一种基于无人船的河道全地形扫描方法与流程

本发明涉及地形扫描领域，并且更具体而言，涉及一种基于无人船的河道全地形扫描方法。

背景技术：

近些年来，随着航运业的快速发展，以及对水利的日益重视，河道的地理信息得到了越来越多的关注。其中河道的地形数据以及水深数据的获取，成为了焦点。这是因为，作为工程测量中的一个重要分支，相关设计规划等部门急需河道数据来掌握河道状况，从而可以有效地进行河道疏浚、清淤以及抗洪抢险，还能够保障航运业的作业工具以及所载人财物的安全。然而在工程实践中，河道的地形数据获取存在诸多困难，例如水下测量会受到水体的不可见性、水体波动导致的不稳定、水流冲击、水体中生物造成的障碍等因素影响，使得较为精确地获取河道全地形数据，变得有些困难。

通过测量船只，采用声学和光学设备进行河道地形数据的获取，逐渐成为趋势。然而，先前的技术中，往往由人员在船只上操作器械进行测量，这种做法存在可行性，但是由于受到人力、物力、财力、气候、测量时间的影响，往往成本较高，而且由于受限较多，导致实施起来存在诸多约束。而且由于船只载有人和器械，导致动力系统能耗较高。而无人船的出现改变了这一点。无人船在本领域中也被称为“水面机器人”，其上配备有定位系统、发射系统和探测系统，包括各种传感器。在航行过程中，无人船通过声学、光学信号进行河道数据的测量，并将获取的数据通过发射系统发送回岸边的中控系统。无人船是一种新型的水上信息获取装备，具有吃水浅、机动性高、能耗低等优势。因此，利用无人船进行河道信息获取是当前的一种较优选择。然而，现有技术中的无人船可以进行河道信息获取，但其结果精度不够理想。因此需要解决这一问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种基于无人船的河道全地形扫描方法，其能够更为精确地获得河道的水深数据，并且基于获得的数据生成河道的全地形扫描数据。相较于现有技术，该发明能够通过多方式纠错，使得测量结果更为准确，并且考虑了无人船的安全，使得其能够以更长的续航时间，更安全、快速、准确的获得河道的全地形扫描数据。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案为：一种基于无人船的河道全地形扫描方法包括：步骤s1，启动无人船和与其船体连接的测量设备，该测量设备采用光学、声学方式中的一种或多种；步骤s2，测量设备调节测量传感器的角度，以使得发射信号并接收返回的信号；步骤s3，解析返回的信号的参数，获取河道断面的深度数据并形成深度序列；步骤s4，对形成的深度序列进行误差校正；步骤s5，在校正通过的情况下，根据校正数据绘制一幅河道断面图；以及步骤s6，根据每幅断面图进行拼接，形成河道的全地形扫描数据。

在一个实施例中，步骤s1进一步包括：无人船的信号收发模块将从岸边的中控系统发送的启动信号传输到中央控制模块，并经由中央控制模块发出的触发指令，启动无人船的驱动模块、能源模块、信号收发模块、河道数据传输模块、河道数据处理模块、航向控制模块、存储模块，并且启动与船体连接的测量设备；该测量设备包括采用光学和声学两种方式的多个不同的河道深度测量模块。

在一个实施例中，步骤s2进一步包括：测量设备调节光学测量模块和声学测量模块各自的传感器和信号发射器的角度，以使得发射信号并接收返回的信号；该信号发射器可以在一个河道断面的数据测量时刻，以不同的角度发射信号，并由对应的传感器接收，并将接收的信号经由河道数据传输模块传输给河道数据处理模块，进行数据的处理；该光学测量模块的传感器和信号发射器位于刚体构件在测量设备上的延长线的垂直方向上，并且都位于测量设备的底部，二者同步进行角度调节；而该声学测量模块的传感器位于信号发射器的正上方；通过该光学测量模块和声学测量模块各自的传感器，仅以一定角度采集水下扇形断面的深度数据，其中该角度为α，α＝180°/n，该n为6的正整数倍。

在一个实施例中，步骤s3进一步包括：解析由光学测量模块和声学测量模块各自的传感器返回的信号的参数，获取河道断面的深度数据并形成深度序列，其中通过光学测量模块形成深度序列为[dok1，dok2，……，dokm-1，dokm]和/或[dok1’，dok2’，……，dokm-1’，dokm’]，而通过光学测量模块形成深度序列为[dsk1，dsk2，……，dskm-1，dskm]；其中m针对某个河道断面所测量的点的个数，k是序列为k的第k个河道断面，m和k都是正整数。

