CN115806025B - 一种水上动力测绘无人船及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水上动力测绘无人船及其应用方法，涉及水下地形测绘平台技术领域，解决现有技术中水下地形测量受外界环境影响大、测量成本较高，安全系数低，船只大造成测量范围受限，容易被水下物体的缠绕，入水解救人身安全隐患大，测绘数据精确度差的技术问题。其包括水上无人船船体、远程遥控器和测深仪主机，水上无人船船体为三体折叠式结构，其包括中间船体和其两侧对称安装的动力船，中间船体两侧分别通过折叠机臂与动力船可旋转伸缩连接；中间船体后方底部安装可转动连接的测深换能器；两侧动力船上的动力装置分别通过中间船体内部的航行动力控制单元控制动能装置的动力输出参数，来控制整个水上动力测绘无人船的运动。

Description

一种水上动力测绘无人船及其应用方法

技术领域

本发明涉及水下地形测绘平台技术领域，具体为一种水上动力测绘无人船及其应用方法。

背景技术

水下地形测量是工程测量中的一种特定测量工作，主要测量江河、湖泊、水库、港湾和近海水底点的平面位置和高程，用以绘制水下地形图。近些年来，随着水利事业的快速发展，以及对水资源的日益重视，河道、水库的地理信息得到了越来越多的关注。其中对河道和水库的地形等数据的获取，成为关注焦点，相关设计规划等部门急需河道、水库数据来掌握现实状况，从而可以有效地进行河道清淤、疏浚以及抗洪抢险，同时能够科学评定水库蓄洪能力、水库安全等级等情况。

水下地形测量主要采用声学和光学设备进行数据采集。现有技术中，水下地形测量主要分为两种方式，一是由人员在船上操作设备进行测量，由于受到人力、物力、环境、测量时间的影响，这种方式往往成本较高，安全系数低，还存在船只大，测量范围受限的问题。例如在河水湍急、大风大浪环境下测量船只摇摆导致测量速度慢、精度低；测量员在船只上操作容易落水，危及测量员生命安全；测量船只比较大，无法获取沿岸等狭窄区域水底信息。

另一种方式是将测量设备集成在无人船上进行测量，现有技术中的水下动力测量无人船动力方式多为水下动力，水下动力测量无人船通过水下电机的旋转带动螺旋桨作用于水来获取前进动力。而现有的水下动力测量无人船存在很多不足，如：水下动力测量无人船在水草丛生、渔网密布的水域，无法克服水草、渔网等水下物体的缠绕，容易出现螺旋桨缠绕现象，堵塞螺旋桨，致使无人船失去动力无法运转，无人船在水域内无法行进，操作人员不得不进入水中进行解救，水下作业给营救人员带来人身安全隐患。

同时，传统船型的水下动力测量无人船在行进中若发生横摇难以控制，特别是转向过程中尤为明显，加之测深超声波换能器固定在船底，船体横摇导致超声波无法垂直发射到水底，带来点位与实际测点不符，尤其在水体深度较大的区域，超声波在不同密度水层间会因为倾斜摄入而产生巨大折射，进而带来水深测绘数据和点位的不对应。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了一种结构设计灵活巧妙，可折叠结构满足小型化需求，可使用范围广，测量数据受环境影响小、误差小、准确度和精确度显著高，测量成本低，有效避免水下被缠绕情况发生，测量无人船入水后可依据规划航线自主测量，完全脱离人员干扰，极大地提升了作业效率，降低作业成本，提高技术人员人身安全的水上动力测绘无人船及其应用方法。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提供的水上动力测绘无人船，包括水上无人船船体、远程遥控器和测深仪主机，水上无人船船体为三体折叠式结构，其包括中间船体和其两侧对称安装的动力船，中间船体两侧分别通过折叠机臂与动力船可旋转伸缩连接；

中间船体后方底部安装可转动连接的测深换能器；

动力船船体包括浮力平台、动力装置和动能装置，动力装置和动能装置均布设在浮力平台上，其中动力装置设于浮力平台的顶部舱板上，动能装置与动力装置电连接，两侧动力船上的动力装置分别通过中间船体内部的航行动力控制单元控制动能装置的动力输出参数，来控制整个水上动力测绘无人船的运动。

优选的，动力船的浮力平台从前到后包括相互连接的船体首部的破水模块装置、船体中部的连接模块装置和船体尾部；

动力船船舱的后盖通过内置螺栓固定在船舱尾部，动能装置通过打开动力船船舱的后盖，安装在浮力平台内部空间的箱体中；后盖上还设有排水口；

中间船体底部整体呈下圆上方结构，且上下结合面有凸起过渡面连接，在靠近前部开始缓慢向上，结束于下方防撞体；

中间船体顶部舱板上设有设备舱，设备舱的上部还设有主机舱盖板，设备舱内部安装有测深仪主机，且其下方用于走线和防水的接触器；中间船体内还安装有传感器、线缆和总数据处理电路板。

