CN109974813B - 基于双探头的水深测量方法 - Google Patents
基于双探头的水深测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及水深测量技术领域，尤其涉及一种基于双探头的水深测量方法，包括以下步骤：分别获取超声波测距信号和激光测距信号，所述超声波测距信号的发射源与激光测距信号的发射源位于同一平面，所述超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴；根据获取到的超声波测距信号，计算得到第一距离；根据获取到的激光测距信号，计算得到第二距离；根据第一距离和第二距离，计算得到待测水深的初始值；根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值；从而达到一种不用将测量信号发生源放在待测水中的基于双探头的水深测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及水深测量技术领域，尤其涉及基于双探头的水深测量方法。
背景技术
传统的是通过超声波测深仪发出的超声波能在均匀介质中匀速直线传播，遇到不同的介质面产生反射，并对反射回来的超声波进行接收，从而根据超声波在水中的传播速度和超声波信号发射出去到接收回来的时间间隔计算出水深。
由于超声波在遇到不同的介质面会产生反射，所以使用超声波测深仪测量水深的方法只有当测量仪器处于水中时才能够进行测量。在现代城市环境治理中，在遇到下过暴雨的时候，城市中的疏水装置无法覆盖到城市的每一个角落，城市中便存在不同程度的积水，为了对城市的内涝状况进行分析，作业人员在车子等其他移动设备上直接对水深进行测量，相当于要在空气中对待测水深进行测量，传统的则不再适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种不用将测量信号发生源放在待测水中的基于双探头的水深测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于双探头的水深测量方法，包括以下步骤：
S1、分别获取超声波测距信号和激光测距信号，所述超声波测距信号的发射源与激光测距信号的发射源位于同一平面，所述超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴；
S2、根据获取到的超声波测距信号，计算在超声波有效发射范围内所述超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离，得到第一距离；根据获取到的激光测距信号，计算激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，得到第二距离；
S3、根据第一距离和第二距离，计算得到待测水深的初始值；
S4、根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值。
本发明的有益效果在于：通过设置超声波测距信号和激光测距信号的发射源位于同一平面，并且超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴，计算超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离，即为第一距离，计算激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，即为第二距离，根据第一距离和第二距离，计算得到待测水深的初始值，根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值，从而达到一种不用将测量信号发生源放在待测水中的基于双探头的水深测量方法。
附图说明
图1为本发明的基于双探头的水深测量方法的流程示意图；
图2为本发明的偏角在超声波测距信号的波束角范围内的超声波探头和激光探头测量水深的示意图；
图3为本发明的偏角在超声波测距信号的波束角范围外的超声波探头和激光探头测量水深的示意图；
图4为本发明的水深测量装置的示意图；
图5为本发明的测量高度不同时的误差趋势线的示意图；
图6为本发明的待测水深不同时的误差趋势线的示意图；
标号说明：
1、激光测距传感器；2、超声波测距模块；3、STM32开发板；4、陀螺仪；5、电源；6、稳压电路；7、第一距离；8、第二距离；9、待测水深的最终值。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：设置超声波测距信号和激光测距信号的发射源位于同一平面，超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴，计算超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离和激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，计算得到待测水深的初始值，根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到准确的待测水深数值。
请参照图1-图6，一种基于双探头的水深测量方法，包括以下步骤：
S1、分别获取超声波测距信号和激光测距信号，所述超声波测距信号的发射源与激光测距信号的发射源位于同一平面，所述超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴；
