CN115056981A - 一种旋翼无人机的高精度水深测量方法 - Google Patents

一种旋翼无人机的高精度水深测量方法 Download PDF

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刘宏伟
吴永祥
王文种
田雪莹
刘涛
姜曦
王越
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Abstract

本发明公开了一种旋翼无人机的高精度水深测量方法，属于无人机、水文和测绘领域，包括无人机快拆支架、定位装置、动力装置和测深装置。定位装置包括机载GNSS、激光定位器、雷达测距传感器、正射相机和数据采集器；动力装置包括远程遥控设备、电源降压设备、小型电机、绞线盘和牵引绳；测深装置包括微型声呐和具有WIFI接收功能的显示器。基于正射影像的测深数据校正和精确定位方法，该方法利用正射相机观测的微型声呐位置数据、雷达测距传感器观测的无人机至水面距离与机载GNSS观测的无人机位置和姿态数据，实现了测深数据的校正和精确定位。该方法为水文测验人员、野外科研人员安全、机动和准确地获取具有地理位置信息的测深数据。

Description

一种旋翼无人机的高精度水深测量方法
技术领域
本发明涉及无人机、水文和测绘领域，具体为一种旋翼无人机的高精度水深测量方法及装置，能安全、机动和准确地获取具有地理位置信息的水深测量数据。
背景技术
水深是准确计算河道流量和地表水储量的关键变量。目前，水深观测通常有两种方法：一是借助人力船只或电力缆道将测深设备运送到测点进行观测，但该方法工作效率低、机动性差，且有一定的危险性；二是通过无人船进行观测，但该方法面对自然条件恶劣、河道下垫面复杂和河流流速大的水体，适用性不强、机动性不好。因此，目前缺少一种同时具备安全性好、机动性好和便携等优点的水深观测方法与装置。为此，本发明提出了一种旋翼无人机的高精度水深测量方法及装置以解决上述问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明的目的在于针对上述问题提供一种能够安全、机动和准确观测水深的水深测量方法，为水文测验人员、野外研究人员提供安全、便携和准确的水深观测数据，包括测深设备观测数据获取、校正与测深数据的精确定位。根据不同流速下无人机牵引测深设备观测的河道断面，与实测断面吻合，效果较好，精度约为实际水深的2～5％；大流速区的测深数据经本发明的方法校正后，测深精度明显改善。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种旋翼无人机的高精度水深测量方法：旋翼无人机的高精度水深测量装置包括无人机快拆支架、定位装置、动力装置、测深装置和无人机遥控器26，无人机快拆支架包括快拆装置2、第一块顶板4、第二块顶板6、第三块顶板7、减震球8和支架板9；定位装置包括机载GNSS10、激光定位器17、雷达测距传感器18和正射相机20、数据采集器22；动力装置包括电源降压装置21、绞线盘12、牵引绳13、紧急制动开关14、紧急制动开关触发器15、小型电机19、动力装置遥控信号接收装置11和动力装置升降停操控杆23；测深装置包括微型声呐16和具有WIFI 接收功能的显示器27；
第一块顶板4和第二块顶板6固定连接，第一块顶板4与快拆装置2固定连接，第三块顶板7采用减震球8与第二块顶板6连接；采用支架板9将机载GNSS10、激光定位器17、雷达测距传感器18、正射相机20、数据采集器22、电源降压装置21、绞线盘12、牵引绳13、紧急制动开关14、紧急制动开关出发器15、小型电机14和动力装置遥控信号接收装置11固定，并与第三块顶板7连接；机载GNSS10 固定于激光定位器17正上方；激光定位器17固定于支架板9的底板 9-1，紧靠正射相机20；雷达测距传感器18、正射相机20固定于底板 9-1。绞线盘12与小型电机19转轴连接；牵引绳13一端固定于绞线盘12，另一端固定于微型声呐16；紧急制动开关14固定于底板9-1；紧急制动开关出发器15固定于牵引绳13末端；牵引绳13一端固定于绞线盘12，另一端固定于微型声呐16；动力装置升降停操控杆23、正射相机拍照按钮24、无人机遥控器屏幕25集成于无人机遥控器26；