优选的，动能装置包括电池、电子调速器和温度传感器，电池安置在浮力平台内部，温度传感器固定于电池、电子调速器表面；动能装置的电池分别与电源控制开关和用电设备连接；

动力装置包括动力螺旋桨装置和动力电机，动力电机与浮力平台内部的电子调速器和电池通过线缆电连接；

动力螺旋桨装置包括螺旋桨和可调节竖向设置的折叠动力机臂，折叠动力机臂底部固定于中间船体后方的顶部舱板上，且其上部固定设有动力安装基座，动力安装基座后侧壁上固接有动力电机，动力电机的转轴与螺旋桨传动连接；

折叠动力机臂内部连接两侧动力供电线，折叠动力机臂内部的电调信号线与中间船体内部的航行动力控制单元连接；

动力船前部顶部舱板上设有与折叠动力机臂相匹配的折叠机臂卡接基座，位于折叠机臂卡接基座外侧设有把手。

优选的，动力装置的折叠动力机臂底部插入中间船体后方的顶部舱板上的第一安装孔内；

中间船体的两侧壁分别向内凹陷设有与折叠机臂一端相匹配的第一机臂安装凹槽；两侧动力船的内侧壁均向内凹陷设有与折叠机臂另一端相匹配的第二机臂安装凹槽；

线缆走线通过折叠动力机臂内部，绕过第一安装孔进入折叠机臂，与中间船体内部的总数据处理电路板连接，折叠动力机臂内部的电机供电线也通过内部走线的方式与中间船体内部的动力控制单元连接。

优选的，折叠机臂的一端设有第一铰转轴接头，第一铰转轴接头端部为中间设有竖向通孔的第一转轴，第一铰转轴接头插入中间船体两侧的第一机臂安装凹槽中，通过竖向穿过且固定于顶部舱板上的船体固定轴、竖向插入第一转轴竖向通孔中，实现其折叠机臂与中间船体之间的可转动连接；

折叠机臂的另一端设有可卡接入动力船内侧壁中的第二连接座，第二连接座端部为中空的环状结构；

折叠动力机臂贯穿于第一安装孔并延伸至第二连接座的环状结构中、并固定于连接模块装置内，使折叠机臂与动力船之间可转动连接。

优选的，其还设有横向贯穿中间船体前端的前紧固杆，前紧固杆的一端从一个动力船中部安装孔横向穿过后，再横向穿过中间船体上的横向紧固杆安装孔后，再横向穿过另一个动力船中部安装孔后，其两端通过前紧固杆螺丝进行横向限位。

优选的，其上安装有与远程遥控器电信号连接的双天线定位、定向装置：前卫星定位天线和主卫星定位天线，具体为：前卫星定位天线通过前卫星定位天线安装盖和前卫星定位天线安装基座固接于中间船体的舱体顶部舱板前部，主卫星定位天线通过主卫星定位天线安装盖和主卫星定位天线安装基座固接于中间船体的舱体顶部舱板后部；

位于中间船体前端还安装有24GHz毫米波雷达，毫米波雷达通过雷达遮盖和雷达安装基座进行防水固定安装。

优选的，测深换能器的探头通过测深换能器安装外壳可转动连接于中间船体船体尾部船舱的底部；

测深换能器安装外壳整体呈横向设置的圆柱体，圆柱体中心轴线为测深换能器的旋转轴，测深换能器安装外壳旋转轴的前端连接舵机，其后端通过轴承转轴与中间船体的后侧壁可转动连接；

位于测深换能器安装外壳内部还安装有与总数据处理电路板连接的下方姿态传感器。

优选的，中间船体的设备舱顶部主机舱盖板上还安装有摄像头模块，摄像头模块上集成有摄像头、无线电接收机和天线，摄像头模块的底座中内嵌有无线电接收机，主机舱盖板上安装有摄像头和大灯模块，主机舱盖板的后部接有天线；

位于摄像头前端的主机舱盖板上还安装有电源指示灯、电源总开关状态指示灯。

上述任何一种的水上动力测绘无人船的应用方法，包括以下步骤：

使用过程：

（1）船体入水前：

a.船体平放于地面，握住动力船船舱边缘把手，向外水平拉动，直至折叠机臂完全伸展，垂直于动力船船舱和中间船体；

b.取前紧固杆从动力船船舱外侧的中部安装孔插入，贯穿中间船体的横向紧固杆安装孔，至穿过另一侧动力船的中部安装孔外侧，然后用前紧固杆螺丝将前紧固杆的两端与动力船固定；

c.将平放在动力船船舱顶部舱板上的折叠动力机臂向上提起，使其脱离折叠机臂卡接基座，扶正以后，卡正折叠动力机臂上的旋钮，保持机臂竖直状态；

（2）船体入水后：

无人船测量前自检过程，通过状态指示灯的4颗LED灯珠闪烁情况观察具体过程：4颗LED长闪1次后，快闪2次，代表无人船上电自检开始；4颗LED同时等时间间隔不停闪烁，代表数据存储的TF卡未安装；LED1闪烁1次代表收到2次雷达信号；LED2闪烁1次代表存储一次测绘数据；LED3闪烁代表遥控控制信号接收；LED4闪烁一次代表测深仪测量2次数据；

