CN114236556A - 无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统 - Google Patents

无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统。它由主控制模块、测深激光雷达、RTK模块、IMU模块、无线传输模块、推进器、电子调速器、地面站组成。主控制器模块接收地面站设置的路径、激光雷达开关信号、扫描角、增益等数据后，控制无人船沿路径测量水深。无人船靠岸后，激光回波数据通过网线导出，被回波数据处理软件处理成水深数据。本发明集成无人船与激光雷达，统一了工作时序，提高了效率，避免了设备冗余，采用高精度RTK定位模块，实现无人自主导航测量水深，满足高精度水深探测、水下地形探测等任务要求。

Description

无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统
技术领域
本发明涉及无人船和激光雷达领域，特别涉及无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统。
背景技术
无人船作为一种载具，通常需要搭载科研设备进行相关研究，但目前的相关专利中，无人船与科研设备是独立的，且定位精度不能达到测绘要求。例如，发明专利一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统(CN201810345237.1)的控制系统仅能控制无人船，不能控制船上搭载的设备，控制系统间无法通信，需要多个地面站才能工作，导致程序复杂、工作量大等问题。再如，发明专利船载多视场激光雷达探测多个水体光学特征参数方法(CN201710977199.7)只公开了船载激光探测水体特征雷达，并没有涉及船载平台，在使用设备时会出现设备冗余、操作繁琐。再如，发明专利一种无人船自主航行系统(CN202010847929.3)和一种无人船自主航行系统及方法(CN201910690392.1)都使用普通低精度GPS模块设备，精度只有2.5m，无法达到高精度地形探测、水深探测等任务要求。
综上可知，现已公开的无人船或测水激光雷达专利存在如下问题：①无人船与科研设备分离，导致在使用时，会出现设备工作时序不统一、操作繁琐、效率低、实验数据提取不方便、数据不能共享、无法及时完成科研任务等问题。②无人船与科研设备有重叠的功能模块，例如测深激光雷达与无人船都需要GPS模块、IMU模块，导致设备冗余，资源浪费、体积重量大等问题。③无人船采用低精度GPS定位模块，无法达到高精度地形探测、水深探测等任务要求。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统。它集成无人船与测深激光雷达于一体，使用高精度RTK定位模块，用一个主控制模块可以同时控制无人船和测深激光雷达，减轻了系统重量和体积，方便携带，使其适应更多应用场景。
本发明的技术方案包括无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统组成和工作流程。
本发明所述无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统由主控制模块、测深激光雷达、RTK模块、IMU模块、无线传输模块、推进器、电子调速器、地面站组成。
主控制模块分别与RTK模块、IMU模块、无线传输模块、电子调速器、测深激光雷达相连，采用STM32F407ZGT6芯片，使用C语言开发实现。它可以控制其他模块的打开和关闭，获得其他模块的工作状态和数据，下发指令给其他模块。另外，它通过无线传输模块可将姿态角、前进速度、电子调速器控制信号大小、当前无人船经纬度、测深激光雷达激光扫描角、测深激光雷达激光增益等无人船运行相关数据回传至地面站。
RTK模块与主控制模块相连，置于无人船中心处以获得无人船当前的经纬度。RTK模块采用载波相位差分技术，通过与卫星和基站通信，融合两者定位数据，使定位精度达到1cm。
IMU模块与主控制模块相连，置于无人船中心处以获得无人船的姿态角、加速度、角速度等信息。
无线传输模块有两个，一个与主控制模块相连，一个与地面站相连，最大传输距离为15km。
电子调速器用于控制推进器的速度，通过电线与推进器相连，通过杜邦线与主控制模块相连。
推进器为无人船提供前进动力以及转弯力矩。
测深激光雷达通过发射激光以及接收激光回波来测量水深。它与主控制模块相连，采用网线通信，使用TCP/IP协议，通信速率可达5M/s。
