CN113503940B - 一种提升三维激光雷达水位计精度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提升三维激光雷达水位计精度的方法及装置，包括安装座和角度调节机构，所述角度调节机构包括固定套筒和调节套筒，所述固定套筒远离开口端的内侧壁上固定安装有限位螺杆，所述限位螺杆的一端固定安装有固定杆，所述固定杆的底部开设有螺纹槽，该提升三维激光雷达水位计精度的装置设计合理，通过三维激光雷达水位计的岸侧安装或者桥上安装的方式，配合一定范围的距离和中轴线角度的限制，能够有效地保证三维激光雷达水位计水位测量的精度，保证河道水位变幅大时的测量精度。

Description

一种提升三维激光雷达水位计精度的方法及装置
技术领域
本发明属于水文监测设备技术领域，特别涉及一种提升三维激光雷达水位计精度的方法及装置。
背景技术
河道水位变幅大，汛期河道水位高、枯水期水位低甚至干涸。目前河道水位测量仪器主要有气泡式水位计、浮子水位计、超声波水位计。气泡式水位计量程范围小，一般量程是30m以内，大量程的气泡式水位计价格较高并且它的安装维护比较麻烦；浮子水位计需要建立静井工程量巨大耗费较高。超声波水位计会受到温度影响并且其量程范围较小，精度差，所以其不能用于大量程和高精度的场合。而三维激光雷达水位计量程范围大，适用于河道水位变幅大的应用场景，但是水位测量精度还达不到应用标准，为此，本发明提出一种提升三维激光雷达水位计精度的方法及装置。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升三维激光雷达水位计精度的方法及装置，该提升三维激光雷达水位计精度的装置设计合理，通过三维激光雷达水位计的岸侧安装或者桥上安装的方式，配合一定范围的距离和中轴线角度的限制，能够有效地保证三维激光雷达水位计水位测量的精度，保证河道水位变幅大时的测量精度。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种提升三维激光雷达水位计精度的方法，具体步骤如下：
步骤一：误差分析；三维激光雷达水位计的高程误差(记为Δd)，是其本身斜距误差在重力方向的投影误差(记为Δd1)和激光发射线与重力方向的测角(记为θ)误差在重力方向的投影误差(记为Δd2)的累计值，选用三维激光雷达水位计设计参数：测距量程为0-180m，水平分辨力为0.0045°，水平扫描角度为90°，本身的全量程的测距误差为2.7cm，具体误差如下：
Δd1＝2.7*cosθ(θ范围为0-90°)；
Δd2＝L*cosθ-L*cos(θ+0.0045°)；
考虑距离L为180m时的最大误差，距离越近，误差越小，当L＝180m时，Δd2＝180*[cosθ-cos(θ+0.0045°)]，分别代入不同的θ计算可知，当θ角为20°、30°时，高程误差超过3cm，因此，产品要达到全量程±3cm精度的应用标准，需保证θ角大于30°；
步骤二：岸侧安装；水位计安装在岸上一侧，对着对岸扫描，D为高程，一般河道的水位变幅(高程)不超过100m，按照极限值考虑D为100m，L1为岸坡最低点离传感器横向距离，则：
L1＝D*tan(30°)；
若要保证θ角大于30°，则需要保证L1大于58m即可，但由于水位计最大测距量程为180m，因此L1应小于M值；
Figure BDA0003155132820000021
因此这种安装方式要求岸坡最低点离水位计横向距离大于58m并且小于150m；
步骤三：桥上安装；水位计安装在桥上，对着两岸任一方向扫描，要使所有激光发射线与重力方向的测角大于30°才可保证高程精度在±3cm以内，雷达的水平角度为90°，水位计偏离中轴线最远的发射线与其中轴线之间的夹角为45°，因此只要保证水位计的中轴线与重力方向的夹角为75°，即水位计以俯仰角大于75°，安装时精度可达到应用标准。
