水下河床形态实时跟踪仪及河床形态测量方法

摘要

本发明公开了一种水下河床形态实时跟踪仪及河床形态测量方法，该跟踪仪包括上位机，与上位机连接的下位机，以及与下位机连接的河床形态采集装置。河床形态采集装置包括固定在跟踪仪壳体内的横向运动机构、纵向运动机构以及设置在纵向机构上的传感器。本跟踪仪能够快速精准地对水下河床形态进行自动化测量，同时该跟踪仪还具有结构合理简单、使用方便快捷、成本低、体积小等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下河床形态实时跟踪仪及河床形态测量方法。

背景技术

若在试验水槽的床面上铺上砂砾，则床面会在水流的作用下出现冲刷或淤积现象，这样的试验称为动床水槽试验。动床水槽试验主要用于模拟天然河流的河床演变过程，从而进行水沙运动理论的研究工作。因此，试验过程中的床面形态信息的提取显得尤为重要。实时地形的测量对设备要求较高，不但能够进行水下的作业，同时要测量迅速，达到较高精度，且不能够对床面造成明显的破坏。

传统的地形测量的设备是水准仪、测针、全站仪和RTK等，对室内光线有一定要求，需要消耗较多的人力进行逐点测量，标尺的刻度大小、光线和测绘人员的经验都会极大地影响测量精度，其误差可能达到数厘米。同时，测针或标尺需要接触河床，易对床面造成破坏。另外，全站仪和RTK等带有数据储存功能的半自动化设备，不能用于一定水深条件下的地形测量。因此，目前大多数的水槽试验无法实现地形的测量，只能进行试验结束后的地形测量。少数能够进行实时地形测量的设备，如声纳设备，主要用于海洋领域水下3维地形测绘，测量范围极大，但精度较低，误差无法控制在1cm以内；如精度较高的快速地形测量设备，通过图像进行解码和相位计算，其缺点在于无法进行一定水深条件下的地形测量；其他激光类设备，则体积庞大，需要特制轨道，且造价昂贵，维护费用高。

由于沙粒形态不规则，且沙粒之间存在孔隙，所以动床表面是粗糙的，故地形测量的精度达到沙粒大小的同量级即可满足科学研究的要求。在小型水槽试验条件下，例如水槽宽50cm，一般采用1cm左右粒径组成床沙，要求测量误差达到毫米级别。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下河床形态实时跟踪仪，其可以快速准确对水下河床进行自动化测量，且其在测量过程中不会对河床造成破坏。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水下河床形态实时跟踪仪，包括上位机，与上位机连接的下位机，以及与下位机连接的河床形态采集装置；河床形态采集装置包括固定在跟踪仪壳体内的横向运动机构和纵向运动机构；横向运动机构包括一水平设置在跟踪仪壳体内的横向丝杆，横向丝杆的一端连接有与下位机连接的第一步进电机；纵向运动机构包括一设置在横向丝杆上的固定架，以及纵向并排设置在固定架上的纵向导轨和纵向丝杆；纵向丝杆的顶部设有与下位机连接的第二步进电机；纵向丝杆通过连接件与纵向导轨连接；纵向丝杆上设有一个传感器支架，传感器支架的底部设有一个传感器；固定架上设有一个水平设置的水平导轨。

进一步地，横向丝杆通过第一联轴器与第一步进电机的电机轴连接，横向丝杆的两端分别通过一个第一轴承固定在跟踪仪壳体内。

进一步地，纵向丝杆的顶部通过第二联轴器与第二步进电机的电机轴连接，纵向丝杆的两端分别通过一个第二轴承固定在固定架上。

进一步地，传感器支架呈L形，其水平部活动连接在纵向丝杆上，其垂直部向下延伸，传感器固定在垂直部的底部。

进一步地，横向导轨的两端通过紧固件固定在跟踪仪壳体内。

进一步地，传感器为漫反射式激光对管传感器。

进一步地，传感器密封在一透明罩内。

一种采用上述水下河床形态实时跟踪仪对河床形态进行测量的方法，该方法包括以下步骤：

S1：下位机根据预设的步进控制命令控制横向运动机构和纵向运动机构带动传感器进行横向运动和纵向运动；传感器在运动过程中向河床发射激光信号，并接收返回的漫反射信号，同时将接收到的漫反射信号实时发送至下位机；

S2：下位机将接收到的漫反射信号与预设阈值进行比较，并根据比较结果确定传感器的高度，并根据传感器的高度信息计算得到河床的沙床高度值；下位机将河床的沙床高度值传送到上位机，上位机再将采集到的沙床高度值与其横向位置进行匹配，得到河床的控制断面的形态数据，再对所有控制断面的数据进行整合得到完整的河床形态，完成对河床形态的测量。

进一步地，步骤S1具体操作如下：

下位机根据预设的步进控制命令控制第一步进电机带动横向丝杆转动，横向丝杆再带动固定架沿横向导轨做横向的直线运动；下位机根据接收到的步进控制命令启动第二步进电机带动纵向丝杆转动，纵向丝杆再带动设置在纵向丝杆上的传感器沿纵向导轨作纵向的直线运动；传感器在运动过程中不断地向河床发射激光信号，并接收返回的漫反射信号，同时将接收到的漫反射信号实时发送至下位机。

