基于水域机器人的水下地形测量系统研究与应用.docx

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基于水域机器人的水下地形测量系统研究与应用

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摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的综合国力在不断的加强。水下测绘技术也日新月异，飞速发展。本文首先介绍了水下地形测量系统方案，结合我院现有水下测绘技术和当今先进的水域机器人测量系统，介绍了水域机器人测量系统水下地形测量作业流程，将水域机器人测量系统应用于库区、河道工程综合治理等大型水下地形测量项目，表明该水域机器人测量系统测量数据质量较好、成果可靠、能降低测量人员的劳动强度、大大提升作业效率，更好的为生产服务。

关键词：水域机器人；全球导航卫星载波实时差分（ＧＮＳＳ－ＲＴＫ）定位；测深；水下地形测量

引言

水下地形图是保障航道疏浚、清淤工程实施及航行安全的重要基础测绘资料。不仅受到航运部门及航行船只的关注，同时也是航道测量专家大力研究的核心问题。一种新型水域测量机器人，成为传统测量方法瓶颈问题的理想解决方案，正逐渐被越来越多的航道行业技术人员关注和使用。

1水下机器人体系结构简介

为了提高水下机器人的自主性能，能够完成复杂水域环境的各项任务，水下机器人体系结构的研究变得尤为重要。水下机器人的系统体系结构的研究工作，能够完善水下机器人的自主学习能力，提高水下机器人系统的集成度，增强水下机器人的安全性和可靠性t1610能够控制和影响整个系统结构，行为和功能的战略设计决策称为体系结构。体系结构主要包括5个部分:子系统部分，子系统所必备的硬件和软件部分的大规模组件;系统资源部分，系统的资源管理、任务分配;资源分配部分，系统的资源分配以及相互通信;系统可靠性部分，系统故障诊断和自我修复:系统应用部分，各部分之间地连接和上层应用;水下机器人的体系结构是指机械、电路、驱动等控制机构，是指导水下机器人行为特性的关键技术。一方面涉及到理论和算法的研究，包括运动理论、力学方程、流体分析、路径规划、惯性导航、机器自检等;另一方面也有研发和组件的探索，例如机器搭建、任务分配、信息采集、数据处理、紧急升沉等。水下机器人能够完成复杂水域环境下的监测任务和特殊任务，不是简简单单的将上述方法堆砌起。如何将上述方法进行有效的整合，形成一套完整的水下机器人运行机制，让水下机器人能够及时有效的进行运动控制、姿态调整、信息采集，使得整个水下机器人完整的融为一体，让各个机器组件、电路模块、采集模组在时间和空间上进行有效配合[f}81，使得水下机器人的驱动体系结构高度整合。上层规划控制机制主要调配时间和空间的分配，类似于计算机的多任务处理。底层驱动控制主要为力学、流体力学、信号采集、惯性导航等，类似于计算机的键盘、摄像头等机构的信息采集。水下机器人的驱动体系结构包含于水下机器人控制系统体系，本文研制工作建立的驱动控制体系和水下机器人所需的体系结构兼容性较好。

2水域机器人的水下地形测量系统研究与应用

2.1水下地形测量

采用水域机器人测量系统对该项目进行１∶５００水下地形测量，在测量准备工作就绪后，通过遥控器控制无人测量船沿水域边界航行，获取测区的水域测量范围。根据此范围在岸基控制中心生成测深线，测深线按横断面方式布设，断面方向与岸线长边垂直，布设为平行线，测深线间距为１０ｍ，测深线上测深点间距为５ｍ。通过控制中心遥控无人测量船沿测线自动进行测量。同时，为确保测量数据的可靠性，在作业组不同时期测深的相邻测深段布设了不少于两条重合测深线；并在测深过程中或测深结束后布设检测线对测深线进行检查，检测线与主测深线垂直相交。共检测７６０点，据经数据比对，检测线与主测深线相交处、相邻测段的重复测深线重合点处，水深点的深度比互差均小于０．４ｍ，满足《工程测量规范》ＧＢ５００２６－２００７中水域地形测量的相关精度要。

2.2蜗轮蜗杆减速器的选择

本文所采用的减速器有两个作用，分别是用于在伺服电机和测量平台之间传递扭矩和为可倾斜测量平台提供自锁功能。考虑到在重心测量过程中，负载转矩最大能够达到400N.n，为了保证测量平台能够在较大的负载转矩下低速平稳转动，本文选用较高减速比的蜗轮蜗杆减速器。为了使测量平台整体结构更加紧凑，方便减速器与平台转轴之间的装配，本文采用的蜗轮蜗杆减速器其蜗轮和蜗杆均采用空心轴式，使用时采用平键连接的方式，将测量平台转轴和减速器输出端相连。本文最终选择了上海欧传传动公司生产的CFRV090-100型减速器。其传动比为100:1，能承受的最大负载扭矩为SOONurn,满足了设计要求。

2.3机架设计

本设计采用的是多自由度螺旋桨系统加压水仓联合控制的方法，以实现静态沉浮和实现动态环境下节省能源的想法。水下机器人在水域中进行潜行时，水域的复杂环境和水体的粘性阻力[34]，使得水下机器人的运行流畅性和各自由度