一种一体化走航式多普勒剖面测流方法
阅读说明：本技术 一种一体化走航式多普勒剖面测流方法 (Integrated navigation type Doppler profile flow measurement method ) 是由 于树利 于子朔 张喜 张家铭 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种一体化走航式多普勒剖面测流方法,属于水利河道或渠道流速监测技术领域。技术方案是：动力驱动走航索移动,带动测流仪在河道或渠道横向移动；二维稳定舵机(9)是一个二维运动机构,基于重力传感器进行自动调节,通过流速传感器上的重力传感器输出的信号,自动进行二维平面调整,使得声学多普勒传感器(11)的声学多普勒波束(18)保持与垂线45度角度,水位传感器的声学水位波束保持与垂线平行,实现一体化走航式测流。本发明无需人工充电,保持传感器始终对着水流方向,无需考虑水流方向、水流波浪颠簸对传感器对测流角度影响,免挂住水中漂浮物允许长期水中测流,可确保达到无人值守,实现输水断面流速的自动测流。(The invention relates to an integrated navigation type Doppler profile flow measurement method, and belongs to the technical field of water conservancy river channel or channel flow velocity monitoring. The technical scheme is as follows: the power drives the sailing cable to move to drive the flow measuring instrument to transversely move in the river channel or the channel; the two-dimensional stable steering engine (9) is a two-dimensional movement mechanism, automatic adjustment is carried out based on a gravity sensor, and two-dimensional plane adjustment is automatically carried out through signals output by the gravity sensor on the flow velocity sensor, so that an acoustic Doppler wave beam (18) of the acoustic Doppler sensor (11) keeps an angle of 45 degrees with a vertical line, and an acoustic water level wave beam of the water level sensor keeps parallel to the vertical line, so that integrated sailing type flow measurement is realized. The invention does not need manual charging, keeps the sensor always facing to the water flow direction, does not need to consider the influence of the water flow direction and the water flow wave jolt on the flow measuring angle of the sensor, avoids hanging floating objects in water, allows long-term flow measurement in water, can ensure unattended operation and realizes automatic flow measurement of the flow velocity of the water delivery cross section.)