在一个实施例中，光学测量模块采用以下方式接收返回的信号：位于测量设备的底部的光学测量模块的信号发射器以一定角度发射光信号，并且其在河道底部的测量点上形成的亮点，该亮点由光学测量模块的传感器捕获并反映在传感器的光信号显示单元上，其中该河道底部的测量点对应的深度计算方式为：do＝wf*l÷l+d，其中wf是光学测量模块的传感器沿着信号发射器发射的光信号的最大视野宽度，l是河道底部的测量点上形成的亮点在光信号显示单元上的高度，l是光信号显示单元的总宽度，d是测量设备的吃水深度；通过这种方式形成的深度序列为[dok1，dok2，……，dokm-1，dokm]。

在一个实施例中，声学测量模块采用以下方式接收返回的信号：声学测量模块的信号发射器以一定角度发射声学信号，声学测量模块的传感器接收该信号在河道底部的测量点的反射信号，其中该河道底部的测量点对应的深度计算方式为：ds＝v*(tj+1-tj)*cosβ÷2+d，其中v是该声学信号在水中的行进速度，tj+1和tj是相邻的两个测量时刻，β是声学测量模块的传感器和信号发射器在发射声学信号时与垂直方向之间的角度，d是测量设备的吃水深度；通过这种方式形成的深度序列为[dsk1，dsk2，……，dskm-1，dskm]。

在一个实施例中，光学测量模块采用以下方式接收返回的信号：位于测量设备的底部的光学测量模块的信号发射器以一定角度发射光信号，并且光学测量模块的传感器捕获经由河道底部的测量点返回的光信号的功率，其中该河道底部的测量点对应的深度通过求解以下方程来获得：e^2*(do’-d)＝[2*p1*q*r²*s^1/2]÷[p2*π^3/2*(do’-d)²]，其中e是自然常数，即自然对数的底数；do’是该河道底部的测量点对应的深度，d是测量设备的吃水深度，p1是光学测量模块的信号发射器发射的光信号的功率，p2是光学测量模块的传感器捕获的经由河道底部的测量点返回的光信号的功率，q是河道水体的反射系数，r是河道水体的折射系数，s是光学测量模块的信号发射器发射光信号的面积；通过这种方式形成的深度序列为[dok1’，dok2’，……，dokm-1’，dokm’]。

在一个实施例中，请求保护一种无人船，包括：船体和测量设备；该船体上载有驱动模块、能源模块、信号收发模块、河道数据传输模块、河道数据处理模块、航向控制模块、存储模块、中央控制模块，而测量设备固定位于船体前侧或后侧，并且船体和测量设备保持一定距离以确保无人船船体的前行不影响测量设备的河道数据测量。

在一个实施例中，测量设备包括光学测量模块和声学测量模块两者，并且二者位于刚体构件在测量设备上的延长线，即无人船航向方向上依序排列，二者间距为l，其中l是河道的每相邻两幅河道断面之间的间距；亦即，光学测量模块和声学测量模块中位置靠前的一个在第一个测量时刻ti测量的河道断面是光学测量模块和声学测量模块中位置靠后的另一个在下一个测量时刻ti+1时测量的河道断面。

在一个实施例中，无人船在船体上还载有gps模块、电子罗盘模块和/或防雷模块。

附图说明

在附图中通过实例的方式而不是通过限制的方式来示出本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

根据本发明的示范性实施例，图1图示一种基于无人船的河道全地形扫描方法的实物图。

根据本发明的示范性实施例，图2图示用于河道全地形扫描方法的无人船的结构图。

根据本发明的示范性实施例，图3图示用于河道全地形扫描方法的无人船的实体图的一种备选方式。

根据本发明的示范性实施例，图4图示获得的河道的全地形扫描图。

具体实施方式

在进行以下具体实施方式之前，阐述贯穿本专利文档所使用的某些词语和短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其派生词意味着包括而没有限制；术语“或”是包含的，意味着和/或；短语“与...相关联”、“与其相关联”及其派生词可能意味着包括，被包括在...内，与...互连，包含，被包含在...内，连接到...或与...连接，耦合到...或与...耦合，可与...通信，与...合作，交织，并列，接近...，被绑定到...或与...绑定，具有，具有...的属性，等等；而术语“控制器”意味着控制至少一个操作的任何设备、系统或其部件，这样的设备可能以硬件、固件或软件或者其中至少两个的一些组合来实现。应当注意的是：与任何特定的控制器相关联的功能性可能是集中式或分布式的，无论是本地还是远程。贯穿本专利文档提供用于某些词语和短语的定义，本领域技术人员应当理解：如果不是大多数情况下，在许多情况下，这样的定义适用于现有的以及这样定义的词语和短语的未来使用。

