無傳感器測深技術(shù)研究

張勃 武利生 張保軍 邢東東

摘要：針對現(xiàn)有的懸桿測深技術(shù)存在水面信號獲取準(zhǔn)確性差，水底信號觸發(fā)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜或受測流環(huán)境干擾明顯等問題，對通過模擬量電壓識別水面信號和通過電機(jī)輸出扭矩的變化得到水底信號的無傳感器測深技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計了基于Arduino平臺的根據(jù)空氣和水中電阻率不同獲取水面信號的方案。利用ANSYS/LS-DYNA分析了碰撞過程并得出碰撞過程中懸桿加速度變化趨勢和碰撞瞬間電機(jī)輸出扭矩變化趨勢，通過PLC監(jiān)測伺服單元反饋模擬量變化值準(zhǔn)確得到水底信號。實踐證明，該技術(shù)能準(zhǔn)確測深，已用于黃委中游水文水資源局各水文站的纜道吊箱測流系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：Arduino平臺；中值濾波；電機(jī)輸出扭矩；水面信號；水底信號；懸桿測深

中圖分類號：P332.3；TH764

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.004

1 引言

河水深度是測算過流斷面流量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確測驗河水深度對于提高流量測驗精度意義重大。測深懸桿是河道水深測量采用的一種設(shè)備，適用于河道寬淺的黃河上中游，通過得到的水面坐標(biāo)和水底坐標(biāo)計算得出水深。水面信號的獲取方法較多，最常用的方法是將懸桿與固定在懸桿托盤的導(dǎo)線作為電流回路，導(dǎo)線端部裸露，當(dāng)懸桿浸入水中時，利用河水具有一定的導(dǎo)電性將懸桿與導(dǎo)線導(dǎo)通獲取水面信號。然而，當(dāng)河水導(dǎo)電性較差時導(dǎo)線與懸桿導(dǎo)通不穩(wěn)定，在水花較為明顯時可能產(chǎn)生錯誤的水面信號?，F(xiàn)有的水面信號獲取技術(shù)是根據(jù)流速儀兩極接線柱在空氣和水中電阻的不同來獲取水面信號的，在河水水溫、含沙量變化較大時，無法穩(wěn)定地獲取水面信號。懸桿測深過程中除了需要獲得水面信號外，還需要另外一個極為重要的信號——水底信號。目前水底信號采集尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中性能較為優(yōu)越的有失重組合自動開關(guān)KH-99和機(jī)械式失重開關(guān)，二者均存在信號采集穩(wěn)定性差、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題?，F(xiàn)有的水底信號獲取技術(shù)都需要增加額外的傳感器，電路繁雜，可靠性差，環(huán)境適應(yīng)性差。為解決上述問題，對通過流速儀接線柱間電壓識別水面信號和電機(jī)輸出扭矩變化得到水底信號的無傳感器測深技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 懸桿測深原理

懸桿測深裝置如圖1所示，測深啟動瞬間，懸桿加速下降，此時懸吊索拉力小于懸桿重力：加速階段結(jié)束后，懸桿開始勻速下降，此時懸吊索拉力等于懸桿重力：懸桿碰撞到河底立即減速至停止，懸吊索所受拉力發(fā)生突變。

懸桿測深原理如圖2所示，開始測深后，流速儀隨著懸桿向下運(yùn)動，在流速儀兩極接線柱入水的瞬間獲得水面信號：懸桿繼續(xù)運(yùn)動直至懸桿托盤觸底，懸桿托盤接觸水底瞬間產(chǎn)生水底信號，計算得出水深。

3 水面信號的獲取

3.1 水面信號硬件設(shè)計

首先通過Arduino mega2560單片機(jī)模擬量數(shù)據(jù)采集口對流速儀進(jìn)行采樣，它所使用的mega2560核心處理芯片擁有16路模擬量輸入，其分辨率高達(dá)10位，即可讀取210=1024個狀態(tài)，輸入電壓范圍為0～5V，最小可以監(jiān)測到4.8mV，完全滿足實際測驗需要。將采集到的模擬量電壓信號通過Arduino程序處理后得到水面信號，可將信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后提供給纜道自動測流系統(tǒng)。

根據(jù)實際測流過程中流速儀兩極接線柱之間電阻變化范圍設(shè)計出模擬量采樣電路，流速儀在空氣中與水中的等效電路如圖3所示，其中：Liu+、Liu-分別連接流速儀兩極接線柱，S為流速儀信號發(fā)送開關(guān)（入水閉合），R-liu為流速儀在空氣中導(dǎo)通時兩極接線柱之間的電阻，R-water為流速儀在水中斷開時兩極接線柱之間的電阻，AO為電壓模擬量采集口，R52、R53為電阻，C53為電容，VCC5為電源，GND為地線。

