昏暗环境的新型超声波地形测绘新技术应用研究

何代宇，曾文沛，杨晓东，耿加良

(四川轻化工大学 土木工程学院，四川 自贡 643000)

0 前 言

超声波因其最低频率大于人的最大听觉而得名。它的方向性好，穿透能力强，容易获得比较集中的声能，且波长小，发射定向性高，所以能通过数据而精准测算距离长度。与电磁波和激光相比，其在水中具有传播距离远等特性。相较于传统山地投影测距法、水下声呐测距新方法，超声波测距具有抗干扰能力强、测量范围广、操作简单等明显优势。超声波测距新技术的工作原理：超声波在声波发射开始的同时开始计时，在介质中传播，遇障碍物反射产生回波，接收装置接收到回波后立刻停止计时。

本文的超声波测绘飞行器新技术，利用了超声波自身优势，测距、绘图基本原理，结合多波声呐、GPS技术发展而成的CNSS水下地形测量技术、DSP技术来解决本文所介绍的测绘问题。

1 测绘新技术主要内容

测绘新技术飞行器设计采用意法半导体STM32F7作为飞行主控芯片，5个AVR单片机ATmega 328P用来作为协助信息处理芯片以保证信息的及时处理，安装在四旋翼飞行器下方不同位置的超声波信息接收传感器用来接收地面障碍物反射回来的各种反射波信号，其中以ARMCortex-M4为基础的STM32F4系列的MCU采用了以意法半导体为载体的NVM工艺和ART加速器。

这是至今为止所有以Cortex-M为基础内核的微控制器产品所能达到的基准测试最高分数[1]，所以系统能自主分析超声波信号，通过时间差运算距离并在三维坐标上构筑不同地形高度，飞行控制芯片通过对5组数据整合分析后得到自己在空间内的位置定位，以自己为中心建立三维坐标进行地形处理与标注，通过对多个地形数据整合进行构筑地面三维坐标。

现代超声波测深新方法主要是利用发送超声波并接收障碍物反射回来的超声波，通过时间差运算出距离数据，从而达到测深目的。电路采用C8051F020微处理器，主要进行数据采集及水深运算，并完成超声波发射脉冲控制、AD转换、时间差计算、数据传送的程序。

用于山地、水下或昏暗环境的新型超声波地形测绘飞行器，包括机架、撑脚、旋翼系统、供电系统、飞行控制系统以及用于地面操作的遥控系统，其特征在于：所述机架底部还安装超声波水下地形测量仪，该超声波水下地形测量仪包括一个带有电源的控制电路，该控制电路不仅与超声波接收发射电路、地面遥控系统的机载无线信号收发模块连接，还和用于接收地面遥控系统信号的机载无线信号收发模块相连接。

2 超声波测绘新技术系统实现

2.1 遥控系统及主要构架

测绘新技术遥控系统包括遥控手柄、计算机、地面无线信号收发模块，该地面无线信号收发模块与飞行控制系统、机载无线信号收发模块进行信号交换。在遥控的指导思路下，用于显示和输入各种指令的计算机系统独立出来，不用搭载在飞行器上，既减轻了飞行器负重也能节省能耗。测绘新技术遥控系统控制电路采用C8051F020微处理器，其主要工作是进行数据采集和水深运算，并完成超声波发射脉冲控制程序、AD转换程序、时间差计算程序、数据传送程序。飞行器机架在水平面上呈矩形形状，支撑脚从机架四个角沿着对角线的延长线倾斜向下和向外延伸，有效提高了飞行器着陆稳定性，而支撑脚末端安装的充气气囊由机架上的充气装置统一充气和放气，通过控制电路输出的控制信号进行控制充气装置的放气和充气等操作。在进行水下地形测绘工作时，难免遇到意外导致飞行器耗电超出计划或发生故障而不能正常返航，气囊的作用在于实现飞行器尽量平稳地漂浮在水面上，方便寻找，同时对设备起到保护作用。