所述的快拆支架包括快拆设备2、第一块顶板(4)、第二块顶板 (6)、第三块顶板(7)、减震球8和设备固定支架9。第一块顶板(4)、第二块顶板(6)、第三块顶板(7)和设备固定支架9采用强度高、质量轻的碳纤维制造，采用减震球8连接以减缓设备对无人机的受力影响。
所述的定位装置包括机载GNSS10、激光定位器17、雷达测距传感器18、正射相机20和数据采集器22。机载GNSS10用于获取无人机的位置和姿态数据；激光定位器17用于定位机载GNSS在水面的位置；雷达测距传感器18用于获取无人机至水面的距离；正射相机 20用于确定激光定位点与微型声呐16的相对位置；数据采集器22用于采集机载GNSS10和雷达测距传感器18的观测数据。
所述的动力装置包括电源降压装置21、绞线盘12、牵引绳13、紧急制动开关14、紧急制动开关出发器15、小型电机19、动力装置遥控信号接收装置11和动力装置升降停操控杆23。牵引绳13一端连接绞线盘12，另一端连接微型声呐16，通过动力装置升降停操控杆23控制小型电机19正转、反转和停止以实现微型声呐16的上升、下降和停止的功能。
所述的测深装置包括微型声呐16和具有WIFI接收功能的显示器 27，通过微型声呐16发射的WIFI连接，具有WIFI接收功能的显示器27显示和记录水深观测数据。
旋翼无人机的高精度水深测量的方法步骤如下：
步骤一，遥控器26向无人机1发送指令，无人机悬停于待测点正上方，操控遥控器26声呐升降停操控杆23，使微型声呐16降落至水面；
步骤二，打开具有WIFI接收功能的显示器27，连接微型声呐发射的WIFI，待WIFI连接成功，具有WIFI接收功能的显示器27会显示水深观测数据；
步骤三，数据采集，待测深数据稳定后记录10s，并在此过程中，通过遥控器26向正射相机20发送拍照指令，记录微型声呐16与激光定位器17发射激光点的相对位置；随后操控遥控器26声呐升降停操控杆23，回收微型声呐16至无人机；
步骤四，数据下载，数据采集器22下载机载GNSS10和雷达测距传感器18数据，包括时间、经度、纬度、高度、航向角、旁向角、滚转角、无人机至水面的距离数据；正射相机20照片下载；下载微型声呐16的原始观测数据，包括经度、纬度、水深和时间；数据采集器22下载的数据与微型声呐16的原始观测数据，可通过时间进行关联，实现同步观测；
步骤五，微型声呐16的精确定位，基于图像识别的精确定位法；利用正射相机20观测的微型声呐16位置信息、雷达测距传感器18 观测的无人机至水面距离Hz数据与机载GNSS10观测的无人机位置数据和姿态数据，采用几何学理论进行定位，包括Hz校正和微型声呐16 精确定位，具体步骤如下：
(1)Hz校正
受无人机飞行姿态影响，雷达测距传感器18观测的无人机至水面距离Hz并非是严格意义上的垂直距离，需进一步校正；Hz是本方法公式推导的唯一变量相机参数是固定值，式1-5和1-6，是推导后续公式的基础，直接影响观测精度。根据几何学理论，推导无人机至水面的距离校正公式，具体如下：
Figure RE-RE-GDA0003766647780000051
Figure RE-RE-GDA0003766647780000052
式中：μ为俯仰角，θ为滚转角，由机载GNSS观测，度；
设OD＝x，则
Figure RE-RE-GDA0003766647780000053
由OB2+OD2＝AC2-OA2得：
Figure RE-RE-GDA0003766647780000054
Figure RE-RE-GDA0003766647780000055
式1-4即为Hz校正公式；
(2)微型声呐16精确定位
将高精度的无人机位置信息厘米级通过图像识别方法精确定位微型声呐16。推导微型声呐16的精确定位公式，具体如下：
⑤确定正射照片视野
Figure RE-RE-GDA0003766647780000056
Figure RE-RE-GDA0003766647780000057
式中：PL表示正射照片的视野长度，m；Pw表示正射照片的视野宽度，mm；VL表示正射相机的长边尺寸，mm；Vw表示正射相机的短边尺寸，mm；f相机镜头的焦距，mm；Hz为校正后的无人机至水面的距离，m。
