章惠全：無人自主調查測繪技術與應用

海洋、江河、湖泊等水上調查測繪作業，一直以來都是一項繁重、艱苦的任務，雖然各種調查測繪設備越來越先進，但還是需要在作業船隻上配備齊全的作業人員，傳統的調查測繪領域是人員和勞動密集型的。

隨著無人機應用的成熟與普及，無人艇也正受到海洋調查測繪領域的廣泛關注，在水文調查、海洋測繪中承擔越來越多的任務。作為小型無人水面平台，無人艇有與生俱來的兩大優勢：無人操控、靈活機動。

本文將簡單探討基於無人艇的無人自主調查測繪技術，主要從應用可行性、系統構成、關鍵技術及應用實例展開討論。

一、應用可行性

應用可行性主要是需要滿足調查數據有效性、調查範圍、調查成本等主要要素指標。

調查數據有效性：對每一類調查而言，其數據有效性都有特定的外部環境要求，例如多波束地形調查對海況以及整體搖晃程度提出了較高的要求。在內河湖泊環境，因風、浪造成的無人測繪平台影響較小，該方案基本能滿足大部分作業的數據有效性要求；在海洋環境，受風浪影響較大，需要採用稍大型的無人艇來抵抗風浪造成的影響，同時需要限定作業適用的風浪等級。

調查範圍：是指無人測繪能在多大範圍內開展受控測繪。若採用數據實時傳輸方案，則其作業範圍受限於數據通信的作用距離，一般點對點電台可傳輸10～20km，4G網路可覆蓋海岸線往外10km左右，即該方案的最大作業範圍；若採用數據非實時傳輸和人工智慧避障方案，則其作業範圍理論上受限於無人艇的續航能力。

使用成本：是指應用該方案後調查工作的綜合成本是否處於用戶可接受範圍。影響使用成本的兩個主要要素是購置成本和使用率，筆者相信隨著無人艇行業的進一步發展，無人艇的購置成本可大幅度下降，另外隨著該方案應用的普及，使用率也能逐步提升，並最終降低該方案的綜合使用成本。

二、系統構成

根據功能劃分、模塊化、標準化的角度，無人自主調查測繪系統的構成可以劃分為如圖1所示的幾個子系統，包括：無人艇載體平台、自主避障駕駛子系統、測繪採集子系統和作業管理與監控子系統。

圖1 無人自主調查測繪系統構成

這裡的無人艇載體平台，不僅包括艇體結構和動力系統，還包括定位姿態設備和無線通訊電台，即是具備遙控駕駛條件的無人艇基礎系統。作為自主調查測繪作業的基礎平台條件，針對不同類型的測繪應用，需要對其安裝結構、動力雜訊、輔助感測器、通訊設備等進行專門設計考量。

自主避障駕駛子系統，可以看作是無人艇的大腦，是實現無人自主測繪作業的核心與關鍵，它需要能夠控制無人艇安照預定的航線行駛，並能夠檢測和避讓航行線路上的障礙物，以保證自主安全地完成相應的調查測繪任務。

測繪採集子系統，即是無人自主調查測繪系統的功能載荷，由它實現相應調查測繪作業，可以根據無人艇平台的支持條件及實際調查測繪作業需求，安裝搭載相應的測繪設備，如單波束、多波束、側掃聲納、ADCP或淺剖等。

作業管理與監控子系統，它可以實現對無人艇及作業情況的遠程監控，使得技術人員遠程實時控制、下發或變更作業任務，監控作業調查測繪數據結果及質量等。作業管理與監控子系統，可採用監控中心或攜帶型基站方式，前者適用於遠距離無人艇編隊的作業管理，後者更適用於近程單艇的作業管理。這種實時在線式的監控，對於提高應急處理、調查測繪效率及數據結果質量有重要的作用。

三、關鍵技術

無人自主調查測繪系統包含無人智能控制與測繪兩大方面關鍵技術，包括：測繪無人艇設計、測繪數據實時遠程傳輸與彙集、智能避障、精準化駕駛控制等技術。

⒈ 測繪無人艇設計

通用有人船或者通用無人船往往是面向航行任務優化設計的，而非面向測繪任務優化設計，因此筆者一直提倡無人測繪船量身定製概念。其艇型的設計首先需要滿足所搭載調查作業的外部環境要求，例如具備更強的抗風浪搖晃的性能等；其次考慮測繪設備的優化安裝，例如測繪設備在航行中更低的水流雜訊、拆裝便捷等；最後要考慮吊放與回收的便利性。

⒉ 測繪數據實時遠程傳輸與彙集

測繪數據的實時傳輸與彙集是無人測繪應用中進行實時質量控制和提升用戶體驗的關鍵一環，使得操作員可實時了解測繪任務完成情況，並在數據出現異常時能及時介入。原始採集數據的壓縮傳輸不僅可降低所需網路帶寬，而且變相延長了電台的作用距離；操作員顯示界面軟體對實時接收到的測繪數據的准後處理實時在線顯示，可最大程度逼真還原測繪效果，極大提升操作員的現場感和對調查作業的把控度。

