CN112630769A - 一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法，包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电；所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，本发明能够提高流速测量的便携性，省去重复架设固定设备的成本，并使测量更加全面。

Description

一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种雷达测速系统，特别是涉及一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法。
背景技术
在目前的水文测量中，雷达测速仪大多为提前架设在岸边的固定设备，便携性差，且只能测量某个区域内的流速，不够精确。因此，需要设计一种更加便携、测量全面的雷达流速测量系统。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法，本发明能够提高流速测量的便携性，省去重复架设固定设备的成本，并使测量更加全面。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种以无人机为载体的雷达流速测量系统，包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS(全球定位系统)模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电。所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，其中：
所述数据接收平台将测速控制信号通过无线通信模块二发送给无线通信模块一，所述无线通信模块一将接收到的测速控制信号发送给处理器，处理器根据测速控制信号分别控制雷达、陀螺仪、GPS模块进行测量，分别得到雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号。处理器根据雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号得到流速，同时将GPS信号和流速通过通过无线通信模块一发送给无线通信模块二，无线通信模块二接收到GPS信号和流速并推送给数据接收平台，所述数据接收平台接收 GPS信号和流速并存储。
优选的：所述处理器采用Arduino nano处理器，所述Arduino nano处理器的VIN引脚、陀螺仪的VCC引脚、GPS模块的VCC引脚、无线通信模块一的VCC引脚分别与电源模块的5v电源接头连接，所述Arduino nano处理器的GND引脚、RESET引脚接地，所述Arduino nano处理器的D1/TX引脚与陀螺仪的RX引脚连接，所述Arduino nano处理器的D0/RX引脚与陀螺仪的TX 引脚连接，所述Arduino nano处理器的D2引脚与无线通信模块一的RXD引脚连接，无线通信模块一的GND引脚接地，所述Arduino nano处理器的D3引脚与无线通信模块一的TXD引脚连接，所述Arduino nano处理器的D5引脚与GPS模块的TXD引脚连接，GPS模块的GND引脚接地，所述Arduino nano处理器的D7引脚与电平转换器的TXD引脚连接，电平转换器的RXD引脚连接与雷达的TXD引脚连接，雷达的VIN引脚与电源模块的12v电源接头连接，电平转换器的VIN 引脚与电源模块的3.3v电源接头连接。
优选的：所述数据接收平台为电脑或者工控机。
一种以无人机为载体的雷达流速测量方法，包括以下步骤：
步骤1，流向校准阶段：将无人机置于岸边，使无人机朝向与河流流向相同。将陀螺仪Z轴方向置为1，XY方向置为0，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的 (0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X1,Y1,Z1)，具体计算为：
X1＝1×(sinθx×sinθz+cosθx×cosθz×sinθy)
Y1＝1×(sinθz×sinθy×cosθx-cosθz×sinθx)
Z1＝1×cosθx×cosθy
其中，θxθyθz为陀螺仪测得的三轴欧拉角。
对X1Y1使用arctan函数，得到雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ1。
步骤2，测量准备阶段：使用GPS模块来判断测量端是否在测量状态，当无人机速度高于阈值时，对GPS模块测量的速度不断积分，得到无人机前进的距离。当无人机速度低于阈值时，进入测量阶段，将测得并修正过的数据与无人机前进的距离发送至电脑端。
