一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置及其测量方法，属于水文数据测量技术领域。

背景技术：

目前，在水文数据测量技术领域内，水域流量是反映江河、湖泊、水库等水体水量变化的基本数据，是河流最重要的水文特征。传统水文流速测量方法是依靠水流对转子式流速仪旋桨的冲击，并通过旋桨的回转率与流速之间的函数关系，进而计算得到流速数据。但转子式流速仪机械结构精密，含有旋转活动部件，对测量环境有较高的要求，在天然的河道中容易出现泥沙堵塞、水草缠绕、杂物撞击造成机械部件的损坏和顶针、玛瑙座、宝石轴承等零件生锈等问题；且其测量范围小，连续工作时间较短（只有8个小时），无法满足水文监测的需求，且必须经常加仪器油来进行保护，操作繁琐复杂。电磁流速仪没有旋转活动部件，就不会出现被杂物缠绕的问题，其较低的功耗也保证了其在水下长时间稳定地工作，且其测量范围和测量精度都要高于转子式流速仪。但电磁流速仪在测量的过程中会在水流的作用下随着铅鱼摇摆、旋转不定，由于河水的能见度较低，无法通过人眼判断当前流速仪的姿态是否稳定，就无法准确获得动态情况下相对准确的流速数据，从而导致电磁流速仪测量出的流速数据误差大，计算出的流量数据不准确。同时，在计算流量值时需要用到铅鱼所在的水深数据，传统水文测量水深方法是采用的模拟式相对压力传感器测量水深数据或者在钢缆上设置数字编码器并结合入水开关信号测得入水钢缆长度来得到水深数据，但二者都有其局限性，模拟式相对压力传感器精度低，体积大，操作不方便，且无法固定在铅鱼上，而钢缆由于自身形变拉伸和水流带动铅鱼发生偏移使得测得的入水钢缆长度与实际水深数据有较大的误差。数字式压力传感器测量水深相较于传统测量水深方法，有着精度高，体积小，功耗低的优点，更适合水文测量工作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：本发明提供了一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置及其测量方法，用于解决水文缆道测流速时传统转子式流速仪数据精度低、采集数据工作效率低下、设备维护不方便和电磁流速仪随铅鱼摇摆旋转从而导致流速数据误差大的问题，及解决水文缆道测水深时传统方法得到的水深数据误差大、应用环境苛刻等问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置，包括压力传感器1、电磁流速仪2、姿态传感器3、CPU电路4、控制开关5、LoRa电路6、天线7、上位机8；压力传感器1输出端、电磁流速仪2输出端和姿态传感器3输出端分别与CPU电路4输入端相连，CPU电路4输出端与控制开关5控制端相连，CPU电路4通信端与LoRa电路6信号输入端相连，控制开关5电源输出端与LoRa电路6电源输入端相连，LoRa电路6信号输出端与天线7相接，天线7与上位机8相通信。

具体地，所述的压力传感器1用于采集铅鱼入水前当地气压及入水后实时水压、水温数据；电磁流速仪2用于采集实时水流流速数据；姿态传感器3用于采集水下铅鱼的实时姿态数据；CPU电路4存储压力传感器1、电磁流速仪2、姿态传感器3的检测数据，然后将检测数据封装成数据包通过LoRa电路6、天线7发送给上位机8，同时CPU电路4还通过控制开关5来开启或关闭LoRa电路6；上位机8接收数据包后，解算出三维姿态角数据和水深数据，并筛选出稳定状态下的流速数据和水深数据，代入流速面积法计算公式中计算得到准确的水流流量数据。

优选地，所述压力传感器1采用低功耗直流供电的数字式压力传感器。

优选地，所述电磁流速仪2采用低功耗直流供电的电磁流速仪。

优选地，所述姿态传感器3采用低功耗的直流供电的九轴姿态传感器。

优选地，所述CPU电路4采用微型低功耗CPU。

优选地，所述控制开关5采用带有控制引脚的电压调整器芯片。

优选地，所述LoRa电路6采用超低功耗的LoRa无线通信芯片。

一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置的测量方法，包括如下步骤：

Step1、铅鱼入水前，打开电源开关，压力传感器1开始工作，记录当地气压数据并发送到CPU电路4的内部存储空间中；

Step2、铅鱼入水后，触发入水开关，压力传感器1、电磁流速仪2和姿态传感器3同时工作；压力传感器1采集实时水压、水温数据，电磁流速仪2采集实时水流流速数据，姿态传感器3采集铅鱼的实时姿态数据；将采集到的实时水压、水温、流速和姿态数据存储在CPU电路4的内部存储空间中；

