張勃 武利生 張保軍 邢東東

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的懸桿測(cè)深技術(shù)存在水面信號(hào)獲取準(zhǔn)確性差，水底信號(hào)觸發(fā)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜或受測(cè)流環(huán)境干擾明顯等問題，對(duì)通過模擬量電壓識(shí)別水面信號(hào)和通過電機(jī)輸出扭矩的變化得到水底信號(hào)的無傳感器測(cè)深技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于Arduino平臺(tái)的根據(jù)空氣和水中電阻率不同獲取水面信號(hào)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(shì)和碰撞瞬間電機(jī)輸出扭矩變化趨勢(shì)，通過PLC監(jiān)測(cè)伺服單元反饋模擬量變化值準(zhǔn)確得到水底信號(hào)。實(shí)踐證明，該技術(shù)能準(zhǔn)確測(cè)深，已用于黃委中游水文水資源局各水文站的纜道吊箱測(cè)流系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：Arduino平臺(tái)；中值濾波；電機(jī)輸出扭矩；水面信號(hào)；水底信號(hào)；懸桿測(cè)深

中圖分類號(hào)：P332.3；TH764

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.004

1 引言

河水深度是測(cè)算過流斷面流量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確測(cè)驗(yàn)河水深度對(duì)于提高流量測(cè)驗(yàn)精度意義重大。測(cè)深懸桿是河道水深測(cè)量采用的一種設(shè)備，適用于河道寬淺的黃河上中游，通過得到的水面坐標(biāo)和水底坐標(biāo)計(jì)算得出水深。水面信號(hào)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(dǎo)線作為電流回路，導(dǎo)線端部裸露，當(dāng)懸桿浸入水中時(shí)，利用河水具有一定的導(dǎo)電性將懸桿與導(dǎo)線導(dǎo)通獲取水面信號(hào)。然而，當(dāng)河水導(dǎo)電性較差時(shí)導(dǎo)線與懸桿導(dǎo)通不穩(wěn)定，在水花較為明顯時(shí)可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的水面信號(hào)?，F(xiàn)有的水面信號(hào)獲取技術(shù)是根據(jù)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(hào)的，在河水水溫、含沙量變化較大時(shí)，無法穩(wěn)定地獲取水面信號(hào)。懸桿測(cè)深過程中除了需要獲得水面信號(hào)外，還需要另外一個(gè)極為重要的信號(hào)——水底信號(hào)。目前水底信號(hào)采集尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中性能較為優(yōu)越的有失重組合自動(dòng)開關(guān)KH-99和機(jī)械式失重開關(guān)，二者均存在信號(hào)采集穩(wěn)定性差、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題?，F(xiàn)有的水底信號(hào)獲取技術(shù)都需要增加額外的傳感器，電路繁雜，可靠性差，環(huán)境適應(yīng)性差。為解決上述問題，對(duì)通過流速儀接線柱間電壓識(shí)別水面信號(hào)和電機(jī)輸出扭矩變化得到水底信號(hào)的無傳感器測(cè)深技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 懸桿測(cè)深原理

懸桿測(cè)深裝置如圖1所示，測(cè)深啟動(dòng)瞬間，懸桿加速下降，此時(shí)懸吊索拉力小于懸桿重力：加速階段結(jié)束后，懸桿開始勻速下降，此時(shí)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(fā)生突變。

懸桿測(cè)深原理如圖2所示，開始測(cè)深后，流速儀隨著懸桿向下運(yùn)動(dòng)，在流速儀兩極接線柱入水的瞬間獲得水面信號(hào)：懸桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直至懸桿托盤觸底，懸桿托盤接觸水底瞬間產(chǎn)生水底信號(hào)，計(jì)算得出水深。

3 水面信號(hào)的獲取

3.1 水面信號(hào)硬件設(shè)計(jì)