步骤3，实际测量阶段：无人机在空中悬停测量时，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角θxθyθz，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X2,Y2,Z2)，变换公式与步骤1中流向校准阶段中相同。对X2Y2使用arctan函数，得到此时雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ2。对1÷Z2使用arcsin函数，得到测流方向与水平面的夹角θ3.。此时测量方向在水平面上的投影与校准阶段得到的河流流向夹角为θ2-θ1，求得水流在雷达波束方向上的速度v0与实际流速v的比值β，
β＝cosθ3×cos(θ2-θ1)
v＝v0÷β
步骤4，考虑系统的平动，计GPS模块测得的东北天三轴速度分别为vx1、vy1、vz1，利用旋转矩阵得出雷达波束方向即陀螺仪Z轴方向上的速度vz，由于坐标系为从东北天坐标系变换为陀螺仪坐标系，故计算时欧拉角与陀螺仪测得数据相反，表达式为：
vz＝-vx1×sin(-θy)+vy1×cos(-θy)×sin(-θx)+vz1×cos(-θx)×cos(-θy)
＝vx1×sin(θy)-vy1×cos(θy)×sin(θx)+vz1×cos(θx)×cos(θy)
将vz与雷达测量值v测相加后得到水流在雷达波束方向上的速度v0，计算得出实际流速v
v＝v0÷β＝(vz+v测)÷β
步骤5，利用卡尔曼滤波方法对多次测量得到的实际流速v进行平滑处理，得到实际流速修正值v′。
步骤6，当GPS模块测量的速度高于阈值时，将最近得到的实际流速修正值v′取平均，得到最终流速，将最终流速与当前移动距离通过无线通信模块一发送至数据接收端，返回测量准备阶段。
步骤7，测量结束阶段：测量准备阶段与实际测量阶段循环多次直至测量结束。测量结束时，测量端读取GPS模块测量的经纬度信息，传输至数据接收端，测量结束。
优选的：步骤6中将最近二十次得到的实际流速修正值v′取平均，到得最终流速。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1)在需要临时测量水速的情况下，可以迅速测量，不需要提前架设测流设备。
2)可在整条河流上测量，测量位置多样，数据更为全面。
3)系统结构简单，除测流本身所需的雷达外成本很低。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中系统测量端模块构成的示意图；
图2为本发明具体实施方式中系统测量端模块连接方式的示意图；
图3为本发明具体实施方式中陀螺仪坐标系的示意图；
图4为本发明具体实施方式中流向校准阶段的示意图；
图5为本发明具体实施方式中实际测量阶段的示意图；
图6为本发明具体实施方式中系统测量端的原理图。
其中，A表示测速雷达，B表示陀螺仪，C表示GPS模块及天线，D表示电源模块，E表示处理器，F表示雷达收发毫米波方向，G表示无线通信模块一。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种以无人机为载体的雷达流速测量系统，如图1、2所示，包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，具体的测量端挂载于无人机下方，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS (全球定位系统)模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电。所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，数据接收平台为电脑或者工控机，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，其中：
所述数据接收平台将测速控制信号通过无线通信模块二发送给无线通信模块一，所述无线通信模块一将接收到的测速控制信号发送给处理器，处理器根据测速控制信号分别控制雷达、陀螺仪、GPS模块进行测量，分别得到雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号。处理器根据雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号得到流速，同时将GPS信号和流速通过通过无线通信模块一发送给无线通信模块二，无线通信模块二接收到GPS信号和流速并推送给数据接收平台，所述数据接收平台接收 GPS信号和流速并存储。
如图6所示，所述处理器采用Arduino nano处理器，数据在Arduino上综合处理，所述Arduino nano处理器的VIN引脚、陀螺仪的VCC引脚、GPS模块的VCC引脚、无线通信模块一的VCC 引脚分别与电源模块的5v电源接头连接，所述Arduino nano处理器的GND引脚、RESET引脚接地，所述Arduino nano处理器的D1/TX引脚与陀螺仪的RX引脚连接，所述Arduino nano处理器的D0/RX引脚与陀螺仪的TX引脚连接，所述Arduino nano处理器的D2引脚与无线通信模块一的RXD引脚连接，无线通信模块一的GND引脚接地，所述Arduinonano处理器的D3引脚与无线通信模块一的TXD引脚连接，所述Arduino nano处理器的D5引脚与GPS模块的TXD引脚连接，GPS模块的GND引脚接地，所述Arduino nano处理器的D7引脚与电平转换器的TXD引脚连接，电平转换器的RXD引脚连接与雷达的TXD引脚连接，雷达的VIN引脚与电源模块的12v 电源接头连接，电平转换器的VIN引脚与电源模块的3.3v电源接头连接。
