中国铁建港航局集团有限公司第三工程分公司 山东省青岛市 266000
摘要：本文简要介绍了无人船的结构，并从其内在七个系统，研究其测量水深的可行性。其七个系统包括：双船体、推进设备、船载控制、水深测量、电源、无线传输、岸基控制。从无人船的实际应用，研究无人船在测量水深中所具有的优势，探索其应用的可行性，以其实用性视角验证其构造七个系统的运行能力，以便于为后续工程测量水深提供技术支持。
关键词：船载控制；无线传输；岸基控制
引言
水深测量指陆地防洪、水利等工程，为工程设计开展的一项勘测工作。在此期间，无人船作为国内测绘应用较为有利的设备，实现了在较为不良的环境条件中，开展单人/双人形式的持续性勘测活动，为工程设计、建设提供较为精准的参考数据，便于施工发展。无人船在工程建设中逐渐获取广泛应用，为工程勘测项目提供基础保障。
1无人船结构
无人船的系统结构，水深测量系统含有两个控制系统，分别为岸基与测深船，并且具有七个分支系统。其中岸基控制系统，包括两个模块，分别为客户端通讯单元、移动端通讯系统。此系统运行所依托的是：陆地与母船两者对岸基单位发出的指令，并依据信息实时运行，借助图形界面技术，开展测深船的动态实时监测，针对监测获取的数据，校验其精准度。在岸基与测深船两个单元之间，应建立无线电的连接与通讯，而RTK常规技术，应保障其基站与流动站之间的测量与传输，继而应用多组计算机系统，搭建通讯数据的应用链，保障系统之间相互独立状态。
测深船的控制系统，此系统的应用理念为：深船测量的自然条件中，船体如若不具有相对稳定性，极有可能引起翻船事故，为此，测深船应选择双体船的建设结构，长度设定为2.6米，宽度设定为1.3米，重量控制在130kg。与此同时，为其搭建多种测评技术，比如GPS。在实际测量期间，无人船的水深测量系统参数有：质量、浮体长度、直径等，具有测量数据的全面性，实施水深测量的可行性[1]。
2测量系统设备
2.1双体船
双体船框架为不锈钢材质，该不锈钢框架构成了船体的主体结构部分，除不锈钢框架外，其结构组成部分还包括两个PVC浮体。围绕该主体框架，设有必要的测量元件，这些测量元件被安全存放在水密箱中，不会因为水流或其他因素影响而受到物理伤害。在双体船中间靠前部位设有电池仓，而双体船尾部是为船只行进提供动力的推进系统。之所以进行该结构设计，一方面是为了保持双体船在行进中的平衡，使其在行进或者停靠过程中不会因为配重失衡而发生侧翻事故；另一方面，该结构可便于随时拆卸或组装，有效提升了双体船的携带便利性。
2.2推进设备
无人船具有相对简单的推进系统，无人船是以单推进器为行进动力源，通过单片机器的有效运行，对无人船的水下推进器进行操控，在其控制下，推进器可依据相应指令进行正转或反转行动，同时也可以在单片机器的操控下，进行加速行驶，降低行驶速度，或停止继续行进。推进系统和推进设备是无人船的重要动力支持，无人船的正常行进必须以其推进系统良好运转为基础，一旦推进系统出现问题，无人船无法行驶，也就无法完成测量任务。
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图1 船载控制系统
2.3船载控制系统
岸基控制命令发出以后，无人船的船载控制系统会接收到该命令，然后按照命令要求，指挥无人船推进单元运作起来。船载控制系统是以单板计算机经过缩微技术处理后的主控计算机为应用基础，并嵌入RS-232扩展卡，然后采取模块化集成手段，通过该扩展卡的串口，在GPS设备和单片机控制器之间构建系统化关系，实现功能整合（见图1）。其优点为无论何时何地，只要将RS-232扩展卡插入系统中，即可立即开始使用，当传感器出现故障或内存不足，必须进行更换或拓展时，该优势显现尤其明显，使操作变得简单易行。通过该模式的系统构建，无人船可利用系统进行数据采集和处理，并将处理过的数据信息发送到指定接收位置。
2.4测量
无人船可利用自身的测量系统，对水深情况进行实时测量，并显示其具体测量方位信息，以及当时的水流速度，从而实现对水深和水流情况的详细记录和反馈。该部分是无人船在水深测量中的关键操作部分，其测量数据获取为无人船的主要任务，因此，必须保证测量系统的精密性，以保证水深测量数据的科学性和可靠性。
2.5电源