2.2 超声波传感器

测绘所用的传感器测距模块可实现2 cm到4.5 m，所以方案选用US-100超声波传感器，它可以实现2.4 V到5.5 V的宽电压范围内变化输入，静态可实现功耗低于2 mA，本身带有的温度传感器可以对测距结果进行精准纠正，同时它还具备GPIO、串口触发等通信方式，内部自带看门狗，工作时性能稳定。

通过超声波发射仪发出多波束声纳，利用回声定位原理来确定地面、水下障碍物，之后再通过超声波接收仪对被障碍物反弹回来的来自各个方向的回波进行收集处理。由于超声波具有方向性好穿透力强，在水中传播距离远且容易集中收集的特点，故而用来进行水下地形测绘将会非常合适。

2.3 照明与摄像系统

测绘新技术所用机架一侧安装超声波地形测量仪以及照明和摄像系统，该超声波地形测量仪包括一个带有电源的控制电路，该控制电路与超声波收发电路连接，控制电路还与用于接收地面遥控系统信号的机载无线信号收发模块连接，摄像和照明系统通过超声波地形测量仪的控制电路连接。本优选方案主要是用于昏暗环境(比如山洞、隧道等环境)的地形测绘。

2.4 协助处理控制芯片与飞行控制芯片

以前的信息采集系统存在非常多的不足，如信息受机身姿态影响温漂大，信息采集速率慢、精度低且存在对信息的整合不全的问题，故而我们采用C8051F020单片机用来把模拟量直接转换为数字量传给主AVR单片机[2]，电路简单实用，操作方便，精度高且采集速率快，并且通过RS 422通信模块与稳定平台通信，故抗干扰性得到加强。

系统由晶体、RS 422通信模块、飞行控制芯片、主AVR单片机、C8051F020单片机及电源模块等部分组成。外部电源规定为+28 V，经过电源模块变换后输出+5 V，直接给MAX490芯片和操纵杆稳定供电。因为单片机需要3.3 V的电源才能工作，因此，需要将+5 V电源经三端稳压器LT1117-3.3 V变压之后供给单片机使用。然后把操纵杆模拟信号(经过电压调制后的)连接到单片机的ADC输入端口上，启动单片机内部的A/D转换电路，将其转换成数字信号然后存储到内存。最后，按照系统规定的通信格式，通过单片机的MAx490芯片和串口将信号发送给稳定平台，来实现稳定平台的操纵控制过程。新技术设计采用PIXHAWK飞行控制芯片，该控制芯片外设和总线都根据要求引出，不但以后可以根据其他要求兼容一些其他外设，还对于有开发能力的其他用户也提供了方便。 PIXHAWK是一个具备双处理器的飞行控制器，一个擅长于强大运算的 32 bit STM32F427 Cortex M4 核心 168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash 处理器，它的特点是安全稳定，就算主处理器死机了，协作处理器依然能够继续工作。

3 超声波测绘新技术软件系统实现

软件系统主要的作用是维持飞行器飞行过程稳定与功率稳定，以防止在强风环境下无人机机身摇摆不定影响测量数值，飞行程序主要是对飞行器惊醒偏差调整[3]，以使飞行器稳定悬停及飞行或停在预定位置。

3.1 飞行器软件程序工作实现

3.1.1 测绘飞行器方向AVR单片机初始化启动

测绘飞行器方向AVR单片机初始化启动后利用发射和接收超声波时间差计算出水平距离再把数据信息发送给主AVR单片机并不断进行此过程。主AVR单片机初始化完成后通过IIC方式接收水平方向距离信息之后向AVR发送数据，之后将水平距离数据进行整合，将水平距离数据通过串口通信方式发送到主飞行控制芯片中，并不断进行此过程。高度AVR单片机初始化完成，通过发送超声波并接受反射超声波，利用时间差计算出距离数据，将高度距离数据通过IIC方式发送到飞行控制芯片中，并不停进行此过程。

3.1.2 飞行控制芯片进行姿态调整实现

飞行控制芯片进行姿态调整实现主要包括：飞行控制芯片传感器、参数进行初始化电调节锁以及陀螺仪、加速度计等传感器数据收集并接收、处理控制芯片距离数据，采集数据与设定值进行偏差计算再输出相应PWM波，电调电流放大之后无刷电机输出相应功率转速来达到姿态调整，通过不断进行此过程，从而达到全过程姿态调整目的。