⑥确定微型声呐与激光定位点相对位置
Figure RE-RE-GDA0003766647780000061
Figure RE-RE-GDA0003766647780000062
Figure RE-RE-GDA0003766647780000063
α＝τ+ω 1-10
式中：PLi和Pwi分别表示大圆点与小圆点在正射照片水平方向和垂直方向的长度，m；NL和Nw分别表示正射照片在长边和短边的像元数，个；NLi和Nwi分别表示大圆点与小圆点在正射照片水平方向和垂直方向的像元数，个；ω为航向角，由机载GNSS观测，度；α为牵引绳在水面投影与正北方向的夹角，度；τ为牵引绳水面投影线与正射照片短边方向的夹角，度；
⑦确定微型声呐校正距离
Figure RE-RE-GDA0003766647780000064
Lx＝R×sinα 1-12
Ly＝R×cosα 1-13
式中：R为牵引绳在水面的投影距离，m；Lx和Ly分别表示微型声呐交无人机位置在北坐标和东坐标的修正距离；
⑧确定微型声呐精确的位置信息
N声＝N无-Ly 1-14
E声＝E无-Lx 1-15
式中：N声和E声分别表示为微型声呐的北坐标和东坐标，m；N无和 E无分别表示为无人机的北坐标和东坐标，m；
步骤六，微型声呐16观测数据修正，受水流冲击影响，微型声呐16的观测水深往往较实际水深大，需要进一步修正；在平静水面微型声呐观测水深即为实际水深，无需校正；根据时间同步，选择拍摄照片同一时间的水深进行校正，推导修正公式得：
Figure RE-RE-GDA0003766647780000071
Figure RE-RE-GDA0003766647780000072
式中：β为牵引绳与水面的夹角，度；H实为修正后的观测水深， m。
优选的，第一块顶板4和第二块顶板6采用螺丝5连接，第一块顶板与快拆装置2采用螺丝连接，第三块顶板7采用减震球8与第二块顶板6连接；第二块顶板6呈回字形，仅保留四周的碳纤维版用于安装减震球8和螺丝5；第三块顶板7承受了整个设备的所有重量，通过减震球8将力传递到第二块顶板6以达到减震效果。设备固定支架采用支架板9将机载GNSS10、激光定位器17、雷达测距传感器18、正射相机20、数据采集器22、电源降压装置21、绞线盘12、牵引绳 13、紧急制动开关14、紧急制动开关出发器15、小型电机14和动力装置遥控信号接收装置11，按一定尺寸固定，并与第三块顶板7连接；以上所有板材均采用强度高、质量轻的碳纤维板制造。
优选的，机载GNSS10记录无人机的位置和姿态数据，包括时间、经度、纬度、高程、航向角、俯仰角和滚转角，固定于激光定位器17 正上方；激光定位器17照射水面能形成明显光斑，固定于底板9-1，紧靠正射相机20。雷达测距传感器18能正确测量无人机与水面的距离，固定于底板9-1；正射相机20经正确标定的光学相机，固定于底板9-1；数据采集器22支持采集和存储串口数据信号为485和232的数据。
优选的，电源降压装置21采用能稳定将高压直流电转为电压5-12 V的直流变压器；绞线盘12与小型电机19转轴连接，采用碳纤维材料制造，U形槽设计，槽长15mm，内外径分别为20mm、10mm；牵引绳13一端固定于绞线盘12，另一端固定于微型声呐16；小型电机19最小牵引力不小于10N，支持正转、反转和停止；紧急制动开关14采用微型压力式开关，受压后立即断电，固定于底板9-1；紧急制动开关出发器15采用碳纤维棒固定于牵引绳末端；动力装置遥控信号接收装置11采用5-12V直流遥控器，有效控制距离不小于100m；动力装置升降停操控杆23集成于无人机遥控器26。
优选的，微型声呐16，外观呈圆形，直径不大于100mm，质量不大于500g，最小测深距离不小于80m，可漂浮于水面；能存储原始观测数据，包括时间和水深；内置充电锂电池和WIFI发射器，能独立观测和无线传输观测数据。具有WIFI接收功能的显示器27，可连接微型声呐16发射的WIFI信号。
有益效果：
与现有水深测量方法相比，能够安全、机动和准确地获取具有地理位置信息的水深观测数据；
所述的快拆支架在材料方面采用强度高、质量轻的碳纤维板制作，强度高、质量轻；在结构方面采用减震球将动力仓与无人机连接，减缓了整个设备对无人机的受力影响；
