一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法技术

本发明专利技术涉及水位测量领域，具体是指一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法。准备水槽、光学雷达探头、挡光隔板、红外对射光电开关、单片机，并安装，使用光学雷达探头捕获在水槽无水时的底板三维形态，进行处理得到参数值θ

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法


[0001]本专利技术涉及河道或实验室内水槽中自由流动水流的复杂水面(水流自由表面)的三维测量领域，具体是指一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法。

技术介绍

[0002]目前对水深的测量方式主要有人工钢尺或测针测量、电阻式波高仪测量、超声波测量、图像处理法测量。人工钢尺或测针测量为最早的一种水深测量方式，精度可以保证，但每次测量只能对单点进行测量，如要对多点进行测量将会耗费大量的人力，且无法对非恒定流水深进行测量。电阻式波高仪主要是通过测量电阻的改变来反映水深的变化，它可以适用于非恒定流场景，但其存在零点漂移、影响水流运动、只能单点测量等弊端。超声波测量主要根据探头发射与接受到反射波的时间差来反映水深的变化，属于非侵入式测量且精度较高，但其仍存在当水面与探头夹角较大时无法接收到返回波、只能进行单点测量等问题。图像处理法测量是从水槽侧面对水体进行摄像，进行图像处理提取得到水面线。这是一种非接触式测量方法，可以应用于非恒定流，并且可以同时得到摄像机视角范围的水深数据。但其仍存在无法应用于三维水流形态测量、测量精度受环境及数据处理方法影响较大等问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够克服了传统方法无法捕捉三维水面形态的不足，实现了大范围三维水面高程变化的全域同步测量的一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法。
[0004]本专利技术所采用的技术方案为：一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法，其特征在于：包括测量系统由物料搅拌装置、同步采集控制系统、点云数据采集装置和回水系统组成，所述物料搅拌装置由搅拌器和在线浊度仪组成，物料经搅拌器混合均匀，所述物料在水体中分散均匀，不易沉降，在线浊度仪用于监测水体物料是否达到测量要求，所述同步采集控制系统由红外对射光电开关、单片机、集线器组成，红外对射光电开关布置在闸门上方，当闸门被提起时触发红外对射光电开关，该信号被单片机监测到，单片机立即将同步触发信号经集线器同时向多个光学雷达探头发送，光学雷达探头开启同步测量，所述点云数据采集装置由电脑、集线器、光学雷达探头组成，光学雷达探头获取点云数据，所述数据经集线器传回电脑保存，回水系统由回水池和回水管组成；
[0005]包括以下步骤：
[0006]S1，准备水槽、光学雷达探头、挡光隔板、红外对射光电开关、单片机，在水槽上游侧布置闸门，在水槽上方布置光学雷达探头，在水槽底部涂抹不透明白色颜料，在两探头之间布置挡光隔板以减少两光学雷达探头之间的光学干扰，在闸门上方布置光电对射开关。使用光学雷达探头捕获在水槽无水时的底板三维形态，进行处理得到参数值θ
x
、θ
y
、θ
z
、Δx、Δy、Δz，执行步骤S2；
[0007]S2，将上游库区蓄水，在所述库区中加入白色物料，所述物料经物料搅拌装置混合成白色不透明液体，保持各光学雷达探头位置不变，迅速抽走闸门，同步采集控制系统捕获待测定水域不同时刻的水面形态，利用空间三维调平坐标变换公式及空间三维旋转平移坐标变换公式确定任意时刻全域水面高度水面点坐标(x2，y2，z2)。
[0008]通过所述同步采集控制系统捕获待测定水域不同时刻的水面形态，对不同时刻的水面形态进行处理确定任意时刻全域水面高度水面点坐标(x2，y2，z2)。
[0009]对不同时刻的水面形态进行处理包括：利用空间三维调平坐标变换公式确定任意时刻全域水面相对高度、利用空间三维旋转平移坐标变换公式确定给定坐标系下任意时刻全域水面三维坐标。
[0010]空间三维调平坐标变换公式为：
[0011][0012]式中，θ
x
、θ
y
为系数，可通过所述底板无水时的三维形态得到；x、y、z为光学雷达探头坐标系统下的水面点云坐标值，z1为水面高度，x1、y1为该点平面坐标。
[0013]系数θ
x
、θ
y
的确定方法为：利用光学雷达探头捕获所述底板无水时的三维形态，根据底板点云坐标值(x，y，z)拟合得到平面方程：
[0014]Z＝Ax+By+C
[0015]将系数A、B带入公式θ
x
＝tan
‑1(B)及θ
y
＝tan
‑1(
‑
A)中即可求得系数θ
x
、θ
y
。
[0016]空间三维旋转平移坐标变换公式为：
[0017][0018]式中，θ
z
、Δx、Δy、Δz为系数，可通过计算与给定坐标系绕Z轴旋转的角度得到θ
z
，可通过计算与给定坐标系的沿x、y、z三个方向的位移差得到Δx、Δy、Δz。
