CN114910024A - 一种水下淤泥厚度探测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于水下淤泥探测技术领域，公开了一种水下淤泥厚度探测方法及其系统，探测方法采用内部搭载惯性导航系统、浅地层剖面仪系统的水下机器人，按预设行进路径对目标水域完成扫描，以获得水底淤泥厚度及其纵向分布情况，以便获取并评估淤泥结构可能对相关设备的安全运行带来的危害，为进一步清理淤泥提供决策依据。

Description

一种水下淤泥厚度探测方法及其系统

技术领域

本发明涉及水下淤泥探测技术领域，尤其涉及一种水下淤泥厚度探测方法及其系统。

背景技术

目前淤泥探测技术都是在海洋、江河河道、人工湖等开阔水域内，由船或者无人船携带设备在水面航行执行探测，需要利用GPS定位导航。而对于建筑内水域、隧道内水域等非开阔水域，天线无效，无法利用GPS进行定位导航。另外，在现有技术中，由船或机器人携带多波束扫描系统，对水下淤泥进行扇形推进扫描，其扫描速度快，能输出3D淤泥表面地形效果图，但不能给出淤泥厚度和详细的淤泥分层结构图，即无法测量淤泥的厚度及其纵向分布情况。

特别是对于核电站取水泵房前池或泵房取水口等非开阔水域内，水的上表面离建筑物结构(如横梁)很近的情况下，无法保证有足够的空间使得船体携带天线浮在水面行进，同样导致导航定位无法执行。且核电站等非开阔水域设施复杂，具有距离长、水流速度快及海生物易生长等特点，需要定期停工清理海生物、沉沙及淤泥，但是目前没有能够长时间完成建筑内水域、隧道内水域、以及水域上表面离建筑物很近等情况下探测水下淤泥厚度的机器人设备，为水底淤泥清理工作提供决策依据。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种水下淤泥厚度探测方法，其旨在解决对建筑内水域、隧道内水域和水平面离建筑物结构较近的非开阔水域内对淤泥厚度及其结构进行探测的技术问题，还能有效解决人工水下操作受限制以及降低人员水下操作的安全风险。

本发明的第二个目的在于提供一种水下淤泥厚度探测系统，在非开阔水域内利用水下机器人与岸基平台通讯，可探测水域内的淤泥的厚度及其纵向分布情况，以便准确获取并评估淤泥结构可能对相关设备的安全运行带来的危害，为进一步清理淤泥提供决策依据。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种水下淤泥厚度探测方法，所述方法应用于水下机器人，所述水下机器人设置有惯性导航系统及浅地层剖面仪系统，所述方法包括以下步骤：

通过所述惯性导航系统获取当前位置信息；

通过所述浅地层剖面仪系统获取当前位置水底淤泥结构信息；

根据所述当前位置信息及所述水底淤泥结构信息，获得当前位置淤泥厚度信息。

进一步，所述水下机器人还设置有多普勒计程仪、压力传感器及表面声速传感器，所述通过所述惯性导航系统获取当前位置信息的步骤还包括：

通过所述多普勒计程仪对所述当前位置信息进行位置误差修正；

通过所述压力传感器对所述所述当前位置信息进行高度误差修正；

通过所述表面声速传感器获取水中声速，根据所述水中声速对所述当前位置信息进行精度修正。

进一步，所述通过所述浅地层剖面仪系统获取当前位置水底淤泥结构信息的步骤包括：

所述浅地层剖面仪系统发射探测声波并获得探测结果；

根据探测结果获取探测范围内的水深分布、浮泥/沉积物剖面厚度分布的位置信息。

进一步，所述探测结果包括水底深度、沉积物的剖面分布深度和水底目标物的声学反射弧中的一种或多种。

进一步，所述水下机器人设置有动力系统，所述方法还包括：

根据目标水域信息预设行进路径；

通过所述动力系统在所述预设行进路径上进行移动。

进一步，所述方法还包括：所述动力系统控制所述水下机器人完成上浮、下潜、前进、后退、平移、旋转中的一种或多种动作，使所述浅地层剖面仪系统中的换能器阵列保持正对目标水域的底部。

