CN207965138U - 一种无人机雷达测定流速系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种无人机雷达测定流速系统，涉及水文水利测验技术领域；包括无人机、手机终端和流速仪，所述流速仪安装在无人机上；所述流速仪包括外壳以及安装在外壳内的主控制器、雷达测流模块、雷达测流传感器、Wi‑Fi模块、GPS模块和存储模块，所述主控制器分别与雷达测流模块、Wi‑Fi模块、GPS模块连接和存储模块连接，所述雷达测流模块与雷达测流传感器连接，所述Wi‑Fi模块与手机终端通信。本实用新型将无人机与流速计进行结合，能够实现复杂环境下的流速测定，不受地形因素制约，操作简单方便，测量迅速，稳定可靠，安全性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及水文水利测验技术领域，特别涉及一种无人机雷达测定流速系统。
背景技术
在水文水利测验领域，需要对水流流速进行测量，现有测流手段主要有流速仪测流法、雷达测流法及多普勒式测流法。在实际操作中，根据测量位置的不同分为桥测和入水测流。在应急测流中，雷达式手持测流设备体现出了超高的应急测流优势，其易操作、测量迅速安全的特性在暴雨洪水期，得到了很好的发挥。但在实际中需要测量中心水面流速时，雷达测流设备必须固定安装在桥梁等设施上，如果测量河道内没有桥梁设施，将导致中心的水面流速根本无法测量。
实用新型内容
本实用新型提出一种无人机雷达测定流速系统，能够快速便捷测量出中小河流、大江大河等水文水利测验对象的流速数据，能够测量中心水面流速，系统易操作，测量迅速，稳定可靠，安全性高。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种无人机雷达测定流速系统，包括无人机、手机终端和流速仪，所述流速仪安装在无人机上；所述流速仪包括外壳以及安装在外壳内的主控制器、雷达测流模块、雷达测流传感器、Wi-Fi模块、GPS模块和存储模块，所述主控制器分别与雷达测流模块、Wi-Fi模块、GPS模块连接和存储模块连接，所述雷达测流模块与雷达测流传感器连接，所述Wi-Fi模块与手机终端通信。
进一步的技术方案，所述外壳为铝外壳，所述外壳的各数据线接口上配有硅胶塞。
进一步的技术方案，所述GPS模块控制芯片为MT3337。
进一步的技术方案，所述无人机上还安装有图像采集器，所述图像采集器与主控制器连接。
本实用新型的有益效果是：本实用新型将无人机与流速计进行结合，实现了中心水面的流速测定；本实用新型不受环境和地形制约，工作覆盖半径大，便于在人迹罕至的环境下进行流速测定；流速计能够快速便捷的测量出中小河流、大江大河等水文水利测验对象的流速数据，同时还可以回送经过区域的图像信息，提供周围环境信息给测验人员，保证了测验人员的人身安全，省时省力。本实用新型操作简单方便，测量迅速，稳定可靠，安全性高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的系统原理图；
图2为本实用新型无人机飞行控制系统的电路原理图；
图3为本实用新型雷达测流模块的电路原理图；
图4为本实用新型Wi-Fi模块的电路原理图；
图5为本实用新型雷达探测原理图；
图6为本实用新型的无人机及流速仪的安装结构示意图
在附图中：1—流速仪；2—无人机；3—雷达测流模块。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型提出的一种无人机雷达测定流速系统，包括无人机、手机终端和流速仪，所述流速仪安装在无人机上；所述流速仪包括外壳以及安装在外壳内的主控制器、雷达测流模块、雷达测流传感器、Wi-Fi模块、GPS模块和存储模块。主控制器分别与雷达测流模块、Wi-Fi模块、GPS模块连接和存储模块连接，雷达测流模块与雷达测流传感器连接，所述Wi-Fi模块与手机终端通信。外壳为铝外壳，外壳的各数据线接口上配有硅胶塞，提高了外壳的防水性能，确保系统在雨雪天气能够正常工作。无人机上还安装有图像采集器，图像采集器为照相机，图像采集器数据输出端与主控制器连接。