一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，包括安装座和角度调节机构，所述角度调节机构包括固定套筒和调节套筒，所述固定套筒远离开口端的内侧壁上固定安装有限位螺杆，所述限位螺杆的一端固定安装有固定杆，所述固定杆的底部开设有螺纹槽，所述调节套筒远离开口端的内侧壁上固定安装有调节螺杆，所述调节套筒套设在固定杆的一端，所述调节螺杆通过外螺纹与内螺纹配合安装在螺纹槽内，所述限位螺杆的一端通过外螺纹与内螺纹配合套设有限位螺纹管，所述限位螺纹管的底部活动套设在固定杆上，所述限位螺纹管的另一端处于固定套筒内，所述限位螺纹管一端的外边侧设置有刻度线，固定套筒的前侧设置有定位箭头，所述螺纹槽一侧的内侧壁上开设有活动孔，所述调节螺杆的一侧固定安装有活动座，所述活动座处于活动孔内，所述活动孔顶部的内侧壁上开设有弧形限位插槽，所述活动座上与弧形限位插槽对应的位置处固定安装有弧形限位插杆，所述弧形限位插杆的一端插接在弧形限位插槽内，所述调节套筒的另一端固定安装有固定座，所述固定座的底部固定安装有定位框，所述定位框内插接有插板。
作为本发明的一种优选实施方式，所述插板的底部固定安装有托板。
作为本发明的一种优选实施方式，所述定位框底部的一侧通过外螺纹与内螺纹配合安装有锁紧螺栓。
作为本发明的一种优选实施方式，所述安装座和固定座的边缘处开设有螺孔。
作为本发明的一种优选实施方式，所述安装座固定安装在固定套筒的另一端。
本发明的有益效果：本发明的一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，包括安装座、角度调节机构、固定套筒、调节套筒、限位螺杆、固定杆、螺纹槽、调节螺杆、限位螺纹管、刻度线、定位箭头、活动孔、活动座、弧形限位插杆、弧形限位插槽、固定座、定位框、插板、托板、锁紧螺栓和螺孔。
1、此提升三维激光雷达水位计精度的方法通过三维激光雷达水位计的岸侧安装或者桥上安装的方式，配合一定范围的距离和中轴线角度的限制，能够有效地保证三维激光雷达水位计水位测量的精度，保证河道水位变幅大时的测量精度，解决解决三维激光雷达水位计应用在河道上水位测量精度较差的问题。
2、此提升三维激光雷达水位计精度的装置的调节套筒转动时能够精确的调节三维激光雷达水位计中轴线的角度，调节套筒转动时调节螺杆同步转动，一方面，调节螺杆安装在固定杆上的螺纹槽内，能够使角度调节后保持一定的稳定性，防止角度再次变化，另一方面，调节螺杆上安装了活动座，活动孔能够将活动座限制在内部活动，从而将角度调节限制在有效范围内，保证水位计的中轴线与重力方向的夹角在75°与90°之间，保证精度能够始终达到应用标准，能够适应于不同的安装环境，适应性广。
3、此提升三维激光雷达水位计精度的装置的限位螺纹管上设置了刻度线，在角度调节时，只需要转动限位螺纹管，将需要角度对应的刻度线对准固定套筒上的定位箭头，再转动调节套筒直至与限位螺纹管接触并锁紧即可，方便快捷，操作效率高，并且，由于限位螺纹管与调节套筒之间具有一定的摩擦力，当调节完毕后，限位螺纹管能够将调节套筒锁紧，防止角度再次发生改变，实用性强。
附图说明
图1为一种提升三维激光雷达水位计精度的装置的结构示意图；
图2为一种提升三维激光雷达水位计精度的装置的角度调节机构示意图；
图3为一种提升三维激光雷达水位计精度的装置的角度调节机构剖面示意图；
图4为一种提升三维激光雷达水位计精度的装置的角度调节机构横切面示意图；
图5为一种提升三维激光雷达水位计精度的方法的流程示意图；
图中：1、安装座；2、角度调节机构；3、固定套筒；4、调节套筒；5、限位螺杆；6、固定杆；7、螺纹槽；8、调节螺杆；9、限位螺纹管；10、刻度线；11、定位箭头；12、活动孔；13、活动座；14、弧形限位插杆；15、弧形限位插槽；16、固定座；17、定位框；18、插板；19、托板；20、锁紧螺栓；21、螺孔。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：一种提升三维激光雷达水位计精度的方法，具体步骤如下：