所述的定位装置基于正射影像的测深数据校正和精确定位方法，该方法利用正射相机观测的微型声呐位置数据、雷达测距传感器观测的无人机至水面距离与机载GNSS观测的无人机位置和姿态数据，实现了测深数据的校正和精确定位，为绘制水下地形图提供了基础；
所述的测深装置的微型声呐可漂浮于水面，确保了水深观测的准确性；通过WIFI将声呐与具有WIFI接收功能的显示器连接，实现了观测数据的远程传输和保存。
附图说明
下面结合附图对本发明的作进一步说明。
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明图1的A处放大图。
图3是无人机至水面距离校正原理图。
图4是基于无人机正射影像精确定位微型声呐原理图。图a是无人机牵引测深设备的几何定位图；图b是正射照片解析测深设备与无人机GNSS水面投影点相对位置的示意图。
图5是微型声呐观测数据校正示意图。
图6是本发明的实施实例图。图A基于无人机正射图像定位测深设备的精度评估图；图B是无人机搭载测深设备观测的河道断面图，其中a图是平静水面河道断面，b图是平静水面与大流速水面组合的河道断面。
图中：1-旋翼无人机、2-快拆装置、3-GNSS天线、4-第一块顶板、 5-螺丝、6-第二块顶板、7-第三块顶板、8-减震球、9-支架板、10-机载GNSS、11-动力装置遥控信号接收装置、12-绞线盘、13-牵引绳、 14-紧急制动开关、15-紧急制动开关出发器、16-微型声呐、17-激光定位器、18-雷达测距传感器、19-小型电机、20-正射相机、21-电源降压装置、22-数据采集器、23-动力装置升降停操控杆、24-正射相机拍照按钮、25-无人机遥控器屏幕、26-控遥控器、27-具有WIFI接收功能的显示器。
具体实施方式
下面结合说明书和附图，对本发明的技术方案再作进一步详细说明。
一种旋翼无人机的高精度水深测量装置，包括无人机快拆支架、定位装置、动力装置和测深装置。旋翼无人机的高精度水深测量装置包括无人机快拆支架、定位装置、动力装置、测深装置和无人机遥控器(26)，无人机快拆支架包括快拆装置(2)、第一块顶板(4)、第二块顶板(6)、第三块顶板(7)、减震球(8)和支架板(9)；定位装置包括机载GNSS(10)、激光定位器(17)、雷达测距传感器(18) 和正射相机(20)、数据采集器(22)；动力装置包括电源降压装置(21)、绞线盘(12)、牵引绳(13)、紧急制动开关(14)、紧急制动开关触发器(15)、小型电机(19)、动力装置遥控信号接收装置(11)和动力装置升降停操控杆(23)；测深装置包括微型声呐(16)和具有WIFI 接收功能的显示器(27)；
第一块顶板(4)和第二块顶板(6)固定连接，第一块顶板(4) 与快拆装置(2)固定连接，第三块顶板(7)采用减震球(8)与第二块顶板(6)连接；采用支架板(9)将机载GNSS(10)、激光定位器(17)、雷达测距传感器(18)、正射相机(20)、数据采集器(22)、电源降压装置(21)、绞线盘(12)、牵引绳(13)、紧急制动开关(14)、紧急制动开关出发器(15)、小型电机(14)和动力装置遥控信号接收装置(11)固定，并与第三块顶板(7)连接；机载GNSS(10)固定于激光定位器(17)正上方；激光定位器(17)固定于支架板(9) 的底板(9-1)，紧靠正射相机(20)；雷达测距传感器(18)、正射相机(20固定于底板(9-1)。绞线盘(12)与小型电机(19转轴连接；牵引绳(13)一端固定于绞线盘(12)，另一端固定于微型声呐(16)；紧急制动开关(14)固定于底板(9-1)；紧急制动开关出发器(15) 固定于牵引绳(13)末端；牵引绳(13)一端固定于绞线盘(12)，另一端固定于微型声呐(16)；动力装置升降停操控杆(23)、正射相机拍照按钮(24)、无人机遥控器屏幕(25)集成于无人机遥控器(26)；
一种旋翼无人机的高精度水深测量装置，包括无人机快拆支架、定位装置、动力装置和测深装置。
所述的快拆支架包括快拆设备(2)、第一块顶板(4)、螺丝(5)、第二块顶板(6)、第三块顶板(7)、减震球(8)和设备固定支架(9)。第一块顶板(4)、第二块顶板(6)、第三块顶板(7)和设备固定支架(9)采用强度高、质量轻的碳纤维制造，采用减震球(8)连接以减缓设备对无人机的受力影响。
