CN108646256A - 一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备，激光测距模块设置在船闸人字门启闭机上，用于通过相位法对人字门启闭距离进行激光测距，获得实时的原始距离信息；控制模块，用于接收实时的原始距离信息，将人字门的运动看作匀速直线运动，采用卡尔曼滤波算法建立人字门启闭系统状态方程和观测方程，消除观测噪声，得到修正后的距离信息；数据显示模块，包括六位共阳数码管，实时显示修正后的距离信息，显示精度为毫米。本发明将激光测距传感器应用于人字门液压启闭机的实时测距，代替原来的拉线传感器，作为数据信息采集来源，从硬件层面改善光照变化、气候恶劣等外部因素干扰；使用相位法激光测距技术，提高计算精度可达毫米级。

Description

一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备及方法

技术领域

本发明属于激光测距领域，具体涉及一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备及方法。

背景技术

目前，人字门液压启闭机的测距模块采用拉线传感器进行测量。其工作原理主要是将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号。被测物体产生位移时，拉动与其相连接的钢绳，钢绳带动传感器传动机构和传感元件同步转动；当位移反向移动时，传感器内部的回旋装置将自动收回绳索，并在绳索伸收过程中保持其张力不变，从而输出一个绳索移动量成正比例的电信号。但拉线传感器存在由于拉线传感器随着测量距离的增加，拉线在重力和环境的影响下误差增长；拉线钢丝暴露在户外容易受雨雪侵蚀断裂，可靠性不高；拉线传感器易卡线、回弹力度大、使用操作不方便等问题，为人字门液压启闭机的测距带来了极大的不便。

激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量、坦克、飞机、舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备及方法，能够提高数据检测的精度。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备，其特征在于：它包括激光测距模块、控制模块和数据显示模块；其中，

激光测距模块设置在船闸人字门启闭机上，用于通过相位法对人字门启闭距离进行激光测距，获得实时的原始距离信息；激光测距模块包括激光脉冲发射单元、光电检测接收单元、增频测相单元和距离测量单元，激光脉冲发射单元发射激光到反射板，反射板返回激光到光电检测接收单元，光电接收单元将激光的信息传输给增频测相单元，增频测相单元计算出相位差之后由距离测量单元计算出实时的原始距离信息；

控制模块，用于接收实时的原始距离信息，将人字门的运动看作匀速直线运动，采用卡尔曼滤波算法建立人字门启闭系统状态方程和观测方程，消除观测噪声，得到修正后的距离信息；

式中，为t_k-1时刻人字闸门启闭距离数据估计值，Φ_k,k-1为t_k-1时刻至t_k时刻的一步转移阵，Γ_k-1为系统噪声驱动阵，P_k-1为t_k-1时刻估计值的方差，H_k为测量阵，R_k为测量值的方差，Z_k为t_k时刻测量值。假设测量观测周期为T，则方程中已知量为 H_k＝(I₂ O_2×2)，Z_k为实时测量值，可在实际使用中获得，R_k由测量值求得，为常数。

数据显示模块，包括六位共阳数码管，实时显示修正后的距离信息，显示精度为毫米。

按上述方案，激光测距模块获得的原始距离信息，转换为二进制SSI信号，通过SSI线路传输给控制模块。

按上述方案，实时的原始距离信息D按以下公式获得：

式中：λ₀为激光传感器发射的正弦波一个周期的波长、与激光传感器有关、为已知量，N为相移的整周期数、由激光传感器测得，为不足2π的相位余数、由激光传感器测得。

另外，文中的D为激光传感器使用相位法某一时刻测得的数据，时刻只代表数据序列，激光传感器测得距离数据与时间无关。

按上述方案，所述的控制模块包括ARM处理器、电源保护单元、电源隔离单元、模拟量采集单元、接口单元、RS422单元和以太网单元；ARM处理器用于数据处理；接口单元用于与激光测距模块连接；模拟量采集单元和RS422单元用于对接收的数据信号进行解析；以太网单元用于将ARM处理器计算的修正后的距离信息上传给上位机；电源保护单元和电源隔离单元用于保护控制单元的安全。

利用所述的用于船闸启闭机的实时激光测距设备实现的测距方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、数据采集：激光脉冲发射单元发射激光到反射板，反射板返回激光到光电检测接收单元，光电接收单元将激光的信息传输给增频测相单元，增频测相单元计算出相位差之后由距离测量单元计算出实时的原始距离信息；

