波兰海事研究，2017年第3期
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波兰海事研究 3 （95） 2017 Vol. 24;页码： 36-44
10.1515/pomr-2017-0088
自主/无人测量船（ASV/USV）在测深测量中的应用
塞扎里·斯佩克特、艾米利安·斯维塔尔斯基、马里乌什·斯佩克特
波兰格丁尼亚海事大学
抽象
从航行和运输安全的角度来看，测深图的准确性，特别是在沿海地区，非常重要。由于海床形状的不断变化，这些地图对于精确导航来说很快就会过时。因此，有必要定期进行测深测量，以使其保持最新状态。目前，波兰负责实施此类测量的机构（海事局、波兰海军水文局）都没有能够对浅水（深度低于1米）进行测量的水文船。这导致出现了没有获得测量数据的大面积区域，因此，沿海地区的地图相当不可靠。
本文介绍了使用自主无人测量船（ASV/USV）对浅水区进行测深的概念。为此，作者将带有标准无线电遥控系统的典型 ASV/USV 单元现代化为完全自主模式。作为现代化的一部分，创建了路线规划软件。开发的软件基于海岸线的GNSS测量或卫星图像工作。该系统由自己的自动驾驶仪（适用于飞行无人机）补充。此外，由于使用了自己的电子电路，控制电动机的方法发生了变化。
通过对波兰格但斯克蓄水库进行测深测量，验证了现代化的 ASV/USV 测量系统。然后，利用所得测量数据创建储层数字海底模型和测深图。
关键词：自主无人测量船（ASV/USV），测深测量，数字海底模型，测深图
介绍
21世纪初是将无人船用于各种测量应用的时代[22,27,29]。现代自主和无人驾驶船舶（自主水面航行器 - ASV，无人水面航行器 - USV）在船体和船舶推进的建造中提供了多种设计解决方案：单船体，带螺杆的双船体或无螺杆推进，吃水小。它们允许进入水库，由于浅水的存在而难以进入[22]。水深测量是水文测量的一部分，旨在测量海底地形，需要足够的定位精度[7,9]，因此在水文中使用无人船现在可以被视为该领域新时代的开始。
根据无人船的大小和排水量，其设备至关重要（特别是单波束和多波束类型的回声测深仪传感器）。单波束回声测深仪是小型设备，通常不需要运动参考单元 （MRU） 来确定空间方向。因此，它们可以安装在较小的容器上[12]。而多波束回声测深仪则放置在较大的测量船上[14]。
无人水文船的一个例子可能是水文测量无人机。它的主要优点是吃水小，即使装载回声测深仪换能器（20-30厘米）也是如此。这不仅可以执行内陆水域（包括低于1 m的深度）的精确地图，还可以确定领海基线的走向，例如波兰通常位于数十深度
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低于临时海平面的厘米。以前，由于船只吃水较大（0.6-3.3 m），并且在船头放置回声测深仪换能器，因此使用载人水文船无法进行此类测量[25,26]。它导致测量设备损坏，并出现了没有获得测量数据的大面积区域（由于海岸线和对1m等高线进行的测量之间的线性插值的影响，沿海地区的测深图不可靠）[12]。因此，对浅水区进行详细的测深测量似乎是合理的，以确保这些水域的航行和运输安全[6,30]。
无人测量船的自主控制
Seafloor公司的水文测量无人机需要进行一些重大更改，以便安装确保其自主性的系统。最初，每个浮子都有自己的凝胶电池，以及一个 RC 接收器、推动螺杆的无刷电机和电子速度控制 （ESC）。接收器的输出信号是电调的输入。因此，每个浮子都是一个独立的系统，这阻止了自主控制的引入。因此，决定改变无人机中电气连接的结构（图 1）。
图 1.无人机内部电气连接系统的差异（自己的研究）
设计的配电系统（图 2 和图 3）可以连接 2 个胶体电池（端子 + 12V IN）、主电源开关（端子开关）、电源输出以及外围设备和输出，使其能够应用平稳的电源控制或完全关闭泵（端子通道 1 OUT 和通道 2 OUT）。通过为整个系统引入主电源开关，实现的配电系统远远超出了原始解决方案的功能，从而提高了功率控制能力，最重要的是
在电机工作相关的情况下实现控制的可能性。外围设备由单点供电，有利于电池的功率分配和整个电源系统的稳定性。
图 2.配电系统中的连接（左）和路径（右）
（自己的书房）
图 3.配电系统（自研）
为了确保船舶的自主性，决定使用3DR公司的Pixhawk自动驾驶仪。为了使自动驾驶仪开始在控制输出端发送任何信号，必须配置其所有组件（加速度计、指南针），必须连接所有外围设备（无线电模块、GPS 接收器），并且必须禁用所有与布防电机相关的安全功能。对于无人机来说，似乎最理想的模式是“漫游车”——这就像一辆只有一个发动机和一个转向轴的汽车。然而，事实证明，有 2 台发动机是不可能的（由于缺少方向舵叶片）。因此，作者被迫构建一个控制信号的混合器，该混合器收集功率和扭曲信号，然后基于这些信号为两个引擎准备信号以获得所需的效果。