为保证无人船整体运作安全，必须保证电源安全。强弱电流之间会发生干扰，影响彼此的正常运行，为解决此矛盾，分别设计供电系统，推进器有自独立的供电系统，其余设备运行则使用另外的供电系统。通过供电系统分设，实现独特的推进器系统设计，此种设计方法经理论数据测算，可维持测深船不间断工作5小时以上。
2.6无线传输
为了保证测量数据与岸基控制命令各自良好运行，避免其对彼此产生不良影响，分设两个无线模板，两个模板根据各自需要设置不同频率。应用该设计，岸基控制命令可以顺利发送、传输和反馈，测量数据也可以完成流畅传输，且其有效传输距离可达2千米。在此无线传输系统中，既实现了控制系统独立，又实现了传感器信息的自由收取，十分智能。
2.7岸基控制
无人船的岸基控制软件，是以Matlab GUI软件为基础，发挥该软件应用优势和技术优势，创建岸基控制软件编写程序。利用该软件，可以对无人船的当前信息进行实时传输，将相关数据信息反馈到岸基控制系统，岸基控制系统既可通过这些数据信息，掌握无人船行进过程中其所处水体的水深变化情况，从而根据其测量情况和测量需要，下达相应的控制命令，指挥推进器带动无人船行进或者后退。
3水下测量案例
将无人船应用于水深测量有广泛的理论基础和实例佐证。仅在我国，既有5次正规的无人船下水测试记录，其中1次为海试，其余4次为湖试，皆证明了在水深测量中使用无人船具有高度可行性，且具有良好的实用性。4次湖试中，有1次湖试是在青岛水库中实施，有3次是在位于中国海洋大学的人工湖中实施。
4次湖试的主要测试目的为检测无人船在行进过程中的稳定性，以及无人船在测量过程中相关数据信息传输的稳定性，除此之外，湖试中还对控制命令的响应准确性与及时性进行了检测。
通过以上4次湖试，无人船以其实际应用证明，无人船可以在岸基控制命令指挥下平稳行进、后退或停止，对岸基控制命令做出及时准确的命令接收、命令执行与命令反馈。从这些测试中可以得知，当无人船运行中其速度处于每秒0~1.5米之间时，其运行状态极其良好，可以及时准确地执行岸基控制命令，在该速度区间下，船体结构也处于非常稳定的状态，对航行情况适应良好。
在无人船测试中，关于无人船运行中的俯仰角以及横滚角皆有测试，根据测试数据建立图表，对图表中各项数据进行对比，可得出结论，无人船在行进过程中其俯仰角变化区间为正负2°，横滚角变化区间为0~4°。由此可知，无人船的俯仰和横滚差值为正负2°，符合水深测量工作对船体的姿态相关要求[2]。
在海试中，其测试时长为3小时，测试中无人船的行进速度维持在每秒0~1.5米之间，在测试过程中，其遥控距离最远处已超过1千米。根据海试数据统计所绘制的水深图显示，在此次测试中，水深波动始终处于0.6~10厘米范围内，水深测量结果为4.3米左右。在此次海试中，并无明显的潮汐变化影响，所以其测量结果基本可信，具有一定的科学性和可靠性，该次无人船水深测量任务圆满达成[3]。
简言之，无人测量船实则为一种机器人系统，无人测量船设计的主要应用目的就是通过采集、处理和分析所处水域的相关数据，完成该水域的水深测量任务。与传统的人工测量相比，无人测量船具有技术上的优越性，且应用过程更加安全，可以实现人工远程操控，并进行准确的水深测量。无人测量船的出现和应用，可以在一定程度上弥补当前我国水深测量的技术不足，使水域调查可以更顺利地开展，尤其是在进行一些极端环境的水域调查或测量时，例如一些浅滩或危险水域，载人船受其自身条件限制，很难完成要求的测量任务，但是无人测量船可以代替载人船前往这些恶劣环境的水域，完成指定的水深测量和水域调查任务，成为一种具有高度可行性和良好应用意义的智能化水深测量模式。在应用该模式进行水深测量时，只需单人或双人即可实施测量操作，有效节省了人工，且其测量准确度也能得到保证。
结论
综上所述，在对无人船分别进行海试检验与湖试检验之后，其试验结果证明，将无人船应用在水深测量活动中，不仅具有高度可行性，而且其实用性完全符合相关标准要求。虽然目前在实际操作中，仍然存在一些缺陷，但瑕不掩瑜，进行相应完善后，该项技术必将成为海洋观测的一项先进、可靠的应用技术。
参考文献
[1]钱辉,舒国栋,王露.无人船测深系统在潮间带地形测量中的应用[J].水利水电快报,2019,40(10):19-20+41.
[2]曹春泉,周威,狄大鹏.无人船水深测量系统在二河闸的应用[J].智能城市,2019,5(19):141-142.
[3]梁昭阳.无人船测量系统在水库地形测量中的应用[J].城市勘测,2018(01):132-135.