在下面的描述中，参考附图并以图示的方式示出几个具体的实施例。将理解的是：可设想并且可做出其他实施例而不脱离本公开的范围或精神。因此，以下详细描述不应被认为具有限制意义。

根据本发明的示范性实施例，图1图示一种基于无人船的河道全地形扫描方法的流程图。该方法包括以下步骤：

步骤s1，启动无人船和与其船体连接的测量设备，该测量设备采用光学、声学方式中的一种或多种；

步骤s2，测量设备调节测量传感器的角度，以使得发射信号并接收返回的信号；

步骤s3，解析返回的信号的参数，获取河道断面的深度数据并形成深度序列；

步骤s4，对形成的深度序列进行误差校正；

步骤s5，在校正通过的情况下，根据校正数据绘制一幅河道断面图；以及

步骤s6，根据每幅断面图进行拼接，形成河道的全地形扫描数据。

根据本发明的示范性实施例，图2图示用于河道全地形扫描方法的无人船的结构图。在优选实施例中，所述无人船主要由船体和测量设备两部分构成；该船体上载有驱动模块、能源模块、信号收发模块、河道数据传输模块、河道数据处理模块、航向控制模块、存储模块、中央控制模块，而测量设备固定位于船体前侧或后侧，并且船体和测量设备保持一定距离以确保无人船船体的前行不影响测量设备的河道数据测量。其中该驱动模块包括纯油源驱动、纯电力驱动、或者二者混合驱动两种驱动方式，以延长无人船的续航能力并防止其电量耗尽或能源用尽或其他情况下导致的故障。对应地，能源模块获取油源、电力或者二者的组合。信号收发模块用于在中央控制模块的控制下，将河道数据处理模块输出的数据在存储到存储模块的同时发送给岸边的中控系统，并将无人船的剩余电量/油量的相关信号发送给岸边的中控系统，并从岸边的中控系统接收控制信息，以传输给中央控制模块。所述中央控制模块与驱动模块、能源模块、信号收发模块、河道数据传输模块、河道数据处理模块、航向控制模块和存储模块都有连接。所述测量设备与船体的河道数据传输模块之间通过刚性构件连接，用于确保测量设备与无人船的船体航向一致，并且保证测量设备进入水中而不保持悬空。

在优选实施例中，所述无人船在船体上还载有gps模块、电子罗盘模块和/或防雷模块，以实现无人船的精准定位，防止其电量耗尽或能源用尽或随机故障导致的失联，并且可以精确定向和导航，保障河道测量数据的准确性，此外还可以确保在恶劣天气下机电系统的安全。

根据本发明的示范性实施例，图3图示用于河道全地形扫描方法的无人船的实体图的一种备选方式。其中船体(水面上白色部分)在前，测量设备(水面上黑色部分)在后，二者通过构件连接，并且保持航向一致。在此情况下，船体的前部可以可选地安装有避障模块，用于通过避障模块中的图像捕获子模块，采集航向方向上一定视野范围内的图像，并送往避障模块内的图像处理子模块进行障碍物判断，当判定存在障碍物时，避障模块内的避障报警模块将触发信息发送给航向控制模块，以进行航向调整。在无人船的实体图的另一种备选方式中，船体可以在后，测量设备可以在前，二者通过构件连接，并且保持航向一致。类似地，在此情况下，船体的前部可以可选地安装有避障模块，该避障模块与前述避障模块的设置和配置相同，但是其位置高于前方的测量设备，并且采用以下方式中的任一种：(a)避障模块中的图像捕获子模块在采集图像时将测量设备排除在视野之内，或者(b)测量设备在避障模块中的图像捕获子模块的视野内，但是避障模块中的图像处理子模块在判定前先进行预处理，以将避障模块的图像排除。通过以上方式，可以精确地判定航向方向上的障碍物，以保证无人船的行船安全和河道地形数据采集的连续性、完整性。

在优选实施例中，步骤s1进一步包括：无人船的信号收发模块将从岸边的中控系统发送的启动信号传输到中央控制模块，并经由中央控制模块发出的触发指令，启动无人船的驱动模块、能源模块、信号收发模块、河道数据传输模块、河道数据处理模块、航向控制模块、存储模块，并且启动与船体连接的测量设备；该测量设备包括采用光学和声学两种方式的多个不同的河道深度测量模块。