图 4.ESC 使用的 PPM 信号的解释（自己的研究）
大多数自动驾驶仪使用脉冲位置调制 （PPM） 信号运行。在一个通道服务的情况下，我们只对它们的宽度感兴趣。脉冲的宽度可能为 1 到 2 毫秒，1.5 毫秒是应用系统中与空闲（不动）螺钉相对应的平均值。在 1 和 2 ms 时，发动机以最大功率运行，但方向相反。所选的自动舵生成周期为 20 ms 的信号，而 ESC 单元可正常工作周期为 13.6 ms 的信号。因此，控制信号的混频器也必须改变其频率。
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ATmega8微控制器用于该设备的构造，因为它价格便宜且足以实现计划的任务。使用20 Mhz石英晶体谐振器作为时钟信号源，而TIMER2计数器和两个外部中断INT0和INT1用于检测输入信号。以下代码显示了所选外围设备的激活。
int main（void） { ...MCUCR |= （1<<ISC10）|（1<<ISC00）;通过激活逻辑状态更改 GICR |= （1<<INT1）|（1<<INT0）;激活 INT0 和 INT1 中断 TCCR2 |= （1<<CS22）|（1<<CS20）;激活 TIMER2 计数器并将预分频器设置为 128 ... }
将预分频器设置为 128 会导致 TCNT2 寄存器在 t= 6.4 μs 时发生 1 的变化。这样就可以在精确度下测量时间。TIMER2 是一个 8 位寄存器。因此，可以测量差值为 t= 1.64 ms 的时间。这允许测量 1 到 2 毫秒的时间。下面作者介绍了对外部中断的支持。
ISR（INT0_vect） { // 支持 INT0 中断 if （！（PIND & （1<<2））） { take[0] = TCNT2; } // if 0 if （PIND & （1<<2）） { TCNT2 = 176;GIFR |= （1<<INTF1）|（1<<INTF0）;} // if 1 ISR（INT1_vect） { // 支持 INT1 中断 if （！（PIND & （1<<3））） { take[1] = TCNT2; } // if 0 if （PIND & （1<<3）） { TCNT2 = 176;GIFR |= （1<<INTF1）|（1<<INTF0）;} // 如果 1 }
在这里，利用了信号同时开始的事实。信号的出现由输入端出现 1 表示。这导致将 TCNT2 寄存器设置为 176 并将中断标志归零，以便在 TIMER1 加起来达到 256 之前（当它超过 t= 0.512 ms 的值时）不会实现第二个中断。当其中一个通道出现零时，将存储 TCNT2 寄存器的当前值，其中包含有关脉冲持续时间的完整信息。
输出信号是在PWM工作模式下使用TIMER1计数器生成的，因为它的使用允许产生PPM信号。为了激活PWM，使用了之前编写的库：
#include“pwm/pwm.h”......int main（void） { ...PWM_Init（）;使用库 ... }
在 pwm.h 头文件中加载参数：
#define PS_PWM 8 // PWM预分频器计数器 = 8 #define ROZ_PWM 17000 // PWM分辨率计数器 = 17000 #define COM_PWM 1 // 填充“一”
#define ON_PWM outAB // 激活 OC1A 和 OC1B
输出脉冲的周期为 T = 13.6 ms，这正是 ESC 单元所期望的。随着 OCR1A 和 OCR1B 寄存器的值从 1250 到 2500 的变化，脉冲宽度可以从 1 ms 到 2 ms 变化。
在它们到达输出之前，必须对测量值进行适当的校正，这是更换自动驾驶仪/遥控操纵器时所必需的。微控制器应将这些校正保留在EEPROM存储器中，并且需要适当混合信号并选择性地进行滤波。
电调单元在供电后无法立即接收信号，因此控制信号混频器在开始发送脉冲之前等待几秒钟。该设备是在 Eagle 软件中设计的（图 5a）和物理构建的（图 5b）。
图 5.控制信号混频器的输出（左）和视图（右）。
（自己的书房）
输入和输出信号可以不同。在设计过程中考虑到了这一事实，并且该板配备了适当的基础设施。
最后构建的设备是远程交换机。与晶体管通道一起，该开关用于远程控制冷却泵的运行。它作为控制信号混频器运行，但与混频器的不同之处在于它使用 ATtiny13A 微控制器和 9.6 MHz 内部 RC 谐振器，并且要简单得多。它使用 INT0 中断接收信号，但输出信号是宽度为 0 到 255 的普通 PWM。在程序中，输入值（take）被适当地缩放、限制并输入到OCR0A寄存器中。