3.2 水面信號處理

根據(jù)流速儀在空氣中與水中是否導(dǎo)通可分為4種基本狀態(tài)：空氣中未導(dǎo)通、空氣中導(dǎo)通、水中未導(dǎo)通、水中導(dǎo)通。當(dāng)流速儀處于不同狀態(tài)時，其兩極接線柱之間的電阻值不同，因而通過模擬量采集口的電壓值也不相同，從這些電壓值中可甄別出水面信號。

要甄別出水面信號，首先需要獲得流速儀兩極接線柱之間在4種基本狀態(tài)下的電壓值分布規(guī)律。流速儀在空氣中未導(dǎo)通時模擬量采集口的電壓記為Uad，，導(dǎo)通時模擬量口采集的電壓記為Uad；流速儀在水中未導(dǎo)通時模擬量口采集的電壓記為Uad，導(dǎo)通時模擬量口采集的電壓記為Uad。

利用示波器測量LS25-3A型流速儀在空氣和水中的流速信號變化。分析發(fā)現(xiàn)在同一測流環(huán)境中存在以下特點(diǎn)：①在空氣中未導(dǎo)通時的電壓值Uad和導(dǎo)通時的電壓值Uat差別較大，且Uad遠(yuǎn)大于Uat；②流速儀在水中未導(dǎo)通時電壓值Uwd始終大于導(dǎo)通時的電壓值Uwl，其差值大小與測流環(huán)境有關(guān)；③流速儀在空氣中未導(dǎo)通與導(dǎo)通時的電壓值Uad、Uat分別大于在水中未導(dǎo)通與導(dǎo)通時的電壓值Uwd、Uwt，最后得出其電壓值關(guān)系如圖4所示。

3.3 結(jié)果對比分析

由圖4可知，在懸桿測深過程中由水面信號變化產(chǎn)生的電壓躍變有4種情況：①Uad跳變到Uwd，流速儀接線柱在從空氣進(jìn)入水中的過程中接線柱一直沒有導(dǎo)通；②Uad跳變到Uwt，流速儀接線柱從空氣進(jìn)入水中的瞬間接線柱導(dǎo)通；③Uat跳變到Uwd，流速儀在進(jìn)入水中之前的瞬間接線柱導(dǎo)通，在進(jìn)入水中的瞬間接線柱未導(dǎo)通；④Uat跳變到Uwt，流速儀在從空氣進(jìn)入水中的過程中接線柱一直導(dǎo)通。

流速儀在水中導(dǎo)通與未導(dǎo)通的電壓值均不是固定不變的，它隨著測流河段含沙量、水溫等的變化而變化。根據(jù)流速測驗中得出的電壓變化規(guī)律，同時為了消除噪聲對水面信號的干擾，首先對采集到的電壓值進(jìn)行中值濾波處理。中值濾波方法是將窗口長度內(nèi)的離散值按升序或降序排列，用中值代替中心點(diǎn)位置處的值。設(shè)采集一個長度為奇數(shù)的窗口內(nèi)電壓值依次為Ux（i-J），…，Uxj_，…，Ux（i+j），其中Uxj為中心位置電壓值，將此序列按升序排列后用其中間位置值代替Uxi作為中值濾波輸出值：

ULi=Media[Ux（i-j），Uxi，Ux（i+j）]

（1）

根據(jù)流速儀能夠測驗的最大流速，計算出其最大信號產(chǎn)生頻率為5Hz，設(shè)定定時器采樣頻率為10Hz，中值濾波窗口長度L=9，因此首先至少需要預(yù)采樣9個電壓值作為中值濾波初始值，而實際流速信號采集過程中需要進(jìn)行預(yù)采樣，待流速儀槳葉穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)后再正常采集接線柱之間的電壓值，最后得到中值濾波后的電壓序列：UL1，UL2，…，UL（i-1），ULi，UL（i+1）。根據(jù)流速信號采集過程中電壓的變化規(guī)律可知，在產(chǎn)生水面信號的瞬間，其電壓值將發(fā)生躍變，設(shè)水面信號識別算法為式中ε1、ε2為水面信號分辨率；δ為水面信號電壓波動允許值：ε1、ε2、δ的值分別小于1.3、0.8和0.3時即可準(zhǔn)確獲取水面信號。

安裝在懸桿底部的流速儀在測深開始后向下運(yùn)動，mega2560單片機(jī)模擬量采集口對流速儀兩極接線柱之間的電壓值采樣并進(jìn)行濾波處理，判斷處理后的信號是否滿足式（2）或式（3）。若滿足，則采集的信號就是水面信號，否則繼續(xù)判斷。

