一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法，包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电；所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，本发明专利技术能够提高流速测量的便携性，省去重复架设固定设备的成本，并使测量更加全面。

【技术实现步骤摘要】
一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法
本专利技术涉及一种雷达测速系统，特别是涉及一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法。
技术介绍
在目前的水文测量中，雷达测速仪大多为提前架设在岸边的固定设备，便携性差，且只能测量某个区域内的流速，不够精确。因此，需要设计一种更加便携、测量全面的雷达流速测量系统。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种以无人机为载体的雷达流速测量系统及方法，本专利技术能够提高流速测量的便携性，省去重复架设固定设备的成本，并使测量更加全面。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种以无人机为载体的雷达流速测量系统，包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS(全球定位系统)模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电。所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，其中：所述数据接收平台将测速控制信号通过无线通信模块二发送给无线通信模块一，所述无线通信模块一将接收到的测速控制信号发送给处理器，处理器根据测速控制信号分别控制雷达、陀螺仪、GPS模块进行测量，分别得到雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号。处理器根据雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号得到流速，同时将GPS信号和流速通过通过无线通信模块一发送给无线通信模块二，无线通信模块二接收到GPS信号和流速并推送给数据接收平台，所述数据接收平台接收GPS信号和流速并存储。优选的：所述处理器采用Arduinonano处理器，所述Arduinonano处理器的VIN引脚、陀螺仪的VCC引脚、GPS模块的VCC引脚、无线通信模块一的VCC引脚分别与电源模块的5v电源接头连接，所述Arduinonano处理器的GND引脚、RESET引脚接地，所述Arduinonano处理器的D1/TX引脚与陀螺仪的RX引脚连接，所述Arduinonano处理器的D0/RX引脚与陀螺仪的TX引脚连接，所述Arduinonano处理器的D2引脚与无线通信模块一的RXD引脚连接，无线通信模块一的GND引脚接地，所述Arduinonano处理器的D3引脚与无线通信模块一的TXD引脚连接，所述Arduinonano处理器的D5引脚与GPS模块的TXD引脚连接，GPS模块的GND引脚接地，所述Arduinonano处理器的D7引脚与电平转换器的TXD引脚连接，电平转换器的RXD引脚连接与雷达的TXD引脚连接，雷达的VIN引脚与电源模块的12v电源接头连接，电平转换器的VIN引脚与电源模块的3.3v电源接头连接。优选的：所述数据接收平台为电脑或者工控机。一种以无人机为载体的雷达流速测量方法，包括以下步骤：步骤1，流向校准阶段：将无人机置于岸边，使无人机朝向与河流流向相同。将陀螺仪Z轴方向置为1，XY方向置为0，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X1,Y1,Z1)，具体计算为：X1＝1×(sinθx×sinθz+cosθx×cosθz×sinθy)Y1＝1×(sinθz×sinθy×cosθx-cosθz×sinθx)Z1＝1×cosθx×cosθy其中，θxθyθz为陀螺仪测得的三轴欧拉角。对X1Y1使用arctan函数，得到雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ1。步骤2，测量准备阶段：使用GPS模块来判断测量端是否在测量状态，当无人机速度高于阈值时，对GPS模块测量的速度不断积分，得到无人机前进的距离。当无人机速度低于阈值时，进入测量阶段，将测得并修正过的数据与无人机前进的距离发送至电脑端。步骤3，实际测量阶段：无人机在空中悬停测量时，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角θxθyθz，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0,0,1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X2,Y2,Z2)，变换公式与步骤1中流向校准阶段中相同。对X2Y2使用arctan函数，得到此时雷达测流方向在水平面上的投影与正东方向的夹角θ2。对1÷Z2使用arcsin函数，得到测流方向与水平面的夹角θ3.。此时测量方向在水平面上的投影与校准阶段得到的河流流向夹角为θ2-θ1，求得水流在雷达波束方向上的速度v0与实际流速v的比值β，β＝cosθ3×cos(θ2-θ1)v＝v0÷β步骤4，考虑系统的平动，计GPS模块测得的东北天三轴速度分别为vx1、vy1、vz1，利用旋转矩阵得出雷达波束方向即陀螺仪Z轴方向上的速度vz，由于坐标系为从东北天坐标系变换为陀螺仪坐标系，故计算时欧拉角与陀螺仪测得数据相反，表达式为：vz＝-vx1×sin(-θy)+vy1×cos(-θy)×sin(-θx)+vz1×cos(-θx)×cos(-θy)＝vx1×sin(θy)-vy1×cos(θy)×sin(θx)+vz1×cos(θx)×cos(θy)将vz与雷达测量值v测相加后得到水流在雷达波束方向上的速度v0，计算得出实际流速vv＝v0÷β＝(vz+v测)÷β步骤5，利用卡尔曼滤波方法对多次测量得到的实际流速v进行平滑处理，得到实际流速修正值v′。步骤6，当GPS模块测量的速度高于阈值时，将最近得到的实际流速修正值v′取平均，得到最终流速，将最终流速与当前移动距离通过无线通信模块一发送至数据接收端，返回测量准备阶段。步骤7，测量结束阶段：测量准备阶段与实际测量阶段循环多次直至测量结束。测量结束时，测量端读取GPS模块测量的经纬度信息，传输至数据接收端，测量结束。优选的：步骤6中将最近二十次得到的实际流速修正值v′取平均，到得最终流速。本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：1)在需要临时测量水速的情况下，可以迅速测量，不需要提前架设测流设备。2)可在整条河流上测量，测量位置多样，数据更为全面。3)系统结构简单，除测流本身所需的雷达外成本很低。附图说明图1为本专利技术具体实施方式中系统测量端模块构成的示意图；图2为本专利技术具体实施方式中系统测量端模块连接方式的示意图；图3为本专利技术具体实施方式中陀螺仪坐标系的示意图；图4为本专利技术具体实施方式中流向校准阶段的示意图；图5为本专利技术具体实施方式中实际测量阶段的示意图；图6为本专利技术具体实施方式中系统测量端的原理图。其中，A表示测速雷达，B表示陀螺仪，C表示GPS模块及天线，D表示电源模块，E表示处理器，F表示雷达收发毫米波方向，G表示无线通信模块一。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电；所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，其中：/n所述数据接收平台将测速控制信号通过无线通信模块二发送给无线通信模块一，所述无线通信模块一将接收到的测速控制信号发送给处理器，处理器根据测速控制信号分别控制雷达、陀螺仪、GPS模块进行测量，分别得到雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号；处理器根据雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号得到流速，同时将GPS信号和流速通过通过无线通信模块一发送给无线通信模块二，无线通信模块二接收到GPS信号和流速并推送给数据接收平台，所述数据接收平台接收GPS信号和流速并存储。/n