流速仪供电电池采用聚合物锂电池，其容量为4AH，可连续测流5小时，供电范围为7～28V，并设有过压及反接保护。12V供电下工作电流100mA,休眠40mA，深度休眠1mA(低功耗版本)。流速仪的总质量不高于500克，并尽量降低设备的体积。雷达测流模块与传感器之间的结构采用航空插头，表1给出了航空插头的参数。流速仪兼容RS232、RS485，波特率可调，默认9600，校验位无，数据位8，停止位1。流速仪预留SDI-12、4～20mA接口，测量时间及测量间隔时间可调；水流倾斜角度手动补偿。
表1 航空插头参数
| 棕 | 7～28V电源输入 |
| 蓝 | GND |
| 黄 | TXD_A |
| 橙 | RXD_B |
| 绿 | IOUT(4-20mA) |
| 红 | SDI-12(预留) |
雷达测流模块安装在无人机上的俯仰角度30-60°自动补偿，侧向安装时雷达沿中心角旋转角度可手动设置，可满足雷达信号自动增益调整。可修改发射频率，同时测量信号不干扰，发射频率默认为24.160G。雷达测流模块的雷达天线角度14°×32°。流速仪外壳上设有后安装孔，后安装孔可与无人机有效连接；无人机上设有连接架，连接架为45度角设计。
GPS模块是基于联发科的MT3337芯片研发的定位器，GPS模块的型号为GP-002。GPS模块集成天线，无需二次配置，上电即直接串口输出从标信号，随时能监测到设备的信息。GPS直接向主控制器提供坐标信息，主控制器简单处理即可获得模块具体的地理坐标。
Wi-Fi模块的可传输距离为200米，Wi-Fi模块的电路原理图如图4所示。Wi-Fi模块作为数据传输载体，是将串口TTL电平转为符合Wi-Fi无线网络通信标准的嵌入式模块。无线遵循IEEE 802.11b/g/n协议，支持UART串口透明传输，用户无需了解复杂的TCP/UDP及无线网络协议，即可实现设备的快速联网。实现UART与网络之间的透明传输，实现通用串口设备与网络设备之间的数据传输，透明传输模式为默认模式。手机客户端可直接搜索该Wi-Fi模块信息，建立连接后，流速仪即可与手机客户端通讯。
手机客户端上安装有自主开发的流速测试系统，该系统包括仪器参数的安远、数据查询单元、流速测算单元、系统设置单元和软件说明单元。其中系统设置单元可对流速仪进行远程设置，包括系统参数设置单元，该单元能够对工作模式、测速时长、信号延时时长进行设置。工作模式可设置为流速校核计算器模式，还可对所显示数字的四舍六入、是否自动保存及音效进行设置。还可对流速仪进行编辑、新建和删除操作，并设置变化、型号、洗漱、常数、一组信号数、最小流速和最大流速。
手机客户端或PAD客户端上的流速测定系统中水位是根据人工观测水位来判定，一般需要修正的参数分别是流速测算历时、流速仪的其本参数，以及流速计算方式，一般根据水文规范的四舍六入计算。流速测定系统开发工具为Android Studio，开发设计中包括了转子式流速仪，因此软件中设有流速仪基本公式，在雷达测速中该选项无需进行设置，软件中计算规则严格按照《河流流量测验规范GB 50179-2015》统一设计。