技术领域
本发明涉及一种一体化走航式多普勒剖面测流方法，属于水利河道或渠道流速监测技术领域。
背景技术
目前，水利行业中河道或明渠流量测量使用剖面测流仪，采用双体船或三体船结构，由站立在两岸的人员进行人工牵引，测流完成后人工带回，读取测流数据、充电、防止丢失。已有技术存在如下缺陷：①由岸边拉到对岸、充电、防盗等，全部为人工操作，无法做到无人值守，无法自动测流；②在测流时，水中的漂浮物会挂在测流仪上，需要人工进行清理；③在测流时，由于多普勒流速传感器的测流波束指向前下方，船体方向、水流方向、水面波浪颠簸等不确定因素影响传感器测流角度、水流速度及人工牵引速度合成等，水位测量波束也不再垂直朝下，这些不确定因素，造成测流算法非常困难，严重影响应用；④水中漂浮物经常挂在测流仪上，不得不进行人工清理。已有技术的主要问题：即测流波束指向的不可预测性，以及受影响后测流值复杂的算法与走航速度叠加后，使得测流算法更加复杂和不确定。以上缺陷，加上水中漂浮物，使得现有技术无法实现无人值守的自动测流，测流算法极其复杂，测流精度稳定性极差，目前又没有更好的解决办法。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体化走航式多普勒剖面测流方法，保持传感器始终对着水流方向，无需考虑水流方向、水流波浪颠簸对传感器对测流角度影响，避免挂住水中漂浮物允许长期水中测流，采用太阳能供电，达到无人值守，实现输水断面流速的自动测流，解决背景技术存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种一体化走航式多普勒剖面测流方法，包含如下步骤：
①横跨河道或渠道布置走航索，测流仪通过牵引索固定在走航索上，动力驱动走航索移动，带动测流仪在河道或渠道横向移动；
②所述测流仪包含多体船、尾舵连杆、尾舵浮子、尾舵舵板、二维稳定舵机、传感器、太阳能电池板和牵引索；多个浮体通过连接架组装在一起，构成多体船，多体船尾部通过尾舵连杆连接尾舵浮子，尾舵舵板设置在尾舵浮子的下方；多体船上设置二维稳定舵机和太阳能电池板，二维稳定舵机下方设置传感器；牵引索固定在多体船上；所述传感器至少包含声学多普勒流速传感器和重力传感器，重力传感器设置在声学多普勒流速传感器上；所述传感器还包含水位传感器；
③所述二维稳定舵机是一个二维运动机构，基于重力传感器进行自动调节，通过流速传感器上的重力传感器输出的信号，自动进行二维平面调整，使得声学多普勒传感器的声学多普勒波束保持与垂线45度角度，水位传感器的声学水位波束保持与垂线平行；
④水位传感器测量并确定河道或明渠底部淤积层及过流断面，通过上位监控软件描绘出淤积断面和过流断面；在河道或明渠的横断面上设定多条垂线，通过声学多普勒传感器剖面测流，实现一体化走航式测流。
根据量水规范GB/T2 1 303--2017中的规定，在河道或明渠的横断面上设定多垂线剖面测流，在每个测流垂线上，测点数达128点或256点，远远高于规定的1、3、5、7点，大大提高测流精度。
远程设定走航测流模式，走航结束自动返渠道中线；当走航测流完成时，测流仪停止在河道或明渠中间，通过自学习，得到河道或明渠中间流速与平均流速的关系，通过实时测量河道或明渠中间流速即可实现实时测流；也可以远程发出测流指令，实现召测测流。
测流至少包含下列方式：
1、定时测流，规定每天测流次数和测流启动时间；
2、河道或明渠水位变化自动走航测流，当上游流量或下游流量发生变化时，自动启动走航测流。
在放水结束、需要故障、维护、清理时，人工控制测流仪返回岸边。
测流仪带有北斗定位系统，防止偷盗丢失、防止故障丢失，在丢失后追回。
所述牵引索至少一根，一端固定在多体船上，另一端固定在走航索的一点或分开的两点。所述横跨渠道的走航索，上下闭环，一端连接牵引箱，另一端连接张紧箱。
所述多体船的顶层设有太阳能电池板。
所述二维稳定舵机包含Y轴环、X轴环、固定架、X轴电机、Y轴电机、X转轴和Y转轴，固定架设置在多体船上，Y轴环的两侧分别通过Y转轴设置在固定架上，Y轴环与Y轴电机 连接，Y轴电机驱动Y轴环在固定架上翻转；X轴环的两侧分别通过X转轴设置在Y轴环内，X轴环与X轴电机连接，X轴电机驱动X轴环在Y轴环内翻转； X转轴和Y转轴相互垂直；X轴环的下方设置传感器；所述传感器至少包含流速传感器和重力传感器，重力传感器设置在流速传感器上。所述二维稳定舵机是一个二维运动机构，基于重力传感器进行自动调节，通过流速传感器上的重力传感器输出的信号，自动控制X轴电机和Y轴电机启动，通过Y轴环和X轴环的翻转进行二维平面调整，使流速传感器始终向下。
