【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种三维声呐测量装置及其测量方法，尤其涉及一种用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船及其测量方法。
技术介绍
1、桥梁是重要的基础设施，其承担着道路和铁路等交通运输的作用。由于长期受到水流的冲击和其他环境因素的影响，桥梁的水下部分容易出现各种病害，如混凝土龟裂、钢筋锈蚀等。这些病害不仅会影响桥梁的结构安全性，还可能导致桥梁功能的受损甚至丧失，给交通运输带来严重的安全隐患。另外，桥梁水下部分还容易受到水流冲刷的影响。水流的冲刷会导致桥墩、桥基等部件的表面变形、侵蚀甚至局部破坏，进而影响桥梁的稳定性和使用寿命。因此，及时发现和监测桥梁水下病害及冲刷情况，对于确保桥梁的安全运行至关重要。
2、现有技术中，大多采用声呐监测水流冲刷和水下病害对桥梁的损伤，声呐通过发射声波并接收其回波信号，利用声波在介质中传播的速度和回波信号的时间差，计算目标距离，通过控制声波的发射角度和接受方向，确定目标的水平方位角和俯仰角，从而实现对目标在三维空间中的定位和成像。而现有的声呐大多是固定安装在测量船的船舷侧，驾驶测量船对水下基础按照一定侧线运动进行水下病害与冲刷情况的，声呐因位置固定，只能通过控制测量船的运转而间接控制声呐的转动和移动，测量船因自身体积较大、运转时受具体的环境影响，因此声呐转动和移动受限，无法实现对桥梁水下结构与冲刷地形的全面覆盖，且操作烦琐、测量成本大因此。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种能够对桥梁水下结构与冲刷地形的全面覆盖的
2、本专利技术的第二目的是提供一种用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船的测量方法。
3、技术方案：本专利技术公开的一种用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，包括船体以及设置在船体上的声呐，还包括安装在船体底部中轴线上用于连接和调整声呐扫描方向的控制组件、锁定在声呐预设的扫描方向且安装在船体船舱内部的陀螺仪、用于记录船体船行数据的惯性导航系统以及基于陀螺仪和惯性导航系统的数据调节控制组件的控制器，所述控制组件包括控制声呐在船行方向转动的第一云台、控制声呐在垂直船行方向转动的第二云台以及控制声呐在垂直于第一云台与第二云台转动方向所构成的平面的方向转动的第三云台。
4、进一步的，还包括对称设置在船体两侧的稳定组件，所述稳定组件包括两个对称安装在船舷上的定向铰支座、通过定向铰支座与船体连接的减摇鳍、固定安装在船舭上的舭龙骨、设置在两个定向铰支座之间且与船体连接的两个快拆支座、与快拆支座连接的连接杆以及固定连接在两个连接杆另一端的侧片体。
5、进一步的，所述连接杆设置为伸缩杆，且伸缩杆与控制器电性连接。
6、进一步的，所述声呐的顶端安装有与控制组件插接的底座，所述底座和控制组件上均开设有销孔，所述底座的一侧通过弹簧安装有定位销，且定位销通过销孔与底座和控制组件插接。
7、进一步的，还包括安装在船体尾部的动力螺旋桨，且动力螺旋桨与控制器电性连接。
8、基于同样的专利技术构思，本专利技术还提供一种用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船的测量方法，包括以下步骤：
9、s1：船体启动前，设定声呐的扫描方向，而后启动陀螺仪并将陀螺仪锁定在与声呐的扫描方向一致的姿态，且陀螺仪记录扫描方向数据并将其传输至控制器；
10、s2：船体启动后，惯性导航系统实时获取船体的船行数据并传输至控制器；
11、s3：依据扫描方向数据和船行数据计算声呐当前扫描方向与设定的扫描方向的控制偏差；
12、s4：依据控制偏差计算控制组件转动声呐的云台控制量；
13、s5：对云台控制量进行转换处理，获得控制组件对应的转动角度；
14、s6：控制器依据转动角度实时调整控制组件转动，使得声呐始终维持在设定的扫描方向，控制器控制陀螺仪转动并锁定在声呐转动后的姿态；
15、s7：重复步骤s2至s6，直至扫描结束。
16、进一步的，所述扫描方向数据包括此时陀螺仪在船体质心坐标系的横摇方向转角α(t)、纵摇方向转角β(t)和偏航方向转角γ(t)。
17、进一步的，所述船行数据包括船体当前时刻的横摇方向转角αs(t)、纵摇方向转角βs(t)和偏航方向转角γ1(t)。
18、进一步的，所述控制偏差的计算公式如下：
19、
20、云台控制量的计算公式如下：
21、
22、其中kp指比例计算的比例值，ti指积分计算的时间常数，td指微分计算的时间常数。
23、进一步的，对云台控制量进行转换处理、获得控制组件对应的转动角度的方式如下：
24、采用针对各采样点的误差控制，基于一阶向后差分方法进行微分处理，控制偏差的微分计算式如下：
25、
26、式中k标识采样时刻，t是采样周期，θ(k)与θ(k-1)是第k采样时刻与第(k-1)采样时刻的误差信号；
27、采用累计运算代替积分运算，计算式如下：
28、
29、采用取样点kt代替连续时间t，计算式如下：
30、t＝kt(k＝0,1,2,...)；
31、汇总得到声呐定向数字pid，根据计算的作用量调整云台对应转动的角度，计算表达式为：
32、
33、其中ki＝kp/t，kd＝kdtd。
34、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：本专利技术通过控制组件调控声呐在水下的作业姿态，使得声呐扫测作业姿态更灵活，同时使用陀螺仪和惯性导航系统来作为调控声呐姿态的依据，有利于调整声呐的姿态使其始终处于预设的扫描方向，能够对桥梁水下结构与冲刷地形的全面覆盖，能够提升声呐在水下大角度扫测时的精确性及作业时的稳定性；稳定组件的设置，能够减小船体的晃动幅度，有利于提升船体在水中航行的稳定性；定位销的设置，使得声呐安装、拆卸方便，减少安装过程的烦琐步骤，方便声呐扫描作业，有利于提高作业效率。
