单元；所述控制及测量设备舱用于设置组合导航系统、电台、主控制器和执行器。
6.根据权利要求5所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述组合导航系统为卫星导航系统和惯性导航系统的集合体，用于采集船体的经度、纬度、航向和航速。
7.根据权利要求1所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述供电设备舱设置有温湿度传感器、水浸传感器及自动排水舱底泵，所述控制及测量设备舱也设置有温湿度传感器、水浸传感器及自动排水舱底泵。
8.根据权利要求1所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述集控中心包括工控机、遥控手柄、电台、蓄电池、集控天线；所述集控中心通过所述电台采用所述天线进行无线传输实现与船体交互数据，所述集控中心根据当前船体航行情况及测量状态向主控制器下发控制指令；
所述工控机用于安装监控后台软件，用于显示无人船航行状态和测量状态，记录测量数据，给无人船下发控制指令；
所述遥控手柄用于无人船的远程遥控航行；
所述电台用于传输监控后台下发给无人船的控制指令；
所述蓄电池用于给所述工控机、所述遥控手柄、所述电台供电。
9.根据权利要求7所述的用于流域测量的无人船，其特征在于，所述控制单元采用电台与所述集控中心通讯，完成控制指令数据、测量状态数据、船体状态数据的交互。
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