自检通过后开始水上航行检测。

本发明具备以下有益效果：

（1）本发明的水上动力测绘无人船及其应用方法，结构设计科学巧妙，可旋转折叠结构满足小型化需求，可使用范围广，测量数据受环境影响小、误差小、准确度和精确度显著高，有效避免水下被缠绕情况发生，安全系数高，维护成本低。测量无人船入水后可依据规划航线自主测量，完全脱离人员干扰，极大地提升了作业效率，降低作业成本，提高技术人员人身安全。

采用三体折叠式结构，结构设计稳固巧妙，使用寿命长，制作成本低；测量时，折叠机臂为展开状态，整体在水上运行更平稳，且测绘中转弯半径小，行驶平稳性高，显著提高行驶精度，满足实际测量环境需求，小型化可适用范围广，显著提高其水下测量的准确度和精确度。

（2）本发明的水上动力测绘无人船及其应用方法，动力装置设置在两侧动力船上方，双螺旋桨叶旋转，采用水上差速风动力驱动，船体动力更加强劲，提高了电力使用效率；同时，水上螺旋桨不受水下环境影响，避免了水下渔网及水草对无人船的干扰，使用操作安全性高，进一步提高水上行驶过程中的额灵活性和精度控制，可满足在各类水环境中行驶需求，提高水下测量的精确度。

（3）本发明的水上动力测绘无人船及其应用方法，中间船体船底部设置的可旋转测深换能器装置，该结构能够实现测深换能器装置内的测深换能器横向变换角度，以补偿横摇，实现测深换能器竖直向下的功能，减小因船体横摇引起的测量数据不精确问题，显著提高其测量数据的精确度。

（4）本发明的水上动力测绘无人船及其应用方法，中间部分的中间船体包含传感器，可实现数据处理、记录等功能；两侧动力船内置电池，外置电机和螺旋桨，这种方式可以将大部分线缆集成在中间船体内部，仅通过折叠机臂内部连接两侧动力供电和信号线，能够有效降低故障率，使用和维修成本低，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明水上动力测绘无人船运行状态的立体结构示意图；

图2为图1的爆炸结构示意图；

图3为本发明水上动力测绘无人船中间船体爆炸结构示意图；

图4为本发明水上动力测绘无人船动力船爆炸结构示意图；

图5为本发明水上动力测绘无人船折叠机臂结构示意图；

图6为图1正视图结构示意图；

图7为图1后视图结构示意图；

图8为图1左视图结构示意图；

图9为本发明水上动力测绘无人船折叠状态的立体结构示意图；

图10为图9正视图结构示意图；

图11为图9俯视图结构示意图；

图12为图11中A-A剖视图的结构示意图；

图13为图9后视图结构示意图；

图14为图13中B-B剖视图的结构示意图。

图中：1、中间船体；101、第一机臂安装凹槽；2、动力船；201、破水模块装置；202、连接模块装置；203、后盖；204、排水口；206、第一安装孔；207、第二机臂安装凹槽；208、折叠机臂卡接基座；209、把手；3、折叠机臂；301、第二连接座；303、第一铰转轴接头；4、折叠动力机臂；401、动力安装基座；5、动力电机；6、螺旋桨；7、设备舱；701、前卫星定位天线安装基座；705、主卫星定位天线安装基座；706、前卫星定位天线安装盖；708、主机舱盖板；709、摄像头模块；8、横向紧固杆安装孔；9、测深换能器安装外壳；10、雷达安装基座；1001、雷达遮盖；11、前紧固杆；12、探头。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-14，本发明提供一种技术方案：

如图1-图3所示，本发明提供的水上动力测绘无人船，测绘无人船使用全封闭设计，防止船舱进水，两侧动力船2和中间船体1配备测温模块，可实时监测舱内温度变化，确保无人船运行安全。具体包括水上无人船船体、远程遥控器和测深仪主机，水上无人船船体为三体折叠式结构，其包括中间船体1和其两侧对称安装的动力船2，中间船体1两侧分别通过折叠机臂3与动力船2可旋转伸缩连接。本发明的水上动力测绘无人船，还设有横向贯穿中间船体1前端的前紧固杆11，前紧固杆11的一端从一个动力船2中部安装孔横向穿过后，再横向穿过中间船体1上的横向紧固杆安装孔8后，再横向穿过另一个动力船2中部安装孔后，其两端通过前紧固杆螺丝进行横向限位。其主要优点如下：一是，本发明的动力由在两侧动力船2船舱上方的动力电机5提供，使用螺旋桨叶，使得船体动力更加强劲，提高了电力使用效率的同时，也避免了水下渔网及水草对无人船的干扰。二是，本发明的水上动力测绘无人船，船体充分考虑运输便捷、运行平稳两个方面，使用折叠设计，折叠状态无人船小巧，便于运输；展开状态下无人船如铺开的平板，重量分布在外围，难以从任何一个角度倾覆，行驶平稳。三是，测量无人船使用三体结构，两侧动力船2船舱各放一组电池，可连续作业时长24小时。四是，无人船三体尺寸，设计成折叠后恰好只有一个船体的长度，展开后整体长度增加，宽度增加，尽可能发挥了水平方向折叠的优点。