Step3、CPU电路4打开控制开关5，控制开关5控制的LoRa电路6进入工作模式，CPU电路4将设定时间段内采集到的实时水压、水温、流速和姿态数据封装成数据包传输给LoRa电路6；

Step4、LoRa电路6通过天线7将数据包实时发送至上位机8中；

Step5、上位机8接收到数据包后解封装，将数据包内的姿态数据进行解算融合成实时三维姿态角数据，并通过上位机软件三维显示铅鱼姿态，将采集到的气压数据、水压数据和水温数据解算成实时的水深数据；

Step6、上位机8通过实时三维姿态角的变化率判断铅鱼姿态是否达到稳定的状态，选取稳定状态下的流速数据和水深数据代入流速面积法计算公式中，计算得到准确的水流流量数据。

具体地，所述步骤Step5中，三维姿态角解算融合的具体步骤如下：

Step5.1、上位机8对姿态传感器3采集的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁强数据进行原始数据滤波处理；

Step5.2、上位机8将滤波后的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁强进行解算融合得到铅鱼的俯仰角、横滚角、航向角，即三维姿态角数据。

具体地，所述步骤Step6中，当实时三维姿态角的变化率范围在30°/S内判定为到达稳定状态。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用电磁流速仪测量水流流速，其测量精度高，测量范围广，机械结构简单，无需复杂保养维护，无旋转活动部件避免了泥沙堵塞或杂物缠绕的问题，适应于复杂多变的水域环境。

2、本发明采用微型数字式绝对压力传感器测量气压、水压和水温，其功耗低，体积微小，安装方便，测量精度高（误差在2厘米范围内）；其为数字式传感器，无需模数转换，大大减小转换误差；其为绝对压力传感器，无需进气口伸出水面。

3、本发明采用姿态传感器采集水下铅鱼的实时姿态，并通过上位机软件三维显示，方便监测人员直观地看到水下铅鱼姿态并判断其稳定性。

4、本发明采用LoRa通信电路传输CPU存储内的数据包到上位机中，其传输距离远、抗干扰性强且适应于各种恶劣的环境，即使通信因为极端天气而中断，测量数据仍存储在CPU内存中，不会因通信中断而导致数据丢失。

5、本发明相较于传统水文测量装置，功耗大大降低，可连续工作达一个汛期以上，满足水文测量的实际需求，且结构简单、安装方便、精度高、造价低、实用性强，适应于各种复杂的水域环境。

6、本发明利用三维姿态角判断铅鱼是否稳定，选取稳定状态下的水流、水深数据并代入流速面积法流量计算公式，从而计算得到准确的流量数据，相较于传统水文测量方法，具有效率高、耗费人工少、测量数据准确的优点。

附图说明

图1是本发明硬件框图；

图2是本发明三维姿态角解算、融合并用于修正流速流量数据流程图；

图3是本发明的方法流程图。

图1中各标号为：1-压力传感器、2-电磁流速仪、3-姿态传感器、4-CPU电路、5-控制开关、6-LoRa电路、7-天线、8-上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-3所示，一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置，包括压力传感器1、电磁流速仪2、姿态传感器3、CPU电路4、控制开关5、LoRa电路6、天线7、上位机8；压力传感器1输出端、电磁流速仪2输出端和姿态传感器3输出端分别与CPU电路4输入端相连，CPU电路4输出端与控制开关5控制端相连，CPU电路4通信端与LoRa电路6信号输入端相连，控制开关5电源输出端与LoRa电路6电源输入端相连，LoRa电路6信号输出端与天线7相接，天线7与上位机8相通信。

进一步地，所述的压力传感器1用于采集铅鱼入水前当地气压及入水后实时水压、水温数据；电磁流速仪2用于采集实时水流流速数据；姿态传感器3用于采集水下铅鱼的实时姿态数据；CPU电路4存储压力传感器1、电磁流速仪2、姿态传感器3的检测数据，然后将检测数据封装成数据包通过LoRa电路6、天线7发送给上位机8，同时CPU电路4还通过控制开关5来开启或关闭LoRa电路6；上位机8接收数据包后，解算出三维姿态角数据和水深数据，并筛选出稳定状态下的流速数据和水深数据，代入流速面积法计算公式中计算得到准确的水流流量数据。压力传感器1、电磁流速仪2、姿态传感器3、CPU电路4、控制开关5、LoRa电路6、天线7均安装在铅鱼上。