所述的定位装置包括机载GNSS(10)、激光定位器(17)、雷达测距传感器(18)、正射相机(20)和数据采集器(22)。机载GNSS (10)用于获取无人机的位置和姿态数据；激光定位器(17)用于定位机载GNSS在水面的位置；雷达测距传感器(18)用于获取无人机至水面的距离；正射相机(20)用于确定激光定位点与微型声呐(16) 的相对位置；数据采集器(22)用于采集机载GNSS(10)和雷达测距传感器(18)的观测数据。
所述的动力装置包括电源降压装置(21)、绞线盘(12)、牵引绳 (13)、紧急制动开关(14)、紧急制动开关出发器(15)、小型电机 (19)、动力装置遥控信号接收装置(11)和动力装置升降停操控杆 (23)。牵引绳(13)一端连接绞线盘(12)，另一端连接微型声呐(16)，通过动力装置升降停操控杆(23)控制小型电机(19)正转、反转和停止以实现微型声呐(16)的上升、下降和停止的功能。
所述的测深装置包括微型声呐(16)和具有WIFI接收功能的显示器(27)，通过微型声呐(16)发射的WIFI连接，具有WIFI接收功能的显示器(27)显示和记录水深观测数据。
本发明提出的旋翼无人机的高精度水深测量方法，包括如下具体步骤：
步骤一，遥控器(26)向无人机(1)发送指令，无人机悬停于待测点正上方，操控遥控器(26)声呐升降停操控杆(23)，使微型声呐(16)降落至水面。
步骤二，打开具有WIFI接收功能的显示器(27)，连接微型声呐发射的WIFI，待WIFI连接成功，具有WIFI接收功能的显示器(27) 会显示水深观测数据。
步骤三，数据采集，待测深数据稳定后记录10s，并在此过程中，通过遥控器(26)向正射相机(20)发送拍照指令，记录微型声呐(16) 与激光定位器(17)发射激光点的相对位置；随后操控遥控器(26) 声呐升降停操控杆(23)，回收微型声呐(16)至无人机。
步骤四，数据下载，数据采集器(22)下载机载GNSS(10)和雷达测距传感器(18)数据，包括时间、经度、纬度、高度、航向角、旁向角、滚转角、无人机至水面的距离数据；正射相机(20)照片下载；下载微型声呐(16)的原始观测数据，包括经度、纬度、水深和时间；需要说明的，CR 300数据采集器(22)下载的数据与微型声呐 (16)的原始观测数据，可通过时间进行关联，实现同步观测。
步骤五，微型声呐(16)的精确定位，本发明提出了基于图像识别的精确定位法；该方法是利用正射相机(20)观测的微型声呐(16) 位置信息、雷达测距传感器(18)观测的无人机至水面距离(Hz)数据与机载GNSS(10)观测的无人机位置数据和姿态数据，采用几何学理论进行定位，包括Hz校正和微型声呐(16)精确定位，具体步骤如下：
(1)Hz校正
受无人机飞行姿态影响，雷达测距传感器(18)观测的无人机至水面距离(Hz)并非是严格意义上的垂直距离，需进一步校正。根据几何学理论，推导无人机至水面的距离校正公式，具体如下：
Figure RE-RE-GDA0003766647780000141
Figure RE-RE-GDA0003766647780000142
式中：μ为俯仰角，θ为滚转角，由机载GNSS观测，度；
设OD＝x，则
Figure RE-RE-GDA0003766647780000143
由OB2+OD2＝AC2-OA2得：
Figure RE-RE-GDA0003766647780000144
Figure RE-RE-GDA0003766647780000145
式(1-4)即为Hz校正公式。
(2)微型声呐(16)精确定位
本发明将高精度的无人机位置信息(厘米级)通过图像识别方法精确定位微型声呐(16)。根据几何学理论，推导微型声呐(16)的精确定位公式，具体如下：
①确定正射照片视野
Figure RE-RE-GDA0003766647780000146
Figure RE-RE-GDA0003766647780000147
式中：PL表示正射照片的视野长度，m；Pw表示正射照片的视野宽度，mm；VL表示正射相机的长边尺寸，mm；Vw表示正射相机的短边尺寸，mm；f相机镜头的焦距，mm；Hz为校正后的无人机至水面的距离，m。
