CN115009447A - 一种漂浮式水下测量智能平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种漂浮式水下测量智能平台，包括无人船分系统、控制分系统和测量分系统，所述的无人船分系统包括浮力体、承重框架、电源和推进装置，所述的控制分系统包括中控组件、无线通讯组件、导航与定位组件，所述测量分系统包括起吊控制组件、起吊电机、测量电缆绕线盘和测量载荷，所述的控制分系统对无人船分系统和测量分系统进行综合控制，实现平台的移动和测量作业，并向人工控制终端实时传输数据。本发明的测量平台可对测量仪器的位置进行任意调节，水下测量覆盖范围广；具备自主控制和人工遥控模式，自动化水平和操控灵活性高；可根据需要搭载各类测量仪器，通用性较高；采用模块化设计，方便拆解运输。

Description

一种漂浮式水下测量智能平台

技术领域：

本发明涉及水利工程安全监测领域，尤其涉及一种漂浮式水下测量智能平台，用于库水面以下水体及坝体结构多种信息的全面和自动化测量。

技术背景：

在水库大坝的建设、运行及管理过程中，对于水库水体及库水面以下库底和坝体等各方面信息具有普遍的测量需求，包括入库水流流速、水库水质、坝前库水温度、库底泥沙淤积厚度、上游坝面裂缝等信息。针对这些信息的测量，实际应用中多采用各种人工测量方式或布设仪器进行自动化测量，如人工操纵测量船并搭载相关测量设备开展水流流速、水质、库底淤积的测量，坝体表层布设温度计进行水温的自动化测量，潜水员携带设备潜入水下对坝体表面裂缝进行检查。由于水库大坝工程规模巨大，采用人工测量时工作量繁重，自动化测量方式也仅能得到有限个位置的测量数据，难以高效、全面地获取各种水下的测量信息。

随着无人测量技术的发展，工程技术人员尝试将其应用于各种水下目标的测量，如通过一种智能水面测量机器人(CN202783712U)对地表水的水质、水文信息进行无人化测量，通过一种三维实时表层水温测量系统(CN103900734A)对海洋或湖泊表层水温进行测量，通过一种带测量载荷稳定平台的无人水面测量系统(CN110834698A)完成水下的勘察测绘、管线巡检等任务。以上发明一定程度上实现了水下目标测量工作的自动化，提高了测量效率，但难以根据实际需要执行较为复杂的测量任务；且测量的深度一般局限于表层水体或水下固定深度，或者仅能投放于固定的水面位置，测量位置的覆盖面仍有待进一步拓展。

针对已有的水下目标自动化测量装置覆盖范围不足、测量作业的自动化执行能力低以及测量对象单一等缺点，设计了一种漂浮式水下测量智能平台，结合推进装置和起吊装置对测量仪器的空间位置进行任意调整，并通过自动控制系统实现复杂测量工作的自主化执行，且能够灵活搭载各类仪器实现多种水下目标的测量。

发明内容：

本发明的主要目的在于解决现有技术的不足，提供一种测量范围广、自动化水平高且运输组装便利的漂浮式水下测量智能平台，可搭配各种测量仪器完成水库及坝体结构水下部分的相关测量任务。

本发明采用的技术方案是：

一种漂浮式水下测量智能平台，包括无人船分系统、控制分系统和测量分系统，控制分系统根据预设程序或人工遥控对无人船分系统和测量分系统进行控制，实现测量平台的移动和测量作业，并对数据进行实时传输。

所述的无人船分系统包括浮力体、承重框架、电源和推进装置，所述的承重框架安装于浮力体上部，所述的电源置于承重框架内，所述的推进装置固定于浮力体下部。

所述的浮力体包括充气橡胶圈、四组连接环及防护支架、防护圈；所述的承重框架包括一个十字形构件、四组卡扣和一个圆形网兜。

所述连接环上设有半圆形吊环和方形套孔，所述十字形构件穿过连接环上的方形套孔将承重框架与浮力体相连。

所述控制分系统包括中控组件、无线通讯组件、导航与定位组件。

所述测量分系统包括起吊控制组件、起吊电机、电缆绕线盘和测量载荷。

所述测量平台的承重框架上设置有机玻璃防水外壳，在其中安装有所述的中控组件、无线通讯组件、导航与定位组件、电源、起吊控制组件、起吊电机及电缆。

所述的中控组件通过电缆与无线通讯组件、导航与定位组件、起吊控制组件、推进装置和电源相连接。

所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于包括以下步骤：

(1)由各部件组装无人船和承重框架，将承重框架通过连接环上套孔与无人船相连，将防水外壳固定于承重框架上，安装控制分系统和测量分系统，连接各部件电缆，对测量平台进行调试。

