無傳感器測深技術研究

張勃 武利生 張保軍 邢東東

摘要：針對現有的懸桿測深技術存在水面信號獲取準確性差，水底信號觸發裝置機械結構復雜或受測流環境干擾明顯等問題，對通過模擬量電壓識別水面信號和通過電機輸出扭矩的變化得到水底信號的無傳感器測深技術進行了研究，設計了基于Arduino平臺的根據空氣和水中電阻率不同獲取水面信號的方案。利用ANSYS/LS-DYNA分析了碰撞過程并得出碰撞過程中懸桿加速度變化趨勢和碰撞瞬間電機輸出扭矩變化趨勢，通過PLC監測伺服單元反饋模擬量變化值準確得到水底信號。實踐證明，該技術能準確測深，已用于黃委中游水文水資源局各水文站的纜道吊箱測流系統。

關鍵詞：Arduino平臺；中值濾波；電機輸出扭矩；水面信號；水底信號；懸桿測深

中圖分類號：P332.3；TH764

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.004

1 引言

河水深度是測算過流斷面流量的關鍵數據，準確測驗河水深度對于提高流量測驗精度意義重大。測深懸桿是河道水深測量采用的一種設備，適用于河道寬淺的黃河上中游，通過得到的水面坐標和水底坐標計算得出水深。水面信號的獲取方法較多，最常用的方法是將懸桿與固定在懸桿托盤的導線作為電流回路，導線端部裸露，當懸桿浸入水中時，利用河水具有一定的導電性將懸桿與導線導通獲取水面信號。然而，當河水導電性較差時導線與懸桿導通不穩定，在水花較為明顯時可能產生錯誤的水面信號。現有的水面信號獲取技術是根據流速儀兩極接線柱在空氣和水中電阻的不同來獲取水面信號的，在河水水溫、含沙量變化較大時，無法穩定地獲取水面信號。懸桿測深過程中除了需要獲得水面信號外，還需要另外一個極為重要的信號——水底信號。目前水底信號采集尚無統一標準，其中性能較為優越的有失重組合自動開關KH-99和機械式失重開關，二者均存在信號采集穩定性差、機械結構復雜等問題。現有的水底信號獲取技術都需要增加額外的傳感器，電路繁雜，可靠性差，環境適應性差。為解決上述問題，對通過流速儀接線柱間電壓識別水面信號和電機輸出扭矩變化得到水底信號的無傳感器測深技術進行了研究。

2 懸桿測深原理

懸桿測深裝置如圖1所示，測深啟動瞬間，懸桿加速下降，此時懸吊索拉力小于懸桿重力：加速階段結束后，懸桿開始勻速下降，此時懸吊索拉力等于懸桿重力：懸桿碰撞到河底立即減速至停止，懸吊索所受拉力發生突變。

懸桿測深原理如圖2所示，開始測深后，流速儀隨著懸桿向下運動，在流速儀兩極接線柱入水的瞬間獲得水面信號：懸桿繼續運動直至懸桿托盤觸底，懸桿托盤接觸水底瞬間產生水底信號，計算得出水深。

3 水面信號的獲取

3.1 水面信號硬件設計

首先通過Arduino mega2560單片機模擬量數據采集口對流速儀進行采樣，它所使用的mega2560核心處理芯片擁有16路模擬量輸入，其分辨率高達10位，即可讀取210=1024個狀態，輸入電壓范圍為0～5V，最小可以監測到4.8mV，完全滿足實際測驗需要。將采集到的模擬量電壓信號通過Arduino程序處理后得到水面信號，可將信號經電平轉換后提供給纜道自動測流系統。

根據實際測流過程中流速儀兩極接線柱之間電阻變化范圍設計出模擬量采樣電路，流速儀在空氣中與水中的等效電路如圖3所示，其中：Liu+、Liu-分別連接流速儀兩極接線柱，S為流速儀信號發送開關（入水閉合），R-liu為流速儀在空氣中導通時兩極接線柱之間的電阻，R-water為流速儀在水中斷開時兩極接線柱之間的電阻，AO為電壓模擬量采集口，R52、R53為電阻，C53為電容，VCC5為電源，GND為地線。