[0019]所述步骤S1中，参数值θ
x
、θ
y
、θ
z
、Δx、Δy、Δz的确定方法为：利用光学雷达探头捕获水槽无水时的底板三维形态，获取光学雷达探头坐标系下的底板点云坐标值(x，y，z)。根据空间三维调平坐标变换公式得到调平后的点云坐标值(x1，y1，z1)。为求解系数θ
x
、θ
y
，根据底板点云坐标值(x，y，z)拟合得到平面方程z＝Ax+By+C，根据公式θ
x
＝tan
‑1(B)及θ
y
＝tan
‑1(
‑
A)即可求得系数θ
x
、θ
y
。准备底部直径8cm高7.8cm的圆锥形定位桩，将其放置在两光学雷达探头视场交汇处。根据空间三维旋转平移坐标变换公式将两光学雷达探头获得的点云数据进行拼接，使两组点云数据的定位桩位置坐标重合。所述空间三维旋转平移坐标变换公式为可通过计算与两组点云数据关于Z轴的角度差得到θ
z
，可通过计算两组点云数据在x、y、z三个方向的位移差得到Δx、Δy、Δz。
[0020]所述步骤S2中，空间三维调平坐标变换公式为：
[0021][0022]式中，θ
x
、θ
y
为系数，由步骤S1得到。
[0023]所述步骤S2中，空间三维旋转平移坐标变换公式为：
[0024][0025]式中，θ
z
、Δx、Δy、Δz为系数，由步骤S1得到。
[0026]所述水槽中的水体加入物料为白色有机颜料，经物料搅拌装置处理后所述水体为白色不透明液体。
[0027]本专利技术的有益效果：
[0028]1.本专利技术通过采用基于光学雷达的非浸入式水深测量方法，对水流无干扰，通过多个光学雷达探头的同步测量，得到全域水深数据。
[0029]2、本专利技术的水深测量方法与传统水深测量方法相比，克服了传统方法无法捕捉三维水面形态的不足，实现了大范围三维水面高程变化的全域同步测量。
[0030]3、本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法，其特征在于：包括测量系统由物料搅拌装置、同步采集控制系统、点云数据采集装置和回水系统组成，所述物料搅拌装置由搅拌器(2)和在线浊度仪(3)组成，物料经搅拌器(2)混合均匀，所述物料在水体中分散均匀，不易沉降，在线浊度仪(3)用于监测水体物料是否达到测量要求，所述同步采集控制系统由红外对射光电开关(4)、单片机(5)、集线器(7)组成，红外对射光电开关(4)布置在闸门(11)上方，当闸门(11)被提起时触发红外对射光电开关(4)，该信号被单片机(5)监测到，单片机(5)立即将同步触发信号经集线器(7)同时向多个光学雷达探头(8)发送，光学雷达探头(8)开启同步测量，所述点云数据采集装置由电脑(6)、集线器(7)、光学雷达探头(8)组成，光学雷达探头(8)获取点云数据，所述数据经集线器(7)传回电脑(6)保存，回水系统由回水池(12)和回水管(13)组成；包括以下步骤：S1，准备水槽(1)、光学雷达探头(8)、挡光隔板(9)、红外对射光电开关(4)、单片机(5)，在水槽(1)上游侧布置闸门(11)，在水槽(1)上方布置光学雷达探头(8)，在水槽(1)底部涂抹不透明白色颜料，在两探头之间布置挡光隔板(9)以减少两光学雷达探头(8)之间的光学干扰，在闸门(11)上方布置光电对射开关，使用光学雷达探头(8)捕获在水槽(1)无水时的底板三维形态，进行处理得到参数值θ
x
、θ
y
、θ
z
、Δx、Δy、Δz，执行步骤S2；S2，将上游库区蓄水，在所述库区中加入白色物料，所述物料经物料搅拌装置混合成白色不透明液体，保持各光学雷达探头(8)位置不变，迅速抽走闸门(11)，同步采集控制系统捕获待测定水域不同时刻的水面形态，利用空间三维调平坐标变换公式及空间三维旋转平移坐标变换公式确定任意时刻全域水面高度水面点坐标(x2，y2，z2)。2.根据权利要求1所述的一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法，其特征在于：通过所述同步采集控制系统捕获待测定水域不同时刻的水面形态，对不同时刻的水面形态进行处理确定任意时刻全域水面高度水面点坐标(x2，y2，z2)。3.根据权利要求1所述的一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法，其特征在于：对不同时刻的水面形态进行处理包括：利用空间三维调平坐标变换公式确定任意时刻全域水面相对高度、利用空间三维旋转平移坐标变换公式确定给定坐标系下任意时刻全域水面三维坐标。4.根据权利要求1所述的一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法，其特征在于：空间三维调平坐标变换公式为：式中，θ
x
、θ
y
为系数，可通过所述底板无水时的三维形态得到；x、y、z为光学雷达探头(8)坐标系统下的水面点云坐标值，z1为水面高度，x1、y1为该点平面坐标。5.根据权利要求1所述的一种基于光学雷达的波动三维水面的全域实时测量方法，其特征在于：系数θ
x
、θ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张力元，张法星，许唯临，孛华江，张晓龙，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：