S2、根据获取到的超声波测距信号，计算在超声波有效发射范围内所述超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离，得到第一距离；根据获取到的激光测距信号，计算激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，得到第二距离；
S3、根据第一距离和第二距离，计算得到待测水深的初始值；
S4、根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过设置超声波测距信号和激光测距信号的发射源位于同一平面，并且超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴，计算超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离，即为第一距离，计算激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，即为第二距离，根据第一距离和第二距离，计算得到待测水深的初始值，再根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值，从而达到一种不用将测量信号发生源放在待测水中的基于双探头的水深测量方法。
进一步的，步骤S1中获取激光测距信号时，同时获取当前激光测距信号的发射方向；
步骤S2还包括：根据获取当前激光测距信号的发射方向，计算当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角；
步骤S3具体为：判断所述偏角是否在所述超声波测距信号的波束角范围内，若是，则将第一距离和第二距离代入第一公式，计算得到待测水深的第一初始值；若否，则将第一距离和第二距离代入第二公式，计算得到待测水深的第二初始值；
所述第一公式为h＝cosθ·LD-UD，其中h表示待测水深的第一初始值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，LD表示第二距离，UD表示第一距离；
所述第二公式为h＝cosθ·LD-cos(θ-β)UD，其中h表示待测水深的第二初始值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，LD表示第二距离，UD表示第一距离，β表示超声波测距信号的波束角。
从上述描述可知，由于在实际测量水深的过程中，激光测距信号的发射方向与待测水面并不是一直相互垂直的，激光测距信号的发射方向与预设方向之间存在偏角，根据所述偏角是否在所述超声波测距信号的波束角范围内来判断第一距离和第二距离应带入第一公式或第二公式进行计算，得到水深的初始值。
进一步的，所述预设方向为与水平面垂直的方向。
从上述描述可知，预设方向为与水平面垂直的方向，使激光测距信号的发射方向与水平面垂直的方向之间存在偏角，当激光测距信号垂直待测水面射入时，则所述偏角不存在，无需考虑由于测量偏角带来的误差，此时测量得到的水深数值精度更高。
进一步的，所述测量误差分析结果由不同测量高度误差、不同水深误差以及测量偏角误差计算所得；
步骤S4具体为：根据测量误差分析结果对第一公式和第二公式分别进行校正，得到校正后的第一公式和校正后的第二公式，根据校正后的第一公式和校正后的第二公式，计算得到待测水深的最终值。
从上述描述可知，测量误差包括测量高度误差、不同水深误差以及测量偏角误差，综合考虑所有的测量误差，对第一公式和第二公式分别进行校正，根据校正后的公式进行计算的得到待测水深的最终值，这种方法极大程度上减小了理论值和真实值之间的误差，使计算得到的最终值更加准确。
进一步的，所述校正后的第一公式为h＝ccosθ·dL-1.6881dU+0.5191dL+1.72691，其中h表示待测水深的最终值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，dL表示第二距离，dU表示第一距离；
所述校正后的第二公式为h＝cosθ·dL-cos(θ-β)dU-1.6811dU+0.5191dL+1.7269，其中h表示待测水深的最终值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，dL表示第二距离，dU表示第一距离，β表示超声波测距信号的波束角。
请参照图1至图4，本发明的实施例一为：一种基于双探头的水深测量方法，以及对应开发的水深测量装置，包括壳体、激光测距传感器1、超声波测距模块2、STM32开发板3、陀螺仪4、电源5和稳压电路6，所述STM32开发板3和陀螺仪4均固定设置在所述壳体内部，所述激光测距传感器1和超声波测距模块2分别设置在壳体的同一平面上，所述激光测距传感器1、超声波测距模块2和陀螺仪4分别与STM32开发板3电连接，所述电源5通过稳压电路6与STM32开发板3电连接，超声波测距模块2能获得在超声波有效发射范围内超声波测距模块2与待测水平面之间的最短距离，激光测距传感器1能获得激光测距传感器1到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，陀螺仪4能获得激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角。
本发明的水深测量装置安装在车辆前端底部，例如安装在防撞杆下方进行使用，水深测量装置并不与待测水体直接接触，其初始设置是将激光测距信号的发射方向竖直向下，相当于垂直水平面，在车辆行驶过程中，由于车辆振动使水深测量装置的安装角度发生变化，使得激光测距信号的发射方向有可能会发生偏移，因此本发明所采用的基于双探头的水深测量方法能消除由于激光测距信号与预设方向之间存在偏角而产生的误差。
请参照图1，所述基于双探头的水深测量方法包括以下步骤：
