近幾(ji)年(nian)，水(shui)下自治機器人(AUVs) 廣泛應(ying)用(yong)于(yu)水(shui)文調查(cha)市場，用(yong)于(yu)采(cai)集(ji)海(hai)洋環境數據。這些(xie)AUV可以(yi)長時間航(hang)行，可以(yi)在(zai)常(chang)規(gui)調查(cha)船無法工(gong)(gong)作的(de)區域工(gong)(gong)作。雖(sui)然隨著時間的(de)推移，相(xiang)對其工(gong)(gong)作量來說(shuo)，AUV費用(yong)是經濟合理(li)(li)的(de)，但在(zai)處理(li)(li)數據上(shang)存在(zai)局(ju)限性。我(wo)們如(ru)何有效的(de)從AUV采(cai)集(ji)數據得(de)到(dao)最終產品呢?
從AUV下載數據
每次(ci)任務都采集了海量測(ce)深(shen)和側(ce)掃數(shu)據。4小(xiao)時斷(duan)面測(ce)量，將(jiang)采集70GB數(shu)據，通過USB連接下(xia)載需(xu)要超(chao)過1小(xiao)時。可拆卸硬盤可能不現(xian)實，因為(wei)AUV需(xu)要保持水(shui)密性，所以只能花(hua)費時間(jian)下(xia)載數(shu)據。 某些(xie)大型AUV，移(yi)除了包含電池和數(shu)據存儲的整段部(bu)分。
準備格式轉換
數據(ju)(ju)一旦(dan)下載(zai)，傳感器數據(ju)(ju)必須是處(chu)理可用的格(ge)式(shi)。做(zuo)成業界通用格(ge)式(shi)，例如HSX, GSF 或 XTF，允許更(geng)多的軟件(jian)能夠處(chu)理數據(ju)(ju)。
本文中，所有數(shu)據(ju)轉換成(cheng)HYPACK HSX格式(shi)，并且用(yong)HYPACK軟件處理(li)： MBMAX64 做水(shui)深處理(li)，HYSCAN做側掃處理(li)。
某(mou)些AUV搭載的相(xiang)干測深系統需要附加步驟，在轉換到HYPACK HSX格(ge)式前(qian)必須處理成某(mou)種數(shu)(shu)據格(ge)式。其它聲吶數(shu)(shu)據可以直接轉換成HSX格(ge)式。
出于(yu)測(ce)(ce)量效(xiao)率考慮(lv)，這(zhe)些數(shu)(shu)據轉(zhuan)換可(ke)以在AUV載(zai)體(ti)上(shang)進行。每條測(ce)(ce)線數(shu)(shu)據采(cai)集后，原始文件(jian)可(ke)以轉(zhuan)換成處理格式，但(dan)(dan)數(shu)(shu)據仍在AUV載(zai)體(ti)上(shang)。我(wo)(wo)們仍然需(xu)要考慮(lv)將數(shu)(shu)據從AUV下載(zai)所需(xu)的時間，但(dan)(dan)隨后我(wo)(wo)們可(ke)以立即(ji)開始處理工作。
誤差
AUV上每個傳感器都貢獻(xian)了一定(ding)程度的(de)(de)測深(shen)或定(ding)位誤差。已經看(kan)到的(de)(de)3個誤差是導航漂移及(ji)(ji)對(dui)數據的(de)(de)調整、聲吶更新率對(dui)應(ying)轉彎速度以(yi)及(ji)(ji)AUV水深(shen)計算(壓(ya)力傳感器)和(he)潛在(zai)誤差。
導航調整
有(you)(you)些AUV，其傳感器導航很好；其它AUV，定(ding)位漂移很明顯。數據處(chu)理軟(ruan)件有(you)(you)工(gong)具(ju)輔助(zhu)處(chu)理數據：
處理后的導(dao)航文件和聲吶數據融合
導航文件經(jing)過載體漂移(yi)歸算，是AUV真(zhen)實位置的(de)估值。從(cong)載體提(ti)取(qu)原始導航文件，然后用已知的(de)海(hai)底標(biao)記(ji)物改正，生成改進的(de)導航文件。轉換期間(jian)，此文件替代了任務期間(jian)記(ji)錄的(de)導航數據。
用已知偏移(yi)值調整位置– 在測(ce)線末尾確(que)定此偏移(yi)值 – 和沿測(ce)線航行距離(li)成比例
AUV下潛前，獲得GPS定位。測(ce)線(xian)結束時，AUV獲得新的(de)(de)(de)定位。GPS定位和AUV定位的(de)(de)(de)差值用于調整(zheng)(zheng)測(ce)線(xian)。盡(jin)管不(bu)準確，這種方法假設整(zheng)(zheng)個測(ce)線(xian)的(de)(de)(de)漂(piao)移和速度是恒定不(bu)變的(de)(de)(de)，按在測(ce)線(xian)上航行的(de)(de)(de)距(ju)離依比例調整(zheng)(zheng)。將水深(shen)看作剖面(mian)線(xian)，我(wo)們可(ke)以看到在測(ce)線(xian)末尾，這種漂(piao)移造成明(ming)顯的(de)(de)(de)水深(shen)差值。
測線轉彎覆蓋