⒊ 智能避障

智能障礙檢測，是實現無人艇自主航行的先決條件。影響無人艇的行駛的障礙主要有水面船隻、漂浮物，還有地圖上未標識的島礁、岸邊、碼頭及建築物等，基於攝像頭、激光和雷達數據的智能障礙檢測技術，在無人駕駛汽車上已廣泛應用，同樣可應用於無人艇上，但其實現上要考慮水面運動的特殊性。

當無人艇檢測到障礙時，需要快速地計算和確定一條最優的避讓路徑。避讓路徑首先要保證可行性和安全性，即根據障礙位置、移動速度和方向、無人艇的機動性、地圖可行駛區域、流速風流等環境條件設計安全可行的避讓路線；避讓路徑需要是最優的，即對調查測繪的作業影響盡量小，以及避讓之後需要迅速回到預定的測線軌跡。

⒋ 精準化駕駛控制

精準化駕駛控制，是無人艇進行自主調查測繪作業的保障條件。精準化的駕駛控制，就是要控制無人艇，使其能夠嚴格按照設計的路線行駛，從而以保證調查測繪結果質量，以及安全有效的進行障礙避讓。精準化的駕駛控制，需要基於船艇運動模型，根據控制及環境參數進行船艇姿態、加速度、速度及軌跡的預測，基於航行控制決策的行駛姿態、速度及軌跡要求計算和執行具體（螺旋槳、舵機等）推進動力控制操作，並根據各感測器的實時反饋信息，進行動態模型誤差估計。

四、應用實例

圖2是一個10米級無人自主調查測繪應用無人艇系統，受國家863計劃資助，由北京南風、杭州邊界電子、武漢勞雷綠灣及浙江大學等多家單位成功聯合研製。

無人艇平台帶有雙柴油機高速推進系統和電推低噪推進系統，可滿足快速進行測區和進行高質量測繪作業的能力，還帶有PosMV GPS慣導姿態系統，能提供高精度的定位和姿態精度滿足測繪需求，以及高速網路電台，支持遠程在線實時結果監控；智能駕駛系統，配備Poing Grey光學攝像頭、天奧SPCR-20掃描雷達和自研的標準化智能駕駛軟體；測繪採集系統由R2Sonic2022多波束聲納、採集計算機及海測大師（後台版）採集軟體；岸端的管理監控系統採用臨時電台、攜帶型電腦及海測大師（桌面版）測繪監控軟體。

圖2 10米級自主調查測繪無人艇

該系統作業時，首先通過岸端的海測大師（桌面版）軟體進行作業規劃，基於數字地圖和作業區域，對進入測區路線、測區測線和返航路徑、航行速度等進行設計，並通過遠程通訊將作業任務規划下發到無人艇上的智能駕駛系統。

然後智能駕駛系統根據所設計路線、速度和推進方式，自主航行至調查測繪區域，如果在行駛路線上通過攝像頭或雷達檢測到危險障礙物，會自動進行避讓。該系統可以實現高速情況下的精確路線自主航行控制與無人自主避障功能，如圖3～圖5所示。

圖3 高速航線保持

圖4 攝像頭、雷達障礙檢測監控

圖5 高速障礙避讓

當到達測繪區域後，如果需要，智能駕駛系統會自動切換成低雜訊的電推方式，根據所設計測線的順序和方向，依次進行精確控制行駛；在測繪作業過程中，測繪採集系統會自動記錄所有原始數據，同時進行實時多波束數據處理，並將處理結果壓縮打包發送給岸端監控基站；最後，岸端的海測大師軟體接收無人艇的航行狀態信息和測繪結果數據，進行實時狀態監控和調查測繪結果展示，如圖6所示。

圖6 無人自主調查測繪結果遠程實時監控

五、小結

隨著科技的發展與人類的進步，人們將逐漸地從簡單、重複、繁重的勞動密集領域轉到更富有創造力的領域。無人自主調查測繪技術，則是人們擺脫繁重、重複的海洋調查測繪任務的一項實踐，而且正在逐步實現與應用。

【作者簡介】章惠全，男，1982年12月出生，浙江金華人，浙江大學力學系博士、浙江大學信電系博士後，發表SCI、EI學術論文10餘篇。現任杭州邊界電子技術有限公司技術總監，主要從事水聲信號與數據處理、海洋調查測繪軟體、船艇無人駕駛等方面的研發工作。杭州邊界電子技術有限公司是一家專業致力于海洋測繪及物理海洋領域儀器設備及應用軟體研發、生產的廠商，系杭州市高新技術企業，中國海洋發展研究會深海科學與技術研究分會理事單位。杭州邊界電子主營包括側掃聲吶、多波束測深聲吶、海流計、倒置式回聲儀、溫度剖面儀、甲板單元、同步控制器、海測大師海洋測繪軟體、船艇無人駕駛系統等產品。

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