(2)采用库岸边或坝顶的起吊装置，通过连接环上部吊环吊装测量平台，放置于库水面，通过人工控制终端开启测量平台，手动操纵测量平台行进至起测位置，设定测量路线和工作参数，测量平台开始自动测量作业。

(3)测量平台在同一水面位置维持静止，导航与定位组件记录水平位置坐标，起吊控制组件控制起吊电机缓慢放下测量仪器，对同一水面位置不同水深数据进行连续测量，根据起吊电机旋转圈数换算传感器垂直位置坐标，同时向人工控制终端传输传感器数据和传感器三维位置坐标信息，传感器到达最大预定水深时停止测量，起吊电机收起测量仪器。

(4)测量平台行进至下一个测量位置，重复上一步测量操作，无线通讯组件向人工控制终端实时发送传感器位置坐标和测量数据，直至完成测量路线上所有位置的测量任务，测量平台收起传感器并返回初始测量位置，人工操控测量平台返回入水位置，通过吊钩吊起测量平台，完成平台回收。

(5)测量结束后，所有测量数据和传感器位置数据上传至数据服务器压缩、保存，可进行进一步数据处理。

本专利的有益效果在于：

(1)本测量平台通过推进装置实现测量平台在水平面内的任意移动，并采用起吊装置对测量仪器的深度位置进行任意调整，测量覆盖范围得到了扩展；

(2)本测量平台能够在预设测量程序下通过自主控制完成测量任务，自动化水平较高，极大地减少了人员的工作量，并可切换至人工遥控模式以适应复杂水域的测量作业任务，灵活性高；

(3)本测量平台采用模块化设计，方便组装、拆卸及运输，可搭载各种类型的测量仪器进行多种水下目标的测量，具有较高的通用性。

附图说明：

图1是本发明的测量平台结构图；

图2是浮力体结构图；

图3是承重框架结构图；

图4是控制设备结构图；

图5是动力设备结构图；

图6是测量设备结构图；

其中，1为橡胶圈，2为防护圈，3为连接环，4为防护支架，5为测量仪器，6为配重球，7为测量电缆，8为螺旋桨推进器，9为推进装置电缆，10为十字形构件，11为卡扣，12为圆形网兜，13为起吊装置底座，14为半圆形吊环，15为起吊装置电缆，16为起吊电机，17为起吊控制组件，18为电源，19为有机玻璃防水外壳，20为测量电缆绕线盘，21为绕线盘底座，22为中控组件，23为中控电缆，24为无线通讯组件，25为导航与定位组件。

具体实施方式：

以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式，本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

由图1至图6所示，本发明包括无人船分系统、控制分系统和测量分系统。无人船分系统用于搭载控制分系统和测量分系统完成测量作业任务，并实现平台在水面上的任意移动；控制分系统用于无人船分系统和测量分系统的控制及与人工控制终端间的信息交互，实现自动航行控制、人工遥控航行控制、测量作业管理等；测量分系统用于实现测量仪器水下位置调整和测量数据采集。本测量平台采用浮圈式船型结合拖曳式测量方式，测量仪器的稳定性较好。采用模块化设计方式，各部件组装、拆卸及运输便利，具备通用化的测量功能，可根据测量需求搭载相应的测量仪器设备，包括水温测量仪、水质测量仪、三维成像声呐、水下摄像机、多波束测深仪等。

无人船分系统由浮力体、承重框架、电源和推进装置组成。

浮力体：浮力体为测量平台提供浮力支撑和一定防护，包括充气橡胶圈1、四组连接环3及防护支架4、防护圈2；

承重框架：承重框架用于维持测量平台结构的稳定性并承载控制设备和测量设备，包括一个十字形构件10、四组卡扣11和一个圆形网兜12；

电源18：电源18用于向测量平台的推进装置、中控组件22、起吊电机16等用电装置提供电能；

推进装置：推进装置为测量平台提供行进的动力，包括四组小型螺旋桨推进器8，推进方向为安装位置的切线方向，螺旋桨可双向旋转，四组推进器相互配合运行，可实现测量平台灵活地移动和转向。

