基于无线数字信号控制的测深及定位器的研制

2021-05-31吴平辉

湖南水利水电 2021年2期

吴平辉

（湖南省水文仪器设备检测中心，湖南长沙410007）

引言

水下地形测量和水文大断面测量是水文测验的一项基础性工作，包括测深和定位。当前水文站测深及起点距测量常用的有两种方式：第一是利用水文缆道挂载铅鱼进行测深、测距；第二是通过驾驶船只搭载测深仪和GPS进行断面各条垂线位置的测深和定位测量。这两种测验方式都有其局限性，利用铅鱼测深往往是通过铅鱼底板触底信号或者观察起重索的松紧度来判断是否触底，测深误差较大；而通过驾驶船只进行测深和GPS测量，必须涉水测量，存在一定的安全隐患，且费时费力。

本项目针对水文测验中的水下地形测量和水文大断面测量中的深度测量和定位的问题，研制一套远程数字控制的测深及定位装置，通过无人机或者水文缆道搭载测深仪和GPS设备运行至水面任意位置，通过远程操控发出测量指令进行测深和GPS定位进行测量，将测得的水深数据和GPS定位数据传输至岸上接收端并直观地显示于软件界面上，从而完成水下地形测量和水文大断面测量。

1 无线数字信号控制测深及定位器组成

无线数字信号控制测深及定位器主要由浮子式测深及定位装置和岸上测量控制端组成。浮子式远程测深及定位装置是水深数据及经纬度数据的采集装置，带有超声波测深及GPS定位功能，具有无线信号收发功能，装置材质为PVC，内部全密封防水，防水等级达到IP68级。岸上测量控制端由计算机、测量控制软件和无线电台组成，能够实时接收浮子式远程测深定位仪采集的数据，并以图表形式直观地显示给操作人员。其组成结构如图1所示。

2 无线数字信号控制测深及定位器工作原理

图1 无线数字信号控制测深及定位器组成

使用该装置进行测深及定位测量时，将绳索或挂钩挂在浮子式远程测深及定位装置顶端，利用无人机或者水文缆道搭载该装置至河流中某个位置，下放至水面，让水深探测器设备探头没入水中，调整无人机飞行高度或水文缆道垂直高度，确保水面大浮盘自然悬浮于水面，保持水深探测器设备探头垂直向下方向。此时岸上操作人员通过地面电台向设备发送启动测量信号，位于水面大浮盘内的无线电台收到信号后，启动水深探测器向河底发射超声波，通过超声波反射测量水深数据，启动GPS模块测量经纬度坐标，并将水深数据和定位坐标数据通过无线电台传回岸上操作人员，逐点采集后可形成河道断面数据。

3 浮子式测深定位装置设计

浮子式测深定位装置结构包括GPS加LED信号灯模块、水面立杆管、水面大浮盘、水下钟摆杆、水深探测器设备探头组成。水深探测器设备探头采用重力摆锤设计位于装置的最下端，超声波探头朝下，水深探测器设备探头通过一根中空的水下钟摆连杆与扁圆形的水面大浮盘相连。GPS加LED信号灯模块通过一根中空的水面立杆管与水面大浮盘相连。水面大浮盘为中空结构，内部放置锂电池、无线电台，通过水面立杆管和水下钟摆杆分别给GPS加LED信号灯模块、水深探测器设备探头供电以及接收和发送无线电信号。无线电台的发射天线位于GPS加LED信号灯模块中，无线电台和天线通过水面立杆管内的同轴电缆相连。由于发射天线始终位于水面大浮盘上方，这样设计的好处在于能够使得无线信号传输不受水体影响。该装置结构如图2所示。

4 无线信号传输设计

图2 浮子式测深定位装置

为适应远距离水下地形测量、水文大断面测量等功能，必须采取可靠性较高的信号传输方式。本次设计采用频率为915 MHz的无线数字信号进行传输，岸上计算机通过USB接口的无线电台与浮子式测深定位装置通讯，浮子式测深定位装置内置无线模块、单片机控制模块，无线模块收到岸上计算机发出的信号后，通过单片机模块向测深传感器及GPS定位仪发送上电信号，开始采集水深和经纬度数据。无线信号通讯采用RS485标准、MODBUS协议和RTU传输模式。

5 测量控制软件设计

测量控制软件主要用于接收测量数据。软件可用折线图形式实时显示数据。软件采取串口通讯方式，波特率为9 600完全可满足数据传输速率的要求。软件也可通过设置不同波特率、盲区、量程、发射强度、接收增益等参数来匹配不同类型的测深传感器。通过软件菜单的查询功能可以获取一定时间间隔的采集数据，通过软件的导出数据功能可直接生成Excel表格，便于数据汇总。软件界面如图3所示。

6 适应范围

该仪器通信传输距离在通视下可达2 km，最大探测水深达到50 m，大部分水文站都可适用。测量人员使用该仪器可远程采集水深及GPS定位坐标，无需涉水测量，可利用水文缆道搭载仪器进行远程大断面测量，在河道断面测深测距方面具有较好的应用前景；利用无人机搭载该仪器在水文应急监测领域可发挥其机动灵活的特点，在高洪、堰塞湖、溃坝等极端情况下配合非接触式流速测验手段能够在确保测量人员安全的情况下，快速便捷地测量出所需的断面流量数据。