作品展示▏章惠全：无人自主调查测绘技术与应用

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海洋、江河、湖泊等水上调查测绘作业，一直以来都是一项繁重、艰苦的任务，虽然各种调查测绘设备越来越先进，但还是需要在作业船只上配备齐全的作业人员，传统的调查测绘领域是人员和劳动密集型的。

随着无人机应用的成熟与普及，无人艇也正受到海洋调查测绘领域的广泛关注，在水文调查、海洋测绘中承担越来越多的任务。作为小型无人水面平台，无人艇有与生俱来的两大优势：无人操控、灵活机动。

本文将简单探讨基于无人艇的无人自主调查测绘技术，主要从应用可行性、系统构成、关键技术及应用实例展开讨论。

一、应用可行性

应用可行性主要是需要满足调查数据有效性、调查范围、调查成本等主要要素指标。

调查数据有效性：对每一类调查而言，其数据有效性都有特定的外部环境要求，例如多波束地形调查对海况以及整体摇晃程度提出了较高的要求。在内河湖泊环境，因风、浪造成的无人测绘平台影响较小，该方案基本能满足大部分作业的数据有效性要求；在海洋环境，受风浪影响较大，需要采用稍大型的无人艇来抵抗风浪造成的影响，同时需要限定作业适用的风浪等级。

调查范围：是指无人测绘能在多大范围内开展受控测绘。若采用数据实时传输方案，则其作业范围受限于数据通信的作用距离，一般点对点电台可传输10～20km，4G网络可覆盖海岸线往外10km左右，即该方案的最大作业范围；若采用数据非实时传输和人工智能避障方案，则其作业范围理论上受限于无人艇的续航能力。

使用成本：是指应用该方案后调查工作的综合成本是否处于用户可接受范围。影响使用成本的两个主要要素是购置成本和使用率，笔者相信随着无人艇行业的进一步发展，无人艇的购置成本可大幅度下降，另外随着该方案应用的普及，使用率也能逐步提升，并最终降低该方案的综合使用成本。

二、系统构成

根据功能划分、模块化、标准化的角度，无人自主调查测绘系统的构成可以划分为如图1所示的几个子系统，包括：无人艇载体平台、自主避障驾驶子系统、测绘采集子系统和作业管理与监控子系统。

图1  无人自主调查测绘系统构成 

这里的无人艇载体平台，不仅包括艇体结构和动力系统，还包括定位姿态设备和无线通讯电台，即是具备遥控驾驶条件的无人艇基础系统。作为自主调查测绘作业的基础平台条件，针对不同类型的测绘应用，需要对其安装结构、动力噪声、辅助传感器、通讯设备等进行专门设计考量。

自主避障驾驶子系统，可以看作是无人艇的大脑，是实现无人自主测绘作业的核心与关键，它需要能够控制无人艇安照预定的航线行驶，并能够检测和避让航行线路上的障碍物，以保证自主安全地完成相应的调查测绘任务。

测绘采集子系统，即是无人自主调查测绘系统的功能载荷，由它实现相应调查测绘作业，可以根据无人艇平台的支持条件及实际调查测绘作业需求，安装搭载相应的测绘设备，如单波束、多波束、侧扫声纳、ADCP或浅剖等。

作业管理与监控子系统，它可以实现对无人艇及作业情况的远程监控，使得技术人员远程实时控制、下发或变更作业任务，监控作业调查测绘数据结果及质量等。作业管理与监控子系统，可采用监控中心或便携式基站方式，前者适用于远距离无人艇编队的作业管理，后者更适用于近程单艇的作业管理。这种实时在线式的监控，对于提高应急处理、调查测绘效率及数据结果质量有重要的作用。

三、关键技术

无人自主调查测绘系统包含无人智能控制与测绘两大方面关键技术，包括：测绘无人艇设计、测绘数据实时远程传输与汇集、智能避障、精准化驾驶控制等技术。

⒈ 测绘无人艇设计

通用有人船或者通用无人船往往是面向航行任务优化设计的，而非面向测绘任务优化设计，因此笔者一直提倡无人测绘船量身定制概念。其艇型的设计首先需要满足所搭载调查作业的外部环境要求，例如具备更强的抗风浪摇晃的性能等；其次考虑测绘设备的优化安装，例如测绘设备在航行中更低的水流噪声、拆装便捷等；最后要考虑吊放与回收的便利性。

⒉ 测绘数据实时远程传输与汇集

测绘数据的实时传输与汇集是无人测绘应用中进行实时质量控制和提升用户体验的关键一环，使得操作员可实时了解测绘任务完成情况，并在数据出现异常时能及时介入。原始采集数据的压缩传输不仅可降低所需网络带宽，而且变相延长了电台的作用距离；操作员显示界面软件对实时接收到的测绘数据的准后处理实时在线显示，可最大程度逼真还原测绘效果，极大提升操作员的现场感和对调查作业的把控度。