控制分系统由中控组件22、无线通讯组件24和导航与定位组件25组成。

中控组件22：中控组件22用于综合控制测量平台的各种功能，包括航行控制、测量控制、数据采集、信息传输等；

无线通讯组件24：无线通讯组件24用于测量平台与人工控制终端间的信息交互，实现与人工控制终端之间操作指令的交互及测量数据的实时传输。

导航与定位组件25：导航与定位组件25用于对测量平台进行实时定位，为测量平台的自主航行、人工遥控和仪器测量提供位置信息，可支持GPS、GLONASS以及中国北斗系统。

测量分系统由起吊控制组件17、起吊电机16、测量电缆绕线盘20和测量载荷组成。

起吊控制组件17：起吊控制组件17用于控制起吊电机16的转动方向和速度，对测量载荷的水下位置进行调整。

起吊电机16：起吊电机16可在起吊控制组件17的指令下，对测量载荷进行释放或收回操作。

测量电缆绕线盘20：测量电缆绕线盘20可为较大深度范围内的测量任务提供备用的测量电缆7。

测量载荷：测量载荷包括测量仪器5和配重球6，测量仪器5可根据测量需要进行选择，配重球6为测量仪器5提供竖向的稳定性。

测量平台以中控组件22为核心。中控组件22与导航与定位组件25、推进器8进行指令与状态信息交互，实现船体的航行控制；对无线通讯组件24进行控制，实现与人工控制终端的信息交互；与测量分系统进行指令与状态交互，实现测量仪器5的位置调整与数据的测量。

测量平台可采用人工遥控和自主航行两种航行模式。其中，人工遥控模式用于平台从入水点前往测量工作水域，自主航行模式用于执行测量作业任务。为保障平台安全，若测量水域较为复杂或执行测量作业任务时遇到障碍物，操作人员可通过人工控制终端发送指令切断自主航行模式，采用人工遥控模式进行测量作业。

执行测量作业任务的流程为：执行任务前，首先由操作人员设计测量的行进路线和其他测量参数，将测量程序输入测量平台；然后在水面释放测量平台，人工操控使其行进至测量水域；测量平台行进至测量路线的各测量点保持位置稳定，起吊电机16释放测量仪器5，进行不同水深处的数据测量，测量作业过程中，测量数据实时传输至人工控制终端；完成所有测量点测量作业后，人工遥控测量平台返回入水点，回收测量平台。

实施例：

预制橡胶圈1，充气状态下其外径为160cm，内径为120cm，圆形断面直径20cm，厚度0.5cm，最大安全载重为200kg。预制四个连接环3，材质为高强度工程塑料，其直径为20cm，宽度为15cm，内侧有2cm宽开口，顶部设有5cm×5cm方孔，方孔上设有半圆形吊环，直径3cm，连接环外侧设有防护支架4，长度20cm，四组防护支架4固定有不锈钢防护圈2，防护圈2直径为200cm，钢材截面直径为1cm。橡胶圈1未充气状态下，从连接环3的内侧开口放入，充气后，通过螺丝将橡胶圈1与连接环3紧密连接。预制四组小型螺旋桨推进装置8安装于连接环3下部，推进方向为切线方向，推进装置8外直径为10cm，长度为10cm，每组推进装置8含有四片桨叶，螺旋桨可双向旋转，推进装置8输入电压为24V，最大总输出功率为100w，测量平台最大行进速度为1m/s。预制十字形不锈钢构件10，其长、宽均为150cm，截面为5cm×5cm正方形，厚度0.5cm，距离中心50cm处有一斜向支撑，截面为5cm×3cm长方形。预制四组卡扣11，材质为工程塑料，上部设有5cm×5cm正方形方孔，卡扣11下部的凹槽直径为1cm。预制圆形网兜12，由金属环和高密度尼龙网组成，金属环的直径为110cm，截面直径1cm，尼龙网的孔洞直径不超过2cm，圆形网兜12中心附近5cm处开有直径10cm的圆孔。卡扣11通过上部方孔与十字形构件10相连，圆形网兜12的金属环固定于卡扣11下部的凹槽内，组成承重框架。承重框架通过连接环3上部方孔与之相连。预制有机玻璃防水外壳19，由三个半径为50cm的1/4圆形隔间构成，防水外壳壁厚为1cm，高度40cm，每两个隔间的中间设有深度20cm、宽度5cm的凹槽，可嵌入十字形构件10进行固定。购置中控组件22、无线通讯组件24和导航与定位组件25，布置于有机玻璃防水外壳19的第一个隔间。购置电源18，输出电压12～24V，电源18布置于有机玻璃防水外壳19的第二个隔间。购置起吊控制组件17、起吊电机16和测量电缆绕线盘20，起吊电机16最大输出功率200w，最大转速5r/s，电缆绕线盘20长度25cm，外圈直径20cm，内圈直径5cm，起吊控制组件17和起吊电机16布置于有机玻璃防水外壳19的第三个隔间内，置于起吊装置底座13上，绕线盘20通过底座21布置于十字形构件10的斜向支撑上，通过转轴与起吊电机16相连，转轴直径为2cm。绕线盘20上缠绕200m长的数据电缆，电缆采用铠装四线制。电缆尾部连接中控组件22，头部连接水下测温仪，仪器下部挂设配重球6，质量为10kg，测温仪和配重球6穿过网兜12中部圆孔垂入水中。