3.2 水面信號處理

根據流速儀在空氣中與水中是否導通可分為4種基本狀態：空氣中未導通、空氣中導通、水中未導通、水中導通。當流速儀處于不同狀態時，其兩極接線柱之間的電阻值不同，因而通過模擬量采集口的電壓值也不相同，從這些電壓值中可甄別出水面信號。

要甄別出水面信號，首先需要獲得流速儀兩極接線柱之間在4種基本狀態下的電壓值分布規律。流速儀在空氣中未導通時模擬量采集口的電壓記為Uad，，導通時模擬量口采集的電壓記為Uad；流速儀在水中未導通時模擬量口采集的電壓記為Uad，導通時模擬量口采集的電壓記為Uad。

利用示波器測量LS25-3A型流速儀在空氣和水中的流速信號變化。分析發現在同一測流環境中存在以下特點：①在空氣中未導通時的電壓值Uad和導通時的電壓值Uat差別較大，且Uad遠大于Uat；②流速儀在水中未導通時電壓值Uwd始終大于導通時的電壓值Uwl，其差值大小與測流環境有關；③流速儀在空氣中未導通與導通時的電壓值Uad、Uat分別大于在水中未導通與導通時的電壓值Uwd、Uwt，最后得出其電壓值關系如圖4所示。

3.3 結果對比分析

由圖4可知，在懸桿測深過程中由水面信號變化產生的電壓躍變有4種情況：①Uad跳變到Uwd，流速儀接線柱在從空氣進入水中的過程中接線柱一直沒有導通；②Uad跳變到Uwt，流速儀接線柱從空氣進入水中的瞬間接線柱導通；③Uat跳變到Uwd，流速儀在進入水中之前的瞬間接線柱導通，在進入水中的瞬間接線柱未導通；④Uat跳變到Uwt，流速儀在從空氣進入水中的過程中接線柱一直導通。

流速儀在水中導通與未導通的電壓值均不是固定不變的，它隨著測流河段含沙量、水溫等的變化而變化。根據流速測驗中得出的電壓變化規律，同時為了消除噪聲對水面信號的干擾，首先對采集到的電壓值進行中值濾波處理。中值濾波方法是將窗口長度內的離散值按升序或降序排列，用中值代替中心點位置處的值。設采集一個長度為奇數的窗口內電壓值依次為Ux（i-J），…，Uxj_，…，Ux（i+j），其中Uxj為中心位置電壓值，將此序列按升序排列后用其中間位置值代替Uxi作為中值濾波輸出值：

ULi=Media[Ux（i-j），Uxi，Ux（i+j）]

（1）

根據流速儀能夠測驗的最大流速，計算出其最大信號產生頻率為5Hz，設定定時器采樣頻率為10Hz，中值濾波窗口長度L=9，因此首先至少需要預采樣9個電壓值作為中值濾波初始值，而實際流速信號采集過程中需要進行預采樣，待流速儀槳葉穩定旋轉后再正常采集接線柱之間的電壓值，最后得到中值濾波后的電壓序列：UL1，UL2，…，UL（i-1），ULi，UL（i+1）。根據流速信號采集過程中電壓的變化規律可知，在產生水面信號的瞬間，其電壓值將發生躍變，設水面信號識別算法為式中ε1、ε2為水面信號分辨率；δ為水面信號電壓波動允許值：ε1、ε2、δ的值分別小于1.3、0.8和0.3時即可準確獲取水面信號。

安裝在懸桿底部的流速儀在測深開始后向下運動，mega2560單片機模擬量采集口對流速儀兩極接線柱之間的電壓值采樣并進行濾波處理，判斷處理后的信號是否滿足式（2）或式（3）。若滿足，則采集的信號就是水面信號，否則繼續判斷。