进一步，所述通过所述动力系统在所述预设行进路径上进行移动的步骤包括：

通过所述惯性导航系统实时获取当前状态信息，所述当前状态信息包括水下实时速度、姿态、位置和航向的定位信息中的一种或多种；

所述动力系统根据所述当前状态信息，按所述预设行进路径移动。

进一步，所述方法还包括：根据所述行进路径预设定标点的定标间距和零点坐标。

进一步，所述方法还包括：

向所述浅地层剖面仪系统输送打标信号，使所述浅地层剖面仪系统按照预设的所述定标间距定标，水下机器人同步记录的定标文件中包含定标点的坐标信息，根据探测图像上的定标信息，确定该定标点的实际位置。

进一步，所述方法还包括：

根据获取的大量所述定标点的测点数据，并结合目标水域内的水系平面分布资料，通过计算机构建目标水域的淤积三维模型，并计算淤积方量和绘制淤泥分布图对淤积物进行识别，得到三维淤泥厚度分布图。

一种水下淤泥厚度探测系统，所述探测系统用于执行上述任一种所述的探测方法，所述探测系统包括岸基平台、吊装装置和所述水下机器人，所述岸基平台与所述水下机器人通过脐带缆连接实现供电和信息传输，所述岸基平台用于监控所述水下机器人的实时状态和进行数据的处理，所述吊装装置用于将所述水下机器人投入目标水域中或者回收。

本申请的优势在于，在非开阔水域内，水下机器人通过惯性导航系统定位导航，可按照预设的行径路线以走航方式移动，同时利用浅地层剖面仪系统探测扫描水底淤泥厚度及其结构，以便获取并评估淤泥结构可能对相关设备的安全运行带来的危害，为进一步淤泥清理提供决策依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是实施例提供的一种水下淤泥厚度探测方法的流程图；

图2是实施例提供的一种水下机器人在水下探测时的原理示意图；

图3是实施例提供的一种水下机器人的预设行径路线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-3所示，本发明实施例提供的一种水下淤泥厚度探测方法，包括以下步骤：

S1：根据目标面积预设水下机器人的行进路径，并设定定标点的定标间距和零点坐标；

S2：将搭载有惯性导航系统和浅地层剖面仪系统的水下机器人投放入目标水域中，并到达预设行进路径的起点；

S3：水下机器人通过所述惯性导航系统的实时定位导航，按照预设行进路径航行；

水下机器人在航行过程中，所述浅地层剖面仪系统向下发射声脉冲探测水底淤泥结构，且根据设定的所述定标间距定标；

S4：通过对水下机器人所获信息进行处理，得出目标水域内淤泥厚度及其结构的数据。

如图3所示，在步骤S1中，在目标水域内，预设的行进路径可按照网格测线规划Z型回路，使其采样数据布满整个目标水域，以连续走航方式测定目标水域内的淤泥厚度。根据测量要求的数据点密集程度，所述定标间距的范围为0.1米至1米，如可设定0.5米，所述零点坐标通过自动(卫星信号有效时)或人工在水下或水上的位置设定，惯性导航系统的可通过零点坐标的设定来确定水下机器人的实时位置信息。

在步骤S3中，通过所述惯性导航系统实时获取水下机器人在水下的实时速度、姿态、位置和航向等定位信息，动力系统控制水下机器人完成上浮、下潜、前进、后退、平移、旋转中的一种或多种动作，使水下机器人按预设行进路径自动匀速走航，保证所述浅地层剖面仪系统中的换能器阵列保持正对目标水域的底部，以使所述浅地层剖面仪系统按照预设行径路径进行探测工作。

水下机器人在航行过程中，所述浅地层剖面仪系统向下发射声脉冲探测水底淤泥结构，所述浅地层剖面仪系统利用声波在水中和水底沉积物中的传播和反射特征的差别，对水底沉积物分层结构进行连续探测，实时勘测水底深度、沉积物的剖面分布深度和水底目标物的声学反射弧，实时获取探测范围内的水深分布(等深线)、浮泥/沉积物剖面厚度分布(等厚线)的位置信息。

水下机器人按照预设的网格测线规划路径进行自动航行，通过同步向浅地层剖面仪系统输送打标信号，按照设定的定标间距控制浅地层剖面仪定标，同步记录定标文件中包含定标点的坐标信息，根据浅地层剖面仪图像上的定标号可确定该定标点实际位置。