以上所述的具体实施方式及实施例是对一种漂浮式水下测量智能平台技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (9)

1.一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，包括无人船分系统、控制分系统和测量分系统，所述的控制分系统根据预设程序或人工遥控对无人船分系统和测量分系统进行控制，实现平台的移动和测量作业，并对数据进行实时传输。

2.根据权利要求1所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，所述的无人船分系统包括浮力体、承重框架、电源和推进装置，所述的承重框架安装于浮力体上部，所述的电源置于承重框架内，所述的推进装置安装于浮力体下部。

3.根据权利要求2所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，所述的浮力体包括充气橡胶圈、四组连接环及防护支架、防护圈；所述的承重框架包括一个十字形构件、四组卡扣和一个圆形网兜。

4.根据权利要求3所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，所述连接环上设有半圆形吊环和方形套孔，所述十字形构件穿过连接环上的方形套孔将承重框架与浮力体相连。

5.根据权利要求1所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，所述的控制分系统包括中控组件、无线通讯组件、导航与定位组件。

6.根据权利要求1所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，所述测量分系统包括起吊控制组件、起吊电机、测量电缆绕线盘和测量载荷。

7.根据权利要求2所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，所述测量平台的承重框架上设置有机玻璃防水外壳，在其中安装有所述的中控组件、无线通讯组件、导航与定位组件、电源、起吊控制组件、起吊电机及电缆。

8.根据权利要求5所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，所述的中控组件通过电缆与无线通讯组件、导航与定位组件、起吊控制组件、推进装置和电源相连接。

9.基于权利要求1～8任一项所述的一种漂浮式水下测量智能平台，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由各部件组装无人船和承重框架，将承重框架通过连接环上套孔与无人船相连，将防水外壳固定于承重框架上，安装控制分系统和测量分系统，连接各部件电缆，对测量平台进行调试；

(2)采用库岸边或坝顶的起吊装置，通过连接环上部吊环吊装测量平台，放置于库水面，通过人工控制终端开启测量平台，手动操纵测量平台行进至起测位置，设定测量路线和工作参数，测量平台开始自动测量作业；

(3)测量平台在同一水面位置维持静止，导航与定位组件记录水平位置坐标，起吊控制组件控制起吊电机缓慢放下测量仪器，对同一水面位置不同水深数据进行连续测量，根据起吊电机旋转圈数换算传感器垂直位置坐标，同时向人工控制终端传输传感器数据和传感器三维位置坐标信息，传感器到达最大预定水深时停止测量，起吊电机收起测量仪器；

(4)测量平台行进至下一个测量位置，重复上一步测量操作，直至完成测量路线上所有位置的测量任务，测量平台收起传感器并返回初始测量位置，人工操控测量平台返回入水位置，通过吊钩吊起测量平台，完成平台回收；

(5)测量结束后，所有测量数据和传感器位置数据上传至数据服务器压缩、保存，可进行进一步数据处理。

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