所述多体船是双体船或三体船，由浮体和连接架组合构成，多船体一侧至少设置一段浮体。
所述浮体、尾舵舵板及传感器的前部均设置抗漂浮物旋轮。抗漂浮物旋轮为中间带孔可以自由旋转的圆片，圆片边缘可以是光滑的也可以带齿。抗漂浮物旋轮应用时两个一组，分别布设在浮体、尾舵舵板及传感器前端的两侧，抗漂浮物旋轮的前端边缘超过浮体、尾舵舵板及传感器的前端，也就是浮体、尾舵舵板及传感器前端缩进在两个抗漂浮物旋轮之间。多体船前端过来漂浮物时首先接触抗漂浮物旋轮，水中漂浮物在水流的作用下，拉动抗漂浮物旋轮旋转，使漂浮物滑过多体船，从而达到抗漂浮物的作用。如果多体船某一部分吃水较深，抗漂浮物旋轮设置多组，多组抗漂浮物旋轮上下布设，无论一组或多组布设，最上面的一组抗漂浮物旋轮会有一部分露出水面，从而保证漂浮物从多体船的下方滑过。
所述多体船的主机舱内还带有电路板。
所述牵引索由绝缘体和金属索连接构成，牵引索与多体船连接部分为抗雷击的绝缘体，绝缘体一端固定在多体船上，另一端与金属索连接，绝缘体与金属索连接处引出一段金属接地索，金属接地索与水面接触，用于将雷电引入水中，保护多体船不受雷击。
本发明的有益之处在于：
①采用太阳能供电，无需人工充电；
②采用尾舵保持传感器始终对着水流方向；
③二维姿态稳定舵机，克服水流波浪颠簸；
④采用太阳能供电，无需考虑水流方向、水流波浪颠簸对传感器对测流角度影响；
⑤抗漂浮物结构避免挂住水中漂浮物允许长期水中测流；
⑥上述特点可确保达到无人值守，实现输水断面流速的自动测流。
附图说明
图1是本发明实施例整体结构示意图；
图2是本发明实施例俯视示意图；
图3是本发明实施例二维稳定舵机示意图；
图4是本发明实施例多船体头上倾示意图；
图5是本发明实施例多船体头下倾示意图；
图6是本发明实施例多船体头左倾示意图；
图7是本发明实施例多船体头右倾示意图；
图中：多船体1、浮体2、连接架3、尾舵连杆4、尾舵浮子5、尾舵舵板6、主机舱7、电路板8、二维稳定舵机9、传感器10、声学多普勒传感器11、水位传感器12、太阳能电池板13、太阳能电池板支架14、蓄电池15、牵引索16、抗漂浮物旋轮（抗污轮）17、声学多普勒波束18、声学水位波束19、Y轴环22、X轴环21、固定架20、X轴电机23、Y轴电机24、X转轴25、Y转轴26。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
参照附图1-3，一种一体化走航式多普勒剖面测流方法，包含如下步骤：
①横跨河道或渠道布置走航索，测流仪通过牵引索固定在走航索上，动力驱动走航索移动，带动测流仪在河道或渠道横向移动；
②所述测流仪包含多体船1、尾舵连杆4、尾舵浮子5、尾舵舵板6、二维稳定舵机9、传感器10、太阳能电池板13和牵引索16；多个浮体2通过连接架3组装在一起，构成多体船1，多体船1尾部通过尾舵连杆4连接尾舵浮子5，尾舵舵板6设置在尾舵浮子5的下方；多体船1上设置二维稳定舵机9和太阳能电池板13，二维稳定舵机9下方设置传感器10，牵引索16固定在多体船1上；所述传感器10至少包含声学多普勒流速传感器11和重力传感器，重力传感器设置在声学多普勒流速传感器上；所述传感器10还包含水位传感器12；
③所述二维稳定舵机9是一个二维运动机构，基于重力传感器进行自动调节，通过流速传感器上的重力传感器输出的信号，自动进行二维平面调整，使得声学多普勒传感器11的声学多普勒波束18保持与垂线45度角度，水位传感器12的声学水位波束19保持与垂线平行；
④水位传感器测量并确定河道或明渠底部淤积层及过流断面，通过上位监控软件描绘出淤积断面和过流断面；在河道或明渠的横断面上设定多条垂线，通过声学多普勒传感器11剖面测流，实现一体化走航式测流。
根据量水规范GB/T2 1 303--2017中的规定，在河道或明渠的横断面上设定多垂线剖面测流，在每个测流垂线上，测点数达128点或256点，远远高于规定的1、3、5、7点，大大提高测流精度。
远程设定走航测流模式，走航结束自动返渠道中线；当走航测流完成时，测流仪停止在河道或明渠中间，通过自学习，得到河道或明渠中间流速与平均流速的关系，通过实时测量河道或明渠中间流速即可实现实时测流；也可以远程发出测流指令，实现召测测流。