优选地，测量设备包括光学测量模块和声学测量模块两者，并且二者位于刚体构件在测量设备上的延长线，即无人船航向方向上依序排列，二者间距为l，其中l是河道的每相邻两幅河道断面之间的间距。亦即，光学测量模块和声学测量模块中位置靠前的一个在第一个测量时刻ti测量的河道断面是光学测量模块和声学测量模块中位置靠后的另一个在下一个测量时刻ti+1时测量的河道断面。

在优选实施例中，步骤s2进一步包括：测量设备调节光学测量模块和声学测量模块各自的传感器和信号发射器的角度，以使得发射信号并接收返回的信号；该信号发射器可以在一个河道断面的数据测量时刻，以不同的角度发射信号，并由对应的传感器接收，并将接收的信号经由河道数据传输模块传输给河道数据处理模块，进行数据的处理。优选地，该光学测量模块的传感器和信号发射器位于刚体构件在测量设备上的延长线的垂直方向上，并且都位于测量设备的底部，二者同步进行角度调节；而该声学测量模块的传感器位于信号发射器的正上方。优选地，通过该光学测量模块和声学测量模块各自的传感器，仅以一定角度采集水下扇形断面的深度数据，其中该角度为α，α＝180°/n，该n为6的正整数倍。以n＝3为例，传感器仅以10°为单位采集水下断面中10°，20°，……，170°的深度数据。

在优选实施例中，步骤s3进一步包括：解析由光学测量模块和声学测量模块各自的传感器返回的信号的参数，获取河道断面的深度数据并形成深度序列，其中通过光学测量模块形成深度序列为[dok1，dok2，……，dokm-1，dokm]和/或[dok1’，dok2’，……，dokm-1’，dokm’]，而通过光学测量模块形成深度序列为[dsk1，dsk2，……，dskm-1，dskm]；其中m针对某个河道断面所测量的点的个数，k是序列为k的第k个河道断面，m和k都是正整数。

形成深度序列的过程中，采用相同的序列次序，即生成的序列点的顺序为从左到右或者从右到左。这是因为光学测量模块和声学测量模块在河道深度测量时，将信号发射器调好角度后，对于当前河道断面的河道测量点的采集顺序为从左向右采集，在当前河道断面采集完成之后，下一个河道断面采集时，处于便利考虑，采集顺序为从右向左采集，这样的深度序列存在方向的差别，为了保持数据一致性，而如上所说地采用相同的序列次序，即生成的序列点的顺序为从左到右或者从右到左。

其中光学测量模块采用以下方式接收返回的信号：位于测量设备的底部的光学测量模块的信号发射器以一定角度发射光信号，并且其在河道底部的测量点上形成的亮点，该亮点由光学测量模块的传感器捕获并反映在传感器的光信号显示单元上，其中该河道底部的测量点对应的深度计算方式为：do＝wf*l÷l+d，其中wf是光学测量模块的传感器沿着信号发射器发射的光信号的最大视野宽度，l是河道底部的测量点上形成的亮点在光信号显示单元上的高度，l是光信号显示单元的总宽度，d是测量设备的吃水深度。通过这种方式形成的深度序列为[dok1，dok2，……，dokm-1，dokm]。

其中声学测量模块采用以下方式接收返回的信号：声学测量模块的信号发射器以一定角度发射声学信号，声学测量模块的传感器接收该信号在河道底部的测量点的反射信号，其中该河道底部的测量点对应的深度计算方式为：ds＝v*(tj+1-tj)*cosβ÷2+d，其中v是该声学信号在水中的行进速度，tj+1和tj是相邻的两个测量时刻，β是声学测量模块的传感器和信号发射器在发射声学信号时与垂直方向之间的角度，d是测量设备的吃水深度。通过这种方式形成的深度序列为[dsk1，dsk2，……，dskm-1，dskm]。

替代地，光学测量模块还可采用以下方式接收返回的信号：位于测量设备的底部的光学测量模块的信号发射器以一定角度发射光信号，并且光学测量模块的传感器捕获经由河道底部的测量点返回的光信号的功率，其中该河道底部的测量点对应的深度通过求解以下方程来获得：e^2*(do’-d)＝[2*p1*q*r²*s^1/2]÷[p2*π^3/2*(do’-d)²]，其中e是自然常数，即自然对数的底数；do’是该河道底部的测量点对应的深度，d是测量设备的吃水深度，p1是光学测量模块的信号发射器发射的光信号的功率，p2是光学测量模块的传感器捕获的经由河道底部的测量点返回的光信号的功率，q是河道水体的反射系数，r是河道水体的折射系数，s是光学测量模块的信号发射器发射光信号的面积。通过这种方式形成的深度序列为[dok1’，dok2’，……，dokm-1’，dokm’]。