如图11-图14所示，中间船体1后方底部安装可转动连接的测深换能器。测深换能器的探头12通过测深换能器安装外壳9可转动连接于中间船体1船体尾部船舱的底部。测深换能器安装外壳9整体呈横向设置的圆柱体，圆柱体中心轴线为测深换能器的旋转轴，测深换能器安装外壳9旋转轴的前端连接舵机，其后端通过轴承转轴与中间船体1的后侧壁可转动连接。位于测深换能器安装外壳9内部还安装有与总数据处理电路板连接的下方姿态传感器。本发明的水上动力测绘无人船中的测深换能器的探头12拥有独立横扫装置，能够左右横扫测量，也可使用垂直跟踪模式，保持测深换能器始终垂直向下，消除横摇带来的测绘误差。测深换能器安装外壳9能带动换能器的探头12转动的结构能够实现测深换能器横向变换角度，利用测绘数据卡中下方姿态仪的数据，可以反向旋转，以补偿横摇，实现测深换能器竖直向下的功能；也可以定时水平方向旋转，实现横扫功能。另外该部件内部装有姿态传感器，与测深换能器线束一同进入主船舱，数据记录在测量数据中。测深换能器安装外壳9与船体安装完成后，整体呈平顺曲面，且测深换能器安装外壳9在任何旋转角度都能保持这种外观形状，这种外形可以有效防止行驶中挂住水草、鱼线等，并且流线型能够避免船体与水之间产生气泡，导致超声波传播介质的改变。如图7-图10所示动力船2船体包括浮力平台、动力装置和动能装置，动力装置和动能装置均布设在浮力平台上，其中动力装置设于浮力平台的顶部舱板上，动能装置与动力装置电连接，两侧动力船2上的动力装置分别通过中间船体1内部的航行动力控制单元控制动能装置的动力输出参数，来控制整个水上动力测绘无人船的运动。动力装置的动力螺旋桨装置、动力电机5为整个水上动力测绘无人船提供动力来源和方向调控的作用。

动力船2的浮力平台从前到后包括相互连接的船体首部的破水模块装置201、船体中部的连接模块装置202和船体尾部；浮力平台作为动力船2的主要壳体结构，承载动力装置和动能装置的各项设备，同时由折叠机臂3和前紧固杆11实现两侧的动力船2与中间船体1的有效展开支撑固定连结和一起收缩折叠便于收起的状态调节，满足实际使用与收纳需求，操作省时省力，显著提高工作效率。三体船型加折叠机臂3和前紧固杆11的结构，即可满足使用过程中三体连接强度，又能方便的拆卸，使折叠机臂3发挥旋转折叠作用。

动力船2船舱的后盖203通过内置螺栓固定在船舱尾部，动能装置通过打开动力船2船舱的后盖203，安装在浮力平台内部空间的箱体中；后盖203上还设有排水口204；动力船2船舱后盖203采用螺母固定密封，仅在电池更换检修时打开，底部排水口204可用于舱内意外进水的排出。动力船2的主机舱有电池充电接口，可直接为船舱内两块电池充电，从而避免日常频繁打开关闭，影响船体密闭性能。

中间船体1底部整体呈下圆上方结构，且上下结合面有凸起过渡面连接，在靠近前部开始缓慢向上，结束于下方防撞体，此种结构设计的中间船体1一方面可以传导中间船体1行驶过程中前方水体的撞击力；另一方面可以在保持中间船体1下方在水中的流线型，减少阻力，并在加速行驶时，水浪托起中间船体1底部凸起部位，提供向上的升力，保持船体在各速度中的相对稳定。测绘展开状态，浮力点均匀分布在外围，船体有效宽度大，分布在左右两侧的动力能够有效提供转向扭矩，实现原地旋转，减小测绘中转弯半径，有效提高行驶精度，能够在小水深、窄通道中精确行驶，提高水下地形测绘的航线精度。

测量无人船中间船体1头部为密闭壳体，内部使用轻巧的泡沫胶填充，即增加无人船抗碰撞能力，也可防止强碰撞后无人船进水。

中间船体1顶部舱板上设有设备舱7，设备舱7的上部还设有主机舱盖板708，设备舱7内部安装有测深仪主机，且其下方用于走线和防水的接触器；中间船体1内安装有传感器、线缆和总数据处理电路板。这种方式可以将大部分设备与传感器都集成在中间船体1内部，仅通过折叠机臂3内部连接两侧动力供电线、信号线，降低故障率。