在步骤S4中，根据获取的大量定标点的测点数据，并结合目标水域内的水系平面分布资料，通过计算机构建目标水域的淤积三维模型，并计算淤积方量和绘制淤泥分布图对淤积物进行识别，得到三维淤泥厚度分布图，其具体的算法此不做详细说明。

在本实施例中，水下机器人搭载有惯性导航系统和浅地层剖面仪系统，惯性导航系统为光纤惯性导航系统装载于防水密封舱内，能适用于工作环境具有辐射性和磁场干扰状况，惯性导航系统可根据人工或自动(卫星信号有效时)装订的起始点位置、经度、纬度、高度，获得水下机器人的实时速度、位置、姿态和航向等数据信息。

惯性导航系统为自主导航系统，为了防止自主导航随时间增长而出现误差发散现象，采用由多普勒计程仪、高精度压力传感器和表面声速传感器组成的辅助导航系统对惯性导航系统进行修正，该辅助导航系统同样装载于水下机器人内。多普勒计程仪是一种测量相对于水底速度的声呐设备，适合于水下机器人的精确导航和定位，能对惯性导航系统的定位信息进行位置误差修正；高精度压力传感器可采用MiniIPS，能对惯性导航系统的定位信息进行高度误差修正；表面声速传感器用于测量水中声速，可实现水下机器人在水下指定位置的精准悬浮。

在本实施例中，浅地层剖面仪系统可采用具有出色的穿透能力、可提供高分辨率地层分层图像的全频谱宽带调频(FM)浅地层剖面仪，其包括控制单元和换能器阵列，控制单元设置于防水的密封舱内，换能器阵列设置于水下机器人的底部且正对水底，控制单元与换能器阵列相连接，换能器阵列用于发射并接收探测水下沉积物的声脉冲。浅地层剖面仪系统利用声波在水下地层中的传播和反射特性来探明水底地层构造状况，对水下地层或目标物发射声脉冲，利用声脉冲传播时所遇界面声阻抗不同的规律，通过换能器阵列接收记录反射回来的部分，经过处理形成波形图，输出为能够反映地层声学特征的浅地层声学记录剖面，既可用于标准的浅地层剖面分层，还可测量掩埋管线的定位及埋深，水深测量范围是0.5米-100米，穿透剖面深度最大可达20米，垂直分辨率可达厘米级别。

水惯性导航系统给出水下机器人的工作状态，姿态、位置和速度等配合浅地层剖面仪系统测淤泥深度工作，浅地层剖面仪系统采用100Khz的频率换能器阵列作为主频声纳，并通过时差法得到10K的低频信号，实时勘测水底深度、沉积物的剖面分布深度和水底埋设目标物的声学反射弧，帮助实时获取测区淤泥/沉积物剖面(等厚线)厚度分布的位置信息。

在本实施例中，通过动力系统可控制水下机器人完成上浮、下潜、前进、后退、平移、旋转的动作，并实现水下机器人姿态的矫正，使所述浅地层剖面仪系统中的换能器阵列保持正对目标水域的底部，以防目标水域内的水流速过大影响水下机器人的在水中的姿态，即提供换能器阵列实时姿态信息，姿态信息包括横摇、纵摇、艏摇和升沉。在实际应用中，可通过均匀分布的若干个推进器实现水下机器人在水中的精准悬浮，主要包括前进、后退、左转和右转控制等操作。

一种水下淤泥厚度探测系统，该探测系统用于执行上述的探测方法，该探测系统包括岸基平台、水下机器人和吊装装置，岸基平台与水下机器人可通过脐带缆连接实现供电和信息传输，岸基平台用于监控水下机器人的工作状态、数据的存储及处理，吊装装置用于将水下机器人投入目标水域或者回收。水下机器人按照预设的航线航行，对目标水域内对水底淤泥结构进行探测，可通过岸基平台实时监测水下机器人在水下的状态，通过对水下机器人所获取的数据进行后期处理后，即可得出目标水域内完整的水底淤泥结构分布图。

