CN107237575B - 一种激光雷达智能天窗控制系统及方法 - Google Patents

一种激光雷达智能天窗控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达智能天窗控制系统及方法，该系统包括激光雷达、信号接收模块、数据分析模块、控制模块、通讯模块和湿度传感器，所述信号接收模块与激光雷达、湿度传感器和数据分析模块连接，数据分析模块与控制模块和通讯模块连接；所述信号接收模块，用于接收激光雷达和湿度传感器传递而来的数据，并将数据传输给数据分析模块；所述数据分析模块，用于分析接收到的数据，并将分析结果传输给控制模块和通讯模块；所述控制模块，用于传递控制信号给天窗；所述通讯模块，用于传递分析结果给移动用户端。本发明能根据天气状况和激光雷达工作模式自动开启和关闭天窗，满足激光雷达野外长期无人值守监测的需求。

Description

一种激光雷达智能天窗控制系统及方法
技术领域
本发明属于天窗控制技术领域，特别是涉及一种激光雷达智能天窗控制系统及方法。
背景技术
激光雷达上一般都安装有天窗，其天窗分为固定天窗和自动天窗，固定天窗又分为全封闭式手动固定天窗和玻璃天窗，全封闭式手动固定天窗需要人为的去开启和关闭。玻璃固定天窗虽不需要人为开启，但是由于灰尘的影响，使的紫外和红外的透过率明显降低。自动天窗虽然实现了电气化自动控制，省去了人力，但是它仅仅适合实验室工作模式，需要人工控制开关，不适合野外自动观测。
综上所述，现有天窗都不能满足激光雷达野外无人值守观测的需求。因此，如何解决上述技术问题成为了该领域技术人员努力的方向。
发明内容
本发明的目的就是提供一种激光雷达智能天窗控制系统及方法，其解决了现有技术不能满足激光雷达野外无人值守观测的问题，能根据天气状况和激光雷达工作模式自动开启和关闭天窗，在确保激光雷达测量性能不损失的情况下，提高激光雷达测量的连续性。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种激光雷达智能天窗控制系统，包括激光雷达、信号接收模块、数据分析模块、控制模块、通讯模块和湿度传感器，所述信号接收模块与激光雷达、湿度传感器和数据分析模块连接，数据分析模块与控制模块和通讯模块连接；
所述信号接收模块，用于接收激光雷达和湿度传感器传递而来的数据，并将数据传输给数据分析模块；
所述数据分析模块，用于分析接收到的数据，并将分析结果传输给控制模块和通讯模块；
所述控制模块，用于传递控制信号给天窗；
所述通讯模块，用于传递分析结果给移动用户端。
作为优选，还包括2个雨水传感器，雨水传感器与控制模块连接。
作为优选，还包括安装在天窗上的行程限位开关，行程限位开关与信号接收模块连接。
作为优选，所述信号接收模块还通过网络实时获取天气气象数据。
作为优选，还包括报警装置，报警装置与控制模块连接。
一种激光雷达智能天窗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，信号接收模块采集数据参数，并传输到数据分析模块，所述数据参数至少包含激光雷达回波信号数据和空气湿度数据；
步骤2，数据分析模块对接收到的数据进行分析，并将分析结果传输给控制模块和通讯模块；
步骤3，控制模块根据分析结果向天窗发送控制信号，通讯模块将分析结果传递给移动用户端。
作为优选，所述数据参数还包括行程限位数据和实时天气气象数据。
作为优选，当出现故障时，控制模块向报警装置发送报警信号，报警装置进行报警。
作为优选，控制模块还接收雨水传感器传递的雨水感应数据，当控制模块接收到雨水感应信号时，控制天窗关闭。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：结构简单，设计合理，能根据天气状况和激光雷达工作模式自动开启和关闭天窗，在确保激光雷达测量性能不损失的情况下，提高激光雷达测量的连续性，适合激光雷达长期无人值守监测。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的原理流程图；
图3是激光雷达晴天回波信号的时间演变图；
图4是图3中取12:00时刻做的梯度图；
图5是激光雷达雨天回波信号的时间演变图；
图6是图5中取10:00时刻做的梯度图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，一种激光雷达智能天窗控制系统，包括激光雷达、信号接收模块、数据分析模块、控制模块、通讯模块和湿度传感器，所述信号接收模块与激光雷达、湿度传感器和数据分析模块连接，数据分析模块与控制模块和通讯模块连接。所述信号接收模块，用于接收激光雷达和湿度传感器传递而来的数据，并将数据传输给数据分析模块。所述数据分析模块，用于分析接收到的数据，并将分析结果传输给控制模块和通讯模块。所述控制模块，用于传递控制信号给天窗。所述通讯模块，用于传递分析结果给移动用户端。所述用户端可以是手机或平板电脑。