首先通過Arduino mega2560單片機(jī)模擬量數(shù)據(jù)采集口對(duì)流速儀進(jìn)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(dá)10位，即可讀取210=1024個(gè)狀態(tài)，輸入電壓范圍為0～5V，最小可以監(jiān)測(cè)到4.8mV，完全滿足實(shí)際測(cè)驗(yàn)需要。將采集到的模擬量電壓信號(hào)通過Arduino程序處理后得到水面信號(hào)，可將信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后提供給纜道自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)。

根據(jù)實(shí)際測(cè)流過程中流速儀兩極接線柱之間電阻變化范圍設(shè)計(jì)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(hào)發(fā)送開關(guān)（入水閉合），R-liu為流速儀在空氣中導(dǎo)通時(shí)兩極接線柱之間的電阻，R-water為流速儀在水中斷開時(shí)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(hào)處理

根據(jù)流速儀在空氣中與水中是否導(dǎo)通可分為4種基本狀態(tài)：空氣中未導(dǎo)通、空氣中導(dǎo)通、水中未導(dǎo)通、水中導(dǎo)通。當(dāng)流速儀處于不同狀態(tài)時(shí)，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(hào)。

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

利用示波器測(cè)量LS25-3A型流速儀在空氣和水中的流速信號(hào)變化。分析發(fā)現(xiàn)在同一測(cè)流環(huán)境中存在以下特點(diǎn)：①在空氣中未導(dǎo)通時(shí)的電壓值Uad和導(dǎo)通時(shí)的電壓值Uat差別較大，且Uad遠(yuǎn)大于Uat；②流速儀在水中未導(dǎo)通時(shí)電壓值Uwd始終大于導(dǎo)通時(shí)的電壓值Uwl，其差值大小與測(cè)流環(huán)境有關(guān)；③流速儀在空氣中未導(dǎo)通與導(dǎo)通時(shí)的電壓值Uad、Uat分別大于在水中未導(dǎo)通與導(dǎo)通時(shí)的電壓值Uwd、Uwt，最后得出其電壓值關(guān)系如圖4所示。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

由圖4可知，在懸桿測(cè)深過程中由水面信號(hào)變化產(chǎn)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(jìn)入水中的過程中接線柱一直沒有導(dǎo)通；②Uad跳變到Uwt，流速儀接線柱從空氣進(jìn)入水中的瞬間接線柱導(dǎo)通；③Uat跳變到Uwd，流速儀在進(jìn)入水中之前的瞬間接線柱導(dǎo)通，在進(jìn)入水中的瞬間接線柱未導(dǎo)通；④Uat跳變到Uwt，流速儀在從空氣進(jìn)入水中的過程中接線柱一直導(dǎo)通。

流速儀在水中導(dǎo)通與未導(dǎo)通的電壓值均不是固定不變的，它隨著測(cè)流河段含沙量、水溫等的變化而變化。根據(jù)流速測(cè)驗(yàn)中得出的電壓變化規(guī)律，同時(shí)為了消除噪聲對(duì)水面信號(hào)的干擾，首先對(duì)采集到的電壓值進(jìn)行中值濾波處理。中值濾波方法是將窗口長(zhǎng)度內(nèi)的離散值按升序或降序排列，用中值代替中心點(diǎn)位置處的值。設(shè)采集一個(gè)長(zhǎng)度為奇數(shù)的窗口內(nèi)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(jù)流速儀能夠測(cè)驗(yàn)的最大流速，計(jì)算出其最大信號(hào)產(chǎn)生頻率為5Hz，設(shè)定定時(shí)器采樣頻率為10Hz，中值濾波窗口長(zhǎng)度L=9，因此首先至少需要預(yù)采樣9個(gè)電壓值作為中值濾波初始值，而實(shí)際流速信號(hào)采集過程中需要進(jìn)行預(yù)采樣，待流速儀槳葉穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)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(jù)流速信號(hào)采集過程中電壓的變化規(guī)律可知，在產(chǎn)生水面信號(hào)的瞬間，其電壓值將發(fā)生躍變，設(shè)水面信號(hào)識(shí)別算法為式中ε1、ε2為水面信號(hào)分辨率；δ為水面信號(hào)電壓波動(dòng)允許值：ε1、ε2、δ的值分別小于1.3、0.8和0.3時(shí)即可準(zhǔn)確獲取水面信號(hào)。