S1、分别获取超声波测距信号和激光测距信号，所述超声波测距信号的发射源与激光测距信号的发射源位于同一平面，所述超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴；
S2、根据获取到的超声波测距信号，计算在超声波有效发射范围内所述超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离，得到第一距离7；根据获取到的激光测距信号，计算激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，得到第二距离8；
S3、根据第一距离7和第二距离8，计算得到待测水深的初始值；
S4、根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值9；
从而实现在空气中使用上述的基于双探头的水深测量方法进行准确的测量水深。
上述的步骤S1中获取激光测距信号时，同时获取当前激光测距信号的发射方向；
步骤S2还包括：根据获取当前激光测距信号的发射方向，计算当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角；
步骤S3具体为：判断所述偏角是否在所述超声波测距信号的波束角范围内，若是，则将第一距离7和第二距离8代入第一公式，计算得到待测水深的第一初始值；若否，则将第一距离7和第二距离8代入第二公式，计算得到待测水深的第二初始值；
根据附图2可知，所述第一公式为h＝cosθ·LD-UD，其中h表示待测水深的第一初始值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，LD表示第二距离8，UD表示第一距离7；
根据附图3可知，所述第二公式为h＝cosθ·LD-cos(θ-β)UD，其中h表示待测水深的第二初始值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，LD表示第二距离8，UD表示第一距离7，β表示超声波测距信号的波束角；
由于在实际测量水深的过程中，激光测距信号的发射方向与待测水面并不是一直相互垂直的，激光测距信号的发射方向与预设方向之间存在偏角，根据所述偏角是否在所述超声波测距信号的波束角范围内来判断第一距离7和第二距离8应带入第一公式或第二公式进行计算，得到水深的初始值，并且使操作者在操作设备时，可以适当的调整所述偏角的角度，方便了操作者的使用。
上述的预设方向为与水平面垂直的方向，使激光测距信号的发射方向与水平面垂直的方向之间存在偏角，当激光测距信号垂直待测水面射入时，则所述偏角不存在，无需考虑由于测量偏角带来的误差，此时测量得到的水深数值精度更高。
请参照图5及图6，本发明的实施例二在实施例一的基础上展开，如下所述：
所述测量误差分析结果由不同测量高度误差、不同水深误差以及测量偏角误差计算所得；
步骤S4具体为：根据测量误差分析结果对第一公式和第二公式分别进行校正，得到校正后的第一公式和校正后的第二公式，根据校正后的第一公式和校正后的第二公式，计算得到待测水深的最终值9；测量误差包括测量高度误差、不同水深误差以及测量偏角误差，综合考虑所有的测量误差，对第一公式和第二公式分别进行校正，根据校正后的公式进行计算的得到待测水深的最终值9，这种方法极大程度上减小了理论值和真实值之间的误差，使计算得到的最终值更加准确。
一、以下是测量误差的分析结果：
(1)不同测量高度所带来的误差：
选取待测水深为15cm的环境进行测深实验，实验内容为在待测水面以上的6m高度范围内，选取30个位置进行测距，每个位置测量10次并取平均值，实验数据如下表1(单位为cm)：
表1
①拟合趋势线：
由于不同测量高度引起的数据异常会使数据存在较大起伏，且具有一定的规律。针对不同测量高度的条件下，实测LD、UD数值，测量10次取其平均值，拟合出三条误差趋势线，分别为LD误差趋势线、UD误差趋势线和水深误差趋势线。由附图5可见水深误差趋势线大致呈一次曲线，其数学模型即y＝Ax+B。误差拟合的趋势线与x轴不可能完全重合，对其改正主要有两个步骤：其一为方差改正，压缩测深曲线起伏变化程度；其二为均值改正，移动趋势线至x轴。
②趋势线归位：
在MATLAB平台中根据实验测量数据使用函数polyfit进行多次拟合，可以得到模型中高次项参数都趋近于零，故选取一次项参数a和常数项b。拟合得:a＝-0.169,b＝0.5689。
如附图5中，需将趋势线移动到y＝0即x轴位置，则第一趋势线公式为：
WD-h＝-0.169LD+0.5689；
式中，WD-h表示测量水深误差与真实水深间的差值，即为修正的数值。
(2)不同水深所带来的误差：
选取测量高度为100cm的环境进行测深实验，实验内容为在待测水深2-40cm的范围内，根据间隔为2cm选取20个位置进行测距，每个位置测量10次并取平均值，实验数据如下表2(单位为cm)：
表2
①拟合趋势线
由于不同水深引起的数据异常会使数据存在较大起伏，且具有一定的规律。针对不同水深深度的条件下，实测LD、UD数值，测量10次取其平均值，拟合出三条误差趋势线，分别为LD误差趋势线、UD误差趋势线和水深误差趋势线。由图6可见水深误差趋势线大致呈二次曲线，其数学模型即y＝Ax2+Bx+C。误差拟合的趋势线与x轴不可能完全重合，对其改正主要有两个步骤：其一为方差改正，压缩测深曲线起伏变化程度；其二为均值改正，移动趋势线至x轴。
根据上述相同的步骤，如附图6，需将趋势线移动到y＝0即x轴位置，则公式为：
y＝0.0017x2+0.6881x+1.158；
上述的公式中二次项系数过小，第二趋势线公式可视为一元一次线性方程：
WD-h＝0.6881WD+1.158；
式中，WD-h表示测量水深误差与真实水深间的差值，即为修正的数值。