为了保证数据分析模块分析结果的准确性，还包括2个雨水传感器，雨水传感器与控制模块连接。
该系统还包括报警装置，报警装置与控制模块连接。在激光雷达的天窗上安装有行程限位开关，行程限位开关与信号接收模块连接。当天窗开关不到位时，控制模块会向报警装置发送报警信号，报警装置进行报警，同时通讯模块向移动用户端发送信号给工作人员发出报警。
所述信号接收模块还通过网络实时获取天气气象数据。
所述数据分析模块内预设有当地云层高度阙值和空气湿度阙值。激光雷达运行时，每一发脉冲的回波信号都会被采集传输给信号接收模块，数据分析模块根据回波信号采用梯度法测量是否有云，如没有云，则通过行程限位开关传递而来的行程限位数据检测天窗是否开启，如天窗开启，则保持天窗开启状态不变，否则打开天窗。当数据分析模块根据回波信号采用梯度法测量有云存在，则计算云层高度，并判断云层高度是否大于阙值，若云层高度大于阙值，则通过控制模块控制天窗开启，若云层高度小于阙值，则通过湿度传感器获得的空气湿度数据，判断空气湿度是否大于阙值，若大于阙值，则通过控制模块控制天窗关闭，若小于阙值，则检测天窗开启状态，开启天窗。在天窗关闭状态下，由于激光雷达的激光出射和接收都可以透过玻璃，因此在雨水天气也可以继续测量，一直到降水完毕后，由回波信号和湿度共同确定降水结束，此时重新打开天窗。
在控制天窗开启或关闭的时候，数据分析模块通过行程限位开关传递给信号接收模块的信号判断天窗是否开启到位或关闭到位。如天窗开启或关闭不到位，则由控制模块发送报警信号给报警装置，报警装置进行报警，同时通讯模块向移动用户端发送信号(短信或电话)给工作人员发出报警，通知工作人员进行及时处理。
当数据分析模块出现故障，已经落雨却没有控制天窗关闭，雨水传感器检测到落雨，并传递信号给控制模块，控制模块直接控制天窗关闭。
该系统通过网络实时获取天气气象数据，通过天气预报来辅助判断是否下雨。加入了两个雨水传感器，当其中有一个雨水传感器发生故障时，有另一个可以保证系统正常运行。在本发明中，同时加入了报警装置，防止意外情况发生，例如天窗开关不到位，激光雷达不能正常运行都会触发报警系统，从而使得警报声响起，无线设备会给相关工作人员发送短信或电话使得工作人员处理意外情况。所述激光雷达的天窗采用轮滑式结构，工作人员可以非常容易的将天窗复位，操作性强，天窗方便人为的开启和关闭，体现了整个系统的可维护性。
由于激光雷达的高精度性，在乌云聚集并下雨之前，激光雷达都会提前检测到，从而关闭天窗，这比单单只用雨水传感器来做保险装置安全的多，但不同地方下雨的时候，降雨云层高度和空气湿度不一样，因此要根据不同的地区选择不同的降雨云层高度阈值和空气湿度阈值。
数据分析模块判断是否有云和计算云层高度的方法具体如下：
激光雷达接收到的米散射回波信号可以用式子(1)所示激光雷达方程表示:
式中：P(R)表示激光雷达接收的高度R处气溶胶粒子和空气分子的后向散射回波功率(W)；R表示高度(km)；R′表示0到R之间的变量(km)；P0表示激光雷达发射功率(W)；C表示激光雷达系统常数(W·km3·sr)；βm(R)和βa(R)分别表示高度R处大气分子和气溶胶粒子的后向散射系数(km-1·sr-1)；am(R′)和aa(R′)分别是高度R′处大气分子和气溶胶粒子的消光系数(km-1)。
激光雷达距离平方校正回波信号RSCS(Range Squared Corrected Signal):
式中：P(R)表示激光雷达接收的高度R处气溶胶粒子和空气分子的后向散射回波功率(W)；R表示高度(km)；R′表示0到R之间的变量(km)；P0表示激光雷达发射功率(W)；C表示激光雷达系统常数(W·km3·sr)；βm(R)和βa(R)分别表示高度R处大气分子和气溶胶粒子的后向散射系数(km-1·sr-1)；am(R′)和aa(R′)分别是高度R′处大气分子和气溶胶粒子的消光系数(km-1)。
激光雷达回波信号在一定程度上反映了大气气溶胶浓度随高度变化的情况，而云层高度可以用RSCS的梯度DEV(R)来求出，DEV(R)定义为:
DEV(R)＝d[P(R)·R2]/dR (3)
式中：P(R)表示激光雷达接收的高度R处气溶胶粒子和空气分子的后向散射回波功率(W)；R表示高度(km)。
如图3所示，为激光雷达晴天回波信号的时间演变图。图中显示的是2014年11月2日激光雷达距离平方校正回波信号随时间的演变图，该天为晴天，无云天气。任意取某一时刻值(例如中午12：00)，做梯度图，如图4所示。