AUV轉(zhuan)彎(wan)時可以(yi)觀察到第二誤(wu)差。理想情況下，所有測(ce)線(xian)都設計成(cheng)單(dan)段(duan)斷面。每段(duan)結(jie)果，出現數據中(zhong)斷，轉(zhuan)彎(wan)一旦完(wan)成(cheng)，開始新(xin)測(ce)線(xian)。但是，下面例子(zi)中(zhong)，AUV在(zai)8秒內轉(zhuan)彎(wan)30°。大多數情況下，這不成(cheng)問題。
任務期間，多波(bo)束聲(sheng)吶更新率(lv)2 Hz。可(ke)以確定，以此(ci)Ping率(lv)，AUV以2節航速，在110m水深可(ke)以完(wan)全(quan)覆蓋海(hai)底(di)(di)。但(dan)是(shi)，條帶(dai)的(de)邊(bian)緣(離(li)正下方(fang)175m)不能完(wan)全(quan)覆蓋海(hai)底(di)(di)，因為(wei)每秒4°轉(zhuan)彎速度時，邊(bian)緣波(bo)束的(de)旅(lv)行距離(li)超(chao)過波(bo)束腳印大小。
這樣就留下了縫隙。系統Ping率需要大于12Hz才能填充這些區域。(轉彎率濾波器可以完全清除此數據)
淺水情況下，這是(shi)可以(yi)(yi)做到的。但本(ben)案例中(zhong)，用2條直線取代折線，直線在轉(zhuan)彎時(shi)相交，以(yi)(yi)完整覆蓋區域。當然，缺點就是(shi)增加(jia)了(le)測量時(shi)間。
由壓力傳感器計算水深
AUV深(shen)(shen)度(du)(du)來自壓(ya)力傳(chuan)感器。使(shi)用UNESCO標準(zhun)公(gong)式(shi)可(ke)以計算拖(tuo)魚深(shen)(shen)度(du)(du)(存儲在HSX文件中，標識符DFT)，并(bing)添加到聲吶(na)值(zhi)中，得(de)到實際水深(shen)(shen)。 圖3中，注意測(ce)線開始(shi)時(shi)(shi)的入水，沒(mei)有拖(tuo)魚深(shen)(shen)度(du)(du)應用時(shi)(shi)，測(ce)量(liang)數據(ju)保持恒定高度(du)(du)。
但(dan)是(shi)，計算(suan)水深是(shi)不(bu)(bu)(bu)準確(que)的(de)(de)。傳(chuan)感器的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)確(que)定(ding)性是(shi)基于可(ke)變的(de)(de)因素(su) - 海況、波高(gao)和氣壓(ya) - 測量(liang)這些值并(bing)實時改正是(shi)不(bu)(bu)(bu)可(ke)能的(de)(de)。波浪的(de)(de)作用就是(shi)在AUV上(shang)方的(de)(de)補充水，其(qi)改變了載體傳(chuan)感器的(de)(de)壓(ya)力讀數。氣壓(ya)變化(hua)引起的(de)(de)誤差較小。我(wo)們可(ke)以在任務開始及結束時測量(liang)氣壓(ya)，按(an)時間內插，但(dan)氣壓(ya)變化(hua)率并(bing)不(bu)(bu)(bu)是(shi)恒定(ding)不(bu)(bu)(bu)變的(de)(de)。
未改正的
壓(ya)力水深曲線包含(han)了(le)這些小(xiao)誤差(cha)。樣例數據顯示了(le)單(dan)次(ci)下潛任務中60cm的(de)壓(ya)力讀數的(de)峰谷測(ce)量值。
如果(guo)我(wo)們測量了海底(di)水(shui)深(shen)，不應用(yong)任何(he)吃水(shui)改(gai)正(zheng)，我(wo)們可(ke)以觀察到水(shui)深(shen)有20cm的幅度變化。將此作為基(ji)準水(shui)深(shen)，我(wo)們可(ke)以嘗試調(diao)整(zheng)壓力傳感器水(shui)深(shen)，不需要修(xiu)改(gai)海底(di)地(di)形(xing)，為AUV做(zuo)水(shui)深(shen)改(gai)正(zheng)。
直接應用壓(ya)力傳感器(qi)水(shui)深，我(wo)們可以觀察到從(cong)波峰到波谷，有55cm的高頻抖動(dong)。
對壓力傳感器(qi)水(shui)深(shen)做5秒(miao)平(ping)均，清除了高低頻抖動(dong)，峰谷水(shui)深(shen)小于(yu)23cm，和(he)基準海底水(shui)深(shen)一致。
結論
AUV增加(jia)了(le)其在測量(liang)和(he)海洋(yang)工作市場的(de)(de)存在性。但(dan)是(shi)(shi)和(he)所(suo)有(you)傳感器類似，它(ta)也有(you)誤(wu)差(cha)。AUV水(shui)深和(he)定位誤(wu)差(cha)歸因(yin)于(yu)載荷、載體大小(xiao)和(he)環(huan)境(jing)條(tiao)件。本文陳列了(le)你可能碰到的(de)(de)幾(ji)個問題。有(you)些問題很(hen)(hen)容易解決，僅(jin)僅(jin)設計直線測量(liang)任(ren)務是(shi)(shi)有(you)好處的(de)(de)，但(dan)是(shi)(shi)導航漂移以及波動引(yin)起的(de)(de)誤(wu)差(cha)只能通過估計改正，所(suo)以改正數(shu)據可能不是(shi)(shi)很(hen)(hen)準確。