CN115107964B - 一种水下工程测量子母式潜航器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下工程测量子母式潜航器系统，包括机身和若干子机，其中，机身作为母机的主体，子机可脱离地安装于所述机身；在系统作业时，通信线缆经过所述机身的接线舱接入母机，以进行系统有线遥控和数据实时传输；在系统非作业时，充电线缆、数据传输线缆经过所述机身的接线舱接入母机，以实现系统充电、数据传递或系统固件维护升级。本发明采用子母式布置方案，可根据具体任务需要灵活组合应用母机和子机，在完成多样化的观测和测量任务的同时，可实现测量精度和测量效率的兼备。

Description

一种水下工程测量子母式潜航器系统
技术领域
本发明涉及水下工程测量技术领域，具体涉及一种水下工程测量子母式潜航器系统。
背景技术
在城乡水环境治理、河湖清淤改造、水利建设等工程施工中，出于水下空间调查、水下构筑物施工管理、工程量计算、竣工检查验收等目的，需要进行水下观测、拍摄和水下测距。
目前水下观测、拍摄方式多采用无人潜航器系统拍摄。潜航器通常为自带动力的有线遥控设备，依作业形式分为一体式或子母式。其中子母式潜航器系统通常由一台母机、不定数量的子机及地面后台控制站组成，根据具体作业任务进行子母机分离和组合，过程中由母机进行子机控制指令和回传信号的中继，进而完成多样化的水下作业任务。
现有水下测距技术包括两类，一是定向测距，指测量水下单点目标与装置之间的距离，可通过声纳或激光装置实现快速直接的测算。二是非定向测距，指测量水下多个目标之间的距离，可通过对声纳数据反演得到区域二维或三维图形进而测距，或转化为多次的定向测距从而实现间接测量。
但是，就水下工程测量而言，现有的水下观测、拍摄技术存在以下不足。一是传统人工潜水观测的成本与安全显著低于潜航器；二是一体式潜航器难以观测和拍摄狭小空间如水下构筑物边角、暗管内部；三是子母式潜航器大多不具备工程测量功能。
另一方面，水下测距技术难以满足工程测量需要。一是现有定向测距技术的应用，不满足工程测量中常涉及的区域内多点测距、标记放样等需求；二是非定向测距如声纳反演、间接测量的技术路线较长，在工程测量尤其是施工阶段，难以同时满足对测量精度和测量效率的要求。
发明内容
为了解决或部分解决相关技术中存在的问题，本发明提供了一种水下工程测量子母式潜航器系统，采用子母式布置方案，可根据具体任务需要灵活组合应用母机和子机，在完成多样化的观测和测量任务的同时，可实现测量精度和测量效率的兼备。
本发明提供了一种水下工程测量子母式潜航器系统，包括：
机身，作为母机的主体；
子机，可脱离地安装于所述机身；
在系统作业时，通信线缆经过所述机身的接线舱接入母机，以进行系统有线遥控和数据实时传输；在系统非作业时，充电线缆、数据传输线缆经过所述机身的接线舱接入母机，以实现系统充电、数据传递或系统固件维护升级。
可选地，所述机身的内部为分层结构。
可选地，所述机身还包括上舱室，用于安装前后推进装置。
可选地，所述机身还包括位于所述上舱室下侧的中舱室，用于放置各类模块、各类元器件和升降推进器。
可选地，所述各类模块和各类元器件包括：
摄像模块，用于实时采集系统正前方图像，进而用于正前方数据存储和图传控制；
主板，用于安装各模块和接口；
蓄电池组，用于为母机和子机供电；
图像处理模块，用于对母机和各子机采集的原始图像进行处理、传输和存写；
主板接口组，用于数据读取和系统固件维护升级；
充电接口，用于在非作业时，为蓄电池组充电；
控制模块，用于实现时限对系统的各类控制；
图传模块，用于对母机的摄像模块和各子机的子机摄像节所采集的原始图像进行压缩处理，并传输至地面后台；
测距模块，用于接收图像处理模块、惯导模块和各子机的第一激光接收模块、第一激光发射模块、第二激光发射模块、第二激光接收模块和子机惯导及控制模块输出的数据，处理并实现实时的坐标计算、系统定位、多点测距和区域放样；
惯导模块，用于记录母线的角速度和三轴的加速度数据，并处理解算母机和子机的相对坐标变化。
可选地，所述机身还包括位于所述中舱室下侧的下舱室，用于安装左右推进器。
可选地，所述机身还包括位于所述下舱室的底舱，用于收纳固定子机，并收纳子机对应的束线装置。