S2、数据修正：接收实时的原始距离信息，将人字门的运动看作匀速直线运动，采用卡尔曼滤波算法建立人字门启闭系统状态方程和观测方程，消除观测噪声，得到修正后的距离信息；

式中，为t_k-1时刻人字闸门启闭距离数据估计值，Φ_k,k-1为t_k-1时刻至t_k时刻的一步转移阵，Γ_k-1为系统噪声驱动阵，P_k-1为t_k-1时刻估计值的方差，H_k为测量阵，R_k为测量值的方差，Z_k为t_k时刻测量值。假设测量观测周期为T，则方程中已知量为 H_k＝(I₂ O_2×2)，Z_k为实时测量值，可在实际使用中获得，R_k由测量值求得，为常数。

S3、通过控制与六位数码管连接的管脚，实时的显示经过修正后的距离信息，实现人字门启闭运动的可视化。

按上述方法，还包括S4、将修正后的距离信息发送给上位机。

按上述方法，在显示时，数据更新周期为0.3ms。

本发明的有益效果为：将激光测距传感器应用于人字门液压启闭机的实时测距，代替原来的拉线传感器，作为数据信息采集来源，从硬件层面改善光照变化、气候恶劣等外部因素干扰；使用相位法激光测距技术，提高计算精度可达毫米级，并且可以满足中近距离长度测量的需求，足够进行人字门的测距；采用卡尔曼滤波算法对人字门启闭距离数据进行滤波，从算法层面修正由于运动不平稳、天气水文条件突然变化等因素产生的误差；可以方便的与目前船闸启闭机所使用的拉线传感器替换，极大降低安装的难度。

附图说明

图1为基于相位法的激光测距流程图。

图2为相位法的相移测距原理图。

图3为控制板的结构图。

图4为卡尔曼滤波流程图。

图中：1-反射板。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提提供一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备，它包括激光测距模块、控制模块和数据显示模块。

激光测距模块设置在船闸人字门启闭机上，用于通过相位法对人字门启闭距离进行激光测距，获得实时的原始距离信息；如图1所示，激光测距模块包括激光脉冲发射单元、光电检测接收单元、增频测相单元和距离测量单元，激光脉冲发射单元发射激光到反射板1，反射板1返回激光到光电检测接收单元，光电接收单元将激光的信息传输给增频测相单元，增频测相单元计算出相位差之后由距离测量单元计算出实时的原始距离信息。激光测距模块拟安装在船闸人字门启闭机上、原拉线传感器位置。船闸水文气象条件多变，且人字门测距要求在运动中进行，因此设计上述激光测距模块，其精确度高、稳定性好、操作简单速度快而准确且误差一般仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。激光测距模块采得的距离数据通过SSI传送给控制模块。

本发明激光测距方法选择的是相位法激光测距，它是用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。他的相比于其他激光测距，基于相位法的激光测距测距精度较高，能够达到0-5mm并且可以满足中近距离长度的测量需求。相位法具体流程是激光脉冲发射单元发射激光到反射板，反射板返回激光到光电检测接收单元，光电接收单元将激光的基本信息传输给增频测相单元，增频测相单元计算出相位差之后由距离测量单元计算出距离数据并转换为二进制SSI信号。

相位法激光测距的具体测距原理如下。当激光以光速c在空气中传播时，其传输距离表示为：

其中，X为激光t₀时间内的传输距离，t₀为传输时间。

这里的X是光在空气中传输距离的代表，只是想反映激光某时刻传输距离如何计算，与后面激光传感器测得的距离D无关，因为使用了同一字母，可能引起了误会。

当相位式激光测距在传输距离为D时，相位法的相移测距原理如图2所示。

t₀时刻，激光从A点发射，在本发明中，A点为激光脉冲发射单元处。经过时间t往返ψ之后在A1处接收(A和A1实际是重叠位置)，此时相位差为ψ。

如果A发射点的发射信号幅值为A_L，调制频率为f₀，初始相位为则发射点的光强为：

而在A1点，接收光的光强为：

其中，A_R为接收端信号幅值，故相位差ψ为：

因此，被测距离D为：

其中，N为相移的整周期数、为不足2π的相位余数、由激光传感器测得，λ₀为激光传感器发射的正弦波一个周期的波长、A_L为发射信号幅值、A_R为接收端信号幅值、f₀为调制频率、为初始相位、、与激光传感器发射的激光和安装位置有关、为已知量，C为光速计算使用C＝3×10⁸m/s。