步骤一：误差分析；三维激光雷达水位计的高程误差(记为Δd)，是其本身斜距误差在重力方向的投影误差(记为Δd1)和激光发射线与重力方向的测角(记为θ)误差在重力方向的投影误差(记为Δd2)的累计值，选用三维激光雷达水位计设计参数：测距量程为0-180m，水平分辨力为0.0045°，水平扫描角度为90°，本身的全量程的测距误差为2.7cm，具体误差如下：
Δd1＝2.7*cosθ(θ范围为0-90°)；
Δd2＝L*cosθ-L*cos(θ+0.0045°)；
考虑距离L为180m时的最大误差，距离越近，误差越小，当L＝180m时，Δd2＝180*[cosθ-cos(θ+0.0045°)]，分别代入不同的θ计算可知，当θ角为20°、30°时，高程误差超过3cm，因此，产品要达到全量程±3cm精度的应用标准，需保证θ角大于30°，计算结果如下表：
Figure BDA0003155132820000051
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Figure BDA0003155132820000061
步骤二：岸侧安装；水位计安装在岸上一侧，对着对岸扫描，D为高程，一般河道的水位变幅(高程)不超过100m，按照极限值考虑D为100m，L1为岸坡最低点离传感器横向距离，则：
L1＝D*tan(30°)；
若要保证θ角大于30°，则需要保证L1大于58m即可，但由于水位计最大测距量程为180m，因此L1应小于M值；
Figure BDA0003155132820000062
因此这种安装方式要求岸坡最低点离水位计横向距离大于58m并且小于150m；
步骤三：桥上安装；水位计安装在桥上，对着两岸任一方向扫描，要使所有激光发射线与重力方向的测角大于30°才可保证高程精度在±3cm以内，雷达的水平角度为90°，水位计偏离中轴线最远的发射线与其中轴线之间的夹角为45°，因此只要保证水位计的中轴线与重力方向的夹角为75°，即水位计以俯仰角大于75°，安装时精度可达到应用标准。
一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，包括安装座1和角度调节机构2，所述角度调节机构2包括固定套筒3和调节套筒4，所述固定套筒3远离开口端的内侧壁上固定安装有限位螺杆5，所述限位螺杆5的一端固定安装有固定杆6，所述固定杆6的底部开设有螺纹槽7，所述调节套筒4远离开口端的内侧壁上固定安装有调节螺杆8，所述调节套筒4套设在固定杆6的一端，所述调节螺杆8通过外螺纹与内螺纹配合安装在螺纹槽7内，所述限位螺杆5的一端通过外螺纹与内螺纹配合套设有限位螺纹管9，所述限位螺纹管9的底部活动套设在固定杆6上，所述限位螺纹管9的另一端处于固定套筒3内，所述限位螺纹管9一端的外边侧设置有刻度线10，固定套筒3的前侧设置有定位箭头11，所述螺纹槽7一侧的内侧壁上开设有活动孔12，所述调节螺杆8的一侧固定安装有活动座13，所述活动座13处于活动孔12内，所述活动孔12顶部的内侧壁上开设有弧形限位插槽15，所述活动座13上与弧形限位插槽15对应的位置处固定安装有弧形限位插杆14，所述弧形限位插杆14的一端插接在弧形限位插槽15内，所述调节套筒4的另一端固定安装有固定座16，所述固定座16的底部固定安装有定位框17，所述定位框17内插接有插板18。
作为本发明的一种优选实施方式，所述插板18的底部固定安装有托板19。
作为本发明的一种优选实施方式，所述定位框17底部的一侧通过外螺纹与内螺纹配合安装有锁紧螺栓20。
作为本发明的一种优选实施方式，所述安装座1和固定座16的边缘处开设有螺孔21。
作为本发明的一种优选实施方式，所述安装座1固定安装在固定套筒3的另一端。
