智能鉛魚水文信息測量系統(tǒng)的研制

吳錦生，王劍平

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院， 昆明 650500)

智能鉛魚水文信息測量系統(tǒng)的研制

吳錦生，王劍平

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院， 昆明 650500)

針對目前鉛魚掛載的水下測量裝置功耗高、鉛魚上流速儀無法測量水流流向和確定鉛魚位置，以及水文纜道人工測深精度不高的問題，開發(fā)研制出智能鉛魚水文信息測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用超低功耗電路延長水下測量裝置工作時長，采用三維姿態(tài)電路實時測量鉛魚三維姿態(tài)，并結(jié)合卡爾曼數(shù)據(jù)融合算法提高測流精度并獲取水流流向，采用水深測量電路實時測量水深，并結(jié)合涌浪傳感器濾除波浪對水深測量精度的影響，解決了人工測深精度低的問題，并大幅提高了水深測量精度。

鉛魚;超低功耗;水深;流速;水流流向;水文測量

1 研究背景

目前，測流設(shè)備采用定點測量方式測流，即測流設(shè)備為靜止狀態(tài)或以錨定的船只為承載平臺測流[1]?，F(xiàn)在鉛魚定點測流法為大多數(shù)水文站采用，水文測站將流速儀裝配在能克服水流沖力的一定重量的鉛魚上，并經(jīng)由懸索纜道垂直放至水下預(yù)定位置進行測流。鉛魚入水后易受水流沖力發(fā)生傾斜，而旋槳式流速儀輸出信號為開關(guān)量信號，且不具備測量水流流向和流速儀三維姿態(tài)功能，此時會因流速儀未穩(wěn)定時測流而使得流速儀獲得的流速值與實際值偏差較大，進而影響流速儀測流精度。水文纜道計數(shù)法測深會因干繩與濕繩懸索偏角測量誤差、濕繩長的測量誤差、纜道位移測量誤差而使得水深測量值與實際值偏差太大。傳統(tǒng)水文測量裝置功耗較高，因而帶來了需要頻繁更換裝置電源，更換電源耗時長、難度大等問題，使得水文測站很難長時間進行實時水情監(jiān)測。

針對以上問題，系統(tǒng)采用姿態(tài)電路測量水下流速儀的三維姿態(tài)角以確定流速儀在水下是否穩(wěn)定。當流速儀三維姿態(tài)角偏差不超過5°時可確定流速儀已經(jīng)穩(wěn)定,此時流速儀獲得準確的流速值,同時姿態(tài)電路獲得的偏航角即為水流流向角，達到提高鉛魚測流精度和測量水流流向的目的；采用基于水深壓力傳感器的水深測量電路,并結(jié)合涌浪濾波器可以濾除波浪對水深壓力傳感器的部分影響。相比傳統(tǒng)纜道計數(shù)法測深方式，由于采用了精密傳感器，其水深測量值與實際值誤差更小，解決了傳統(tǒng)測深方法測深誤差大的問題，大幅提高了水深測量精度。此外，裝置還采用超低功耗電路設(shè)計方法大幅延長系統(tǒng)的運行時間。智能鉛魚水文信息測量系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖Fig.1 Diagram of the overall system design

2 硬件設(shè)計

2.1 超低功耗電路設(shè)計

系統(tǒng)采用鋰電池供電，對于電池供電系統(tǒng)來說，功耗是非常重要的指標[2-5]。因此，利用LTC3440高效率開關(guān)電源電路提高鋰電池電能利用率；利用STM8L超低功耗CPU電路和基于CC2530的超低功耗ZigBee無線電路減少系統(tǒng)的微控制器和無線傳輸損耗；利用MAX4066低損耗模擬開關(guān)電路對傳感器電路和ZigBee電路進行電源供電控制，可以減少系統(tǒng)空閑時外圍電路不必要的損耗。