地面站通过无线传输模块与主控制模块通信，采用全双工数据传输模式，可以控制无人船各个模块以及激光雷达；可以获取无人船各个模块以及激光雷达的数据；可以规划无人船运动路径；可以在地面站中手动打开或关闭测深激光雷达；可以设置测深激光雷达打开或关闭时的位置(经纬度)，当无人船到达预设的位置后，主控制器会自动打开或关闭测深雷达。
本发明所述无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统工作过程：
①打开测深无人船电源，打开地面站，主控制模块初始化其他模块，获取当前测深无人船的状态，主控制模块通过无线传输模块回传当前测深无人船状态到地面站，包括当前经纬度、姿态角度、速度、PWM脉冲宽度、测深激光雷达激光扫描角度、测深激光雷达激光增益等。
②地面站设置无人船运动路径。
③地面站设置“打开位置”和“关闭位置”，当无人船运行到“打开位置”时，主控制模块会自动打开测深激光雷达，当无人船运行到“关闭位置”时，主控制模块会自动关闭测深激光雷达，避免激光雷达数据的堆叠；设置测深激光雷达激光扫描角度、设置测深激光雷达激光增益。
④地面站下发运动路径。
⑤主控制模块根据路径设置，通过PWM控制电子调速器(PWM的周期为20ms、脉冲宽度为1000us-2000us)，从而控制双推进器为无人船提供动力以及转弯转矩，自动运行在路径上，并在指定经纬度打开/关闭测深激光雷达。
⑥在无人船运行期间可根据需要手动打开/关闭测深激光雷达。手动修改激光扫描角度、激光增益。当无人船历遍所有路径后，无人船自动回到岸边。
⑦无人船返回岸边后，用网线连接测深激光雷达，用地面站导出激光雷达回波数据，再用回波数据处理软件生成有经纬度的水深数据。
本发明有益效果是：①将无人船与水深测量激光雷达系统集成在一起，用一个主控制模块可以同时控制无人船和测深激光雷达，统一了各设备的工作时序，操作简单，效率高，实验数据提取方便，避免了设备冗余，减轻重量，减少体积；②通过地面站不仅可以实时控制无人船的运动，还可以实时调整测深激光雷达的激光扫描角度、激光增益，并能实时开启或关闭测深激光雷达，避免测深数据堆叠。③无人船控制系统采用高精度RTK定位模块，极大提高了无人船的定位能力、路径跟踪精度，可以满足高精度地形探测、水深探测等任务要求。④实现自主无人导航测量水深。
附图说明
图1是测深无人船结构图
图2是地面站软件图
图3是测深无人船工作流程图
图4是测深无人船实物图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，结合附图对本发明具体实施作进一步详细说明。
实施例：
结合图1和图2，说明本发明无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统的整体组成。本发明所述测深无人船由主控制模块、测深激光雷达、RTK模块、IMU模块、无线传输模块、推进器、电子调速器、地面站组成。
主控制模块分别与RTK模块、IMU模块、无线传输模块、电子调速器、测深激光雷达相连，采用STM32F407ZGT6芯片，使用C语言开发实现。它可以控制其他模块的打开和关闭，获得其他模块的工作状态和数据，下发指令给其他模块。另外，它通过无线传输模块可将姿态角、前进速度、电子调速器控制信号大小、当前无人船经纬度、测深激光雷达激光扫描角、测深激光雷达激光增益等无人船运行相关数据回传至地面站。
RTK模块与主控制模块相连，置于无人船中心处以获得无人船当前的经纬度。RTK模块采用载波相位差分技术，通过与卫星和基站通信，融合两者定位数据，使定位精度达到1cm。
IMU模块与主控制模块相连，置于无人船中心处以获得无人船的姿态角、加速度、角速度等信息。
无线传输模块有两个，一个与主控制模块相连，一个与地面站相连，最大传输距离为35km。
电子调速器用于控制推进器的速度，通过电线与推进器相连，通过杜邦线与主控制模块相连。
推进器为无人船提供前进动力以及转弯力矩。
测深激光雷达通过发射激光以及接收激光回波来测量水深。它与主控制模块相连，采用网线通信，使用TCP/IP协议，通信速率可达5M/s。
地面站通过无线传输模块与主控制模块通信，采用全双工数据传输模式，可以控制无人船各个模块以及激光雷达；可以获取无人船各个模块以及激光雷达的数据；可以规划无人船运动路径；可以在地面站中手动打开或关闭测深激光雷达；可以设置测深激光雷达打开或关闭时的位置(经纬度)，当无人船到达预设的位置后，主控制器会自动打开或关闭测深雷达。
结合图3，说明本发明所述无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统工作流程：