动能装置包括电池、电子调速器和温度传感器，电池安置在浮力平台内部，温度传感器固定于电池和电子调速器表面，动能装置的电池分别与电源控制开关和用电设备连接。动能装置中的电池装置为整个船体所有用电设备供电，密封在动力船2船舱内部，温度传感器可实时监测电池温度，保障船体的安全使用。电池与温度传感器，集成封装于透明保护盒中，在方便观察电池状态的同时，增加防水性能，避免舱内进水后影响电池性能，提高了船体的整体可靠性。

动力装置包括动力螺旋桨装置、动力电机5及附属线缆，动力电机5与浮力平台内部的电子调速器和电池通过线缆电连接；动力螺旋桨装置包括螺旋桨6和可调节竖向设置的折叠动力机臂4，折叠动力机臂4底部固定于中间船体1后方的顶部舱板上，且其上部固定设有动力安装基座401，动力安装基座401后侧壁上固接有动力电机5，动力电机5的转轴与螺旋桨6传动连接；折叠动力机臂4用于连接动力电机5和动力船2船舱。折叠动力机臂4内部连接两侧动力供电线、信号线，折叠动力机臂4内部的电调信号线与所述中间船体1内部的航行动力控制单元连接。两侧动力船2上的双螺旋桨6设计使无人船对称美观大方的同时，也减小测量无人船在水域的转弯半径，甚至可以实现原地掉头，让无人船运行更加灵活。

另外，本发明的水上动力测绘无人船，船体有效宽度大，分布在中间船体1左右两侧的动力装置能够有效提供转向扭矩，实现原地旋转，减小测绘中转弯半径，有效提高行驶精度，能够在小水深、窄通道中精确行驶，提高水下地形测绘的航线精度。

动力船2前部顶部舱板上设有与折叠动力机臂4相匹配的折叠机臂卡接基座208，折叠动力机臂4的设计，使其竖起状态正好够满足螺旋桨6安全运行空间，折叠平躺状态螺旋桨6最前方不长于动力船2船体尺寸，避免增加本发明无人船占用空间，且用于固定折叠机臂卡接基座208，不仅能够将折叠动力机臂4在运输中固定起来，防止其损坏，还能防止动力安装基座401在折叠或运输时撞击动力船2船体，有效避免动力船2船体的损坏。

位于折叠机臂卡接基座208外侧设有把手209，测量无人船设置四个把手209，其中两个把手209在重心两侧，另外两个把手209在尾部，满足两人短距离抬运。

动力装置的折叠动力机臂4底部插入贯穿中间船体1后方的顶部舱体顶部舱板上的第一安装孔206内；中间船体1的两侧壁分别向内凹陷设有与折叠机臂3一端相匹配的第一机臂安装凹槽101；两侧动力船2的内侧壁均向内凹陷设有与折叠机臂3另一端相匹配的第二机臂安装凹槽207；线缆走线通过折叠动力机臂4内部，绕过第一安装孔206进入折叠机臂3，与中间船体1内部的总数据处理电路板连接，折叠动力机臂4内部的电调信号线也通过内部走线的方式与中间船体1内部的航行动力控制单元连接。电缆通孔作为两侧动力船2船体与中间船1船体电缆走线通孔，电缆从折叠机臂3中穿出，绕与船体固定轴同心的绕线盘一周，再顺绕线盘切线方向经过电缆通孔进入中间船体1内部，电缆通孔上安装的防水线缆接头起防水作用。这样可以减少线缆的弯折疲劳；另外，两个电缆通孔上下错开，使得防水接头安装空间纵向分布，减少安装难度，增加船体内部空间的利用率。所以本发明的测量无人船设计，充分考虑三体无人船线路连接适用和美观，采用连接杆内走线方式，设计线路绕回装置，即使无人船外表美观，又可避免无人船折叠时电线的磨损。

折叠机臂3的一端设有第一铰转轴接头303，第一铰转轴接头303端部为中间设有竖向通孔的第一转轴，第一铰转轴接头303插入中间船体1两侧的第一机臂安装凹槽101中，通过竖向穿过且固定于顶部舱板上的船体固定轴、竖向插入第一转轴竖向通孔中，实现折叠机臂3与中间船体1之间的可转动连接。最后封住顶部舱板上的船体固定轴上部即可满足防水要求。该结构卡槽设计一方面提高了折叠机臂3安装效率；另一方面，第一机臂安装凹槽101与第一铰转轴接头303的基座配合，有效分担了折叠机臂3转轴的受力，提高第一机臂安装凹槽101的寿命。第一机臂安装凹槽101为左右对称的布局，用于安装两根机臂，连接两侧船体的电源线、信号线，从第一机臂安装凹槽101安装的防水电缆固定头通过，在紧固前内涂防水软胶。