4 水底信號的獲取

4.1 懸桿碰撞模型的建立

懸桿測深除了水面信號，還需要水底信號，即懸桿下降至底盤接觸到河床時產(chǎn)生的信號。懸桿碰撞河床的過程較為復(fù)雜，而Hertz彈性接觸理論的應(yīng)用前提是接觸區(qū)變形小、接觸面近似為橢圓形、接觸物體可被看作彈性半空間且只作用有垂直于接觸面分布的壓力。因此，懸桿碰撞河床土壤模型的實用性不強(qiáng)，分析準(zhǔn)確性較低。本文在土壤切削和碰撞模型基礎(chǔ)上設(shè)計了懸桿土壤碰撞模型，并利用ANSYS/LS -DYNA分析碰撞過程中懸桿受力變化情況，以此反推電機(jī)輸出扭矩的變化規(guī)律，再通過監(jiān)測電機(jī)扭矩變化得出水底信號。

在建立模型之前，需要設(shè)置單元屬性和材料類型，單元類型選擇Solid164實體單元，懸桿材料選擇各向同性的線彈性材料，密度為7.86 g/cm3，泊松比為0.28，彈性模量為206 GPa。土壤材料參數(shù)較為復(fù)雜，且無法在LS-DYNA環(huán)境中直接設(shè)定，需要在K文件中修改相應(yīng)參數(shù)，河床土壤材料參數(shù)見表1。

在LS-DYNA環(huán)境中建立模型，懸桿外徑50mm，壁厚3mm，長度8000mm，土壤模型取邊長為1000mm的立方體，懸桿與河床模型均采用智能網(wǎng)格劃分。懸桿與河床的接觸為Surface to SurfaCe和Eroding（侵蝕接觸類型），定義河床、懸桿分別為ContactComponent or Part no.和Target Component or Part no.。選擇垂直于接觸面的其他4個面為非反射邊界面，懸桿速度約為0.3 m/s。利用LS-PREPOST后處理器中的History得出碰撞過程中懸桿整體在Z方向的運(yùn)動速度與加速度曲線，可知懸桿在碰撞河床過程中一直在做加速度減小的減速運(yùn)動，直到速度為零。

4.2 電機(jī)扭矩計算

懸吊索收放裝置主要由電機(jī)、減速機(jī)及卷筒組成，電機(jī)通過減速機(jī)帶動卷筒沿順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)懸吊索的收放?？刂茟覘U升降的旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)型號為SGM7J-04A7C6E，其功率為400 W，額定輸出扭矩為T。= 1.27 N·m。減速機(jī)減速比為i=80，傳遞效率η= 0.9，卷筒半徑R=0.07 m。因此，卷筒額定輸出扭矩為

Tj=Teiη

（4）

假設(shè)在任意時刻懸桿保持受力平衡，則有

N+F=G

（5）式中：N為河床對懸桿的反作用力；G為懸桿的重力；F為懸吊索拉力。

在利用ANSYS/LS -DYNA進(jìn)行仿真分析時，假設(shè)懸吊索不存在，因此其加速度a由河床對懸桿的反作用力N和懸桿重力G的合力提供，河床對懸桿的反作用力N大小等于懸吊索拉力F，方向相反：

ma =N+G

N=-F

（6）式中：m為懸吊索質(zhì)量。

選取加速度曲線中的部分點(diǎn)計算電機(jī)理論輸出扭矩，見表2。

4.3 驗證

伺服單元型號為SGD7S-2R8A，懸桿測深調(diào)試階段通過伺服單元的模擬量監(jiān)測輸出口監(jiān)測的懸桿與河床碰撞過程的模擬量變化見圖5。

在圖5中描點(diǎn)得到表2中電機(jī)理論輸出扭矩對應(yīng)的模擬量監(jiān)測值，并與伺服單元實際輸出模擬量監(jiān)測值對比，可以發(fā)現(xiàn)二者變化趨勢基本相同。

4.4 實現(xiàn)

通過PLC（可編程邏輯控制器）模擬量輸人口監(jiān)測伺服單元實際輸出模擬量監(jiān)測值，測深開始后懸桿會在重力作用下下降，直至懸桿底盤碰觸河床。若PLC模擬量輸人口監(jiān)測到伺服單元實際輸出模擬量產(chǎn)生躍變，則表明此時懸桿底盤碰觸到了河床，該躍變監(jiān)測值即為水底信號。

5 結(jié)語

無傳感器測深技術(shù)利用現(xiàn)有設(shè)施，無需另外安裝傳感器，根據(jù)模擬量電壓識別水面信號和電機(jī)輸出扭矩變化得到水底信號，有效消除了河水導(dǎo)電性、水溫、含沙量變化較大時對獲取水面信號的干擾，解決了有傳感器測深技術(shù)電路繁雜、可靠性差、環(huán)境適應(yīng)性差的問題，實現(xiàn)了在不同水文條件下穩(wěn)定、準(zhǔn)確測深，可為相關(guān)單位提供準(zhǔn)確的水文數(shù)據(jù)資料。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于黃委中游水文水資源局各水文站的纜道吊箱自動測流系統(tǒng)。