②确定微型声呐与激光定位点相对位置
Figure RE-RE-GDA0003766647780000151
Figure RE-RE-GDA0003766647780000152
Figure RE-RE-GDA0003766647780000153
α＝τ+ω (1-10)
式中：PLi和Pwi分别表示大圆点与小圆点在正射照片水平方向和垂直方向的长度，m；NL和Nw分别表示正射照片在长边和短边的像元数，个；NLi和Nwi分别表示大圆点与小圆点在正射照片水平方向和垂直方向的像元数，个；ω为航向角，由机载GNSS观测，度；α为牵引绳在水面投影与正北方向的夹角，度；τ为牵引绳水面投影线与正射照片短边方向的夹角，度。
③确定微型声呐校正距离
Figure RE-RE-GDA0003766647780000154
Lx＝R×sinα (1-12)
Ly＝R×cosα (1-13)
式中：R为牵引绳在水面的投影距离，m；Lx和Ly分别表示微型声呐交无人机位置在北坐标和东坐标的修正距离。
④确定微型声呐精确的位置信息
N声＝N无-Ly (1-14)
E声＝E无-Lx (1-15)
式中：N声和E声分别表示为微型声呐的北坐标和东坐标，m；N无和 E无分别表示为无人机的北坐标和东坐标，m。
步骤六，微型声呐(16)观测数据修正，受水流冲击影响，微型声呐(16)的观测水深往往较实际水深大，需要进一步修正。需要说明的是，在平静水面微型声呐观测水深即为实际水深。根据几何学理论，推导修正公式，具体如下：
Figure RE-RE-GDA0003766647780000161
Figure RE-RE-GDA0003766647780000162
式中：β为牵引绳与水面的夹角，度；H实为修正后的观测水深， m。
根据本发明提供的一种旋翼无人机的高精度水深测量方法及装置思路设计并组装了该设备，包括：快拆支架，快拆设备(科比特急先锋I快拆接口)，减震球(17.5mm×20mm的云台减震球)，第一块顶板(4)、第二块顶板(6)、第三块顶板(7)和设备固定支架(9) 采用2mm的碳纤维板制作；定位装置，机载GNSS(合众思UPK100 机载型GNSS)，激光定位器(输入电压5V直流的红外激光器)、雷达测距传感器(输入电压12V的24Ghz雷达测距芯片)和正射相机 (SONY-102/35mm相机)、数据采集器(CR300数据采集器)；动力装置，电源降压装置(17-58V转5-12V、1A直流变压器)、绞线盘 (碳纤维U形槽)、牵引绳(
Figure RE-RE-GDA0003766647780000171
0.2mm的钓鱼线)、紧急制动开关(微型压力式开关)、紧急制动开关出发器(
Figure RE-RE-GDA0003766647780000172
2mm的碳纤维棒)、小型电机(输入电压12V，转速100r/min，额定力矩3.5Kgf·cm的正反转直流电机)、动力装置遥控信号接收装置(12V的直流遥控器)和动力装置升降停操控杆(集成于无人机遥控器)。测深装置包括微型声呐 (Deeper Chirp+微型声呐)和具有WIFI接收功能的显示器(手机)。
组装设备后，本实验按照本方法提供的步骤对南京水利科学研究滁州野外水文基地的胡庄三河道断面进行检定，涉及定位精度和测深精度的检定。考虑到在水中进行定位精度检定是困难的，因此，本发明将定位精度检定移植到地面进行，即在地面人为将测深设备与无人机在水平投影面上偏离一定距，模拟测深设备在水流冲击状态下与无人机的相对位置。定位精度和测深精度的检定均用华测RTK GNSS (I70)的实测数据为真值。通过检定，基于无人机正射图像测深设备的定位精效果较好，与RTK观测值一致性较高(图6(A))，精度约为无人机悬停高度(≤10m)的5％。根据不同流速下无人机牵引测深设备观测的河道断面(图6(B))，与实测断面吻合，效果较好，精度约为实际水深的2～5％；大流速区的测深数据经校正后，测深精度明显改善(图6(B-b)。这种测深和定位精度对于大多数的内陆水体测深是可以接受的。

Claims (5)

