徐強(qiáng)

摘 要：新開發(fā)的便攜式水域測量系統(tǒng)主要由岸基控制系統(tǒng)和船載系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制作材料輕量環(huán)保，非常適合隨時攜帶和運(yùn)輸。由于遙控測量船主體結(jié)構(gòu)小巧，因此可以在淺灘甚至岸邊行駛，能夠滿足多方位的測量需求。同時，遙控測量船屬于無人駕駛船，避免了將測量人員置于危險(xiǎn)的水域環(huán)境下，因此可以零風(fēng)險(xiǎn)的執(zhí)行測量任務(wù)。便攜式水域測量系統(tǒng)不僅解決了安全、穩(wěn)定、便攜的問題，同時完美解決了續(xù)航時間、導(dǎo)航顯示等問題。隨著如今數(shù)字化技術(shù)、自動化技術(shù)、精確測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，人們可以根據(jù)測量要求，努力開發(fā)自動測量、自動導(dǎo)航等創(chuàng)新型功能。將以上眾多專業(yè)技術(shù)進(jìn)行合理的組合，推出新系統(tǒng)，必將為水下地形測量帶來一場新的革命，并將廣泛應(yīng)用于航運(yùn)、水利、資源調(diào)查及環(huán)保等相關(guān)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：便攜 水域測量系統(tǒng) 遙控測量船 應(yīng)用

中圖分類號：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0081-02

水是生命之源，如今全球的水含量正在急劇減少，節(jié)約和保護(hù)水之源成為當(dāng)今人類生存發(fā)展的頭等大事。要合理有效的保護(hù)水資源，首先要加強(qiáng)對水資源分布和各地水資源地質(zhì)環(huán)境的了解，因此，水文監(jiān)測成為各國發(fā)展環(huán)保事業(yè)的重要一環(huán)。然而，人們對于地球水資源詳細(xì)信息的了解和認(rèn)識還不夠。

近年來，隨著定位技術(shù)、無線電傳輸技術(shù)以及自動導(dǎo)航技術(shù)等專業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，國外例如美國、日本的很多公司相繼制造了遙控測量船。如果發(fā)動機(jī)功率較小，則電機(jī)牽引力很小，在逆向水流環(huán)境下難以航行并且在水流較大時難以維持自身的穩(wěn)定性。因此，單純依賴電能驅(qū)動，逆流航行、測量船穩(wěn)定性及續(xù)航等問題很難得到解決，測量船的應(yīng)用受到了極大的限制。其中，由美國推出的遠(yuǎn)程遙控水文船Z-boat 1800以及日本推出的RC-S2水文調(diào)查遙控測量船，在執(zhí)行測量任務(wù)的過程中經(jīng)常存在電量不足的問題，如果遇上水面風(fēng)浪，電能消耗更快。

在我國，長江航務(wù)管理局和長江航道局不久前共同研究推出了一套遙控測量船自動導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)的遙控距離在4 km以上；續(xù)航時間超過4 h；船體配備高精度的測深儀、視頻系統(tǒng)及GPS導(dǎo)航系統(tǒng)；能夠順利執(zhí)行自動導(dǎo)航、返航的任務(wù)并自動測繪。在緊急情況下，可以實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)，手動指揮遙控。最關(guān)鍵的是，測量船發(fā)動機(jī)不再是純電動驅(qū)動，而是選用了油電混合的模式，其中汽油發(fā)動機(jī)為主引擎，在汽油發(fā)動機(jī)發(fā)生故障不能正常工作時，自動啟用電動機(jī)續(xù)航，有助于測量船按時完成任務(wù)并順利返航。這種測量船滿足如今絕大部分的測量需求，但船體較大，具體長3 m，寬0.6 m，不利于攜帶。同時，該系統(tǒng)還處在試驗(yàn)階段，沒有應(yīng)用到實(shí)際的測量工作中。因此，根據(jù)上面的介紹，油電混合雙動力系統(tǒng)是目前水域測量船的理想設(shè)計(jì)模式，它能夠有效解決測量船續(xù)航、安全穩(wěn)定、動力、便攜等一系列問題，再結(jié)合先進(jìn)的輕型化技術(shù)，以測量船安全穩(wěn)定為基本前提，盡可能的減小船只大小，使其便于攜帶。

1 系統(tǒng)原理及架構(gòu)

1.1 水下測量原理

水下地形測量是工程測量中的一種，測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海水底點(diǎn)的平面位置和高程，用以繪制水下地形圖的測繪工作?，F(xiàn)代水下地形測量技術(shù)經(jīng)過這些年的發(fā)展，延伸出了更高的測量要求。它要求測量設(shè)備自動同步采集坐標(biāo)點(diǎn)和水深的相關(guān)數(shù)據(jù)并自動存儲，可以說是一種全自動水下地形數(shù)據(jù)采集技術(shù)。水下平面坐標(biāo)的獲得通過GPS-RTK和DGPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，水深數(shù)據(jù)可以利用測深儀或者多波束測得。該技術(shù)擁有測量精確、自動化程度高等顯著特點(diǎn)。