软件通过Wi-Fi网络十六进制数据包，进行转换后，求得GPS信息和雷达流速信息，为防止无人机飞行过程中的流速不准确，在操作时需要在无人机相对稳定的基础上，点击开始测流得出相应的计算数据。点击开始测流后，数据自动统计，一般取32包有效数据进行判断，依据雷达波的回波值来判断是否信号为有效信号，如果大于有效值则保留该值，如果低于有效值舍弃；直到32组数据采集完成后，去掉最大和最小各6组数据，剩余的取平均为当前测量表面流速值。测量结束后存入本地结果，并显示测算结果。
本实用新型的具体测量过程为：将载有流速计的无人机平移到第一条垂线，高度不超过水面的20米，一般10米距离较准确，如果太低会有水流气压影响无人机飞行；待无人机稳定后，开始测量，直到此垂线测完；上升离开水面到一定距离，再次平移到下一个垂线；重复以上过程继续测量，直到测完整个断面；测量时手机客户端或PAD客户端可实时获取测量信息，并进行显示；此处作为移动应急测流，测定流速为表面流速。
以下是选配搭载的无人机参数。
1.技术参数：
(1)机体尺寸：860*860*540mm
(2)收存尺寸：长520；宽520；高540mm
(3)空机重量：3.5Kg
(4)适配相机及云台：GH3、GH4、5D相机
(5)电机：X4110S,400KX6
(6)螺旋桨：15*5.5英寸X6
(7)电池：LiPo6s(10000-20000mAH,最小20C)
(8)电调：40A*6
(9)对准电机轴距：860mm
(10)单臂长度：300mm
(11)中心架直径：300mm
(12)起落架尺寸：520*520*370mm
(13)最大水平速度：16m/s
(14)巡航速度：10m/s
(15)海平面爬升最大速度：8m/s
(16)测控链路通讯距离：1(2.4G)/10(900M)Km
(17)抗风等级：5级(10m/s)
(18)适航天气：晴天、微雨天或者下雪天，-10℃至+40℃
(19)最大飞行半径：5km
(20)最大续航时间：45Min
(21)测速范围：0.03—14.10m/s(1英尺/秒-48英尺/秒，测量单位可设置为英尺/秒(fps)或米/秒(m/s))
(22)测速精度：±0.03m/s
(23)分辨率：0.01m/s
(24)最大测程:100m
(25)电波发射角：12°
(26)电波发射标准功率：10mW
(27)电波频率：24GHz(不易受雨雾天气影响)
(28)工作温度：-30～70℃
2.优势特点：
全智能控制：可控性强、多兼容
(1)传承了工业级无人机的技术优点
(2)飞控设备：ATP2.0度好
(3)GPS悬停精度：垂直方向±0.5m，水平方向1.0m
(4)多维云台，G4相机
(5)高清传输距离：5000m
(6)保护功能：失控保护、二级电压保护、限高限远保护、自动定高返航(7)适配相机及云台：GH3|GH4|A7S、5D相机
无人机上安装有陀螺仪、加速度计、地磁感应、气压传感器、超声波传感器、光流传感器、GPS模块以及控制电路。控制电路如图2所示。
本实用新型的无人机还具有如下特点：①无人机续航时间长，最大可达到45分钟；本系统的无人机大胆取消了传统多旋翼的内倾角设计，而是通过改良飞控满足稳定性要求，以减少因飞行器频繁调整姿态带来的无谓动力损耗，使电机组整体效率提升8％以上；②抗风性强，最大可抗6级风；对多旋翼气动布局进行优化，最大限度提高重心位置，使飞行器操控机动性、灵敏度、抗风性、巡航能力得到提升；③快装快卸、作业效率、可靠性高，机体一体化和框架式镂空设计，结构整体性强，刚度好，安全可靠，重量轻，更有利于飞行器充分发挥性能；六支旋翼支撑臂采用快装快卸式设计，方便收存运输和维护，结构可靠，操作简单；④机身防雨设计，可在小雨天气作业，机身可用水冲洗；⑤低噪音，隐蔽强：优化气动布局，搭载高效电机，飞行声音小；⑥已经获得国军标GJB 9001B-2009质量管理体系认证，产品严格按照认证体系标准生产，每台无人机及零部件都有唯一的身份识别码，以便后期跟踪维护。