1.一种旋翼无人机的高精度水深测量方法，其特征在于：旋翼无人机的高精度水深测量装置包括无人机快拆支架、定位装置、动力装置、测深装置和无人机遥控器26，无人机快拆支架包括快拆装置2、第一块顶板4、第二块顶板6、第三块顶板7、减震球8和支架板9；定位装置包括机载GNSS 10、激光定位器17、雷达测距传感器18和正射相机20、数据采集器22；动力装置包括电源降压装置21、绞线盘12、牵引绳13、紧急制动开关14、紧急制动开关触发器15、小型电机19、动力装置遥控信号接收装置11和动力装置升降停操控杆23；测深装置包括微型声呐16和具有WIFI接收功能的显示器27；
第一块顶板4和第二块顶板6固定连接，第一块顶板4与快拆装置2固定连接，第三块顶板7采用减震球8与第二块顶板6连接；采用支架板9将机载GNSS10、激光定位器17、雷达测距传感器18、正射相机20、数据采集器22、电源降压装置21、绞线盘12、牵引绳13、紧急制动开关14、紧急制动开关出发器15、小型电机14和动力装置遥控信号接收装置11固定，并与第三块顶板7连接；机载GNSS10固定于激光定位器17正上方；激光定位器17固定于支架板9的底板9-1，紧靠正射相机20；雷达测距传感器18、正射相机20固定于底板9-1；绞线盘12与小型电机19转轴连接；牵引绳13一端固定于绞线盘12，另一端固定于微型声呐16；紧急制动开关14固定于底板9-1；紧急制动开关出发器15固定于牵引绳13末端；牵引绳13一端固定于绞线盘12，另一端固定于微型声呐16；动力装置升降停操控杆23、正射相机拍照按钮24、无人机遥控器屏幕25集成于无人机遥控器26；
旋翼无人机的高精度水深测量的方法步骤如下：
步骤一，遥控器26向无人机1发送指令，无人机悬停于待测点正上方，操控遥控器26声呐升降停操控杆23，使微型声呐16降落至水面；
步骤二，打开具有WIFI接收功能的显示器27，连接微型声呐发射的WIFI，待WIFI连接成功，具有WIFI接收功能的显示器27会显示水深观测数据；
步骤三，数据采集，待测深数据稳定后记录10s，并在此过程中，通过遥控器26向正射相机20发送拍照指令，记录微型声呐16与激光定位器17发射激光点的相对位置；随后操控遥控器26声呐升降停操控杆23，回收微型声呐16至无人机；
步骤四，数据下载，数据采集器22下载机载GNSS10和雷达测距传感器18数据，包括时间、经度、纬度、高度、航向角、旁向角、滚转角、无人机至水面的距离数据；正射相机20照片下载；下载微型声呐16的原始观测数据，包括经度、纬度、水深和时间；数据采集器22下载的数据与微型声呐16的原始观测数据，可通过时间进行关联，实现同步观测；
步骤五，微型声呐16的精确定位，基于图像识别的精确定位法；利用正射相机20观测的微型声呐16位置信息、雷达测距传感器18观测的无人机至水面距离Hz数据与机载GNSS10观测的无人机位置数据和姿态数据，采用几何学理论进行定位，包括Hz校正和微型声呐16精确定位，具体步骤如下：
(1)Hz校正
受无人机飞行姿态影响，雷达测距传感器18观测的无人机至水面距离Hz并非是严格意义上的垂直距离，需进一步校正；Hz是本方法公式推导的唯一变量相机参数是固定值，式1-5和1-6，是推导后续公式的基础，直接影响观测精度；根据几何学理论，推导无人机至水面的距离校正公式，具体如下：
Figure FDA0003674440400000031
Figure FDA0003674440400000032
式中：μ为俯仰角，θ为滚转角，由机载GNSS观测，度；
设OD＝x，则
Figure FDA0003674440400000033
由OB2+OD2＝AC2-OA2得：
Figure FDA0003674440400000034
Figure FDA0003674440400000035
式1-4即为Hz校正公式；
(2)微型声呐16精确定位
将高精度的无人机位置信息厘米级通过图像识别方法精确定位微型声呐16；推导微型声呐16的精确定位公式，具体如下：
①确定正射照片视野
Figure FDA0003674440400000041
Figure FDA0003674440400000042
式中：PL表示正射照片的视野长度，m；Pw表示正射照片的视野宽度，mm；VL表示正射相机的长边尺寸，mm；Vw表示正射相机的短边尺寸，mm；f相机镜头的焦距，mm；Hz为校正后的无人机至水面的距离，m；
②确定微型声呐与激光定位点相对位置