优选的：所述。
一种以无人机为载体的雷达流速测量方法，如图3所示，包括以下步骤：
流向校准阶段：将系统置于岸边，使系统朝向与河流流向相同。将陀螺仪Z轴方向(即雷达测速方向)置为1，XY方向置为0。如图4所示，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X1,Y1,Z1)。具体计算为：
X1＝1×(sinθx×sinθz+cosθx×cosθz×sinθy)
Y1＝1×(sinθz×sinθy×cosθx-cosθz×sinθx)
Z1＝1×cosθx×cosθy
其中，θxθyθz为陀螺仪测得的三轴欧拉角。
对X1Y1使用arctan函数，得到雷达测流方向在水平面上的投影(与河流流向相同)与正东方向的夹角θ1。
测量准备阶段：由于测量条件为无人机悬停，故在飞行过程中无法一直保持测量。本系统使用GPS模块来判断其是否在测量状态，当速度高于阈值时，对GPS测量的速度不断积分，得到无人机前进的距离；当速度低于阈值时，进入测量阶段，将测得并修正过的数据与无人机前进的距离发送至电脑端。
实际测量阶段：在空中悬停测量时，如图5所示，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角θxθyθz，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X2,Y2,Z2)，变换公式与流向校准阶段中相同。对X2Y2使用arctan函数，得到此时雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ2。对1÷Z2使用arcsin函数，得到测流方向与水平面的夹角θ3.。此时测量方向在水平面上的投影与校准阶段得到的河流流向夹角为θ2-θ1。可以求得水流在雷达波束方向上的速度v0与实际流速v的比值β，
β＝cosθ3×cos(θ2-θ1)
v＝v0÷β
由于测量时系统会发生抖动，雷达测量值v测与v0并不会保持相等。系统的抖动具体可分为两方面——平动与转动。首先考虑系统的转动，计陀螺仪测得的三轴角速度为ωx、ωy、ωz，雷达距水面距离为S。雷达波束与Z轴方向重合，故在水面处由转动引起的相对速度为ωx× S、ωy×S，速度方向与雷达波束方向垂直。又由于多普勒效应只与被测物体在雷达波束径向方向的速度有关，故转动并不会导致系统测量的误差。进行实验，将雷达固定，只做三轴方向的转动，速度测量结果始终为零，实验结果符合预期，故可忽略系统转动带来的影响。其次考虑系统的平动，计GPS测得的东北天三轴速度分别为vx1、vy1、vz1，即系统在图5坐标系中三轴方向的速度。利用旋转矩阵得出雷达波束方向即陀螺仪Z轴方向上的速度vz，由于坐标系为从东北天坐标系变换为陀螺仪坐标系，故计算时欧拉角与陀螺仪测得数据相反，表达式为:
vz＝-vx1×sin(-θy)+vy1×cos(-θy)×sin(-θx)+vz1×cos(-θx)×cos(-θy)
＝vx1×sin(θy)-vy1×cos(θy)×sin(θx)+vz1×cos(θx)×cos(θy)
将vz与雷达测量值v测相加后得到水流在雷达波束方向上的速度v0，计算得出实际流速v，
v＝v0÷β＝(vz+v测)÷β
由于河流流速变化等问题，每一次测量的流速均会有所不同，故利用卡尔曼滤波算法对多次测量得到的实际流速v进行平滑处理，得到修正值v′保存在本地。当GPS模块测量的速度高于阈值时，将最近二十次修正后的v′取平均，到得最终的流速数据，将流速与当前移动距离通过无线通信模块发送至数据接收端，返回测量准备阶段。
测量结束阶段：测量准备阶段与实际测量阶段循环多次直至测量结束。测量结束时，测量端读取GPS测量的经纬度信息，传输至数据接收端，测量结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电；所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，其中：
所述数据接收平台将测速控制信号通过无线通信模块二发送给无线通信模块一，所述无线通信模块一将接收到的测速控制信号发送给处理器，处理器根据测速控制信号分别控制雷达、陀螺仪、GPS模块进行测量，分别得到雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号；处理器根据雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号得到流速，同时将GPS信号和流速通过通过无线通信模块一发送给无线通信模块二，无线通信模块二接收到GPS信号和流速并推送给数据接收平台，所述数据接收平台接收GPS信号和流速并存储。