測量船上的RTK和GPS裝置用于接收基準(zhǔn)站的差分信號和GPS信號，并根據(jù)這些信號計(jì)算出水下某點(diǎn)的坐標(biāo)，在接收GPS坐標(biāo)的同時，利用測深儀可以測出水下深度。對已知的水底平面坐標(biāo)、水下深度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)合當(dāng)時的水面高度，便可以順利求出水底點(diǎn)的三維坐標(biāo)。根據(jù)以上測量原理，設(shè)計(jì)研發(fā)了便攜式水域測量系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

①按照便攜式水域測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理制出的遙控測量船長1.05 m，寬0.75 m，同時，通常還會在船體上加裝可拆卸的平衡翼，此時測量船長度達(dá)到1.50 m，寬也達(dá)到1.30 m。慶幸的是，測量船的主體部分相對比較小巧，便于放入汽車后備箱，隨時攜帶。按照功能的不同，又可以將便攜式水域測量系統(tǒng)分為岸基控制系統(tǒng)和船載系統(tǒng)兩部分，其基本結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。

②岸基控制系統(tǒng)由CORS站或GPS基準(zhǔn)站以及附帶視頻裝置的遙控器構(gòu)成。船載GPS的差分信息主要由CORS站或GPS基準(zhǔn)站提供。如果GPS基準(zhǔn)站安置在已知位置，則船載GPS可以根據(jù)接收到的GPS信號和基站發(fā)出的差分信息，順利計(jì)算出測量點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)。如果GPS基準(zhǔn)站安置在未知位置，則由船載GPS計(jì)算出的平面坐標(biāo)需要根據(jù)已知點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步測量和校正。當(dāng)使用CORS站組成岸基控制系統(tǒng)時，船載GPS計(jì)算的坐標(biāo)即是CORS坐標(biāo)系統(tǒng)的同步坐標(biāo)；附帶視頻裝置的遙控器主要包括兩大基本功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙動力系統(tǒng)

測量船主引擎采用汽油機(jī)驅(qū)動，在汽油機(jī)發(fā)生故障時，啟用備用的電動機(jī)驅(qū)動。為了簡化機(jī)械傳動過程，可直接將汽油機(jī)置于船體尾部，再使用舵機(jī)來單獨(dú)控制船舵，利用船舵的轉(zhuǎn)角和螺旋槳，就能夠順利完成船體的減速、加速和轉(zhuǎn)向操作；在左右偏后的位置可分別安裝電動機(jī)，一方面可以維持船體的整體平衡，另一方面作為備用動力使用。

2.2 發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、發(fā)動機(jī)、第一動力輸出、第二動力輸出以及船體驅(qū)動器。主要由汽油機(jī)第一動力輸出提供的機(jī)械動力進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機(jī)的輸出功率高達(dá)350W，能夠基本滿足所有船上設(shè)備的用電需求。

3 系統(tǒng)功能

3.1 安全穩(wěn)定便攜

整個船體部分包括船體設(shè)計(jì)和制造，需要選用合適的高分子材料，根據(jù)圖紙的設(shè)計(jì)要求，制作防水船體。由于船體內(nèi)含有大量的聚氨酯，當(dāng)發(fā)生損壞或斷裂時，不會發(fā)生沉船事故，確保了測量船運(yùn)行的安全性。便攜式遙控測量船在加裝平衡翼以后，船體與水面的接觸面積顯著增加，船體的穩(wěn)定性能夠得到顯著提高。

3.2 實(shí)現(xiàn)了油電混合雙驅(qū)動和長時間續(xù)航

遙控測量船重約50 kg，裝配1節(jié)30 AH的標(biāo)準(zhǔn)電池，并將發(fā)電機(jī)安裝在汽油機(jī)動力輸出軸上，在動力輸出的同時能夠持續(xù)給蓄電池充電，汽油機(jī)額定輸出功率為4馬力，動力很足，能夠滿足在水流較大時，逆流航行；主引擎為汽油發(fā)動機(jī)驅(qū)動，滿油情況下可以持續(xù)航行約4 h，如果需要進(jìn)一步增加續(xù)航時間，可以采用增加備用油箱的方式。當(dāng)汽油機(jī)發(fā)生故障時，備用的電動機(jī)電量足夠支持遙控船安全返航。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對船體、雙動力系統(tǒng)、輕型發(fā)電機(jī)以及平衡翼等技術(shù)的改進(jìn)和組合，設(shè)計(jì)并推出了一套遙控測量船系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)測量船安全、穩(wěn)定、便攜以及自動化測量等創(chuàng)新型功能。其中，開發(fā)的岸基控制系統(tǒng)，不僅能夠有效指揮遙控測量船進(jìn)行減速、加速、轉(zhuǎn)向和倒退等操作，而且配備的遙控器具有可視化功能，其顯示屏上能夠清晰顯示導(dǎo)航信息，極大地方便了對測量船進(jìn)行人工遠(yuǎn)程操控。

參考文獻(xiàn)

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