【技术特征摘要】
1.一种以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：包括测量端以及数据接收端，所述测量端安装在无人机上，测量端包括雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一、处理器以及电源模块，所述雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块一分别与处理器相连，电源模块分别为雷达、陀螺仪、GPS模块、无线通信模块、处理器供电；所述数据接收端包括无线通信模块二、数据接收平台，所述无线通信模块二与数据接收平台连接，且所述无线通信模块二与无线通信模块一无线连接，其中：
所述数据接收平台将测速控制信号通过无线通信模块二发送给无线通信模块一，所述无线通信模块一将接收到的测速控制信号发送给处理器，处理器根据测速控制信号分别控制雷达、陀螺仪、GPS模块进行测量，分别得到雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号；处理器根据雷达信号、陀螺仪信号、GPS信号得到流速，同时将GPS信号和流速通过通过无线通信模块一发送给无线通信模块二，无线通信模块二接收到GPS信号和流速并推送给数据接收平台，所述数据接收平台接收GPS信号和流速并存储。


2.根据权利要求1所述以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：所述处理器采用Arduinonano处理器，所述Arduinonano处理器的VIN引脚、陀螺仪的VCC引脚、GPS模块的VCC引脚、无线通信模块一的VCC引脚分别与电源模块的5v电源接头连接，所述Arduinonano处理器的GND引脚、RESET引脚接地，所述Arduinonano处理器的D1/TX引脚与陀螺仪的RX引脚连接，所述Arduinonano处理器的D0/RX引脚与陀螺仪的TX引脚连接，所述Arduinonano处理器的D2引脚与无线通信模块一的RXD引脚连接，无线通信模块一的GND引脚接地，所述Arduinonano处理器的D3引脚与无线通信模块一的TXD引脚连接，所述Arduinonano处理器的D5引脚与GPS模块的TXD引脚连接，GPS模块的GND引脚接地，所述Arduinonano处理器的D7引脚与电平转换器的TXD引脚连接，电平转换器的RXD引脚连接与雷达的TXD引脚连接，雷达的VIN引脚与电源模块的12v电源接头连接，电平转换器的VIN引脚与电源模块的3.3v电源接头连接。


3.根据权利要求1所述以无人机为载体的雷达流速测量系统，其特征在于：所述数据接收平台为电脑或者工控机。


4.一种基于权利要求1所述的以无人机为载体的雷达流速测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，流向校准阶段：将无人机置于岸边，使无人机朝向与河流流向相同；将陀螺仪Z轴方向置为1，XY方向置为0，测量陀螺仪读取的三轴欧拉角，使用旋转矩阵将陀螺仪坐标系下的(0，0，1)，变换为东北天三轴坐标系下的(X1，Y1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶震宇，陈一如，张在琛，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32