2.根据权利要求1所述以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：所述处理器采用Arduino nano处理器，所述Arduino nano处理器的VIN引脚、陀螺仪的VCC引脚、GPS模块的VCC引脚、无线通信模块一的VCC引脚分别与电源模块的5v电源接头连接，所述Arduinonano处理器的GND引脚、RESET引脚接地，所述Arduino nano处理器的D1/TX引脚与陀螺仪的RX引脚连接，所述Arduino nano处理器的D0/RX引脚与陀螺仪的TX引脚连接，所述Arduinonano处理器的D2引脚与无线通信模块一的RXD引脚连接，无线通信模块一的GND引脚接地，所述Arduino nano处理器的D3引脚与无线通信模块一的TXD引脚连接，所述Arduino nano处理器的D5引脚与GPS模块的TXD引脚连接，GPS模块的GND引脚接地，所述Arduino nano处理器的D7引脚与电平转换器的TXD引脚连接，电平转换器的RXD引脚连接与雷达的TXD引脚连接，雷达的VIN引脚与电源模块的12v电源接头连接，电平转换器的VIN引脚与电源模块的3.3v电源接头连接。
3.根据权利要求1所述以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：所述数据接收平台为电脑或者工控机。
4.一种基于权利要求1所述的以无人机为载体的雷达流速测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，流向校准阶段：将无人机置于岸边，使无人机朝向与河流流向相同；将陀螺仪Z轴方向置为1，XY方向置为0，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0，0，1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X1，Y1，Z1)，具体计算为：
X1＝1×(sinθx×sinθz+cosθx×cosθz×sinθy)
Y1＝1×(sinθz×sinθy×cosθx-cosθz×sinθx)
Z1＝1×cosθx×cosθy
其中，θxθyθz为陀螺仪测得的三轴欧拉角；
对X1Y1使用arctan函数，得到雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ1；
步骤2，测量准备阶段：使用GPS模块来判断测量端是否在测量状态，当无人机速度高于阈值时，对GPS模块测量的速度不断积分，得到无人机前进的距离；当无人机速度低于阈值时，进入测量阶段，将测得并修正过的数据与无人机前进的距离发送至电脑端；
步骤3，实际测量阶段：无人机在空中悬停测量时，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角θxθyθz，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0，0，1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X2，Y2，Z2)，变换公式与步骤1中流向校准阶段中相同；对X2Y2使用arctan函数，得到此时雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ2；对1÷Z2使用arcsin函数，得到测流方向与水平面的夹角θ3；此时测量方向在水平面上的投影与校准阶段得到的河流流向夹角为θ2-θ1，求得水流在雷达波束方向上的速度v0与实际流速v的比值β，
β＝cosθ3×cos(θ2-θ1)
v＝v0÷β
步骤4，考虑系统的平动，计GPS模块测得的东北天三轴速度分别为vx1、vy1、vz1，利用旋转矩阵得出雷达波束方向即陀螺仪Z轴方向上的速度vz，由于坐标系为从东北天坐标系变换为陀螺仪坐标系，故计算时欧拉角与陀螺仪测得数据相反，表达式为：
vz＝-vx1×sin(-θy)+vy1×cos(-θy)×sin(-θx)+vz1×cos(-θx)×cos(-θy)
＝vx1×sin(θy)-vy1×cos(θy)×sin(θx)+vz1×cos(θx)×cos(θy)
将vz与雷达测量值v测相加后得到水流在雷达波束方向上的速度v0，计算得出实际流速v
v＝v0÷β＝(vz+v测)÷β
步骤5，利用卡尔曼滤波方法对多次测量得到的实际流速v进行平滑处理，得到实际流速修正值v′；
步骤6，当GPS模块测量的速度高于阈值时，将最近得到的实际流速修正值v′取平均，得到最终流速，将最终流速与当前移动距离通过无线通信模块一发送至数据接收端，返回测量准备阶段；
步骤7，测量结束阶段：测量准备阶段与实际测量阶段循环多次直至测量结束；测量结束时，测量端读取GPS模块测量的经纬度信息，传输至数据接收端，测量结束。
5.根据权利要求4所述以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：步骤6中将最近二十次得到的实际流速修正值v′取平均，到得最终流速。
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