特别说明的是，通过功率方式的光学测量模块与通过光信号显示单元的光学测量模块可以并存于测量设备中，即测量设备有两个光学测量模块：第一光学测量模块和第二光学测量模块。

优选地，该测量设备的吃水深度由测量设备上的水深仪器测得，并发送给中央处理模块。

在优选实施例中，步骤s4中对形成的深度序列进行误差校正进一步包括：针对第k个河道断面，计算由光学测量模块和声学测量模块形成的深度序列的关联度as。

当采用第一种光学测量方式以及声学测量方式时：

当采用第二种光学测量方式以及声学测量方式时：

当该关联度as大于阈值时，误差校正通过，河道数据处理模块将由光学测量模块和声学测量模块形成的深度序列中对应点的均方差作为最终的深度序列；否则不通过，此时采用另一种光学测量方式以及声学测量方式进行关联度as与阈值的判定，当通过另一种光学测量方式以及声学测量方式判定关联度as大于阈值时，河道数据处理模块采用通过另一种光学测量方式以及声学测量方式获得的数据作为可用数据，即河道数据处理模块将由另一种光学测量模块和声学测量模块形成的深度序列中对应点的均方差作为最终的深度序列，而当通过另一种光学测量方式以及声学测量方式判定关联度as也不大于阈值时，河道数据处理模块将两种光学测量模块和声学测量模块形成的深度序列中对应点的均方差作为最终的深度序列。

在优选实施例中，步骤s5进一步包括：河道数据处理模块基于最终的深度序列，以拟合方式绘制河道断面图。优选地，采用三次样条插值法，以形成连续的断面信息，进而拟合绘制出河道断面图。

在优选实施例中，步骤s6中根据断面图进行拼接，形成河道的全地形扫描数据进一步包括：在相邻河道断面的对应测量点之间进行平差，并进行滤波处理，进而使用条带拼接形成河道地形图像，获得河道的全地形扫描数据。

根据本发明的示范性实施例，图4图示获得的河道的全地形扫描图。

此外，本发明还公开一种如上所述的无人船，其包括如上所述的结构，并执行如上所述的方法步骤中的一个或多个。

上述的各个技术术语是本领域中的具有通常含义的常规技术术语，为了不模糊本发明的重点，在此不对其进行进一步的解释。

综上，在本发明的技术方案中，通过采用了一种基于无人船的河道全地形扫描方法，其能够更为精确地获得河道的水深数据，并且基于获得的数据生成河道的全地形扫描数据。相较于现有技术，该发明能够通过多方式纠错，使得测量结果更为准确，并且考虑了无人船的安全，使得其能够以更长的续航时间，更安全、快速、准确的获得河道的全地形扫描数据。

将理解的是：可以硬件、软件或硬件和软件的组合的形式实现本发明的示例和实施例。如上所述，可存储任何执行这种方法的主体，以挥发性或非挥发性存储的形式，例如存储设备，像rom，无论可抹除或可重写与否，或者以存储器的形式，诸如例如ram、存储器芯片、设备或集成电路或在光或磁可读的介质上，诸如例如cd、dvd、磁盘或磁带。将理解的是：存储设备和存储介质是适合于存储一个或多个程序的机器可读存储的示例，当被执行时，所述一个或多个程序实现本发明的示例。经由任何介质，诸如通过有线或无线耦合载有的通信信号，可以电子地传递本发明的示例，并且示例适当地包含相同内容。

应当注意的是：因为本发明解决了更为精确地获得河道的水深数据，并且基于获得的数据生成河道的全地形扫描数据，使得测量结果更为准确，保证无人船的安全，使得其能够以更长的续航时间，更安全、快速、准确的获得河道的全地形扫描数据的技术问题，采用了本技术领域中技术人员在阅读本说明书之后根据其教导所能理解的技术手段，并获取了有益技术效果，所以在所附权利要求中要求保护的方案属于专利法意义上的技术方案。另外，因为所附权利要求要求保护的技术方案可以在工业中制造或使用，因此该方案具备实用性。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但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，可轻易想到的变化或替换，都应包涵在本发明的保护范围之内。除非以其他方式明确陈述，否则公开的每个特征仅是一般系列的等效或类似特征的一个示例。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。