while （1） { power = take; power *= 2; power += 110; // scalling if （power < 205） { power = 0; Led_OFF; } else if （power > 255） { power = 255;Led_ON;} else { Led_ON; } // 限制 OCR0A = 功率;}
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所有设备都已正确互连并封闭在带有压盖的外壳中。RC 接收器将通道 1 到 5 传递给 PPM 编码器，然后 PPM 编码器准备生成的信号并将其传递给自动驾驶仪。通道 5 用于从手动模式切换到自动模式。根据模式的不同，自动驾驶仪根据远程操纵器中模拟摇杆的位置或 GPS 信号传递信号 1、3。这些信号由控制信号混频器获取，该混频器为电调产生脉冲。同时，RC 接收器的通道 6 徘徊到远程开关，其输出连接到打开和关闭冷却泵的晶体管通道（图 6）。
图 6.中央单元连接示意图（自己的研究）
图 7.中央单元（自书房）
路线规划软件
为了确定无人机路线，用PHP语言创建了用于规划测量活动的软件。该应用程序需要输入：选择区域的坐标、无人机位置、方向点的坐标以及测量配置文件之间的距离。根据无人机的位置和方向点的坐标，计算方向矢量。然后将输入的坐标从地理坐标系转换为局部笛卡尔坐标系（以无人机位置为原点），再转换为极坐标系。
所有点都相对于方向矢量旋转，即从极坐标系统中的每个点中减去该向量与 OX 轴形成的角度。然后将坐标转换回笛卡尔系统。在以这种方式制备的系统中，计算了垂直于方向矢量的构成无人机路线的剖面点的坐标。完成此操作后，所有操作都以相反的顺序执行，直到获得地理系统中的路线（图 8）。所得数据以适合3DR公司的任务规划器软件（用于在自动驾驶仪中上传无人机路线）的格式准备[25]。
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图 8.用于规划衡量活动的申请窗口
（自己的书房）
为了使程序更易于访问，创建了一个简单直观的用户界面（图 9）。
图 9.用于规划测量活动的应用程序用户界面
（自己的书房）
蓄水池的测深测量和测量数据处理
在开始测深测量之前，必须配置单波束回波测深仪 （SonarMite MILSpec） 和带有控制器 （Trimble TSC3） 的 GNSS 大地测量接收器 （Trimble R10）。为此，将换能器（使用 IP67 电缆）与回声测深仪连接，然后使用短距离无线通信（蓝牙）将接收器和回声测深仪与控制器配对。
然后，为了验证单波束回声测深仪指示的正确性，对其进行了校准（去皮），并定义了换能器的吃水，这是深度测量的组成部分之一[10]。另一个需要的参数是水中的声速[11]
由于缺少超声测量仪器，该参数无法通过实验确定（默认设置1500 m/s的值）。幸运的是，该值对所执行测量的准确性没有显着影响（最大记录深度仅为 1.57 m，因此深度测量误差约为几厘米）。关于应用的测量设备，值得引用回声测深仪的基本参数，例如频率：200 kHz;最小操作范围：30厘米;深度测量误差：1 cm + 0.5% 深度 （RMS）。这些技术特性符合国家和国际关于回声测深仪的建议[16,21]。
测深测量的另一个方面是测量点的精确定位。为此，应用了全球导航卫星系统大地测量接收器，该接收器利用了所有全球导航卫星系统（GPS、GLONASS、BDS、伽利略）、基于卫星的增强系统以及全球导航卫星系统大地测量网络。因此，接收机接收的卫星平均数量通常在16-20个单位之间，从而能够在1-2厘米（RMS）的水平上进行精确定位[1,2,23,24]。
配置测量设备后，开始进行测深测量。测试区域覆盖了位于Wilenska街的Gdansk Morena区的蓄水池。为了创建精确的测深（等高线）图，测量范围还包括对水库海岸线的大地测量。安装在测量杆上的GNSS接收器（图11）用于此目的。然后，使用 VRSNet.pl [3]公司的商业RTK服务，使用移动电话网络（GPRS）启动与格但斯克参考站的互联网连接。在 2016 年 8 月 8 日进行的研究中，测量了 119 个点。获得的数据以 .job 格式存储在 SD 卡（控制器中）上。接下来，将记录的测量点导入大地测量软件Trimble Business Center（通常用于测量数据处理，即所谓的后处理）[19,20]。测量数据和预测的处理参数如图10所示。加工基于：高斯-克鲁格投影[4]，平面矩形
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坐标系 2000 [15]、高度系 Kronstadt 86 [28] 和准大地水准面模型 PL-geoid-2011 [8]。