4 水底信號的獲取

4.1 懸桿碰撞模型的建立

懸桿測深除了水面信號，還需要水底信號，即懸桿下降至底盤接觸到河床時產生的信號。懸桿碰撞河床的過程較為復雜，而Hertz彈性接觸理論的應用前提是接觸區變形小、接觸面近似為橢圓形、接觸物體可被看作彈性半空間且只作用有垂直于接觸面分布的壓力。因此，懸桿碰撞河床土壤模型的實用性不強，分析準確性較低。本文在土壤切削和碰撞模型基礎上設計了懸桿土壤碰撞模型，并利用ANSYS/LS -DYNA分析碰撞過程中懸桿受力變化情況，以此反推電機輸出扭矩的變化規律，再通過監測電機扭矩變化得出水底信號。

在建立模型之前，需要設置單元屬性和材料類型，單元類型選擇Solid164實體單元，懸桿材料選擇各向同性的線彈性材料，密度為7.86 g/cm3，泊松比為0.28，彈性模量為206 GPa。土壤材料參數較為復雜，且無法在LS-DYNA環境中直接設定，需要在K文件中修改相應參數，河床土壤材料參數見表1。

在LS-DYNA環境中建立模型，懸桿外徑50mm，壁厚3mm，長度8000mm，土壤模型取邊長為1000mm的立方體，懸桿與河床模型均采用智能網格劃分。懸桿與河床的接觸為Surface to SurfaCe和Eroding（侵蝕接觸類型），定義河床、懸桿分別為ContactComponent or Part no.和Target Component or Part no.。選擇垂直于接觸面的其他4個面為非反射邊界面，懸桿速度約為0.3 m/s。利用LS-PREPOST后處理器中的History得出碰撞過程中懸桿整體在Z方向的運動速度與加速度曲線，可知懸桿在碰撞河床過程中一直在做加速度減小的減速運動，直到速度為零。

4.2 電機扭矩計算

懸吊索收放裝置主要由電機、減速機及卷筒組成，電機通過減速機帶動卷筒沿順時針或者逆時針旋轉從而實現懸吊索的收放。控制懸桿升降的旋轉型伺服電機型號為SGM7J-04A7C6E，其功率為400 W，額定輸出扭矩為T。= 1.27 N·m。減速機減速比為i=80，傳遞效率η= 0.9，卷筒半徑R=0.07 m。因此，卷筒額定輸出扭矩為

Tj=Teiη

（4）

假設在任意時刻懸桿保持受力平衡，則有

N+F=G

（5）式中：N為河床對懸桿的反作用力；G為懸桿的重力；F為懸吊索拉力。

在利用ANSYS/LS -DYNA進行仿真分析時，假設懸吊索不存在，因此其加速度a由河床對懸桿的反作用力N和懸桿重力G的合力提供，河床對懸桿的反作用力N大小等于懸吊索拉力F，方向相反：

ma =N+G

N=-F

（6）式中：m為懸吊索質量。

選取加速度曲線中的部分點計算電機理論輸出扭矩，見表2。

4.3 驗證

伺服單元型號為SGD7S-2R8A，懸桿測深調試階段通過伺服單元的模擬量監測輸出口監測的懸桿與河床碰撞過程的模擬量變化見圖5。

在圖5中描點得到表2中電機理論輸出扭矩對應的模擬量監測值，并與伺服單元實際輸出模擬量監測值對比，可以發現二者變化趨勢基本相同。

4.4 實現

通過PLC（可編程邏輯控制器）模擬量輸人口監測伺服單元實際輸出模擬量監測值，測深開始后懸桿會在重力作用下下降，直至懸桿底盤碰觸河床。若PLC模擬量輸人口監測到伺服單元實際輸出模擬量產生躍變，則表明此時懸桿底盤碰觸到了河床，該躍變監測值即為水底信號。

5 結語

無傳感器測深技術利用現有設施，無需另外安裝傳感器，根據模擬量電壓識別水面信號和電機輸出扭矩變化得到水底信號，有效消除了河水導電性、水溫、含沙量變化較大時對獲取水面信號的干擾，解決了有傳感器測深技術電路繁雜、可靠性差、環境適應性差的問題，實現了在不同水文條件下穩定、準確測深，可為相關單位提供準確的水文數據資料。目前，該技術已應用于黃委中游水文水資源局各水文站的纜道吊箱自動測流系統。