可选地，所述子机的数量为四个；所述底舱为倒立的正四棱台结构，用于收纳固定四个子机。
可选地，所述子机包括：
子机摄像节，用于实时采集子机端头图像，进而用于数据存储和图传控制；
第一激光接收模块，用于接收第一激光发射模块的激光相位，并将数据通过脐带缆接口传输至测距模块；
第一激光发射模块，可绕子机主轴旋转，配有一个激光发射器，用于测定子机和目标间的距离；
第二激光发射模块，可绕子机主轴旋转，配有一个激光发射器，用于测定子机和其他子机间的距离；
第二激光接收模块，用于接收第二激光发射模块的激光相位，并将数据通过脐带缆接口传输至母机的脐带缆接口；
子机惯导及控制模块，用于记录子机的角速度和三轴的加速度数据，并用于处理实现对子机的各类控制；
子机动力模块，用于根据对子机下达的运动指令，控制调节子机推进器的各电机的开关和转速；
子机推进器，用于实现子机在单一方向上的运动；
脐带缆接口，用于连接脐带缆，实现子机的供电和信号控制；
激光发射器，用于定向发射单束激光。
可选地，所述子机动力模块为正三棱锥台结构，安装三个子机推进器。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明具备广域拍摄、狭小空间观测、多点测距、区域放样等功能，适用于城乡水环境治理、河湖清淤改造、水利建设等工程施工中常涉及的水下空间调查、水下构筑物施工管理、测量放样、工程量计算、竣工检查验收等用途。本发明的潜航器系统外观尺寸小巧，易于携带运输和使用；采用子母式布置方案，可根据具体任务需要灵活组合应用母机和子机，在完成多样化的观测和测量任务的同时，可实现测量精度和测量效率的兼备。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述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专利的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本发明实施例中母机外观结构示意图；
图2为本发明实施例中另一角度的母机外观结构示意图；
图3为本发明实施例中母机外观结构前视示意图；
图4为本发明实施例中母机内部结构分舱示意图；
图5为本发明实施例中另一角度的母机内部结构分舱示意图；
图6为本发明实施例中母机内部模块布置示意图；
图7为本发明实施例中子机外观结构示意图；
图8为本发明实施例中子机外观结构的另一角度示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，但是应该理解的是，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1～8，本发明实施例提供一种水下工程测量子母式潜航器系统，包括机身101和若干子机，其中，机身101作为母机的主体，子机可脱离地安装于所述机身101。在系统作业时，通信线缆经过所述机身101的接线舱102接入母机，以进行系统有线遥控和数据实时传输；在系统非作业时，充电线缆、数据传输线缆经过所述机身101的接线舱102接入母机，以实现系统充电、数据传递或系统固件维护升级。
本实施例中，所述机身101的内部为分层结构。可选地，机身101的内部结构为自上而下依次设置的上舱室103、中舱室104、下舱室105和底舱106，各舱室之间近似独立封闭，仅留有用于实现系统作业的各类供电通讯线缆孔。
具体地，上舱室103用于安装前后推进装置，以实现系统的前后移动，上舱室103包括左、中、右3个子舱室，其中左、右侧子舱室前后通透，连接多组前后推进器202，中间的子舱室用于安装与前后推进器202对应的电机。