进一步地，步骤S2包括以下步骤：

S21：下位机将接收到的漫反射信号与预设阈值进行比较；当下位机检测到接收到的漫反射信号与预设阈值相等时，即控制传感器停止运动，并根据传感器的高度信息确定当前河床的沙床高度值；下位机再将获取的河床的沙床高度值传送到上位机；

S22：下位机获取当前河床的沙床高度值后，再根据预设的步进控制命令启动纵向运动机构带动传感器垂直向上运动；再根据预设的步进控制命令启动横向运动机构带动传感器作横向运动；同时，传感器重复步骤S1对下一测量点进行测量；

S23：重复上述步骤S21和步骤S22直至整个河床控制断面的检测结束，上位机将接收到的各个测量点的沙床高度值与其横向位置进行匹配，得到河床控制断面的形态数据，再对所有控制断面的数据进行整合得到完整的河床形态，完成对河床形态的测量。

本发明的有益效果为：本跟踪仪能够快速精准地对水河床形态进行自动化测量，同时该跟踪仪还具有结构合理简单、使用方便快捷、成本低、体积小等优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

其中：1、下位机；2、上位机；3、第一步进电机；4、第一联轴器；5、横向丝杆；6、固定架；7、第二步进电机；8、轴承；9、紧固件；10、横向导轨；11、纵向丝杆；12、传感器支架；13、传感器；14、连接件；15、纵向导轨；16、第二联轴器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示的水下河床形态实时跟踪仪，包括上位机2，与上位机2连接的下位机1，以及与下位机1连接的河床形态采集装置。河床形态采集装置包括固定在跟踪仪壳体内的横向运动机构、纵向运动机构以及设置在纵向运动机构上的传感器13。

下面分别对各个组件进行详细描述：

其中，上述横向运动机构包括一水平设置的横向丝杆5，横向丝杆5的两端分别通过一个轴承8固定在跟踪仪壳体内。横向丝杆5通过第一联轴器4与第一步进电机3的电机轴连接。

上述纵向运动机构包括一设置在横向丝杆5上的固定架6，以及纵向并排设置在固定架6上的纵向导轨15和纵向丝杆11；其中，纵向丝杆11通过连接件14与纵向导轨15连接，纵向丝杆11的两端分别通过一个轴承8固定在固定架6上。纵向丝杆11的顶部通过第二联轴器16与第二步进电机7的电机轴连接。

固定架6上还设有与横向丝杆5相平行的横向导轨10，横向导轨10的两端通过紧固件9固定在跟踪仪壳体内，以防止固定架6在横向运动过程中出现旋转。

上述第一步进电机3和第二步进电机7分别与上述下位机1连接，工作过程中，上位机2通过向下位机1发送步进模式控制步进电机带动横向丝杆5转动，进一步带动固定架6沿横向导轨10做横向的直线运动；上位机2通过下位机1启动第二步进电机7带动纵向丝杆11转动，进一步带动设置在纵向丝杆11上的传感器13沿纵向导轨15作纵向的直线运动。并且，下位机1还可对纵向运动机构和横向运动机构的步进数据进行采集，并将采集到的步进数据发送至上位机2。此外，上位机2可根据测量对象的尺寸，灵活设定机构步进的步长。

本申请中采用的传感器13为漫反射式激光对管传感器，其通过一个传感器支架12固定在纵向丝杆11上，并且传感器13密封在一透明罩（未示出）内，透明罩起到防水的作用。在工作过程中，传感器13在垂直向下的直线运动过程中，不断向床面发射激光信号，并接受返回的漫反射信号，并且，随着距离床面的距离越来越短，漫反射信号会愈加强烈，从而实现沙床高度的检测。

上述传感器支架12呈L形，其水平部活动连接在纵向丝杆11上，其垂直部向下延伸，传感器13固定在垂直部的底部。

根据本申请的一个实施例，本申请还提供了一种采用上述水下河床形态实时跟踪仪对河床形态进行测量的方法，该方法包括以下步骤：

S1：下位机1根据预设的步进控制命令控制第一步进电机3带动横向丝杆5转动，横向丝杆5再带动固定架6沿横向导轨10做横向直线运动；下位机1根据预设的步进控制命令控制第二步进电机7带动纵向丝杆11转动，纵向丝杆11再带动设置在纵向丝杆11上的传感器13沿纵向导轨15作纵向的直线运动；传感器13在运动过程中不断地向河床发射激光信号，并接收返回的漫反射信号，同时将接收到的漫反射信号实时发送至下位机1。

S2：下位机1将接收到的漫反射信号与预设阈值进行比较，当下位机1检测到接收到的漫反射信号与预设阈值相等时，即控制传感器13停止运动，并根据传感器13的高度信息确定当前河床的沙床高度值；下位机1再将获取的河床的沙床高度值传送到上位机2；

S3：下位机1获取当前河床的沙床高度值后，首先根据预设的步进控制命令启动纵向运动机构带动传感器13垂直向上运动；再根据接预设的步进控制命令启动横向运动机构带动传感器13作横向运动；同时，传感器重复步骤S1对下一测量点进行测量；

S4：重复上述步骤S21和步骤S22直至整个河床控制断面的检测结束，上位机2将接收到的各个测量点的沙床高度值与其横向位置进行匹配，得到河床控制断面的形态数据，再对所有控制断面的数据进行整合得到完整的河床形态，完成对河床形态的测量。

综上，本跟踪仪能够快速精准地对水河床形态进行自动化测量，同时该跟踪仪还具有结构合理简单、使用方便快捷、成本低、体积小等优点。