折叠机臂3的另一端设有可卡接入动力船2内侧壁中的第二连接座301，第二连接座301端部为中空的环状结构，折叠动力机臂4贯穿于第一安装孔206并延伸至第二连接座301的环状结构中、并固定于连接模块装置202内，使折叠机臂3与动力船2之间可转动连接。

本发明的水上动力测绘无人船，其上安装有与远程遥控器电信号连接的双天线定位、定向装置：前卫星定位天线和主卫星定位天线，具体为：前卫星定位天线通过前卫星定位天线安装盖706和前卫星定位天线安装基座701固接于中间船体1的舱体顶部舱板前部，主卫星定位天线通过主卫星定位天线安装盖和主卫星定位天线安装基座705固接于中间船体1的舱体顶部舱板后部。该无人船采用了双天线定向技术，一前一后的天线安装方式，可以最大化利用船体长度，提高定向精度。无人船采用的双天线定位、定向，定位数据主要提供给无人船行驶，水下地形点位置存储，所以采用了主天线安装在后方，并在测深的换能器上方，这样的设计能同时满足上述两个要求。用于参与定向的副天线设置在中间船体1的最前方，可以有效的增加两个天线间的距离，因为定向精度为0.2°/R（R:两天线距离），这样的设计有效的利用了船体总长，增加定向精度。

位于中间船体1前端还安装有24GHz毫米波雷达，毫米波雷达通过雷达遮盖1001和雷达安装基座10进行防水固定安装。毫米波雷达安装在雷达安装基座10内部，利用雷达遮盖1001进行封闭，并在两部件接触面涂防水软胶，特别的是，利用雷达波测动不测静的特性，雷达遮盖1001形状尺寸将雷达波束缚在无人船船体范围内，最大限度的减少了错误识别障碍物的概率。采用毫米波雷达及雷达波束缚结构，精确采集无人船船体区域内小至芦苇杆障碍物距离数据，配合控制算法，有效实施实现自动防撞。雷达安装基座10下方有一个较长的凸起，该结构可以有效屏蔽照射水面的雷达波束，另外，能够将翻上来的水花压下去，在给船体提供一个向上的力之外，还能避免水花造成雷达误测。

如图2-图3所示，中间船体1的设备舱7顶部主机舱盖板708上还安装有摄像头模块709，摄像头模块709上集成有摄像头、无线电接收机和天线，摄像头模块709的底座中内嵌有无线电接收机，主机舱盖板708上安装有摄像头和大灯模块，主机舱盖板708的后部接有天线；无线电接收机处于船体的上部，设备线缆从槽内向前进入主船舱，最终接入测绘数据卡舱盖下方的电路板。中间船体1的设备安装层基本布设在船体上部，吃水线以上，线缆及接触器安装在吃水线以下，这样的构造可以有效防止船体在运行中受损带来的进水损坏设备。

位于摄像头前端的主机舱盖板708上还安装有电源指示灯、电源总开关状态指示灯，状态指示灯为4颗LED灯珠。电源指示灯、状态指示灯和摄像头模块709的前后相对关系的布局，可以将指示灯状态纳进无线视频中，实现在数传信号传输状态的同时，能通过视频查看无人船的具体状态，增加可靠性，可以将无线传输到遥控器的视频画面，模拟舵手在无人船上驾驶的视角，从画面中可以看到无人船的工作状态，因为图传和数传是分开的链路，所以相当于给操控人员另外一个掌握无人船状态的冗余方式。

本发明的水上动力测绘无人船，船体制造过程可以使用3D打印技术生产，分段打印的方式开展，拼接处采用内嵌接环，防水胶固定的方式连接，有效减少了3D打印的技术难点，便于制造，制作成本低。

本发明的水上动力测绘无人船，在船体上面安装各类设备，编写相关单片机程序对无人船各个部件进行控制，实现自动化的水下测绘。本发明的水上动力测绘无人船的工作原理或使用过程如下：

使用过程：

（1）船体入水前：

a.船体平放于地面，握住动力船2船舱边缘把手209，向外水平拉动，直至折叠机臂3完全伸展，垂直于动力船2船舱和中间船体1；

b.取前紧固杆11从动力船2船舱外侧的中部安装孔插入，贯穿中间船体1的横向紧固杆安装孔8，至穿过另一侧动力船2的中部安装孔外侧，然后用前紧固杆螺丝将前紧固杆11的两端与动力船2固定；

c.将平放在动力船2船舱顶部舱板上的折叠动力机臂4向上提起，使其脱离折叠机臂卡接基座208，扶正以后，卡正折叠动力机臂4上的旋钮，保持机臂竖直状态；

（2）船体入水后：

无人船测量前自检过程，可通过状态指示灯的4颗LED灯珠闪烁情况观察具体过程：4颗LED长闪1次后，快闪2次，代表无人船上电自检开始；4颗LED同时等时间间隔不停闪烁，代表数据存储的TF卡未安装；LED1闪烁1次代表收到2次雷达信号；LED2闪烁1次代表存储一次测绘数据；LED3闪烁代表遥控控制信号接收；LED4闪烁一次代表测深仪测量2次数据。