超低功耗具體實施步驟：鉛魚入水后，鉛魚入水離散輸入信號接通使得鋰離子電池與LTC3440高效率開關(guān)電源電路之間的供電通路接通，鋰離子電池開始為裝置供電。隨后，STM8L電路進入正常工作模式，并利用外圍的MAX4066低損耗模擬開關(guān)電路先接通傳感電路電源，采集外圍傳感器電路數(shù)據(jù)，等待采集結(jié)束后，模擬開關(guān)電路斷開外圍傳感器電路電源同時接通CC2530通信電路電源，并將采集到的數(shù)據(jù)封裝成16字節(jié)短包格式的數(shù)據(jù)包經(jīng)由通信電路無線傳輸?shù)剿臏y站CC2530協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后模擬開關(guān)電路斷開CC2530通信電路電源，然后，STM8L進入定時喚醒的超低功耗睡眠模式，等待定時器定時喚醒重新進入正常工作模式采集和傳輸傳感器數(shù)據(jù)。

2.2 姿態(tài)電路設(shè)計

姿態(tài)測量電路主要包括L3G4200D，ADXL345和HMC5883L電路。該電路采用IIC總線與STM8L微控制器進行通信，主要負責進行水下鉛魚姿態(tài)測量，彌補了流速儀不能測量鉛魚三維姿態(tài)的不足，利用測得的俯仰角和翻滾角確定鉛魚穩(wěn)定性，在鉛魚穩(wěn)定時實時采集流速儀的流速和水流流向信息，采用卡爾曼數(shù)據(jù)融合濾波算法進行三軸角速度和重力加速度數(shù)據(jù)融合，獲得水下鉛魚精確的三維姿態(tài)角，利用三維姿態(tài)角校準磁強計得到精確的偏航角即水流流向。姿態(tài)電路不僅提高了測流精度，還獲得了水流流向。

2.3 水深測量電路設(shè)計

水深測量電路采用水深壓力傳感器探頭測量水深，利用壓力傳感器將水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號，并且通過超低功耗NJU77000運放電路將電流信號轉(zhuǎn)化為0.4～2.0 V的電壓信號，而STM8L微控制器通過AD采樣得到電壓信號并轉(zhuǎn)換為水深數(shù)據(jù)，并結(jié)合涌浪濾波器濾除波浪對水深數(shù)據(jù)精度的影響而得到精確的實時水深數(shù)據(jù)。

3 水下鉛魚姿態(tài)測量

3.1 陀螺儀求姿態(tài)四元數(shù)

利用陀螺儀獲取三軸角速度Wx，Wy，Wz，并利用三軸角速度解算出姿態(tài)四元數(shù)。姿態(tài)四元數(shù)與三軸陀螺儀角速度滿足式(1)的微分關(guān)系，即

(1)

3.2 卡爾曼數(shù)據(jù)融合濾波

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

由以上分析得到的狀態(tài)方程和觀察方程，可以根據(jù)卡爾曼遞推方程進行卡爾曼濾波器設(shè)計。因此，遞推得到卡爾曼狀態(tài)一步預(yù)測方程為

(7)

一步預(yù)測均方差方程為

(8)

式中：P(k-1)是k-1時刻的預(yù)測均方差，而P(k|k-1)為k-1時刻預(yù)測k時刻均方差的預(yù)測值；Q(k)表示過程噪聲的協(xié)方差。濾波增益方程為

K(k)=P(k|k-1)H(k)T·

(H(k)P(k|k-1)H(k)T+R(k))-1。

(9)

式中：R(k)表示測量噪聲的協(xié)方差；K(k)是k時刻的濾波增益。其狀態(tài)估值方程可以表示為

(10)

式中：Z(k)為三軸加速度實際測量值；X(k|k)表示k時刻的四元數(shù)預(yù)測值，其均方差預(yù)測方程為

P(k|k)=P(k|k-1)-K(k)H(k) 。

(11)