进一步地，所述压力传感器1采用低功耗直流供电的数字式压力传感器，能测气压、水压及水温数据，且具有防水防腐蚀抗压的特点。

进一步地，所述电磁流速仪2采用低功耗直流供电的电磁流速仪，可准确测得水流流速数据。

进一步地，所述姿态传感器3采用低功耗的直流供电的九轴姿态传感器，可测得铅鱼在水下的姿态数据。

进一步地，所述CPU电路4采用微型低功耗CPU。

进一步地，所述控制开关5采用带有控制引脚的电压调整器芯片。

进一步地，所述LoRa电路6采用超低功耗的LoRa无线通信芯片，具有传输距离远、抗干扰性强的特点。

一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置的测量方法，包括如下步骤：

Step1、铅鱼入水前，打开电源开关，压力传感器1开始工作，记录当地气压数据并发送到CPU电路4的内部存储空间中；

Step2、铅鱼入水后，触发入水开关，压力传感器1、电磁流速仪2和姿态传感器3同时工作；压力传感器1采集实时水压、水温数据，电磁流速仪2采集实时水流流速数据，姿态传感器3采集铅鱼的实时姿态数据；将采集到的实时水压、水温、流速和姿态数据存储在CPU电路4的内部存储空间中；

Step3、CPU电路4打开控制开关5，控制开关5控制的LoRa电路6进入工作模式，CPU电路4将设定时间段内采集到的实时水压、水温、流速和姿态数据封装成数据包传输给LoRa电路6；

Step4、LoRa电路6通过天线7将数据包实时发送至上位机8中；

Step5、上位机8接收到数据包后解封装，将数据包内的姿态数据进行解算融合成实时三维姿态角数据，并通过上位机软件三维显示铅鱼姿态，将采集到的气压数据、水压数据和水温数据解算成实时的水深数据；

Step6、上位机8通过实时三维姿态角的变化率判断铅鱼姿态是否达到比较稳定的状态，选取稳定状态下的流速数据和水深数据代入流速面积法计算公式中，计算得到准确的水流流量数据。

进一步地，所述步骤Step5中，三维姿态角解算融合的具体步骤如下：

Step5.1、上位机8对姿态传感器3采集的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁强数据进行原始数据滤波处理；

Step5.2、上位机8将滤波后的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁强进行解算融合得到铅鱼的俯仰角、横滚角、航向角，即三维姿态角数据；

所述步骤Step5.1中，原始数据滤波处理采用卡尔曼滤波器。

所述步骤Step5.2中，解算姿态数据采用四元数法，姿态数据融合采用卡尔曼数据融合算法。

所述步骤Step6中，流量数据计算采用流速面积法。

进一步地，所述步骤Step6中，当实时三维姿态角的变化率范围在30°/S内判定为到达稳定状态，具体为：上位机8通过对数据包中姿态数据进行解算融合得到铅鱼的三维姿态角数据，筛选出俯仰角、横滚角、航向角变化率范围在30°/S内时的流速数据和水深数据，并求取各自的平均值；将流速数据与水深数据的平均值代入流速面积法计算公式中，计算得到准确的水流流量数据。

如图2所示，为姿态数据的解算融合过程：将铅鱼的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁强数据进行原始数据滤波；再对数据采用四元数解算法和卡尔曼数据融合算法求出铅鱼的俯仰角、横滚角、航向角；根据三维姿态角度变化率判断铅鱼姿态是否稳定，并选取稳定状态下的流速、水深数据进行水流流量计算。

本发明的工作原理是：

本发明采用防水封装的压力传感器1获取铅鱼所处深度的实时水压、水温数据及水面气压数据；采用电磁流速仪2获取实时流速数据；采用高精度姿态传感器3获取铅鱼的实时姿态数据；再将采集到的数据存储在CPU电路4的内部存储空间中；控制开关5负责打开或关断LoRa电路6；LoRa电路6负责将实时水压、水温、流速和姿态数据通过天线7无线传输到上位机8中；上位机8对实时姿态数据进行滤波、解算、融合、存储，获得铅鱼的实时三维姿态角数据，对水压、水温数据进行解算得到铅鱼的实时水深数据，并以水下铅鱼的俯仰角、横滚角、航向角变化率为依据筛选稳定状态下的流速数据和水深数据，保证动态情况下的电磁流速仪2的流速数据的准确性，将稳定状态下测得的流速和水深数据代入流速面积法流量计算公式，算得准确水流流量数据。

本发明采用姿态角度实时修正流速流量数据，相较于传统方法得到的流速流量数据，精度提高了90％以上；本发明采用电磁流速仪测量流速，并根据实时姿态选取稳定状态下的流速数据，实现了精确流速测量及水流流量计算，具有结构简单，安装方便，精度高，功耗低，实用性强，适应于各种复杂的水域环境的特点。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。