【干货】教你认识水下无人船！

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0 1绪论

1.1常规水下地形测量

常规水下地形采用的是租赁小船、橡皮艇和人工直接下水的方式，测量设备采用RTK+测深仪或者信标机+测深仪的方式。租船+安装+校准，耗费时间长，而且租船成本高；皮划艇难以固定住测深仪的支架，精度难以达到要求；人工拿RTK测量效率低，水深精度无法保证，上诉三种方式都无法均匀测量整片水域，且在水域复杂的地区安全无法得到保障。

1.2 无人船水下地形测量

华微系列无人船是利用导航、通讯、自动控制等设备和软件，在岸基实时接收、处理并分析无人船系统所采集的数据。操控方式可通过手控式和自动式两种方式对无人测量船上面各传感系统进行操控。

0 2无人船的组成

2.1测深仪

一般的一体化测深仪放置于无人船上的测深仪在船离开岸边之后，就无法对其操作，也就无法实时查看测深数据。对测深仪的控制、软件参数的修改，只能在将无人船拖上岸之后才可进行。华微5号无人测量船搭载华测分体式D230测深仪，在岸上即可遥控，软硬件分离有效规避因设置测深仪导致船体频繁出入水而烦恼。

其特点主要有：

• 1）高精度：

  目前国内测深仪最高精度：测深精度为±1cm+0.1％×h（h为水深值），200KHz 专用高频超声换能器，专注于0.3-300浅水测深能力，完美解决浅水测量的困扰。

• 2）轻便小巧：

  高度集成电路成就小巧轻便的身材，整机尽0.9公斤，尺寸为：24cm×16cm×5cm，主机完全模块化设计，生产，检测，维修简单方便，预留二次开发的接口，为产品的进一步升级创造空间。

• 3）抗干扰强：

  先进的水深分析软件，自动过滤二次回波，专业的定深设置功能，剔除杂波的干扰，确保水深的正确性。

• 4）稳定可靠：

  先进的水底门跟踪技术和脉宽选择技术保证了在水底地形复杂情况下的数据稳定可靠。

2.2 RTK

目前RTK-GPS技术作为新一代的卫星导航定位方法，因其具备全天候、精度高、作用距离远、效率高的特点，与传统的测量方式相比有着巨大的优势，已被广泛的应用于各种工程测量之中。特别是水上施工定位、水下地形测量的广泛应用，使得GPS成为海上船舶定位必不可少的选择，极大的提高了工作效率，解决了常规仪器不能解决的问题。

2.3 船体

华微系列无人船采用高分子聚酯碳纤维和凯夫拉布作为无人船的主要材质，船体长度＜2m，其自重＜10Kg，独有的压网条和防水草密铁网，2km的网桥数据传输、低电量自动返航、严格的水密测试无一不是为安全、高效的生产保驾护航。

0 3无人船的工作原理

它利用导航、通讯、自动控制等设备和软件，在岸基实时接收、处理并分析无人船系统所采集的数据。操控方式可通过手控式和自动式两种方式对无人测量船上面各传感系统进行操控。

3.1 RTK技术原理

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。

3.2 水下地形测量无验潮原理

因RTK-GPS技术的不断完善，使得传统的仪器进行水深地形测量成为历史，此处的水深地形测量我们采用RTK无验潮测量的方式作业。RTK达到固定解以后可以设置输出ＧＰＧＧＡ定位信息的数据，测深仪通过串口接收到含ＷＧＳ８４经纬度的位置信息再由坐标系参数转化成当地平面坐标下ｘ，ｙ，ｈ的三维坐标。此时仪器获得的三维坐标是接收机相位中心的位置，通过设置天线至水面高可得到接收机正下方水面的坐标，我们使用测深仪的客户大部分是需要水下地形图即水底的各点位三维坐标，华测测深仪连接超声换能器可以测得仪器所在位置的水深数据，由水面三维坐标与水深值可以得到水下点位坐标。