本实用新型具有如下有益效果：将无人机和流速计结合，使得水流流速测定不受地形和环境制约，工作覆盖半径大，很多人迹罕至等恶劣地形下工作起来得心应手；能将无线流速仪各项核心功能发挥的淋漓尽致，能快速便捷测量出中小河流、大江大河等水文水利测验对象的流速数据；无人机上安装有摄像头，能够回送经过区域的图像信息，提供周围环境信息给测验人员，保证了测验人员的人身安全，省时省力。本实用新型给水文水利测验这一神圣工作注入了新鲜血液，保证水文水利行业设备与新兴先进产物牢牢结合，提供更大的便利。
如图5所示，本实用新型的雷达探测原理是采用发射——反射——接收的工作模式，雷达测流模块设有天线，通过天线发射电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，回波信号中即携带有水面距离或流速信息。采用多普勒原理：雷达波在传输过程中遇到障碍物，其反射波的频率会发生偏移，偏移的程度与障碍物移动速度的有关。由于微波传播的自身特点：定向传播、传输特性好，拥有准光学特性等，基于微波雷达的测水设备在各行各业都得到了广泛的应用，且优势凸显。这种雷达探测方法应用范围广泛，测量范围甚至可达70m。且环境因素影响小，不受温度梯度、压力、空气密度、风或其他气象环境条件的影响。表2给出了本实用新型中雷达测流模块的各项参数。图3为雷达测流模块的电路原理图。如图6所示，为本实用新型本实用新型的雷达测流模块安装简易，无人机2为四旋翼，流速仪1安装在无人机上，雷达测流模块3安装在流速仪1的一侧。本实用新型的流速仪维护方便，功耗低，精度高。
表2 雷达测流模块参数
| 参数 | 说明 |
| 有效距离 | 0.5～30m |
| 测量范围 | 0.15～15m/s |
| 分辨率 | ±0.02m/s |
| 测量误差 | ±1％ |
| 响应时间 | 出厂设置6s |
| 天线样式 | 平面微带阵列天线，32°×14° |
| 发射频率 | 24.000～24.250GHz |
| 发射功率(EIRP) | 20～26dBm |
| 信号接口 | RS-232/RS-485/SDI-12/4-20mA电流环/HART |
| 数据格式 | 9600(默认),8,n,1；波特率可调 |
| 工作电压 | 7～28V DC |
| 工作电流 | 130mA@12V |
| 工作温度 | -40～60℃ |
| 防水等级 | IP66 |
| 外壳材料 | 前盖赛钢，后盖铝合金 |
流速仪可以实现一点和多点河流表面流速监测，这些数据经过率定就可以推算出河流断面平均流速。由于山区性河流断面基本稳定，所以断面平均流速结合水位计获取的水位就可以计算出实时流量，这样就可以实时得到河道流量。
以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种无人机雷达测定流速系统，其特征在于，包括无人机、手机终端和流速仪，所述流速仪安装在无人机上；所述流速仪包括外壳以及安装在外壳内的主控制器、雷达测流模块、雷达测流传感器、Wi-Fi模块、GPS模块和存储模块，所述主控制器分别与雷达测流模块、Wi-Fi模块、GPS模块连接和存储模块连接，所述雷达测流模块与雷达测流传感器连接，所述Wi-Fi模块与手机终端通信。
2.根据权利要求1所述的一种无人机雷达测定流速系统，其特征在于，所述外壳为铝外壳，所述外壳的各数据线接口上配有硅胶塞。
3.根据权利要求1所述的一种无人机雷达测定流速系统，其特征在于，所述GPS模块控制芯片为MT3337。
4.根据权利要求1所述的一种无人机雷达测定流速系统，其特征在于，所述无人机上还安装有图像采集器，所述图像采集器与主控制器连接。
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