作为本发明的一种优选实施方式，在使用时，松动锁紧螺栓20，将插板18抽出，通过螺栓将三维激光雷达水位计以安装在固定座16上，使中轴线与重力的方向之间的角度为75°，将插板18插入定位框17，使托板19托住三维激光雷达水位计，通过螺栓将安装座1固定安装在桥上，调节套筒4转动时能够精确的调节三维激光雷达水位计中轴线的角度，在需要调节时，转动限位螺纹管9，将需要角度对应的刻度线10对准固定套筒3上的定位箭头11，再转动调节套筒4直至与限位螺纹管9接触并锁紧即可，方便快捷，操作效率高，并且，由于限位螺纹管9与调节套筒4之间具有一定的摩擦力，当调节完毕后，限位螺纹管9能够将调节套筒4锁紧，防止角度再次发生改变，实用性强，调节套筒4转动时调节螺杆8同步转动，一方面，调节螺杆8安装在固定杆6上的螺纹槽7内，能够使角度调节后保持一定的稳定性，防止角度再次变化，另一方面，调节螺杆8上安装了活动座13，活动孔12能够将活动座13限制在内部活动，从而将角度调节限制在有效范围内，保证水位计的中轴线与重力方向的夹角在75°与90°之间，保证精度能够始终达到应用标准，能够适应于不同的安装环境，适应性广，本发明通过三维激光雷达水位计的岸侧安装或者桥上安装的方式，配合一定范围的距离和中轴线角度的限制，能够有效地保证三维激光雷达水位计水位测量的精度，保证河道水位变幅大时的测量精度，解决解决三维激光雷达水位计应用在河道上水位测量精度较差的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，包括安装座（1）和角度调节机构（2），其特征在于，所述角度调节机构（2）包括固定套筒（3）和调节套筒（4），所述固定套筒（3）远离开口端的内侧壁上固定安装有限位螺杆（5），所述限位螺杆（5）的一端固定安装有固定杆（6），所述固定杆（6）的底部开设有螺纹槽（7），所述调节套筒（4）远离开口端的内侧壁上固定安装有调节螺杆（8），所述调节套筒（4）套设在固定杆（6）的一端，所述调节螺杆（8）通过外螺纹与内螺纹配合安装在螺纹槽（7）内，所述限位螺杆（5）的一端通过外螺纹与内螺纹配合套设有限位螺纹管（9），所述限位螺纹管（9）的底部活动套设在固定杆（6）上，所述限位螺纹管（9）的另一端处于固定套筒（3）内，所述限位螺纹管（9）一端的外边侧设置有刻度线（10），固定套筒（3）的前侧设置有定位箭头（11），所述螺纹槽（7）一侧的内侧壁上开设有活动孔（12），所述调节螺杆（8）的一侧固定安装有活动座（13），所述活动座（13）处于活动孔（12）内，所述活动孔（12）顶部的内侧壁上开设有弧形限位插槽（15），所述活动座（13）上与弧形限位插槽（15）对应的位置处固定安装有弧形限位插杆（14），所述弧形限位插杆（14）的一端插接在弧形限位插槽（15）内，所述调节套筒（4）的另一端固定安装有固定座（16），所述固定座（16）的底部固定安装有定位框（17），所述定位框（17）内插接有插板（18）。
2.根据权利要求1所述的一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，其特征在于：所述插板（18）的底部固定安装有托板（19）。
3.根据权利要求1所述的一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，其特征在于：所述定位框（17）底部的一侧通过外螺纹与内螺纹配合安装有锁紧螺栓（20）。
4.根据权利要求1所述的一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，其特征在于：所述安装座（1）和固定座（16）的边缘处开设有螺孔（21）。
5.根据权利要求1所述的一种提升三维激光雷达水位计精度的装置，其特征在于：所述安装座（1）固定安装在固定套筒（3）的另一端。
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