图4中梯度曲线的最小值所在的高度h＝2.52km,即为无云天气下的气溶胶层的高度。对于边界层来说，边界层以内的气溶胶浓度分布比较均匀，不会出现太大的变化。
当激光穿透云层的时候，由于云层的回波信号非常强烈，激光雷达回波信号经历无云—有云—无云的三个状态，反应到云的梯度法回波信号上，就会出现一个正弦或余弦的曲线(如图6所示)，即最小负值附近总对应着一个最大正值，二者的绝对值相近。
如图5所示，为激光雷达雨天回波信号的时间演变图。图中显示的是2014年11月23日有雨的一天，该天从十点左右开始下雨，从图中可以明显的看出此时有云出现，从图6中可以看出在高度2km左右出现类似正余弦的曲线形状，从而可以判断该处有云，且云层高度约为2km。
一种激光雷达智能天窗控制方法，包括以下步骤：
步骤1，信号接收模块采集数据参数，并传输到数据分析模块，所述数据参数包含激光雷达回波信号数据、通过网络获得的实时天气气象数据、湿度传感器传递而来的空气湿度数据、行程限位开关传递而来的行程限位数据；
步骤2，数据分析模块利用激光雷达回波信号数据采用梯度法测量是否有云，若无云，则通过行程限位数据判断天窗是否开启，如天窗开启，则传递信号给控制模块保持天窗开启状态不变，否则传递开启天窗信号给控制模块打开天窗，若有云，则计算云层高度，并判断云层高度是否大于阙值，若云层高度大于阙值，则检测天窗开启状态，通过控制模块控制天窗开启，若云层高度小于阙值，则通过空气湿度数据判断空气湿度是否大于阙值，若大于阙值，则检测天窗开启状态，通过控制模块控制天窗关闭，若小于阙值，则检测天窗开启状态，开启天窗；
步骤3，控制模块和通讯模块接收数据分析模块传递而来的分析结果，控制模块向天窗发送相应的控制信号，通讯模块将分析结果传递给移动用户端。
当天窗开启或关闭不到位时，行程限位开关传递行程限位数据给信号接收模块，数据分析模块向控制模块和通讯模块传递信号，控制模块向报警装置发送报警信号，报警装置进行报警，同时，通讯模块向移动用户端发送信号(短信或电话)给工作人员发出报警，通知工作人员进行及时处理。
控制模块还接收雨水传感器传递的雨水感应数据，当控制模块接收到雨水感应信号时，控制天窗关闭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光雷达智能天窗控制系统，其特征在于：包括激光雷达、信号接收模块、数据分析模块、控制模块、通讯模块和湿度传感器，所述信号接收模块与激光雷达、湿度传感器和数据分析模块连接，数据分析模块与控制模块和通讯模块连接；
所述信号接收模块，用于接收激光雷达传递而来的云层的回波信号数据和湿度传感器传递而来的数据，并将数据传输给数据分析模块；
所述数据分析模块，用于分析接收到的数据，并将分析结果传输给控制模块和通讯模块；
所述控制模块，用于传递控制信号给天窗；
所述通讯模块，用于传递分析结果给移动用户端。
2.根据权利要求1所述的激光雷达智能天窗控制系统，其特征在于：还包括2个雨水传感器，雨水传感器与控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的激光雷达智能天窗控制系统，其特征在于：还包括安装在天窗上的行程限位开关，行程限位开关与信号接收模块连接。
4.根据权利要求3所述的激光雷达智能天窗控制系统，其特征在于：所述信号接收模块还通过网络实时获取天气气象数据。
5.根据权利要求2或3或4所述的激光雷达智能天窗控制系统，其特征在于：还包括报警装置，报警装置与控制模块连接。
6.一种激光雷达智能天窗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，信号接收模块采集数据参数，并传输到数据分析模块，所述数据参数至少包含云层的激光雷达回波信号数据和空气湿度数据；
步骤2，数据分析模块对接收到的数据进行分析，并将分析结果传输给控制模块和通讯模块；
步骤3，控制模块根据分析结果向天窗发送控制信号，通讯模块将分析结果传递给移动用户端。
7.根据权利要求6所述的激光雷达智能天窗控制方法，其特征在于：所述数据参数还包括行程限位数据和实时天气气象数据。
8.根据权利要求6所述的激光雷达智能天窗控制方法，其特征在于：当出现故障时，控制模块向报警装置发送报警信号，报警装置进行报警。
9.根据权利要求6所述的激光雷达智能天窗控制方法，其特征在于：所述控制模块还接收雨水传感器传递的雨水感应信号，当控制模块接收到雨水感应信号时，控制天窗关闭。
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