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1.一种用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，包括船体(1)以及设置在船体(1)上的声呐(2)，其特征在于：还包括安装在船体(1)底部中轴线上用于连接和调整声呐(2)扫描方向的控制组件(3)、锁定在声呐(2)预设的扫描方向且安装在船体(1)船舱内部的陀螺仪(4)、用于记录船体(1)船行数据的惯性导航系统(5)以及基于陀螺仪(4)和惯性导航系统(5)的数据调节控制组件(3)的控制器(6)，所述控制组件(3)包括控制声呐(2)在船行方向转动的第一云台(7)、控制声呐(2)在垂直船行方向转动的第二云台(8)以及控制声呐(2)在垂直于第一云台(7)与第二云台(8)转动方向所构成的平面的方向转动的第三云台(9)。
2.根据权利要求1所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，其特征在于：还包括对称设置在船体(1)两侧的稳定组件(10)，所述稳定组件(10)包括两个对称安装在船舷上的定向铰支座(11)、通过定向铰支座(11)与船体(1)连接的减摇鳍(12)、固定安装在船舭上的舭龙骨(13)、设置在两个定向铰支座(11)之间的且与船体(1)连接的两个快拆支座(14)、与
3.根据权利要求2所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，其特征在于：所述连接杆(15)设置为伸缩杆，且伸缩杆与控制器(6)电性连接。
4.根据权利要求1所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，其特征在于：所述声呐(2)的顶端安装有与控制组件(3)插接的底座(17)，所述底座(17)和控制组件(3)上均开设有销孔，所述底座(17)的一侧通过弹簧安装有定位销(18)，且定位销(18)通过销孔与底座(17)和控制组件(3)插接。
5.根据权利要求1所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，其特征在于：还包括安装在船体(1)尾部的动力螺旋桨(19)，且动力螺旋桨(19)与控制器(6)电性连接。
6.一种根据权利要求1～5任一所述用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船的测量方法，其特征在于：所述扫描方向数据包括此时陀螺仪(4)在船体(1)质心坐标系的横摇方向转角α(t)、纵摇方向转角β(t)和偏航方向转角γ(t)。
8.根据权利要求7所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船的测量方法，其特征在于：所述船行数据包括船体(1)当前时刻的横摇方向转角αs(t)、纵摇方向转角βs(t)和偏航方向转角γ1(t)。
9.根据权利要求8所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船的测量方法，其特征在于：所述控制偏差的计算公式如下：
10.根据权利要求9所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船的测量方法，其特征在于：对云台控制量进行转换处理、获得控制组件(3)对应的转动角度的方式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，包括船体(1)以及设置在船体(1)上的声呐(2)，其特征在于：还包括安装在船体(1)底部中轴线上用于连接和调整声呐(2)扫描方向的控制组件(3)、锁定在声呐(2)预设的扫描方向且安装在船体(1)船舱内部的陀螺仪(4)、用于记录船体(1)船行数据的惯性导航系统(5)以及基于陀螺仪(4)和惯性导航系统(5)的数据调节控制组件(3)的控制器(6)，所述控制组件(3)包括控制声呐(2)在船行方向转动的第一云台(7)、控制声呐(2)在垂直船行方向转动的第二云台(8)以及控制声呐(2)在垂直于第一云台(7)与第二云台(8)转动方向所构成的平面的方向转动的第三云台(9)。
2.根据权利要求1所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，其特征在于：还包括对称设置在船体(1)两侧的稳定组件(10)，所述稳定组件(10)包括两个对称安装在船舷上的定向铰支座(11)、通过定向铰支座(11)与船体(1)连接的减摇鳍(12)、固定安装在船舭上的舭龙骨(13)、设置在两个定向铰支座(11)之间的且与船体(1)连接的两个快拆支座(14)、与快拆支座(14)连接的连接杆(15)以及固定连接在两个连接杆(15)另一端的侧片体(16)。
3.根据权利要求2所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐扫测的无人船，其特征在于：所述连接杆(15)设置为伸缩杆，且伸缩杆与控制器(6)电性连接。
4.根据权利要求1所述的用于桥梁冲刷与水下病害三维声呐...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊文，黄泽林，侯士通，朱彦洁，吴智深，吴刚，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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