控制模块，用于接收实时的原始距离信息，将人字门的运动看作匀速直线运动，采用卡尔曼滤波算法建立人字门启闭系统状态方程和观测方程，消除观测噪声，得到修正后的距离信息。激光测距模块和控制模块之间的数据传输由SSI电缆来实现。具体流程是激光测距模块发送测量结果的SSI数据信号，控制模块发送对应的时钟信号来接收数据信号，并将数据信号解析为十进制自然数。所述的控制模块包括ARM处理器、电源保护单元、电源隔离单元、模拟量采集单元、接口单元、RS422单元和以太网单元；ARM处理器用于数据处理；接口单元用于与激光测距模块连接；模拟量采集单元和RS422单元用于对接收的数据信号进行解析；以太网单元用于将ARM处理器计算的修正后的距离信息上传给上位机；电源保护单元和电源隔离单元用于保护控制单元的安全。

由于船闸人字门安装在室外，受各种气候、水文等诸多因素的影响，激光测得的原始数据准确度会有一定降低，所以本发明采用卡尔曼滤波智能算法对原始数据进行修正。人字闸门的启闭操作可视作一个往复运动的过程，通过卡尔曼滤波对测量结果进行不断地修正，从而得到最优的估计。卡尔曼滤波具有可操作性强、效率高等特点，因而常常被用于测量误差的修正与研究。

假设第k时刻激光测得的距离数据由D_k表示，船闸人字门启闭机一般以匀速运行，建立人字闸门启闭距离数据随时间变化模型如公式(6)所示：

其中，取样时间间隔为Δt＝t_k+1-t_k；在较短的时间内，r_k可认为是固定不变的。假设t_k时刻的人字门启闭实时距离为D_k受系统噪声序列W_k-1驱动，则船闸人字门启闭系统状态方程和观测方程分别为：

D_k＝Φ_k,k-1D_k-1+Γ_k-1W_k-1 (7)，

Z_k＝H_kD_k+V_k (8)，

其中，D_k为状态向量，对D_k的观测满足线性关系。Φ_k,k-1为t_k-1时刻至t_k时刻的一步转移阵，Γ_k-1为系统噪声驱动阵，H_k为测量阵，V_k和W_k分别为观测和系统噪声。

假设实验观测周期为T，可得到船闸人字门启闭系统模型参数如下：

H_k＝(I₂O_2×2)

取连续观测实验数据方差为观测噪声V_k，则V_k＝Std(d)²。

通过上述分析，采用如下卡尔曼滤波算法处理激光测距模块接受到的原始数据，进一步提高测距精度。

式中，为t_k-1时刻人字闸门启闭距离数据估计值，Φ_k,k-1为t_k-1时刻至t_k时刻的一步转移阵，Γ_k-1为系统噪声驱动阵，P_k-1为t_k-1时刻估计值的方差，H_k为测量阵，R_k为测量值的方差，Z_k为t_k时刻测量值。

数据显示模块，包括六位共阳数码管，实时显示修正后的距离信息，显示精度为毫米。控制模块通过控制与共阳数码管连接的管脚实现，控制模块将修正过的测距数据转换为发送给各个管脚的高低电平，从而实现测量数据的实时显示。

利用所述的用于船闸启闭机的实时激光测距设备实现的测距方法，包括以下步骤：

S1、数据采集：激光脉冲发射单元发射激光到反射板，反射板返回激光到光电检测接收单元，光电接收单元将激光的信息传输给增频测相单元，增频测相单元计算出相位差之后由距离测量单元计算出实时的原始距离信息；将距离数据转化为SSI信号，通过SSI线路传输到控制模块的SSI接口。

S2、数据修正：接收实时的原始距离信息，将通过SSI接口接收到的数据信号解析为十进制的距离数据；由于人字门运动速度较慢且接近匀速，因此将人字门的运动看作匀速直线运动，采用卡尔曼滤波算法建立人字门启闭系统状态方程和观测方程，消除观测噪声，得到修正后的距离信息。