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

4 水底信號(hào)的獲取

4.1 懸桿碰撞模型的建立

懸桿測(cè)深除了水面信號(hào)，還需要水底信號(hào)，即懸桿下降至底盤接觸到河床時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)。懸桿碰撞河床的過程較為復(fù)雜，而Hertz彈性接觸理論的應(yīng)用前提是接觸區(qū)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(shí)用性不強(qiáng)，分析準(zhǔn)確性較低。本文在土壤切削和碰撞模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(jī)輸出扭矩的變化規(guī)律，再通過監(jiān)測(cè)電機(jī)扭矩變化得出水底信號(hào)。

在建立模型之前，需要設(shè)置單元屬性和材料類型，單元類型選擇Solid164實(shí)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(shù)較為復(fù)雜，且無法在LS-DYNA環(huán)境中直接設(shè)定，需要在K文件中修改相應(yīng)參數(shù)，河床土壤材料參數(shù)見表1。

在LS-DYNA環(huán)境中建立模型，懸桿外徑50mm，壁厚3mm，長(zhǎng)度8000mm，土壤模型取邊長(zhǎng)為1000mm的立方體，懸桿與河床模型均采用智能網(wǎng)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，直到速度為零。

4.2 電機(jī)扭矩計(jì)算

懸吊索收放裝置主要由電機(jī)、減速機(jī)及卷筒組成，電機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)卷筒沿順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)懸吊索的收放?？刂茟覘U升降的旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)型號(hào)為SGM7J-04A7C6E，其功率為400 W，額定輸出扭矩為T。= 1.27 N·m。減速機(jī)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(shè)在任意時(shí)刻懸桿保持受力平衡，則有

N+F=G

（5）式中：N為河床對(duì)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(jìn)行仿真分析時(shí)，假設(shè)懸吊索不存在，因此其加速度a由河床對(duì)懸桿的反作用力N和懸桿重力G的合力提供，河床對(duì)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(zhì)量。

選取加速度曲線中的部分點(diǎn)計(jì)算電機(jī)理論輸出扭矩，見表2。

4.3 驗(yàn)證

伺服單元型號(hào)為SGD7S-2R8A，懸桿測(cè)深調(diào)試階段通過伺服單元的模擬量監(jiān)測(cè)輸出口監(jiān)測(cè)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(diǎn)得到表2中電機(jī)理論輸出扭矩對(duì)應(yīng)的模擬量監(jiān)測(cè)值，并與伺服單元實(shí)際輸出模擬量監(jiān)測(cè)值對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)二者變化趨勢(shì)基本相同。

4.4 實(shí)現(xiàn)

通過PLC（可編程邏輯控制器）模擬量輸人口監(jiān)測(cè)伺服單元實(shí)際輸出模擬量監(jiān)測(cè)值，測(cè)深開始后懸桿會(huì)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(jiān)測(cè)到伺服單元實(shí)際輸出模擬量產(chǎn)生躍變，則表明此時(shí)懸桿底盤碰觸到了河床，該躍變監(jiān)測(cè)值即為水底信號(hào)。

5 結(jié)語

無傳感器測(cè)深技術(shù)利用現(xiàn)有設(shè)施，無需另外安裝傳感器，根據(jù)模擬量電壓識(shí)別水面信號(hào)和電機(jī)輸出扭矩變化得到水底信號(hào)，有效消除了河水導(dǎo)電性、水溫、含沙量變化較大時(shí)對(duì)獲取水面信號(hào)的干擾，解決了有傳感器測(cè)深技術(shù)電路繁雜、可靠性差、環(huán)境適應(yīng)性差的問題，實(shí)現(xiàn)了在不同水文條件下穩(wěn)定、準(zhǔn)確測(cè)深，可為相關(guān)單位提供準(zhǔn)確的水文數(shù)據(jù)資料。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于黃委中游水文水資源局各水文站的纜道吊箱自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)。