①打开测深无人船电源，打开地面站，主控制模块初始化其他模块，获取当前测深无人船的状态，主控制模块通过无线传输模块回传当前测深无人船状态到地面站，包括当前经纬度、姿态角度、速度、PWM脉冲宽度、测深激光雷达激光扫描角度、测深激光雷达激光增益等。
②地面站设置无人船运动路径。
③设置“打开位置”和“关闭位置”，当无人船运行到“打开位置”时，主控制模块会自动打开测深激光雷达，当无人船运行到“关闭位置”时，主控制模块会自动关闭测深激光雷达，避免激光雷达数据的堆叠；设置测深激光雷达激光扫描角度、设置测深激光雷达激光增益。
①地面站下发运动路径。
②主控制模块根据路径设置，通过PWM控制电子调速器(PWM的周期为20ms、脉冲宽度为1000us-2000us)，从而控制双推进器为无人船提供动力以及转弯转矩，自动运行在路径上，并在指定经纬度打开/关闭测深激光雷达。
⑥在无人船运行期间可根据需要手动打开/关闭测深激光雷达。手动修改激光扫描角度、激光增益。当无人船历遍所有路径后，无人船自动回到岸边。
⑦无人船返回岸边后，用网线连接测深激光雷达，用地面站导出激光雷达回波数据，再用回波数据处理软件生成有经纬度的水深数据。
结合图4，说明本发明公开的无缝集成激光雷达的无人船水深测量系统已完成研发，并已应用于河流、水库、湖泊的水深测量。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (1)

1.无缝集成激光雷达和无人船的水深测量系统；其特征在于：①将无人船与水深测量激光雷达系统集成在一起，用一个主控制模块可以同时控制无人船和测深激光雷达；②通过地面站不仅可以实时控制无人船的运动，还可以实时调整测深激光雷达的激光扫描角度、激光增益，并能实时开启或关闭测深激光雷达；③无人船控制系统采用高精度RTK定位模块；④实现自主无人导航测量水深；
其特征还在于由主控制模块、测深激光雷达、RTK模块、IMU模块、无线传输模块、推进器、电子调速器、地面站组成；
主控制模块分别与RTK模块、IMU模块、无线传输模块、电子调速器、测深激光雷达相连；它可以控制其他模块的打开和关闭，获得其他模块的工作状态和数据，下发指令给其他模块；另外，它通过无线传输模块可将姿态角、前进速度、电子调速器控制信号大小、当前无人船经纬度、测深激光雷达激光扫描角、测深激光雷达激光增益等无人船运行相关数据回传至地面站；
RTK模块与主控制模块相连，置于无人船中心处以获得无人船当前的经纬度；
IMU模块与主控制模块相连，置于无人船中心处以获得无人船的姿态角、加速度、角速度等信息；
无线传输模块有两个，一个与主控制模块相连，一个与地面站相连，最大传输距离为15km；
电子调速器用于控制推进器的速度，通过电线与推进器相连，通过杜邦线与主控制模块相连；
测深激光雷达通过发射激光以及接收激光回波来测量水深；它与主控制模块相连，采用网线通信，使用TCP/IP协议，通信速率可达5M/s；
地面站通过无线传输模块与主控制模块通信，采用全双工数据传输模式，可以控制无人船各个模块以及激光雷达；可以获取无人船各个模块以及激光雷达的数据；可以规划无人船运动路径；可以在地面站中手动打开或关闭测深激光雷达；可以设置测深激光雷达打开或关闭时的位置(经纬度)，当无人船到达预设的位置后，主控制器会自动打开或关闭测深雷达；
无缝集成激光雷达的无人船水深测量系统工作过程：
①打开测深无人船电源，打开地面站，主控制模块初始化其他模块，获取当前测深无人船的状态，主控制模块通过无线传输模块回传当前测深无人船状态到地面站，包括当前经纬度、姿态角度、速度、PWM脉冲宽度、测深激光雷达激光扫描角度、测深激光雷达激光增益等；
②地面站设置无人船运动路径；
③地面站设置“打开位置”和“关闭位置”，当无人船运行到“打开位置”时，主控制模块会自动打开测深激光雷达，当无人船运行到“关闭位置”时，主控制模块会自动关闭测深激光雷达，避免激光雷达数据的堆叠；设置测深激光雷达激光扫描角度、设置测深激光雷达激光增益；
④地面站下发运动路径；
⑤主控制模块根据路径设置，通过PWM控制电子调速器(PWM的周期为20ms、脉冲宽度为1000us-2000us)，从而控制双推进器为无人船提供动力以及转弯转矩，自动运行在路径上，并在指定经纬度打开/关闭测深激光雷达；
⑥在无人船运行期间可根据需要手动打开/关闭测深激光雷达；手动修改激光扫描角度、激光增益；当无人船历遍所有路径后，无人船自动回到岸边；
⑦无人船返回岸边后，用网线连接测深激光雷达，用地面站导出激光雷达回波数据，再用回波数据处理软件生成有经纬度的水深数据。
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