ADXL345輸出的三軸重力加速度實際上是運動加速度和重力加速度的疊加。在運動加速度較大的時候，量測系統(tǒng)誤差較大，甚至造成結(jié)果發(fā)散[6]。當運動加速度比較小時，采用卡爾曼進行數(shù)據(jù)融合可以避免結(jié)果的發(fā)散，當運動加速度大于重力加速度的一半時，將濾波增益方程得到的K(k)置為0可以避免測量系統(tǒng)存在較大的誤差。通過卡爾曼數(shù)據(jù)融合后獲得的四元數(shù)可以通過式(12)求得三維姿態(tài)角，即

(12)

式中：p為俯仰角；r為翻滾角；y為偏航角。電子羅盤不在水平位置時，可通過傾斜補償方法，減小航向角檢測的誤差。

姿態(tài)角中的偏航角y可由式(13)對磁強計進行傾斜補償獲得準確的偏航角β，即

(13)

式中Mx，My，Mz分別為磁強計測得的三軸磁場強度。

通過三維姿態(tài)角中的俯仰角和翻滾角確定水下鉛魚的穩(wěn)定性。在鉛魚位置穩(wěn)定時實時獲取流速儀流速信息，并通過偏航角得到穩(wěn)定時的水流流向信息。

4 水深測量及濾波

水深壓力傳感器會受波浪影響而導(dǎo)致水深數(shù)據(jù)存在較大的噪聲。在不同參考系和數(shù)據(jù)定義下波浪對測深影響不同[7]。而水深壓力傳感器采用姿態(tài)電路作為涌浪濾波器可以得到精確的水深值，某時刻水深值為

(14)

式中：Hactual為實際水深；Hmeasure為測量水深；Hi為瞬時升沉量與波浪引起的橫擺、縱擺以及姿態(tài)器與測深傳感器空間位置偏心之間的關(guān)系[8-10],即

(15)

Hm為水深傳感器與姿態(tài)傳感器無物理偏心時的瞬時升沉量，即

(16)

式中Wz為水深壓力傳感器的測量值。

人工逐點進行水深測量效率低，精度低[11]。而利用水深壓力傳感器測量水深并通過涌浪濾波器濾除波浪對水深的影響后再采用卡爾曼濾波算法進行水深濾波，可以有效避免水深數(shù)據(jù)因水下其他外圍噪聲的干擾而產(chǎn)生畸變。水深的測量值存在較大波動，通過涌浪濾波器和卡爾曼濾波算法相結(jié)合可以消除絕大部分噪聲，估算出最優(yōu)的水深值。

5 測試結(jié)果與分析

卡爾曼數(shù)據(jù)融合濾波算法利用最小方差無偏估計理論，得到當前時刻的無偏估計值。它相對于四元素數(shù)據(jù)融合互補濾波算法，能更好地跟蹤水下鉛魚姿態(tài)的變化，并且其濾波效果更優(yōu)。四元素數(shù)據(jù)融合互補濾波算法利用磁強計、加速度計對陀螺儀數(shù)據(jù)進行修正以獲得準確的姿態(tài)角，但是其比例系數(shù)等參數(shù)一般采用經(jīng)驗法確定，因而融合后的姿態(tài)數(shù)據(jù)很難達到最優(yōu)。2種算法對比如圖2所示。

圖2 卡爾曼數(shù)據(jù)融合后和四元數(shù)數(shù)據(jù)融合后 數(shù)據(jù)的對比Fig.2 Comparison between the data after Kalman fusion and the data after quaternions fusion

根據(jù)圖2可知，當鉛魚在低流速測流時，由于數(shù)據(jù)無線傳輸時延以及四元數(shù)解算算法時間依賴性較強，因此四元數(shù)解算算法誤差較大；由于卡爾曼數(shù)據(jù)融合算法屬于最優(yōu)化算法，其時間依賴性弱，因此其誤差較小。傳統(tǒng)測流方法主要是流速儀入水延遲一段時間后測流會因流速儀不具備位置測量功能使得在高流速時因流速儀未穩(wěn)定測流而給測流數(shù)據(jù)帶來較大的誤差。姿態(tài)檢測電路可以通過卡爾曼數(shù)據(jù)融合實時獲取流速儀三維姿態(tài)，從而大幅提高水下測流的精度。由于采用卡爾曼數(shù)據(jù)融合濾波算法進行姿態(tài)解算，使得智能化的鉛魚系統(tǒng)在傳統(tǒng)流速測流系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了水流流向測量功能和流速儀位置實時監(jiān)測功能，利用解算出來的三維姿態(tài)角確定流速儀的穩(wěn)定性，在不穩(wěn)定性時通過流速儀與水流的偏角可以計算得到準確的流速數(shù)據(jù)并大幅提高測流精度。因此，該裝置測流精度高，對于流速儀的安裝位置要求不嚴格。