中舱室104用于放置系统的各类主要模块和元器件，以及连接多组升降推进器201。所述各类模块和各类元器件包括：摄像模块301，安装于机身101的前侧，用于实时采集系统正前方图像，进而用于正前方数据存储和图传控制；主板302，用于安装各模块和接口；蓄电池组303，用于为母机和子机供电；图像处理模块304，用于对母机和各子机采集的原始图像进行处理、传输和存写；主板接口组305，用于数据读取和系统固件维护升级；充电接口306，用于在非作业时，为蓄电池组303充电；控制模块307，用于实现对系统的各类控制，如母机移动、各类数据采集开关和参数调节；图传模块308，用于对母机的摄像模块301和各子机的子机摄像节401所采集的原始图像进行压缩处理，并传输至地面后台；测距模块309，用于接收图像处理模块304、惯导模块310和各子机的第一激光接收模块402、第一激光发射模块403、第二激光发射模块404、第二激光接收模块405和子机惯导及控制模块406输出的数据，处理并实现实时的坐标计算、系统定位、多点测距和区域放样；惯导模块310，用于记录母线的角速度和三轴的加速度数据，并处理解算母机和子机的相对坐标变化；此外，地面后台按一定频率将采集的广域定位(如移动通信网络、GNSS等)数据传输至惯导模块310，根据功能需要进行坐标矫正。
摄像模块301由半球形透明外壳、图像传感器和照明灯构成；主板302的上方为数采通讯区，下方为供电区，数采通讯区安装连接各数采与通讯模块，供电区安装连接蓄电池组303；主板接口组305在非作业时，可通过主板接口组305将系统与电脑等终端连接，将系统各模块存储的数据读取输出，或进行各模块的检测调试、固件维护和升级。
请参阅图2，子机包括前子机501、左子机502、后子机503和右子机504为四个结构相同的子机。作业初始状态为各子机与母机相连，此时各子机的子机摄像节401的朝向分别为母机前俯角45°、左俯角45°、后俯角45°、右俯角45°。当系统执行特定作业任务，子机根据地面后台人工操作指令和既定程序进行动作。部分作业任务如下：
①广域拍摄：母机按规定线路进行有线遥控潜航，期间各子机维持初始状态，各子机摄像节401开启图像采集，分别记录母机前下、左下、后下、右下四个方向的图像。作业完成后，由内业技术人员根据母机潜航轨迹、各子机摄像节401所采集的图像数据进行处理，得到形成水下地形二维图或三维模型。
②狭小空间观测：当母机潜航时遭遇不可到达的视野盲区如暗管排口、构筑物死角时，系统可执行狭小空间观测任务。按需要一或多台子机的子机摄像节401开启图像采集且子机推进器408启动，子机脱离母机。之后通过母机有线遥控子机进入狭小空间观测。任务完成后子机回归母机。
③多点测距：当需要测定子机和水下单点距离时，单个子机的第一激光接收模块402、第一激光发射模块403、第二激光发射模块404、第二激光接收模块405、子机惯导及控制模块406、激光发射器410启动，数据经由脐带缆接口409处理，完成激光测距。当需要测定水下多个单点目标之间的距离时，多个子机脱离母机并分别运动至各单点目标附近。此时每个子机和对应的单点目标、子机和子机之间均应构成激光路径的通视。各子机的第一激光发射模块403对准对应单点目标，第一激光接收模块402感知记录“子机-目标”激光相位；同时各子机的第二激光发射模块404对准另一子机，第二激光接收模块405感知记录“子机-另一子机”激光相位。之后由测距模块309基于惯导模块310、各子机的主板302、蓄电池组303、图像处理模块304、主板接口组305、充电接口306的数据进行处理计算，得到水下各单点之间的距离。
④区域放样：当需要进行水下区域内的标记放样任务时，预先由技术人员处理取得各放样点、参照基准点的图纸坐标。系统启动下水作业，系统和后台广域坐标进行标准，得到母机和各子机的实时广域坐标。然后采用多点测距的方式测得参照基准点与系统间距，进而完成系统实时广域坐标和图纸坐标的校准。之后由各子机采用单点测距的方式，引导激光投射至目标点位。最后根据需要，通过子机拍照、人员潜水、驾船放置放样杆等方式完成水下放样。
本实施例中，下舱室105用于安装左右推进器203，以实现系统的左右移动。下舱室105包括前、中、后3个子舱室。其中前、后侧子舱室前后通透，连接多组左右推进器，中间的子舱室用于安置与左右推进器对应的电机。
底舱106用于收纳固定子机，并收纳子机对应的束线装置。具体地，所述子机的数量为四个；所述底舱106为倒立的正四棱台结构，用于收纳固定四个子机。
本实施例中，系统包括两组升降推进装置，分别位于机身101的左右两侧，每组升降推进装置由两个轴心共线的升降推进器201构成；系统包括两组前后推进装置，分别位于机身101的前后两侧，每组前后推进装置由两个轴心共线的前后推进器202构成；系统包括两组左右推进装置，分别位于机身101的左右两侧，每组升降推进装置由两个轴心共线的左右推进器203构成。