测流至少包含下列方式：
1、定时测流，规定每天测流次数和测流启动时间；
2、河道或明渠水位变化自动走航测流，当上游流量或下游流量发生变化时，自动启动走航测流。
在放水结束、需要故障、维护、清理时，人工控制测流仪返回岸边。
测流仪带有北斗定位系统，防止偷盗丢失、防止故障丢失，在丢失后追回。
所述牵引索至少一根，一端固定在多体船上，另一端固定在走航索的一点或分开的两点。所述横跨渠道的走航索，上下闭环，一端连接牵引箱，另一端连接张紧箱。
所述多体船的顶层设有太阳能电池板。
所述二维稳定舵机9包含Y轴环22、X轴环21、固定架20、X轴电机23、Y轴电机24、X转轴25和Y转轴26，固定架20设置在多体船1上，Y轴环22的两侧分别通过Y转轴26设置在固定架20上，Y轴环22与Y轴电机24 连接，Y轴电机24驱动Y轴环22在固定架上翻转；X轴环21的两侧分别通过X转轴25设置在Y轴环22内，X轴环21与X轴电机23连接，X轴电机23驱动X轴环21在Y轴环22内翻转； X转轴25和Y转轴26相互垂直；X轴环21的下方设置传感器10；所述传感器10至少包含流速传感器和重力传感器，重力传感器设置在流速传感器上。所述二维稳定舵机9是一个二维运动机构，基于重力传感器进行自动调节，通过流速传感器上的重力传感器输出的信号，自动控制X轴电机23和Y轴电机24启动，通过Y轴环22和X轴环21的翻转进行二维平面调整，使流速传感器始终向下。
所述多体船1是双体船或三体船，由浮体2和连接架3组合构成，多船体一侧至少设置一段浮体。
所述浮体2、尾舵舵板6及传感器10的前部均设置抗漂浮物旋轮17。抗漂浮物旋轮为中间带孔可以自由旋转的圆片，圆片边缘可以是光滑的也可以带齿。抗漂浮物旋轮应用时两个一组，分别布设在浮体、尾舵舵板及传感器前端的两侧，抗漂浮物旋轮的前端边缘超过浮体、尾舵舵板及传感器的前端，也就是浮体、尾舵舵板及传感器前端缩进在两个抗漂浮物旋轮之间。多体船前端过来漂浮物时首先接触抗漂浮物旋轮，水中漂浮物在水流的作用下，拉动抗漂浮物旋轮旋转，使漂浮物滑过多体船，从而达到抗漂浮物的作用。如果多体船某一部分吃水较深，抗漂浮物旋轮设置多组，多组抗漂浮物旋轮上下布设，无论一组或多组布设，最上面的一组抗漂浮物旋轮会有一部分露出水面，从而保证漂浮物从多体船的下方滑过。
所述多体船1的主机舱7内还带有电路板8。
所述牵引索16由绝缘体和金属索连接构成，牵引索16与多体船1连接部分为抗雷击的绝缘体，绝缘体一端固定在多体船1上，另一端与金属索连接，绝缘体与金属索连接处引出一段金属接地索，金属接地索与水面接触，用于将雷电引入水中，保护多体船不受雷击。
本实施例结合附图4-7说明：
图4是本发明实施例多船体头上倾示意图，当多体船的船头上倾，流速传感器上的重力传感器发出信号，通过公知的控制系统，自动控制X轴电机23和Y轴电机24启动，通过Y轴环22和X轴环21的翻转进行二维平面调整，使流速传感器始终向下，声学多普勒传感器11的声学多普勒波束18保持与垂线45度角度，水位传感器12的声学水位波束19保持与垂线平行。
图5是本发明实施例多船体头下倾示意图；当多体船的船头下倾，流速传感器上的重力传感器发出信号，通过公知的控制系统，自动控制X轴电机23和Y轴电机24启动，通过Y轴环22和X轴环21的翻转进行二维平面调整，使流速传感器始终向下，声学多普勒传感器11的声学多普勒波束18保持与垂线45度角度，水位传感器12的声学水位波束19保持与垂线平行。
图6是本发明实施例多船体头左倾示意图；当多体船的船头左倾，流速传感器上的重力传感器发出信号，通过公知的控制系统，自动控制X轴电机23和Y轴电机24启动，通过Y轴环22和X轴环21的翻转进行二维平面调整，使流速传感器始终向下，声学多普勒传感器11的声学多普勒波束18保持与垂线45度角度，水位传感器12的声学水位波束19保持与垂线平行。
图7是本发明实施例多船体头右倾示意图；当多体船的船头右倾，流速传感器上的重力传感器发出信号，通过公知的控制系统，自动控制X轴电机23和Y轴电机24启动，通过Y轴环22和X轴环21的翻转进行二维平面调整，使流速传感器始终向下，声学多普勒传感器11的声学多普勒波束18保持与垂线45度角度，水位传感器12的声学水位波束19保持与垂线平行。
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