⒊ 智能避障

智能障碍检测，是实现无人艇自主航行的先决条件。影响无人艇的行驶的障碍主要有水面船只、漂浮物，还有地图上未标识的岛礁、岸边、码头及建筑物等，基于摄像头、激光和雷达数据的智能障碍检测技术，在无人驾驶汽车上已广泛应用，同样可应用于无人艇上，但其实现上要考虑水面运动的特殊性。

当无人艇检测到障碍时，需要快速地计算和确定一条最优的避让路径。避让路径首先要保证可行性和安全性，即根据障碍位置、移动速度和方向、无人艇的机动性、地图可行驶区域、流速风流等环境条件设计安全可行的避让路线；避让路径需要是最优的，即对调查测绘的作业影响尽量小，以及避让之后需要迅速回到预定的测线轨迹。

⒋ 精准化驾驶控制

精准化驾驶控制，是无人艇进行自主调查测绘作业的保障条件。精准化的驾驶控制，就是要控制无人艇，使其能够严格按照设计的路线行驶，从而以保证调查测绘结果质量，以及安全有效的进行障碍避让。精准化的驾驶控制，需要基于船艇运动模型，根据控制及环境参数进行船艇姿态、加速度、速度及轨迹的预测，基于航行控制决策的行驶姿态、速度及轨迹要求计算和执行具体（螺旋桨、舵机等）推进动力控制操作，并根据各传感器的实时反馈信息，进行动态模型误差估计。

四、应用实例

图2是一个10米级无人自主调查测绘应用无人艇系统，受国家863计划资助，由北京南风、杭州边界电子、武汉劳雷绿湾及浙江大学等多家单位成功联合研制。

无人艇平台带有双柴油机高速推进系统和电推低噪推进系统，可满足快速进行测区和进行高质量测绘作业的能力，还带有PosMV GPS惯导姿态系统，能提供高精度的定位和姿态精度满足测绘需求，以及高速网络电台，支持远程在线实时结果监控；智能驾驶系统，配备Poing Grey光学摄像头、天奥SPCR-20扫描雷达和自研的标准化智能驾驶软件；测绘采集系统由R2Sonic2022多波束声纳、采集计算机及海测大师（后台版）采集软件；岸端的管理监控系统采用临时电台、便携式电脑及海测大师（桌面版）测绘监控软件。

图2   10米级自主调查测绘无人艇

该系统作业时，首先通过岸端的海测大师（桌面版）软件进行作业规划，基于数字地图和作业区域，对进入测区路线、测区测线和返航路径、航行速度等进行设计，并通过远程通讯将作业任务规划下发到无人艇上的智能驾驶系统。

然后智能驾驶系统根据所设计路线、速度和推进方式，自主航行至调查测绘区域，如果在行驶路线上通过摄像头或雷达检测到危险障碍物，会自动进行避让。该系统可以实现高速情况下的精确路线自主航行控制与无人自主避障功能，如图3～图5所示。

图3    高速航线保持

图4  摄像头、雷达障碍检测监控

图5   高速障碍避让

当到达测绘区域后，如果需要，智能驾驶系统会自动切换成低噪声的电推方式，根据所设计测线的顺序和方向，依次进行精确控制行驶；在测绘作业过程中，测绘采集系统会自动记录所有原始数据，同时进行实时多波束数据处理，并将处理结果压缩打包发送给岸端监控基站；最后，岸端的海测大师软件接收无人艇的航行状态信息和测绘结果数据，进行实时状态监控和调查测绘结果展示，如图6所示。

图6   无人自主调查测绘结果远程实时监控

五、小结

随着科技的发展与人类的进步，人们将逐渐地从简单、重复、繁重的劳动密集领域转到更富有创造力的领域。无人自主调查测绘技术，则是人们摆脱繁重、重复的海洋调查测绘任务的一项实践，而且正在逐步实现与应用。

【作者简介】章惠全，男，1982年12月出生，浙江金华人，浙江大学力学系博士、浙江大学信电系博士后，发表SCI、EI学术论文10余篇。现任杭州边界电子技术有限公司技术总监，主要从事水声信号与数据处理、海洋调查测绘软件、船艇无人驾驶等方面的研发工作。杭州边界电子技术有限公司是一家专业致力于海洋测绘及物理海洋领域仪器设备及应用软件研发、生产的厂商，系杭州市高新技术企业，中国海洋发展研究会深海科学与技术研究分会理事单位。杭州边界电子主营包括侧扫声呐、多波束测深声呐、海流计、倒置式回声仪、温度剖面仪、甲板单元、同步控制器、海测大师海洋测绘软件、船艇无人驾驶系统等产品。

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