一种船舶用深度探测仪的制作方法

1.本发明方法涉及超声波、变频技术、水深测量，特别是涉及一种船舶用深度探测仪。


背景技术：

2.超声波测量是一种利用超声波的反射特性进行距离测量的非接触式测量方式。超声波不易受到外界色彩、光线明暗和电磁场的十扰，即使被测物处于光照条件差、灰尘烟雾较多、强电磁干扰等恶劣的测量环境下，也能有较高的分辨力。超声波测量广泛应用于建筑工程行业测量、中短距离物体辨识、海洋及河流深度测量等方面。在测距方面，由于超声波在液体和气体这两种介质中的传播速度均较慢、波长较短，可看成直线传播，不仅衰减较小，方向性好，而且能量易于集中，因此反射信号中的传播信息很容易被识别检测出来。超声波发射器结构也较为简单、体积小。容易提高其抗十扰能力。
3.影响超声波测距精度的因素较多，包括温度、深度、反射面光滑程度、频率、肓区、换能器特性、多径效应等。在深海测量环境下，随着深度的大幅增加，压力和温度都会发生较大改变，声速也会随之改变.对测距的结果产生影响。此外，在我国内陆地区因季节和天气因素引起河流水分结构变化，也容易给水深测量带来困扰。
4.声波谐振频率高于20khz的声波称为超声波。目前，超声波测距的常用方法有声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间检测法。声波幅值检测法仅能用于特定的反射介质，相位检测法虽然测量精度高但测量距离短，因此通常采用渡越时问检测法进行超声波测距。其原理是由超声波换能器发射超声波，超声波在介质中传播遇到障碍物反射回来，通过计算超声波在介质中的传播时问，即可求出发射点与反射点之问的距离。
5.船舶上的超声波测水道深度时，除外界因素外，常常因为船舶自身的姿态以及航行速度因素产生较大的测量误差。除此之外，超声波测量仪器的安装角度也是其中的影响因素。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，在本发明深度探测仪中，采用六轴陀螺仪自动标定深度探测仪自身水平程度和测量船舶航行瞬时速度，以辅助修正测量误差，提了高测量精度。除此之外，本发明深度探测仪装置还采用变频技术，以克服或适应复杂水文环境的水道深度测量任务。本发明方法的目的在于提供一种船舶用深度探测仪，用于解决现有技术中存在的测量精度不足问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明方法提供一种船舶用深度探测仪，包括：电源模块、主控模块、led显示模块、六轴传感器模块、换能器模块和超声波接收模块；
8.所述主控模块用于产生超声波信号、接收和分析超声波回波信号、采集所述六轴传感器模块的数据并计算出船舶航行姿态和航速，并通过超声波回波信号计算出水道深度，融合航行姿态和航速数据修正水道深度，最后将水道深度数据输出到所述led显示模
块；
9.所述led显示模块用于显示水道深度数据、航行速度、航向角度、仰角和倾斜角；
10.所述六轴传感器模块用于测量三维空间的重力加速度和角速度并输出到所述主控模块；
11.所述换能器模块用于发射超声波信号、接收超声波回波信号并将接收到的超声波回波信号输出到所述的主控模块；
12.所述超声波接收模块用于接收来自换能器模块输出的超声波回波信号并放大、滤波和整形超声波回波信号。
13.可选地，所述电源模块用于为所述主控模块、led显示模块、六轴传感器模块、换能器模块和超声波接收模块提供电源。
14.可选地，所述电源模块与所述主控模块、所述led显示模块、所述六轴传感器模块、所述换能器模块和所述超声波接收模块连接。
15.可选地，所述的主控模块与所述led显示模块、所述六轴传感器模块、所述换能器模块和所述超声波接收模块连接。
16.可选地，所述主控模块的超声波水道深度测量算法为：其中z为所求深度，v为声波在水里的传播速度，t为超声波发射和回波接收的时间差。
17.可选地，所述主控模块的航行姿态及航速融合算法为：
18.q0＝-q1×gx-q2×gy-q3×gz
19.q1＝q0×gx
q2×gz-q3×gy
20.q2＝q0×gy-q1×gz
q3×gx
21.q3＝q0×gz
q1×gy-q2×gx
[0022][0023]
其中g
x
，gy，gz为六轴陀螺仪输出的三个加速度分量，γ，θ，为所求的欧拉角，q0，q1，q2，q3为四元数。
[0024]
可选地，所述主控模块的修正算法为：d＝z
×
γ
×
θ，其中d就是所求修正后的航道水深度，z为修正前的深度，γ和θ为融合算法输出的欧拉角。
[0025]
可选地，所述的主控模块测量水道深度的方法为：超声波每一轮测试时第一次测量深度使用频率为20-30khz，第二次测量深度使用频率为100-110khz，第三次测量深度使用频率为200-220khz，最后取三次测量的值的均值z为最终值。
[0026]
可选地，所述主控模块输出到所述led显示模块的数据包括：航道水深度、航行速度、航向角度、仰角和倾斜角。
[0027]
可选地，所述主控模块产生的超声波信号频率自适应变化，频率范围为：20khz到300khz。
[0028]
如上所述，本发明提供一种船舶用深度探测仪，具有以下有益效果：
[0029]
使用六轴陀螺仪姿态融合算法，有效修正了船舶航行时自身姿态而引起的误差；特别是在天气恶劣的情况，船舶航行时俯仰、倾斜角度较大，引起了更大的测量误差，而本发明提供的船舶用深度探测仪可以克服这个问题。
[0030]
由于航道水质、杂质、水温等因素对不同频率或者波长的超声波传播速度有影响，本发明提供的船舶用深度探测仪采用板载主控产生变频超声波变频，并采用三次变频求均值的方法可以有效克服航道水质问题引起的测量误差。本发明从两个测量误差主要因素入手，使本发明一种船舶用深度探测仪的误差精度达到厘米级，优于市面上大部分商品的精度。本发明的船舶用深度探测仪在不增加硬件成本的前提下，通过各模块的配合解决测量精度问题，可以有效减少生产成本。
