基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统及测试方法与流程

本发明涉及水下地形测绘技术领域，特别涉及基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统及测试方法。

背景技术：

湖泊在城市供水、水产养殖、调节洪涝、湿地生态保护以及旅游开发等促进流域经济社会发展和维持区域生态平衡的各个领域都发挥着重要作用。实施水下地形测量，掌握湖泊等重要水体基本要素，是水面确权以及实施水资源与生态环境保护保护的前提和第一手资料。

传统的水下地形测绘的作业方式主要有三种：人工手持rtk下水测量、皮划艇搭载探测仪、有人船侧边悬挂式。人工下水测量机动性强，成本低，精度方面易受人为影响，在深水区域作业比较困难。皮划艇搭载法适合中小静水河流水下地形测量，皮划艇较小，侧边比较圆润，测深仪难以稳定固定，人员太多，相对船体太小，安全性得不到保证。有人船侧边悬挂式是目前被普遍采用的一种方式，相较于上述两种方法具有安全、稳定、悬挂方便的优点，但有人船一般较大，灵活性差，无法在浅滩地带进行测量，每次要提前租船，费用也较高。

人工开挖河塘形状规整，利用传统的网格法测量水下地形可高效快捷的完成。但天然湖泊、河道等水域的河岸线曲折复杂，传统网格法测量的有效测量面积不够理想，测量效率低。因此，亟需开发一种无人智能测量方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统及测试方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统，包括地面工作站和无人机系统。

所述无人机系统包括多旋翼机体、飞行控制系统和测绘系统。所述飞行控制系统包括ins/gps组合定位模块、主控模块、处理模块和通讯模块。所述测绘系统布置在多旋翼机体底部。所述测绘系统通过数据线与处理模块连接。

工作时，地面工作站制定测绘计划并通过通讯模块传输至飞行控制系统。所述飞行控制系统控制多旋翼机体飞行。测绘系统测定特定地区的水下地形。地面工作站接受无人机系统实时返回的数据，并通过数据和图像处理生成水下地形探测图。

进一步，所述测绘系统包括数据采集存储单元、信号发射单元和信号接收单元。所述信号接收单元通过数据线与数据采集存储单元连接。所述数据采集存储单元通过数据线与处理模块相连。所述信号发射单元和信号接收单元测量水下地形的地理位置坐标和高程。

进一步，所述信号发射单元向下发射激光束。所述信号接收单元接收与所述激光对应的反射光。根据所述反射光的光强信息测定水面距离淤泥表面的距离。

进一步，所述地面工作站包括接收单元、中央处理器和显示器。所述中央处理器包括无人机航行轨迹制定模块和数据处理模块。

本发明还公开一种关于上述基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)地面工作站划定待测绘区域。

2)地面工作站将测绘任务上传给无人机系统。

3)无人机系统按照程序路线行进。

4)地面工作站接受无人机系统实时返回的数据，利用arcgis软件生成水下地形图。

进一步，在测试过程中，实时监测所得到的水面距离淤泥表面的深度为h，并判断h数值，若h＞0，则判定为水下地形。若h＝0，则判定为水-土交界点。

进一步，步骤3)中，当水下地形坡度较大或地形复杂时，入射光线在陡坡发生反射射向坡底，反射光线不能被捕捉，造成信号缺失，通过线性插值方法进行地形图绘制。

进一步，步骤2)之前还具有对无人机系统进行调试的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

a.可减少水流流速对测量的影响；

b.实现水下地形测量的自动化；

c.能够提高测量的机动性，灵活性高；

d.可提高测量的精度；

e.保障作业人员安全，作业效率高。

附图说明

图1为无人机系统示意图；

图2为无人机系统主视图；

图3为无人机系统仰视图；

图4为无人机测试路线图；

图5为无人机测试路线校准图；

图6为无人机实际测试路线图；

图7为无人机智能测试路线图；

图8为行进判别流程图；

图9为智能判别流程图；

图10为复杂地形示意图。

图中：机身1、机翼2、数据采集存储单元4、信号发射单元7和信号接收单元8。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1～图3，本实施例公开基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统，包括地面工作站和无人机系统。

所述无人机系统包括多旋翼机体、飞行控制系统和测绘系统。所述多旋翼机体包括机身1和机翼2。所述机身外壳采用轻物料制造。机身外壳内布置有电动机、电子调速器、电调连接板和飞行控制系统。机翼2旋转时，上部空气流速较快，静压力较小，机翼2下部流速较慢，静压力较大，两边互相较力，机翼2被往上推，实现无人机升高。

