[发明专利]一种基于三维姿态的智能铅鱼动态水深测量电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三维姿态的智能铅鱼动态水深测量电路及方法，属于水文数据测量技术领域。

背景技术

目前，水文数据测量技术领域内，铅鱼入水深度是流量监控的重要依据。但水文缆道测深因铅鱼下放速度过快、湿绳干绳悬索偏角过大、缆道悬索偏角过大、绞车钢丝绳缠绕层数过多、测量前不进行侧身计数器率定、不进行测深改正数率定等原因，导致测深精度不高，且缆道测量数据采集不方便，实时性差，极端天气情况下很难及时获取精确铅鱼深度数据。改进技术后采用的模拟式相对压力传感器测深法虽然对上述问题有一定的改善，但仍存在模拟式压力传感器精度低、模数转换过程中产生转换误差、相对压力测量需要将进气管伸出水面、传感器体积过大不便安装的问题。且由于受到水流冲击作用，水下铅鱼姿态很难稳定、传感器安装位置与转子流速仪安装位置无法在同一个物理中心，导致测得水深数据在动态情况下仍存在较大误差，适用于水域流速较小，铅鱼姿态较稳定的情况下，实际应用价值不大，很难满足实际情况下水文测站获取精确的动态铅鱼实时入水深度数据的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于三维姿态的智能铅鱼动态水深测量电路及方法，用于解决水文缆道测深存在的铅鱼入水深度数据精度不高、采集数据工作效率低下、数据不具备实时性的缺点，及模拟式相对压力传感器测深电路的精度不高、应用环境要求过高、体积过大、安装不便、没考虑传感器安装位置在动态中产生误差等缺点。

本发明技术方案是：一种基于三维姿态的智能铅鱼动态水深测量电路，包括水深压力传感器1、姿态传感器2、CPU电路3、ZIGBEE电路4、控制开关5、天线6、上位机7；水深压力传感器1输出端与CPU电路3输入端相连，姿态传感器2输出端与CPU电路3输入端相连，CPU电路3通信端与ZIGBEE电路4信号输入端相连，控制开关5控制端与CPU电路3相连，控制开关5电源输出端与ZIGBEE电路4电源输入端相连，ZIGBEE电路4信号输出端接天线6，与上位机7通信。

优选地，所述水深压力传感器1可以采用微型数字式水深压力传感器电路；姿态传感器电路2可以采用低功耗姿态传感器；CPU电路3可以采用微型低功耗CPU；开关可以采用CPU控制电源开关。

优选地，所述水深压力传感器电路1可以采用3.3V直流供电0.6微安输出电流的防水防腐蚀抗压数字式绝对压力传感器。

优选地，所述姿态传感器电路2可以采用3.3V直流供电3.5毫安工作电流的九轴姿态传感器。

优选地，所述CPU电路3的处理芯片可以采用微型低功耗CPU。

优选地，所述控制开关5芯片型号可以采用带有控制引脚的电压调整器芯片，ZIGBEE电路4的芯片型号可以采用超低功耗ZIGBEE无线传输芯片。

一种利用上述电路进行智能铅鱼动态水深测量的方法，首先确定铅鱼工作状态；在入水工作状态下，水深压力传感器1采集水压及水温数据；姿态传感器2采集水下铅鱼动态姿态数据，通过数据结算融合算法，得到铅鱼当前的俯仰角，横滚角，航向角；将水压水温数据和三维姿态角数据封装成数据包，存储在CPU电路3内部；打开控制开关5，将数据通过ZIGBEE电路4与天线6发送到上位机7；在上位机7中通过三维姿态角对动态情况下水深数据进行修正。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、智能铅鱼入水触发入水开关，接通装置内置锂电池，动态水深测量电路开始工作；

Step2、水深压力传感器1与姿态传感器2同时开始工作，水深压力传感器1采集水压、水温数据，姿态传感器2采集到铅鱼动态姿态数据，再将采集到的数据封装后发给CPU电路3内部存储空间，并通过CPU电路3进行三维姿态角解算融合，且采集到的水压数据传入CPU电路3解算成水深数据；

Step3、CPU电路3CPU通过IO口打开控制开关5，ZIGBEE电路4进入工作模式，CPU电路3将设定时间内采集到的数据包通过ZIGBEE电路4与天线6实时发送至上位机7存储；

Step4、上位机7接收到发送的数据包后，将水压数据解算成水深数据；通过姿态角数据对动态情况下水深数据进行修正，获得精确的实时动态水深数据。

所述步骤Step2中，三维姿态角解算融合的具体步骤如下：

Step2.1、CPU电路3获取姿态传感器2采集的原始三轴加速度数据、三轴角速度数据、三轴磁强数据，进行原始数据滤波处理；

Step2.2、通过三轴加速度数据、三轴角速度数据、三轴磁强数据分别解算出两组俯仰角、横滚角和航向角数据；