自检正常后开始水上航行检测。

本发明的水上动力测绘无人船，整体为封装式测绘平台，所有器件集成在中间船体1和两侧动力船2船体之内，无人船外部部分仅有充电接口和总电源开关，配合一体式遥控器进行配置，预检及测绘任务实施，船体状态、水深数据、测深换能器姿态、无人船第一视角视频、电池和电机驱动器温度等数据均在遥控器上实时显示，操作简便，集成度高、进而提高测绘可靠性和可控性。

综上，本发明的水上动力测绘无人船，结构设计科学巧妙，可折叠结构满足小型化需求，可使用范围广，测量无人船入水后可依据规划航线自主测量，完全脱离人员干扰，极大地提升了作业效率，降低作业成本，提高技术人员人身安全；测量数据受环境影响小、误差小、准确度和精确度显著高，测量成本低，有效避免水下被缠绕情况发生，安全系数高，维护成本低。测量无人船船体使用3D打印技术制造，能够模块化打印船体复杂结构及内部零件，高效稳定同时结构质量稳固。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水上动力测绘无人船，其特征在于，包括水上无人船船体、远程遥控器和测深仪主机，所述水上无人船船体为三体折叠式结构，其包括中间船体（1）和其两侧对称安装的动力船（2），所述中间船体（1）两侧分别通过折叠机臂（3）与所述动力船（2）可旋转伸缩连接；

所述中间船体（1）后方底部安装可转动连接的测深换能器；所述测深换能器的探头（12）通过测深换能器安装外壳（9）可转动连接于所述中间船体（1）船体尾部船舱的底部；所述测深换能器安装外壳（9）整体呈横向设置的圆柱体，所述圆柱体中心轴线为所述测深换能器的旋转轴，所述测深换能器安装外壳（9）旋转轴的前端连接舵机，其后端通过轴承转轴与所述中间船体（1）的后侧壁可转动连接；

所述动力船（2）船体包括浮力平台、动力装置和动能装置，所述动力装置和动能装置均布设在所述浮力平台上，其中所述动力装置设于所述浮力平台的顶部舱板上，所述动能装置与所述动力装置电连接，两侧所述动力船（2）上的所述动力装置分别通过所述中间船体（1）内部的航行动力控制单元控制所述动能装置的动力输出参数，来控制整个水上动力测绘无人船的运动；

还包括横向贯穿所述中间船体（1）前端的前紧固杆（11），所述前紧固杆（11）的一端从一个所述动力船（2）中部安装孔横向穿过后，再横向穿过所述中间船体（1）上的横向紧固杆安装孔（8）后，再横向穿过另一个所述动力船（2）中部安装孔后，其两端通过前紧固杆螺丝进行横向限位；

所述动力装置包括动力螺旋桨装置和动力电机（5），所述动力电机（5）与所述浮力平台内部的电子调速器和电池通过线缆电连接；所述动力螺旋桨装置包括螺旋桨（6）和可调节竖向设置的折叠动力机臂（4），所述折叠动力机臂（4）底部固定于所述中间船体（1）后方的顶部舱板上，且其上部固定设有动力安装基座（401），所述动力安装基座（401）后侧壁上固接有所述动力电机（5），所述动力电机（5）的转轴与所述螺旋桨（6）传动连接；

所述折叠动力机臂（4）内部连接两侧动力供电线，所述折叠动力机臂（4）内部的供电线与所述中间船体（1）内部的航行动力控制单元连接；所述动力装置的折叠动力机臂（4）底部插入所述中间船体（1）后方的顶部舱板上的第一安装孔（206）内；

所述中间船体（1）的两侧壁分别向内凹陷设有与所述折叠机臂（3）一端相匹配的第一机臂安装凹槽（101）；两侧所述动力船（2）的内侧壁均向内凹陷设有与所述折叠机臂（3）另一端相匹配的第二机臂安装凹槽（207）；

线缆走线通过所述折叠动力机臂（4）内部，绕过所述第一安装孔（206）进入所述折叠机臂（3），与所述中间船体（1）内部的总数据处理电路板连接，所述折叠动力机臂（4）内部的电机供电线也通过内部走线的方式与所述中间船体（1）内部的航行动力控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种水上动力测绘无人船，其特征在于，所述动力船（2）的浮力平台从前到后包括相互连接的船体首部的破水模块装置（201）、船体中部的连接模块装置（202）和船体尾部；

所述动力船（2）船舱的后盖（203）通过内置螺栓固定在船舱尾部，所述动能装置通过打开动力船（2）船舱的后盖（203），安装在所述浮力平台内部空间的箱体中；所述后盖（203）上还设有排水口（204）；