本实施例中，所述子机包括：子机摄像节401，安装于子机(501～504)的头部，用于实时采集子机端头图像，进而用于数据存储和图传控制；第一激光接收模块402，用于接收第一激光发射模块403的激光相位，并将数据通过脐带缆接口409传输至测距模块309；第一激光发射模块403，可绕子机主轴旋转，配有一个激光发射器410，用于测定子机和目标间的距离；第二激光发射模块404，可绕子机主轴旋转，配有一个激光发射器410，用于测定子机和其他子机间的距离；第二激光接收模块405，用于接收第二激光发射模块404的激光相位，并将数据通过脐带缆接口409传输至母机309；子机惯导及控制模块406，用于记录子机的角速度和三轴的加速度数据，并用于处理实现对子机的各类控制，如移动、第一激光发射模块403和第二激光发射模块404的旋转；子机动力模块407，用于根据对子机下达的运动指令，控制调节子机推进器408的各电机的开关和转速；子机推进器408，用于实现子机在单一方向上的运动；脐带缆接口409，用于连接脐带缆，实现子机的供电和信号控制；激光发射器410，用于定向发射单束激光。
本实施例中，所述子机动力模块407为正三棱锥台结构，安装三个子机推进器408。
以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水下工程测量子母式潜航器系统，其特征在于，包括：
机身，作为母机的主体；
子机，可脱离地安装于所述机身；
在系统作业时，通信线缆经过所述机身的接线舱接入母机，以进行系统有线遥控和数据实时传输；在系统非作业时，充电线缆、数据传输线缆经过所述机身的接线舱接入母机，以实现系统充电、数据传递或系统固件维护升级；
所述机身的内部为分层结构；所述机身还包括上舱室，用于安装前后推进装置，所述机身还包括位于所述上舱室下侧的中舱室，用于放置各类模块、各类元器件和升降推进器，所述机身还包括位于所述中舱室下侧的下舱室，用于安装左右推进器，所述机身还包括位于所述下舱室的底舱，用于收纳固定子机，并收纳子机对应的束线装置；
所述各类模块和各类元器件包括：
摄像模块，用于实时采集系统正前方图像，进而用于正前方数据存储和图传控制；
主板，用于安装各模块和接口；
蓄电池组，用于为母机和子机供电；
图像处理模块，用于对母机和各子机采集的原始图像进行处理、传输和存写；
主板接口组，用于数据读取和系统固件维护升级；
充电接口，用于在非作业时，为蓄电池组充电；
控制模块，用于实现时限对系统的各类控制；
图传模块，用于对母机的摄像模块和各子机的子机摄像节所采集的原始图像进行压缩处理，并传输至地面后台；
测距模块，用于接收图像处理模块、惯导模块和各子机的第一激光接收模块、第一激光发射模块、第二激光发射模块、第二激光接收模块和子机惯导及控制模块输出的数据，处理并实现实时的坐标计算、系统定位、多点测距和区域放样；
惯导模块，用于记录母线的角速度和三轴的加速度数据，并处理解算母机和子机的相对坐标变化；
所述子机包括：
子机摄像节，用于实时采集子机端头图像，进而用于数据存储和图传控制；第一激光接收模块，用于接收第一激光发射模块的激光相位，并将数据通过脐带缆接口传输至测距模块；
第一激光发射模块，可绕子机主轴旋转，配有一个激光发射器，用于测定子机和目标间的距离；
第二激光发射模块，可绕子机主轴旋转，配有一个激光发射器，用于测定子机和其他子机间的距离；
第二激光接收模块，用于接收第二激光发射模块的激光相位，并将数据通过脐带缆接口传输至母机的脐带缆接口；
子机惯导及控制模块，用于记录子机的角速度和三轴的加速度数据，并用于处理实现对子机的各类控制；
子机动力模块，用于根据对子机下达的运动指令，控制调节子机推进器的各电机的开关和转速；
子机推进器，用于实现子机在单一方向上的运动；
脐带缆接口，用于连接脐带缆，实现子机的供电和信号控制；
激光发射器，用于定向发射单束激光。
2.如权利要求1所述的水下工程测量子母式潜航器系统，其特征在于，所述子机的数量为四个；所述底舱为倒立的正四棱台结构，用于收纳固定四个子机。
3.如权利要求1所述的水下工程测量子母式潜航器系统，其特征在于，所述子机动力模块为正三棱锥台结构，安装三个子机推进器。
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