4 系统创新及难题解决

在航道测量、江河湖泊的水文调查以及港口、隧道、大桥等的建设中需要对昏暗地理环境及水下地形进行准确测量。而在水下地形是多变的无法通过人眼清晰判断，因此，不能像平常测图一样，依据地形特征进行逐点测绘；昏暗环境亦是常规仪器无法准确测量的，而采用超声波可以较好解决此类问题，它具有方向性好、穿透能力强、灵敏度高、检验速度快、对人体无害等特点，并且可以在不同介质中传播。因超声波的此类特性，使其广泛地应用于多个领域的检测和测量，如超声波测距地、地下形貌测量，于是测深仪成为了现代的主要测深方法，它能根据回波时间和声速来确定被测点的水深，通过水深的变化了解水下地形情况。

为了能适用于更复杂的环境，新技术采用的新型仪器整体设计理念为一种用于山地、水下或昏暗环境的超声波地形测绘飞行器。在提高精准度上，作为优选，新技术中的飞行器采用基于超声波的四旋翼室内定位方法，随着时代科技的进步，四旋翼飞行器在多方面得到广泛运用，基于超声波的四旋翼室内定位方法也就是利用机载超声波传感器，达到发射和接收超声波的作用，并使用AVR单片机计算飞行器在各个方向与障碍物之间的距离，最后将AVR单片所计算距离数据发送到PIXHawk飞行控制芯片，进行四旋翼飞行器姿态控制和偏差调整，实现四旋翼飞行器的精确定位。在摄像方面，人工视觉的摄像头已经不能满足现阶段社会的需求，它对光线有着较高的要求，当出现光线偏暗或明暗变化较快时，数据采集难度会上升，甚至出现误采和无法采集的情况，另一方面，如果摄像头数据量采集过大，运算处理时间会较长，从而数据实时性失去了可靠的保障[4-5]，而超声波技术则克服了此类问题，它具有不受光线影响、数据处理简单、精度高、成本低廉、应用便捷等优点，在测绘与定位领域得到广泛青睐。

本实用新型仪器配搭超声波地形测量仪、摄像系统，将现有的超声波水下地形测量仪进行了适当改造后搭载到旋翼飞行器上，采用了无线连接的方式来实现操作，把不需要搭载在飞行器上的部分给脱离出来，减轻四旋翼飞行器的负载。在设计上采用矩形平面设计和四角支撑脚相结合最大限度上增加了水、地面接触面积，为测量飞行器的安全性和数据有效性增添了一份有力保障，而支撑脚末端的气囊设置则进一步扩大了仪器的环境适应性和实用性，克服了现有的超声波水下地形测量仪的限制，可用于山地、水下的地形测绘。不仅如此，本实用新型仪器照明和摄像系统与超声波地形测量仪的控制电路连接，遥控系统中的计算机通过软件将所采集数据绘制成地形图[7]然后显示出来，也可以同时显示照明和摄像系统传输过来的视频信号，从而此款飞行器更能适应于山洞、隧道等昏暗环境。

5 结 论

我国地域辽阔,海域宽广,自然条件复杂多样,伴随着国民经济的发展,水利工程、铁隧、桥梁等基本建设的需要,水下地形测量顺势必然会有着新的要求,这时就需要适合各种情况的测深仪应运而生。而本款飞行器则是为解决难题而生，它是一种用于山地、水下或昏暗环境的超声波地形测绘飞行器，适用于水陆空三种环境的飞行器，它的产生极大地解决了复杂环境测绘难题，脱离了限制，在水陆空三种环境皆可使用，仅用一款仪器就能适用于多种测量环境，不但在经济上节约了成本，在时间上也有节省，加快整体施工进度。而机架设计有气囊这一人性化的设计，加大了对飞行器的保护，从而延长使用寿命。采用超声波测绘也提高了数据的精确性、实时性与可靠性；本款用于山地、水下或昏暗环境的超声波地形测绘飞行器，是地形测绘的绝佳选择。

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