所述中间船体（1）底部整体呈下圆上方结构，且上下结合面有凸起过渡面连接，在靠近前部开始缓慢向上，结束于下方防撞体；

所述中间船体（1）顶部舱板上设有设备舱（7），所述设备舱（7）的上部还设有主机舱盖板（708），所述设备舱（7）内部安装有所述测深仪主机，且其下方用于走线和防水的接触器；所述中间船体（1）内还安装有传感器、线缆和总数据处理电路板。

3.根据权利要求2所述的一种水上动力测绘无人船，其特征在于，所述动能装置包括电池、电子调速器和温度传感器，所述电池安置在浮力平台内部，所述温度传感器固定于所述电池、电子调速器表面；所述动能装置的电池分别与电源控制开关和用电设备连接；

所述动力船（2）前部顶部舱板上设有与所述折叠动力机臂（4）相匹配的折叠机臂卡接基座（208），位于所述折叠机臂卡接基座（208）外侧设有把手（209）。

4.根据权利要求1所述的一种水上动力测绘无人船，其特征在于，所述折叠机臂（3）的一端设有第一铰转轴接头（303），所述第一铰转轴接头（303）端部为中间设有竖向通孔的第一转轴，所述第一铰转轴接头（303）插入所述中间船体（1）两侧的第一机臂安装凹槽（101）中，通过竖向穿过且固定于所述顶部舱板上的船体固定轴、竖向插入第一转轴竖向通孔中，实现其所述折叠机臂（3）与所述中间船体（1）之间的可转动连接；

所述折叠机臂（3）的另一端设有可卡接入所述动力船（2）内侧壁中的第二连接座（301），所述第二连接座（301）端部为中空的环状结构；

所述折叠动力机臂（4）贯穿于所述第一安装孔（206）并延伸至所述第二连接座（301）的环状结构中、并固定于所述连接模块装置（202）内，使所述折叠机臂（3）与所述动力船（2）之间可转动连接。

5.根据权利要求2所述的一种水上动力测绘无人船，其特征在于，其上安装有与远程遥控器电信号连接的双天线定位、定向装置：前卫星定位天线和主卫星定位天线，具体为：所述前卫星定位天线通过前卫星定位天线安装盖（706）和前卫星定位天线安装基座（701）固接于所述中间船体（1）的舱体顶部舱板前部，所述主卫星定位天线通过主卫星定位天线安装盖和主卫星定位天线安装基座（705）固接于所述中间船体（1）的舱体顶部舱板后部；

位于所述中间船体（1）前端还安装有24GHz毫米波雷达，所述毫米波雷达通过雷达遮盖（1001）和雷达安装基座（10）进行防水固定安装。

6.根据权利要求1所述的一种水上动力测绘无人船，其特征在于，位于所述测深换能器安装外壳（9）内部还安装有与所述总数据处理电路板连接的下方姿态传感器。

7.根据权利要求2所述的一种水上动力测绘无人船，其特征在于，所述中间船体（1）的设备舱（7）顶部主机舱盖板（708）上还安装有摄像头模块（709），所述摄像头模块（709）上集成有摄像头、无线电接收机和天线，所述摄像头模块（709）的底座中内嵌有所述无线电接收机，所述主机舱盖板（708）上安装有所述摄像头和大灯模块，所述主机舱盖板（708）的后部接有天线；

位于所述摄像头前端的所述主机舱盖板（708）上还安装有电源指示灯、电源总开关状态指示灯。

8.根据权利要求1-7任何一项所述的一种水上动力测绘无人船的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用过程：

（1）船体入水前：

a.船体平放于地面，握住动力船（2）船舱边缘把手（209），向外水平拉动，直至折叠机臂（3）完全伸展，垂直于动力船（2）船舱和中间船体（1）；

b.取前紧固杆（11）从动力船（2）船舱外侧的中部安装孔插入，贯穿中间船体（1）的横向紧固杆安装孔（8），至穿过另一侧动力船（2）的中部安装孔外侧，然后用前紧固杆螺丝将前紧固杆（11）的两端与动力船（2）固定；

c.将平放在动力船（2）船舱顶部舱板上的折叠动力机臂（4）向上提起，使其脱离折叠机臂卡接基座（208），扶正以后，卡正折叠动力机臂（4）上的旋钮，保持机臂竖直状态；

（2）船体入水后：

无人船测量前自检过程，通过状态指示灯的4颗LED灯珠闪烁情况观察具体过程：4颗LED长闪1次后，快闪2次，代表无人船上电自检开始；4颗LED同时等时间间隔不停闪烁，代表数据存储的TF卡未安装；LED1闪烁1次代表收到2次雷达信号；LED2闪烁1次代表存储一次测绘数据；LED3闪烁代表遥控控制信号接收；LED4闪烁一次代表测深仪测量2次数据；

自检通过后开始水上航行检测。

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