基于多波束测深系统的太阳能水路航道检测无人船装置
摘要
据交通运输部统计，近十年共发生的1129起船舶触礁全损事故，其中，2019年发生了53起全损事故，较2018年的34起增加了56%。通航条件较差、航行环境复杂、内河航道礁石众多、水流复杂是造成船舶触礁事故频发的主要外部因素。
本团队针对这一现象展开基于多波束测深系统的水路航道礁石检测无人船装置这一课题。在现有无人船技术的基础上，对传统无人船进行改进和创新，研制一款水路航道检测无人船，并按照1：2的比例完成了模型的制作。
无人船模型的特点主要体现在对太阳能的利用，对电池管理系统的优化、检测数据的实时回传以及对传统测深系统的改善。多波束测深系统是利用同时发射和同时接收多个波束对水域进行条带式全覆盖测量他能一次性给出与航向垂直的垂直面内多个水深值，能够精确快速地检测出水域内的地貌或礁石的大小，形状以及高低变化。此模型目前已开展多次湖试，通过分析无人船的自动航行性能和深度测量的结果，验证了无人船用于水路航道检测的可行性和实用性。
关键词：无人船，航道检测，多波束测深
正文
一、研制背景
1.1项目背景
2017年5月21日，长江上游航道里程620.2公里处，一货船航行过程中发生触礁事故，造成该船舶右舷1、2号防撞边舱破损进水，货舱破损，无人员伤亡。
2018年7月10日，重庆“煊龙818“号货船在廖家凼码头触礁破损进水后，在长江重庆铜锣峡大磨水域翻覆。救援人员及时赶到，船体沉没，船上7人受伤。据统计,全球每年出现的船舶事故直接经济损失4036.49亿元人民币.这其中河域事故有908起,船舶触礁事故549起，内河船舶礁事故占内河总事故的60.46%。
1.2事故特点分析
1.触礁事故发生数量较多，2017年在事故总数中所占的比重为54.6%，2018年所占比重为49.8%。
2.轮船在水路中的惯性极大，在未知河道中一旦无法提前得知礁石位置，轮船便无法改变线路或停止航行，极易触礁。
3.在国内水路航道中，大型礁石往往会被标记，但因航海助航标志不完善，涨潮时航海者往往难以辨识，造成船毁人亡。
1.2国内外研究现状
近年来，无人船研究领域受到国内外越来越多的关注。远程控制的无人船船队广泛用于军事领域和资源勘察。此外，无人船主要在天气观测，水文水质检测等领域有较多应用，例如美国德州农机大学和航天局携手研发的联网控制水上无人船已经被用于德州海沿岸检测计划。
从测深技术的发展来看，国外多波束测深技术其研究和应用已达到了较高的水平，特别是近十年，随着电子、计算机、新材料和新工艺的广泛应用，多波束测深技术已经取得了突破性的进展。与之相比，国内多波束测量系统与发达国家相比还有很大差距，虽然浅水多波束测量系统与国外精度相近，但稳定性较差，只能小规模投入生产中。从我国航道检测技术的发展来看，我国航道检测技术虽然已经进一步发展。但是在许多复杂状况下，由于精度数据不饱和的状况，导致航道检测目的和成效往往不尽如人意。对于当下的航道检测发展来说，尽快提高航道工程技术建设，完善航道测量技术理念显得尤为重要。
二、设计方案
2.1 概括预览
（1）设计整体思路
该无人船整体架构如图所示，该无人船共由三个基本单元和一个系统组成。包括运动单元、通信单元、控制单元以及多波束测深系统。
运动单元包括机械部分和能源部分，由能源部分为船体的机械运动提供动力，由电能调节系统对电池系统进行管理；通信单元是通过无线遥控和地面基站实现通信功能；控制单元包括自动避障功能和巡航功能，这两项功能依托于二轴云台的摄像头，GPS定位模块设备；多波束测深系统是利用同时发射和同时接收多个波束对水底进行条带式全覆盖测量，通过对声信号的多波束发射，能够一次性给出与航道垂直的垂面内多个被测点的水深值。
（2） 设计模型与实物作品
2.2 系统硬件电路设计
本产品的MCU 型号为STM32F103RBT6，属于STM32系列产品中的性价比较高的一种。该芯片的配置包括128K FLASH、1个 C、2个SPI、3个串口、1个CAN控制器、2个12位的ADC等。MCU的外围电路，也即MCU的最小系统设计以及接口电路的设计如图2.6所示，
2.3 无人船主要参数
无人船设计参数如下表1所示
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参数
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模型
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实物
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基础参数
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设计尺寸
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380mm×160mm×95mm
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760mm×320mm×190mm
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重量
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1.07kg
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10kg
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最大功率
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296W
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1920W
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材质
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EPO泡沫板
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碳纤维
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性能指标
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设计航速
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2m/s（7.2km/h）
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3m/s（10.8km/h）
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视频通信距离
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500m(5.8G)
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2km(5.8G)/∞(5G)
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通信功率
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600mW
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5W/2W
|
|
数据通信距离
|
500m(5.8G)
|
2km(5.8G)/∞(5G)
|
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