S3、通过控制与六位数码管连接的管脚，实时的显示经过修正后的距离信息，实现人字门启闭运动的可视化。为体现实时性，数据更新周期为0.3ms。

S4、将修正后的距离通过控制模块以太网单元进行数据传输，将数据传输到上位机，从而进行数据实时监测。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于船闸启闭机的实时激光测距设备，其特征在于：它包括激光测距模块、控制模块和数据显示模块；其中，

激光测距模块设置在船闸人字门启闭机上，用于通过相位法对人字门启闭距离进行激光测距，获得实时的原始距离信息；激光测距模块包括激光脉冲发射单元、光电检测接收单元、增频测相单元和距离测量单元，激光脉冲发射单元发射激光到反射板，反射板返回激光到光电检测接收单元，光电接收单元将激光的信息传输给增频测相单元，增频测相单元计算出相位差之后由距离测量单元计算出实时的原始距离信息；

控制模块，用于接收实时的原始距离信息，将人字门的运动看作匀速直线运动，采用卡尔曼滤波算法建立人字门启闭系统状态方程和观测方程，消除观测噪声，得到修正后的距离信息；

式中，为t_k-1时刻人字闸门启闭距离数据估计值，Φ_k,k-1为t_k-1时刻至t_k时刻的一步转移阵，Γ_k-1为系统噪声驱动阵，P_k-1为t_k-1时刻估计值的方差，H_k为测量阵，R_k为测量值的方差，Z_k为t_k时刻测量值。假设测量观测周期为T，则方程中已知量为 H_k＝(I₂ O_2×2)，Z_k为实时测量值，可在实际使用中获得，R_k由测量值求得，为常数。

数据显示模块，包括六位共阳数码管，实时显示修正后的距离信息，显示精度为毫米。

2.根据权利要求1所述的用于船闸启闭机的实时激光测距设备，其特征在于：激光测距模块获得的原始距离信息，转换为二进制SSI信号，通过SSI线路传输给控制模块。

3.根据权利要求1所述的用于船闸启闭机的实时激光测距设备，其特征在于：实时的原始距离信息D按以下公式获得：

式中：λ₀为激光传感器发射的正弦波一个周期的波长、与激光传感器有关、为已知量，N为相移的整周期数、由激光传感器测得，为不足2π的相位余数、由激光传感器测得。

4.根据权利要求1所述的用于船闸启闭机的实时激光测距设备，其特征在于：所述的控制模块包括ARM处理器、电源保护单元、电源隔离单元、模拟量采集单元、接口单元、RS422单元和以太网单元；ARM处理器用于数据处理；接口单元用于与激光测距模块连接；模拟量采集单元和RS422单元用于对接收的数据信号进行解析；以太网单元用于将ARM处理器计算的修正后的距离信息上传给上位机；电源保护单元和电源隔离单元用于保护控制单元的安全。

5.利用权利要求1所述的用于船闸启闭机的实时激光测距设备实现的测距方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、数据采集：激光脉冲发射单元发射激光到反射板，反射板返回激光到光电检测接收单元，光电接收单元将激光的信息传输给增频测相单元，增频测相单元计算出相位差之后由距离测量单元计算出实时的原始距离信息；

S2、数据修正：接收实时的原始距离信息，将人字门的运动看作匀速直线运动，采用卡尔曼滤波算法建立人字门启闭系统状态方程和观测方程，消除观测噪声，得到修正后的距离信息；

式中，为t_k-1时刻人字闸门启闭距离数据估计值，Φ_k,k-1为t_k-1时刻至t_k时刻的一步转移阵，Γ_k-1为系统噪声驱动阵，P_k-1为t_k-1时刻估计值的方差，H_k为测量阵，R_k为测量值的方差，Z_k为t_k时刻测量值。假设测量观测周期为T，则方程中已知量为 H_k＝(I₂ O_2×2)，Z_k为实时测量值，可在实际使用中获得，R_k由测量值求得，为常数。

S3、通过控制与六位数码管连接的管脚，实时的显示经过修正后的距离信息，实现人字门启闭运动的可视化。

6.根据权利要求5所述的测距方法，其特征在于：还包括S4、将修正后的距离信息发送给上位机。

7.根据权利要求5所述的测距方法，其特征在于：在显示时，数据更新周期为0.3ms。