本发明的优势在于：

1、该机器人能用于建筑内水域、隧道内水域、水域上表面离建筑物很近等非开阔水域内的水下淤泥厚度探测工作；

2、采用惯性导航系统与多普勒计程仪定位系统融合的方式，携带浅地层剖面仪系统按规划行进路径完成自动巡航扫描，以获得稳定、精确的水底淤泥厚度连续走势图；

3、采用浅地层剖面仪系统探测水域内的淤泥的厚度及其纵向分布情况，水深测量范围是0.5米-100米，穿透剖面深度最大可达20m，剖面垂直分辨率可达厘米级；

4、采用水下惯性导航系统实时定位导航，机器人可在动力系统的控制下实现水下姿态调整；如在核电站取水口，若采用现有技术的电子罗盘加之现场磁场干扰，会造成更大的方位偏差，本申请所获的信息可通过卡尔曼滤波进行信息融合输出，从而实现水下运载平台的高精度导航；

5、高精度压力传感器用来实时测量水下机器人的深度数据，能让水下机器人控制并保证在固定深度航行，同时水下机器人的实时深度数据，匹配到惯性导航系统计算出的水下机器人的实时速度、位置、姿态和航向等，汇集浅地层剖面仪系统打标测量的定标点的淤泥厚度数据，使淤泥分布数据图显示更精确，不受水面波浪带来的上下浮动影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述方法应用于水下机器人，所述水下机器人设置有惯性导航系统及浅地层剖面仪系统，所述方法包括以下步骤：

通过所述惯性导航系统获取当前位置信息；

通过所述浅地层剖面仪系统获取当前位置水底淤泥结构信息；

根据所述当前位置信息及所述水底淤泥结构信息，获得当前位置淤泥厚度信息。

2.如权利要求1所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述水下机器人还设置有多普勒计程仪、压力传感器及表面声速传感器，所述通过所述惯性导航系统获取当前位置信息的步骤还包括：

通过所述多普勒计程仪对所述当前位置信息进行位置误差修正；

通过所述压力传感器对所述所述当前位置信息进行高度误差修正；

通过所述表面声速传感器获取水中声速，根据所述水中声速对所述当前位置信息进行精度修正。

3.如权利要求1所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述通过所述浅地层剖面仪系统获取当前位置水底淤泥结构信息的步骤包括：

所述浅地层剖面仪系统发射探测声波并获得探测结果；

根据探测结果获取探测范围内的水深分布、浮泥/沉积物剖面厚度分布的位置信息。

4.如权利要求3所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述探测结果包括水底深度、沉积物的剖面分布深度和水底目标物的声学反射弧中的一种或多种。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述水下机器人设置有动力系统，所述方法还包括：

根据目标水域信息预设行进路径；

通过所述动力系统在所述预设行进路径上进行移动。

6.如权利要求5所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述动力系统控制所述水下机器人完成上浮、下潜、前进、后退、平移、旋转中的一种或多种动作，使所述浅地层剖面仪系统中的换能器阵列保持正对目标水域的底部。

7.如权利要求5所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述通过所述动力系统在所述预设行进路径上进行移动的步骤包括：

通过所述惯性导航系统实时获取当前状态信息，所述当前状态信息包括水下实时速度、姿态、位置和航向的定位信息中的一种或多种；

所述动力系统根据所述当前状态信息，按所述预设行进路径移动。

8.如权利要求5所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述行进路径预设定标点的定标间距和零点坐标。

9.如权利要求8所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述方法还包括：

向所述浅地层剖面仪系统输送打标信号，使所述浅地层剖面仪系统按照预设的所述定标间距定标，水下机器人同步记录的定标文件中包含定标点的坐标信息，根据探测图像上的定标信息，确定该定标点的实际位置。

10.如权利要求9所述的一种水下淤泥厚度探测方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据获取的大量所述定标点的测点数据，并结合目标水域内的水系平面分布资料，通过计算机构建目标水域的淤积三维模型，并计算淤积方量和绘制淤泥分布图对淤积物进行识别，得到三维淤泥厚度分布图。

11.一种水下淤泥厚度探测系统，所述探测系统用于执行如权利要求1-10任一项所述的探测方法，其特征在于，所述探测系统包括岸基平台、吊装装置和所述水下机器人，所述岸基平台与所述水下机器人通过脐带缆连接实现供电和信息传输，所述岸基平台用于监控所述水下机器人的实时状态和进行数据的处理，所述吊装装置用于将所述水下机器人投入目标水域中或者回收。

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