0 4无人船的作业流程

4.1 测量前期准备

1）设备联通及测试

先将RTK基站准备好，做好点校正后，将无人船基站网桥架设完成，调试设备。正常运行，根据实际情况选择背包移动式测量或者定点搬站测量。

RTK基站架设

固定站网桥基站架设

2）规划测量

根据实际情况，根据现场环境情况，逐步规划测量区域。有需要补测的区域及时补测。

测区规划图

3）船体入水

华微3号下水一般由一人轻松完成，地形复杂地区一般由两人协作完成。

4.2 实施测量

1）测量前检查

主要从走线的顺序、线路的范围情况等做快速的检查，同时检查船目前的位置，为自动巡航测量做准备。

2）自动巡航测量

通过遥控器，将船切换为自动航行模式。

无人船在水中自动航行

软件工作界面

4.3成果后处理

1）水深取样

将测量完的数据按照成果要求，进行采样。采样前，将数据做平滑处理或者参考波形图文件做参考处理。最后根据项目需求，选择合适的采样间隔。

水深点采样界面

2）导出成果

经过后处理，测量成果可以导出为需要的格式

数据导出

3）成果展示

成果示意图

0 5无人船的优势

5.1 绝对直线技术

在顺逆流的时候船会自动调整推进器转速以保证自动模式的6节（约3m/s）的工作速度，切流方向工作时会自动调整推进器方向使得推进力产生水流方向的速度分量，即便在流速与流向不断变化的复杂工作环境中自动控制系统也会保证无人船在自动模式下绝对按照计划线航行。

自动模式直线测量

自动模式圆弧测量

5.2 提供不同的测量方式

根据不同的需求，提供不同的测量方式。根据距离，时间自动打点或者手动打点。

5.3 安全

与常规水下地形测量方式相比，无人船更加的安全可靠。

5.4 轻便

无人船重量仅不到10Kg，单人即可作业，携带运输方便。

0 6无人船的应用场景

无人船的应用场景主要有：浅谈、河流、湖泊、水库、鱼塘以及水域复杂等地区，主要用于水下地形及河流横断面测量。

浅滩作业图

水库作业图

河流作业图

6.1 案例介绍

6.1.1 珠海港珠澳大桥内侧水下地形测量

港珠澳大桥水下地形测量项目总面积7.2平方公里，项目要求20米一条测线，5米记录一个点，测量时间一周之内，该项目难点在于珠澳大桥交界处，非申报载人船不允许进入，因此使用常规水下地形测量无法完成；因此该项目采用了华测华微五号无人船，该船轻便易用，测量数据准确，满足项目需求，而且由于该区域靠近澳门地区，使用有人船申报手续较为繁琐，并且周期较长，落潮时由于浅滩较多，原有的测量船也容易搁浅，华微5号测量船吃水深度仅13公分，能够很好的解决搁浅的问题，无人船没有因申报及搁浅问题耽误项目进程，仅5天就完成了港珠澳大桥的水下地形测量项目。而且其自重10Kg的船体运输也比较方便。在水下地形测绘方面，属于非常先进的一种工作模式。

6.1.2 浙江杭州穿江地铁

杭州地铁6号线过江盾构隧道长距离穿越钱塘江沼气层和圆砾层等复杂地质，并且存在高承压水、潮汐变化等复杂的水文条件，因此面临许多特有技术难点和超高安全风险。为保障施工安全与工程质量，作为承建单位的中国中铁四局在国内首次引入无人测量船，解决过江盾构施工中江底地形探测不准和沉降观测难度大等难题，这在国际上也是首例。

6.2 方案介绍

6.2.1河长制方案

华测河长制方案，主要是以无人船为载体，针对不同的场景，搭配不同的仪器设备来助力河长制。

无人船+视频（水面垃圾巡逻）+水质仪（主要污染物含量检测）+单波束测深仪（水底地形变化分析淤积趋势）+4G 数据传输

华微3 号无人船搭载网络摄像头、GNSS 定位、单波束测深仪、水质仪等数据采集设备，通过 4G 网络传输将包括船体主控信息在内的所有数据上传到华测云端服务器，各用户端软件通过网络从华测云端获取相应数据。

0 7无人船的不足

无人船技术目前还存在一些缺陷：

一 在一些水域较浅（＜50cm）的地区，因为无人船吃水问题，无人船无法进行作业，需要人工测量；

二 在一些水草，芦苇较多的水域，其船桨易被缠绕，无法进行测量作业

三 在一些水域较为广阔的地区，由于无人船测量的数据要通过网桥实时把数据回传到控制电脑端，受限于网桥传输距离，无人船与电脑端距离不能超过两公里。在大面积水域测量时，就需要把电脑控制端放在有人船上面，实时跟随无人船测量。

尽管无人船技术还不是特别的完善，但相比于传统水下地形测量，无人船测量系统在水下地形测量上向前迈进的一大步，效率相比传统测量方式也得到大幅度的提高。

-END-