6 無線通訊與抗干擾

鉛魚用于水下測流、測深等用途時在水下很難實現(xiàn)無線通訊， GPRS等無線通信方式功耗較高，因此采用ZigBee無線通信方式向水文測站控制室實時傳輸水文數(shù)據(jù)。ZigBee具有自組網(wǎng)、生存性強、功耗低等特點。ZigBee通訊采用16字節(jié)短包結(jié)構(gòu)，短時工作模式，單位1次正常工作時間為10 ms左右，有效節(jié)約能源。鉛魚實物如圖3所示。

圖3 鉛魚實物Fig.3 Photo of a lead fish

圖4 ZigBee通信系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of ZigBee communication system

為了滿足ZigBee通訊1～3 km的通訊距離要求，采用CC2530與CC2591無線功率放大器相結(jié)合的ZigBee遠距離無線通信電路實現(xiàn)中距離無線通訊，其最大發(fā)射功耗為140 mA、正常運行功耗為35 mA、休眠功耗為20 μA，有效降低了系統(tǒng)在采集水文信息和發(fā)送水文數(shù)據(jù)上的功耗。將ZigBee的無線天線通過鉛魚上方的浮球轉(zhuǎn)接到水面進行無線通訊解決了水下無線通訊的難題。鉛魚水文測量裝置采用浪涌保護電路解決了雷雨天氣裝置的運行安全問題，采用金屬網(wǎng)外殼屏蔽技術(shù)以及上灌防水膠解決了裝置的抗電磁干擾和防水問題。ZigBee通信系統(tǒng)分別由CC2530通信電路和CC2591天線功率放大電路組成，STM8L的串口接CC2530電路的串口，并利用串口向CC2530傳輸采集到的傳感器數(shù)據(jù)。ZigBee通信系統(tǒng)組成如圖4所示。

為了保證數(shù)據(jù)在無線傳輸過程中的有效性，STM8L將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包并增加了CRC校驗碼便于水文測站接收端數(shù)據(jù)檢錯糾錯。數(shù)據(jù)包包含地址、功能碼、數(shù)據(jù)計數(shù)，數(shù)據(jù)區(qū)和CRC校驗位。其中，數(shù)據(jù)包的地址為裝置加入ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)后協(xié)調(diào)器為其分配的8位節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址；功能碼表示數(shù)據(jù)包的功能，這里設(shè)置為0x04功能碼，表示節(jié)點的采集到的傳感器數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)計數(shù)為數(shù)據(jù)區(qū)的總字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)區(qū)包含6字節(jié)的加速度計數(shù)據(jù)、6字節(jié)的陀螺儀數(shù)據(jù)、6字節(jié)的磁強計數(shù)據(jù)、2字節(jié)的水下溫度數(shù)據(jù)、1字節(jié)的流速儀開關(guān)量數(shù)據(jù)、2字節(jié)的水深壓力傳感器水深數(shù)據(jù)，總共23字節(jié)；CRC校驗位為對地址、功能碼、數(shù)據(jù)計數(shù)和數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余校驗計算得到的2個字節(jié)的校驗位數(shù)據(jù)。利用CRC校驗可以確定數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯；利用地址位可以確定數(shù)據(jù)包的來源；利用功能碼可以確定數(shù)據(jù)包功能。利用CRC校驗以及數(shù)據(jù)包的地址和功能碼可以確定數(shù)據(jù)包的來源以及傳輸過程中數(shù)據(jù)誤碼情況，并利用CRC校驗碼的糾錯能力，在數(shù)據(jù)包誤碼率較低時及時糾錯而避免水下節(jié)點重傳數(shù)據(jù)，從而有效提高數(shù)據(jù)無線通信過程中的有效性。