所述飞行控制系统包括ins(inertialnavigationsystem，惯性导航系统)/gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)组合定位模块、主控模块、处理模块和通讯模块。所述飞行控制系统为水下地形测量提供高精度的定位坐标，还为无人机提供自主导航的位置信息，使无人机根据规划的线路到达指定位置。

所述测绘系统布置在多旋翼机体底部。所述测绘系统通过数据线与处理模块连接。所述测绘系统包括数据采集存储单元4、信号发射单元7和信号接收单元8。所述信号接收单元8通过数据线与数据采集存储单元4连接。所述数据采集存储单元4通过数据线与处理模块相连。所述信号发射单元7和信号接收单元8测量水下地形的地理位置坐标和高程。在本实施例中，所述信号发射单元7向下发射激光束。所述信号接收单元8接收与所述激光对应的反射光。根据所述反射光的光强信息测定水面距离淤泥表面的距离。

所述地面工作站包括接收单元、中央处理器和显示器。所述中央处理器包括无人机航行轨迹制定模块和数据处理模块。

工作时，地面工作站制定测绘计划并通过通讯模块传输至飞行控制系统。所述飞行控制系统控制多旋翼机体飞行。测绘系统测定特定地区的水下地形。地面工作站接受无人机系统实时返回的数据，并通过数据和图像处理生成水下地形探测图。

本实施例利用载重无人机搭载测绘系统测量水下地形的探测。主要是针对大面积浅滩、湿地的水下地形测量，在有效提高测量精度的同时，降低测量成本。

实施例2：

本实施例公开一种关于实施例1所述基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)地面工作站划定待测绘区域。

2)无人机根据待测区域规划测量路径。

测量明渠、河岸规整的河道、人工池塘等形状规则的水下地形时，先在控制端设定测定边界，以无人机系统为零点，建立坐标系，所述坐标轴的x轴与y轴在同一水平面上，z轴的正方向指向地心。系统对待测区域进行等距条分。系统根据条分线和测域边界生成测量路径，通过控制条分的数量控制测量精度。

3)无人机测量过程中进行路经校准。

参见图4，无人机在自动生成路径后，在路径转折处生成校准点o1、o2、o3、o4等。在测量过程中，整个任务被分解为o—o1、o1—o2、o2—o3等若干个分支任务。在无人机完成第一段o—o1的测量任务后，到达o1’处，此时记录o1’位置坐标并校准至o1，进入第二段测量任务。以此类推，保证每一段测量任务相对独立，不会受到上一段测量产生的误差造成的影响。无人机行进判别流程图如图8所示。

无人机在行进过程中受到河面风力的影响，实际行进路径与规划路径可能产生偏差。当无人机偏离有效测量范围，无人机暂时关闭水下地形数据采集系统，并记录该点为偏离点和该店坐标，然后以最短距离回到偏离点投影于原轨道上的位置，再次开启数据采集系统沿原路径继续前进。参见图5，无人机沿着x＝x1方向前进，于a(x1，y1)处开始受到外力作用，致使行进方向与原方向偏移，无人机行进至b(x2，y2)处，系统判定其偏离有效测量范围，关闭测量系统，设置目标点c(x2，y1)，直到无人机回到c点，沿原路径继续测量。

4)判别实测数据可信度

测量结束后，导出水下地形数据和实际的行进路线，通过比较设定路线和实际路线的偏差程度，判断测量数据的可信度。参见图6中的ef段，有三次偏离原路线，推测可能受到强风、过往船只的影响，测量数据可信度低，需要利用e点坐标补测ef段信息。

实施例3：

本实施例公开一种关于实施例1所述基于无人机路线智能规划的水下全地形测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)地面工作站划定待测绘区域。

2)对无人机系统进行调试

3)地面工作站将测绘任务上传给无人机系统。

4)无人机系统按照程序路线行进。

以无人机系统为零点，建立坐标系。所述坐标系的x轴与y轴在同一水平面上，z轴的正方向指向地心。水下地形的点的坐标值为(xi，yi，zi)。参见图9，在测试过程中，实时监测所得到的水面距离淤泥表面的深度为h，并判断h数值，若h＞0，则判定为水下地形。若h＝0，则判定为水-土交界点。

参见图10，当水下地形坡度较大或地形复杂时，入射光线在陡坡发生反射射向坡底，反射光线不能被捕捉，造成信号缺失，通过线性插值方法进行地形图绘制。

参见图7，测量边界轮廓复杂的湖泊时，局限于无人机的自动判别系统。如图7a所示，无人机通过一次飞行测量可能出现测量盲区。这时，如图7b所示，需要利用第一次测量路径中记录的转折点坐标，依照流程图重设起始位置和行进方向，补测第一次测量时未能捕获的水下地形数据。

5)地面工作站接受无人机系统实时返回的数据，利用arcgis软件生成水下地形图。