Figure FDA0003674440400000043
Figure FDA0003674440400000044
Figure FDA0003674440400000045
α＝τ+ω (1-10)
式中：PLi和Pwi分别表示大圆点与小圆点在正射照片水平方向和垂直方向的长度，m；NL和Nw分别表示正射照片在长边和短边的像元数，个；NLi和Nwi分别表示大圆点与小圆点在正射照片水平方向和垂直方向的像元数，个；ω为航向角，由机载GNSS观测，度；α为牵引绳在水面投影与正北方向的夹角，度；τ为牵引绳水面投影线与正射照片短边方向的夹角，度；
③确定微型声呐校正距离
Figure FDA0003674440400000046
Lx＝R×sinα (1-12)
Ly＝R×cosα (1-13)
式中：R为牵引绳在水面的投影距离，m；Lx和Ly分别表示微型声呐交无人机位置在北坐标和东坐标的修正距离；
④确定微型声呐精确的位置信息
N声＝N无-Ly (1-14)
E声＝E无-Lx (1-15)
式中：N声和E声分别表示为微型声呐的北坐标和东坐标，m；N无和E无分别表示为无人机的北坐标和东坐标，m；
步骤六，微型声呐16观测数据修正，受水流冲击影响，微型声呐16的观测水深往往较实际水深大，需要进一步修正；在平静水面微型声呐观测水深即为实际水深，无需校正；根据时间同步，选择拍摄照片同一时间的水深进行校正，推导修正公式得：
Figure FDA0003674440400000051
Figure FDA0003674440400000052
式中：β为牵引绳与水面的夹角，度；H实为修正后的观测水深，m。
2.根据权利要求1所述旋翼无人机的高精度水深测量方法，其特征在于：第一块顶板4和第二块顶板6采用螺丝5连接，第一块顶板与快拆装置2采用螺丝连接，第三块顶板7采用减震球8与第二块顶板6连接；第二块顶板6呈回字形，仅保留四周的碳纤维版用于安装减震球8和螺丝5；第三块顶板7承受了整个设备的所有重量，通过减震球8将力传递到第二块顶板6以达到减震效果；设备固定支架采用支架板9将机载GNSSB10、激光定位器17、雷达测距传感器18、正射相机20、数据采集器22、电源降压装置21、绞线盘12、牵引绳13、紧急制动开关14、紧急制动开关出发器15、小型电机14和动力装置遥控信号接收装置11，按一定尺寸固定，并与第三块顶板7连接；以上所有板材均采用强度高、质量轻的碳纤维板制造。
3.根据权利要求1所述的旋翼无人机的高精度水深测量方法，其特征在于：机载GNSS10记录无人机的位置和姿态数据，包括时间、经度、纬度、高程、航向角、俯仰角和滚转角，固定于激光定位器17正上方；激光定位器17照射水面能形成明显光斑，固定于底板9-1，紧靠正射相机20；雷达测距传感器18能正确测量无人机与水面的距离，固定于底板9-1；正射相机20经正确标定的光学相机，固定于底板9-1；数据采集器22支持采集和存储串口数据信号为485和232的数据。
4.根据权利要求1所述旋翼无人机的高精度水深测量方法，其特征在于：电源降压装置21采用能稳定将高压直流电转为电压5-12V的直流变压器；绞线盘12与小型电机19转轴连接，采用碳纤维材料制造，U形槽设计，槽长15mm，内外径分别为20mm、10mm；牵引绳13一端固定于绞线盘12，另一端固定于微型声呐16；小型电机19最小牵引力不小于10N，支持正转、反转和停止；紧急制动开关14采用微型压力式开关，受压后立即断电，固定于底板9-1；紧急制动开关出发器15采用碳纤维棒固定于牵引绳末端；动力装置遥控信号接收装置11采用5-12V直流遥控器，有效控制距离不小于100m；动力装置升降停操控杆23集成于无人机遥控器26。
5.根据权利要求1所述旋翼无人机的高精度水深测量方法，其特征在于：微型声呐16，外观呈圆形，直径不大于100mm，质量不大于500g，最小测深距离不小于80m，可漂浮于水面；能存储原始观测数据，包括时间和水深；内置充电锂电池和WIFI发射器，能独立观测和无线传输观测数据；具有WIFI接收功能的显示器27，可连接微型声呐16发射的WIFI信号。
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