7 結(jié) 語

智能鉛魚水文信息測量系統(tǒng)結(jié)合STM8L微控制器和CC2530無線通信電路，利用三維姿態(tài)電路、水深測量電路并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法解決了流速儀測流精度不高且無法測量水流流向、傳統(tǒng)纜道人工測深誤差較大的問題，并通過超低功耗電路設(shè)計延長了裝置水下工作時長，利用ZigBee無線通信電路設(shè)計滿足水文站長時間實時監(jiān)測水情的需求。鉛魚水文測量裝置測流、測深精度高，裝置運行時間長，裝置用于水下水文信息測量能夠滿足無人值守的長時間實時測量要求，有效解決汛期水文監(jiān)測困難的難題。

[1] 馬 駿,劉德富,紀道斌,等.三峽水庫支流庫灣低流速條件下測流方法探討及應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報,2011,28(6)：30-34.

[2] 陳 靜,金 林.便攜式煤礦電網(wǎng)參數(shù)實時檢測儀器的研究[J].煤礦機械,2005,(4)：99-101.

[3] 張 軍,徐海寧,鄭 強，等. 一種超低功耗便攜式高斯計的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011,(11)：98-99，103.

[4] 李 威,龐 洵,劉大偉.礦用便攜式錨桿測力儀的研制[J].煤礦機械,2007,(1)：112-114.

[5] 意法半導(dǎo)體ST集團.STM8中文芯片規(guī)格書[DB/OL]. (2012-04-09) [2016-01-25]. http://wenku.baidu.cn.

[6] 高顯忠,侯中喜,王 波，等.四元數(shù)卡爾曼濾波組合導(dǎo)航算法性能分析[J].控制理論與應(yīng)用,2013,30(2):171-177.

[7] 李家彪.多波束勘測原理技術(shù)與方法[M].北京:海洋出版社，1999.[8] 林 琿,吳立新,方兆寶，等.水深測量的誤差因子分析[J].海洋測繪，2005,25(2):1-5.[9] 郭發(fā)濱,張衛(wèi)紅.姿態(tài)傳感器在水深測量中的應(yīng)用[J].海洋測繪,2004,24(4):56-58.

[10]葛 建,肖付明,豐啟明.姿態(tài)傳感器與換能器安裝位置偏移對換能器升沉監(jiān)測的影響[J].海洋測繪,2008,28(4)：4-7.

[11]馬志敏,蘇 姍,胡文斌.多路水深流速自動采集系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報,2014,31(5):97-101.

(編輯：陳 敏)

Research and Development of an Intelligent System of Lead FishHydrological Information Measurement

WU Jin-sheng, WANG Jian-ping

(College of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500, China)

In view that underwater measurement device on lead fish has high power consumption and low precision of artificial water depth measurement by cable way, and that current meter on the lead fish cannot measure the flow direction or determine the position of the lead fish, we developed an intelligent system of lead fish hydrological information measurement. The system adopts ultra-low power circuit to increase the working hours of the device, and three-dimensional posture circuit to measure the three dimensional position of the lead fish in real time. Moreover, it could improve the precision of flow velocity measurement and obtain flow direction by using the Kalman data fusion algorithm. It could also improve the precision of water depth measurement by combining surge wave sensors with real-time circuit to address the influence of waves on depth measurement.

lead fish; ultra-low power consumption; water depth; flow velocity; flow direction; hydrological measurement

2016-03-06；

2016-07-27

國家自然科學(xué)基金項目(61364008);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點項目(2014FA029);云南省教育廳重點基金項目(2013Z127)

吳錦生(1993-)，男，廣東汕頭人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與運動控制，(電話)18468259452(電子信箱)2366642806@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160190

2017,34(5):146-150

TP274.2

A

1001-5485(2017)05-0146-05