二、以下是根据测量误差的分析结果对第一公式和第二公式的校正过程：
通过采集数据中的激光探头测量的第一距离7、超声波探头测量的第二距离8及激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，并且要消除不同测量高度误差、不同水深误差以及测量偏角误差的影响，通过所述第一公式结合第一趋势线公式和第二公式，或所述第二公式结合第一趋势线公式和第二公式，得到以下校正过的第一公式和第二公式：
所述校正后的第一公式为h＝ccosθ·dL-1.6881dU+0.5191dL+1.72691，其中h表示待测水深的最终值9，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，dL表示第二距离8，dU表示第一距离7；
所述校正后的第二公式为h＝cosθ·dL-cos(θ-β)dU-1.6811dU+0.5191dL+1.7269，其中h表示待测水深的最终值9，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，dL表示第二距离8，dU表示第一距离7，β表示超声波测距信号的波束角。
对采集的数据经过校正后的第一公式和第二公式进行计算，得到结果反映深度精度明显提高，改进的定位精度在高度为6m范围内的达到95％，最大误差为59mm，平均误差在18mm左右，满足设计要求，使测量水深精度大大提高。
综上所述，本发明提供的一种基于双探头的水深测量方法，通过设置超声波测距信号和激光测距信号的发射源位于同一平面，并且超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴，计算超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离，即为第一距离，计算激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，即为第二距离，根据第一距离和第二距离，计算得到待测水深的初始值；测量误差包括不同测量高度误差、不同水深误差以及测量偏角误差，对所有的测量误差进行综合分析并得到校正公式，再根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值，从而达到一种不用将测量信号发生源放在待测水中的基于双探头的水深测量方法，并且实现在不同的测量高度、测量不同的水深和不同的测量偏角均可以进行测量水深。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于双探头的水深测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别获取超声波测距信号和激光测距信号，用于发射和获取超声波的超声波测距模块和用于发射和获取激光的激光测距传感器皆位于车辆前端底部并位于同一平面，所述超声波测距信号的发射方向与激光测距信号的发射方向为平行且非同轴；
S2、根据获取到的超声波测距信号，计算在超声波有效发射范围内所述超声波测距信号的发射源与待测水平面之间的最短距离，得到第一距离；根据获取到的激光测距信号，计算激光测距信号的发射源到激光测距信号与待测水底面相交处之间的距离，得到第二距离；
S3、根据第一距离和第二距离，计算得到待测水深的初始值；
S4、根据测量误差分析结果对所述待测水深的初始值进行校正，得到待测水深的最终值；
步骤S1中获取激光测距信号时，同时获取当前激光测距信号的发射方向；
步骤S2还包括：根据获取当前激光测距信号的发射方向，计算当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角；
步骤S3具体为：判断所述偏角是否在所述超声波测距信号的波束角范围内，若是，则将第一距离和第二距离代入第一公式，计算得到待测水深的第一初始值；若否，则将第一距离和第二距离代入第二公式，计算得到待测水深的第二初始值；
所述第一公式为h＝cosθ·LD-UD，其中h表示待测水深的第一初始值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，LD表示第二距离，UD表示第一距离；
所述第二公式为h＝cosθ·LD-cos(θ-β)UD，其中h表示待测水深的第二初始值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，LD表示第二距离，UD表示第一距离，β表示超声波测距信号的波束角；
所述测量误差分析结果由不同测量高度误差、不同水深误差以及测量偏角误差计算所得；
步骤S4具体为：根据测量误差分析结果对第一公式和第二公式分别进行校正，得到校正后的第一公式和校正后的第二公式，根据校正后的第一公式和校正后的第二公式，计算得到待测水深的最终值；
所述校正后的第一公式为h＝cosθ·dL-1.6881dU+0.5191dL+1.72691，其中h表示待测水深的最终值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，dL表示第二距离，dU表示第一距离；
所述校正后的第二公式为h＝cosθ·dL-cos(θ-β)dU-1.6811dU+0.5191dL+1.7269，其中h表示待测水深的最终值，θ表示当前激光测距信号的发射方向与预设方向之间的偏角，dL表示第二距离，dU表示第一距离，β表示超声波测距信号的波束角。
2.根据权利要求1所述的基于双探头的水深测量方法，其特征在于，所述预设方向为与水平面垂直的方向。
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