附图说明
[0031]
图1为一实施例提供的一种船舶用深度探测仪示意图；
[0032]
图2为一实施例提供的一种船舶用深度探测仪工作流程示意图；
具体实施方式
[0033]
以下通过特定的具体实例说明本发明方法的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明方法的其他优点与功效。本发明方法还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明方法的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明方法的基本构想，遂图式中仅显示与本发明方法中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0035]
请参阅图1、2所示，本发明方法提供一种船舶用深度探测仪，包括：电源模块、主控模块、led显示模块、六轴传感器模块、换能器模块和超声波接收模块；
[0036]
所述电源模块用于为所述主控模块、led显示模块、六轴传感器模块、换能器模块和超声波接收模块提供电源；
[0037]
所述主控模块用于产生超声波信号、接收和分析超声波回波信号、采集所述六轴传感器模块的数据并计算出船舶航行姿态和航速，并通过超声波回波信号计算出水道深度，融合航行姿态和航速数据修正水道深度，最后将水道深度数据输出到所述led显示模块；
[0038]
所述六轴传感器模块用于测量三维空间的重力加速度和角速度并输出到所述主控模块；
[0039]
所述换能器模块用于发射超声波信号、接收超声波回波信号并将接收到的超声波回波信号输出到所述的主控模块；
[0040]
所述超声波接收模块用于接收来自换能器模块输出的超声波回波信号并放大、滤波和整形超声波回波信号。
[0041]
在一示例性实施例中，所述电源模块用于为所述主控模块、led显示模块、六轴传感器模块、换能器模块和超声波接收模块提供电源。所述电源模块与所述主控模块、所述led显示模块、所述六轴传感器模块、所述换能器模块和所述超声波接收模块连接。所述的主控模块与所述led显示模块、所述六轴传感器模块、所述换能器模块和所述超声波接收模块连接。所述主控模块的超声波水道深度测量算法为：其中z为所求深度，v为声波在水里的传播速度，t为超声波发射和回波接收的时间差。所述主控模块的航行姿态及航速融合算法为：
[0042]
q0＝-q1×gx-q2×gy-q3×gz
[0043]
q1＝q0×gx
q2×gz-q3×gy
[0044]
q2＝q0×gy-q1×gz
q3×gx
[0045]
q3＝q0×gz
q1×gy-q2×gx
[0046][0047]
其中g
x
，gy，gz为六轴陀螺仪输出的三个加速度分量，γ，θ，为所求的欧拉角，q0，q1，q2，q3为四元数。所述主控模块的修正算法为：d＝z
×
γ
×
θ，其中d就是所求修正后的航道水深度，z为修正前的深度，γ和θ为融合算法输出的欧拉角。所述的主控模块测量水道深度的方法为：超声波每一轮测试时第一次测量深度使用频率为20-30khz，第二次测量深度使用频率为100-110khz，第三次测量深度使用频率为200-220khz，最后取三次测量的值的均值z为最终值。所述主控模块输出到所述led显示模块的数据包括：航道水深度、航行速度、航向角度、仰角和倾斜角。所述主控模块产生的超声波信号频率自适应变化，频率范围为：20khz到300khz。
[0048]
在又一实施例中，所述主控模块在上电时初始化所述六轴传感器模块上的六轴传感器，并获得初始数据标记为船舶初始姿态。所述主控模块在初始化完成之后以20-30khz、100-110khz和200-220khz的频率依次开启pwm输出到所述换能器模块，同时监听所述超声波接收模块的反馈信号，依据公式计算水深度，其中z为所求深度，v为声波在水里的传播速度，t为超声波发射和回波接收的时间差，并分别求取20-30khz、100-110khz和200-220khz频率对应的z值求平均值。同时，所述主控模块获取所述六轴传感器模块上的六轴传感器数据，根据航速融合算法
[0049][0050]
计算得出当前船舰姿态欧拉角γ，θ，最后利用公式d＝z
×
γ
×
θ融合三组不同频率测量的水深平均值z得出最终水道深度值d。
[0051]
综上所述，本发明提供一种船舶用深度探测仪，具有以下有益效果：使用六轴陀螺仪姿态融合算法，有效修正了船舶航行时自身姿态而引起的误差；特别是在天气恶劣的情况，船舶航行时俯仰、倾斜角度较大，引起了更大的测量误差，而本发明提供一种船舶用深度探测仪可以克服这个问题。由于航道水质、杂质、水温等因素对不同频率或者波长的超声波传播速度有影响，本发明提供的一种船舶用深度探测仪采用板载主控产生变频超声波变频，并采用三次变频求均值的方法可以有效克服航道水质问题引起的测量误差。本发明从两个测量误差主要因素入手，使本发明一种船舶用深度探测仪的误差精度达到厘米级，由于世面上大部分商品的精度。本发明一种船舶用深度探测仪在不增加硬件成本的前提下，采用软件算法的方式解决测量精度问题，可以有效减少生产成本。
[0052]
上述实施例仅例示性说明本发明方法的原理及其功效，而非用于限制本发明方法。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明方法的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明方法所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明方法的权利要求所涵盖。