水下测绘无人船超声测量系统研制

作     者：闫炳华 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹茂永

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 081601[工学-大地测量学与测量工程] 0816[工学-测绘科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：无人船 超声测距 水下测量 

摘      要：在海洋资源枯竭和环境研究深化的背景下,水下测量技术在海洋工程和学术研究中发挥着关键作用。传统测量方法效率低、工作量大且安全风险高,亟需新型测量方案。无人船作为先进测量平台,以其机动性高、效率高和成本低的特点成为研究热点。结合声纳、GPS等技术,无人船测量系统能够捕获水下目标的三维位置信息,广泛用于精密测量海底地形。特别是无人船的声波测量技术,利用声波在水中的传播特点,比传统方法提供更精确的数据。水下声波测量作为无人船测量的核心技术,以无接触、高精度和高解析度的优势,在海洋工程、地质勘察和生物研究等领域得到广泛应用。 本文的主要设计工作如下: (1)通过伺服电机和舵机的配合,设计了一种云台稳定系统。采用了SOLIDWORKS进行系统图纸设计,优化整个平衡系统的细节。整个平衡系统通过stm32单片机控制,减小了超声探头在无人船行驶过程中因摇晃而导致的测量误差问题,提高了整体测量数据的准确性。 (2)超声波收发硬件电路设计。采用周期性的脉冲信号进行超声波触发,接收端设计有带通滤波处理模块,对超声波的回波进行了有效的滤波放大处理。最后通过stm32单片机进行数据的整合,经过无线模块上传到PC端完成数据采集功能。 (3)超声波温度补偿设计。温度是超声传播最大的干扰因素,通常采用超声波传播经验公式计算出在水下的传播速度以消除温度对声速的影响。但由于经验公式应用条件受限,本文采用最小二乘法对超声测距的距离值与渡越时间进行多项式拟合,可以无需考虑实验环境的真实声速值,很好的提高测量的精确度。 (4)针对采集的数据,在PC端进行水下三维图的绘制。采用MATLAB软件设计绘制三维地形图程序进行水下测绘,并结合surfer绘图结果进行对比最后得出的水下地形起伏的等深线和三维地形图,完成本文设计工作的目的。 综上所述,本文通过以上设计实现了无人船水下超声测量的功能。整个系统搭配云台稳定系统和超声测量系统,发射超声波对水下地形进行单波束扫描测量。经过一系列数据采集处理,绘制出水下模拟的地形起伏变化,有助于了解一些未知水域的地形情况。