国家
波兰
系统/区域
2000/18
参考椭球体
WGS 84系列
椭球体半长轴
6378137
椭球体展平
0.00335281067183
投影
高斯-克鲁格
原产地纬度
0
中央子午线
18
假北
0
假东
6 500 000
比例因子
0.999923
方位角
北
网格方向
东北方向上升
高程变换
大地水准面
大地水准面模型
PL-大地水准面-2011
参考系统
喀琅斯塔德
图 10.报告海岸线测量期间的数据处理情况
格但斯克的蓄水池（自己的研究）
处理后的测量数据确定了人工水库的海岸线（图11）。如图所示，测得的蓄水库轮廓与卫星照片（由Google Earth Pro平台提供）中观察到的轮廓不一致，该照片由Landsat 8卫星于2016年4月11日根据地球卫星图像采集计划（Landsat）拍摄。值得注意的是，水库的轮廓几乎完全重叠，除了观景墩，如图11所示，观景墩明显移动。造成这种情况的原因可能是它是一个浮动码头，因此它的位置可以改变。有趣的是，在码头卫星照片的拐角处，有钢桩设计用于稳定浮动结构。因此，几乎可以肯定的是，过去几个月的码头被故意转移了，卫星图像非常准确[13]。这种情况可能导致使用基于谷歌卫星图像的路线规划软件的自主测量船（无人机）损坏。解决这个问题的唯一方法是最频繁地更新卫星图像。
图 11.从Google Earth Pro平台（右）测量和获得的海岸线点（左）和蓄水库的海岸线（左）放样（自己的研究）。
2016 年 8 月 8 日的研究结果在 2016 年 9 月 3 日的下一次测量活动期间规划无人机路线时被考虑在内。其目标是基于三角形网格（图12）和蓄水储层的测深（等高线）图（图13）创建一个数字底部模型。在不到两个小时的时间里，无人机在自主/手动模式下测量了 2222 个点。然后，使用与图10相同的参数在TBC软件中处理测量数据。
图 12.格但斯克蓄水池的数字底部模型（自己的研究）
水库面积1.17公顷，长度525米，最大深度1.57米。它的特点是陡峭的海岸（在距海岸线 4-8 米处，深度突然下降到 1.4 米等高线）和平底（几乎整个水库区域位于 1.4-1.57 米的深度）（图 12 和 13）。值得注意的是，在图 13 和 14 中，等高线每 10 厘米放置一次（在 0-1.5 m 范围内）。图 13.格但斯克蓄水库的测深（等高线）图
2000年系统（自己的研究）
由于今天使用Google平台的等轴测图被广泛使用，因此获得的结果被导出为.kmz格式，从而可以展示该平台应用的结果。
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图 14.格但斯克蓄水库的等距投影，标有海岸线和等高线（自己的研究）
结论
在对测量船进行现代化改造和进行测深测量时，作者遇到了许多困难。应用的自动舵不是为在水环境中工作而设计的，这导致了测量曲线的四舍五入。这里的另一个影响是从专用于 Pixhawk 自动驾驶仪的模块中获得的不准确的 GPS 位置（几米误差）。因此，在未来的工作中，作者打算改变自动驾驶仪并将其连接到GNSS大地测量接收器。事实证明，重约20公斤的水文无人机（包括测量设备）的特点是适航性低。因此，测量时间和水文气象条件起着重要作用，因此测量是在平静的天气中进行的，几乎没有波动。此外，在计划进一步的测量活动时，必须使用最近的卫星图像，因为正如从项目实施中获得的经验所表明的那样，可能会发生导致自主测量船损坏的情况。
在测量方面，规范水文测量行为的文件是IHO S-44标准[7]。但是，本文件没有定义确定内陆储层底部形状的方法，也没有为此类测量指定最低精度要求。尽管如此，所提出的解决方案（使用单波束回波测深仪和GNSS大地测量网络实现的测深测量）的精度可以被认为是完全令人满意的[17,18]。这里值得注意的是，目前，波兰的相应机构（海事局、波兰海军水文局）都没有能够对浅水（深度低于 1 m）进行测深测量的水文船。
确认
这项科学工作由2016-2020年的科学预算资助，作为“钻石补助金”计划框架内的一个研究项目。
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与作者的联系
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电子邮件： c.specht@geodezja.pl
格丁尼亚海事大学 81-87， 81-225 格丁尼亚
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电子邮件： switalski.emilian@gmail.com
格丁尼亚海事大学 81-87， 81-225 格丁尼亚
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