無人機測流關鍵技術研究與應用

楊 俊 薛運宏 劉冠華

（河南省信陽水文水資源勘測局 信陽 464000）

1 引言

水文測流方式多用到纜道、ADCP 等接觸水體式的工具，需要人工進行操作，洪峰期間，水位漲幅大，漂浮物繁多，環境惡劣，無法保障測驗設備及人員的安全。隨著無人機技術的逐漸成熟，利用雷達波流速儀的特性，能解決傳統測流方式存在的問題。

2 無人機測流的原理及思路

2.1 工作原理

無人機測流系統的工作原理本質上運用了流速面積法，單位時間內，相鄰垂線間的斷面面積與流速的乘積，再將部分面積的流量求和，就是斷面總流量。

無人機測流搭載的雷達流速儀采用多普勒效應原理測流體表面流速。在聲學領域中，當聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運動時，回聲的頻率將有所變化，此種頻率的變化稱之為頻移，即多普勒效應。當雷達波流速儀與水體以相對速度 V 發生相對運動時，雷達波流速儀所收到的電磁波頻率與雷達自身所發出的電磁波頻率有所不同，此頻率差稱為多普勒頻移。通過計算多普勒頻移與流速的關系，得到流體表面流速。圖1為頻移圖。

圖 1 頻移圖

2.2 技術路線

以無人機為載體，裝載上雷達波流速儀，針對極端天氣的應急測流，保證測站人員的人身安全及當地財產安全，針對河流水面進行測速時，雷達波流速儀向水面發射微波，遇到水面波浪、水泡、漂浮物（被測移動目標物）后，微波將被吸收、反射，反射波的一部分被探頭接收，轉換成電信號，由測量電路處理并測出多普勒頻移，再根據上述原理即可計算出水體的流速。由于雷達波發射方向和水流的方向通常會有一定的角度，同時發射接收需要距離往返，故需要對上述結果進行修正。

3 無人機測流的特點及技術

3.1 定位精準

在無人機原有GPS 定位的基礎上，增設了RTK實時動態差分定位技術，可以將坐標精度達到厘米級。利用無人機上的加速度計、陀螺儀這兩種慣性元件，去分別測出飛行器的角運動信息和線運動信息，與初始姿態、初始航向、初始位置一起交給飛行控制系統，推算出飛機的位置坐標參數。

3.2 姿態平穩

在系統中，采用慣性導航系統、PID 算法等技術，對無人機在測流過程中，平穩懸停在垂線的斜上方起到重要作用，根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，然后利用偏差給出合理的控制量。

在工業過程中，連續控制系統的理想PID 控制規律為：

式中：Kp—比例增益，Kp與比例度成倒數關系；

Tt—積分時間常數；

TD—微分時間常數；

u（t）—PID 控制器的輸出信號；

e（t）—定值r（t）與測量值之差。

3.3 自動避障

在無人機機身加裝多個雷達，通過障礙反射回的聲波，轉換成電信號，反饋給飛行控制系統，懸停或繞開障礙物。

3.4 集成數傳圖像控制數據一體

提高集成度，減少了無人機作業時傳輸鏈路間的相互串擾，保證通信質量，增加通信距離。

3.5 電磁干擾防護

高強度電磁場會對無人機的慣性測量單元IMU、接收機、氣壓計、GPS 定位儀和磁羅盤等產生負面影響。為保證無人機與地面站的正常通信，可以在地面站遙控系統和機載端接收機之間加設信號中繼，通過放大控制信號保障無人機的穩定姿態飛行；在技術層面上可以采用自適應手段抑制高強度電磁場干擾，使無人機通信系統的信號能夠在空間、頻率和功率上適應高強度電磁場，達到雙重抗電磁干擾效果。

4 數據處理與計算

無人機測流確定河道流量測驗橫斷面位置，把測驗斷面的起點距、高程的基本數據存入地面站數據庫。并與無人機中的GPS 數據對標，以保證測流斷面內流速測點的垂線位置的確定。

測量斷面內垂線的表面流速，并根據當前水位計算得到部分斷面的平均流速和流量，再將各部分斷面的流量疊加，就得到整個斷面的流量。地面站中可同時結合飛行數據計算出河道的水面寬度、平均流速、平均水深、最大流速、最大水深、總歷時等水文數據。

4.1 水面寬及測速垂線坐標的確定

進行斷面流量測驗時，首先觀測輸入河道水位高程，通過GPS/RTK 技術與地面站數據庫中測驗斷面的河底高程數據進行擬合，確定河道左右兩岸水邊的起點距（位置）及坐標，其左右兩岸水邊的起點距之差，就是測驗斷面水體水面寬。

水面寬確定后，根據《河流流量測驗規范》確定本次流速測點數及測點位置（測流垂線坐標）。無人機根據垂線坐標進行垂線測點流速測量。

4.2 垂線間平均流速及面積

無人機測得流速為每根垂線表面流速，根據分析或經驗得來的垂線流速與水面流速的關系系數，把每根垂線表面流速轉換為垂線平均流速。

相鄰兩垂線流速的平均值為兩垂線間的部分面積的平均流速。

Vi=（Vmi-1+Vmi）α/ 2

式中：Vi—第i 部分斷面面積平均流速；

Vmi—第i 條垂線水面流速；

α—垂線流速與水面流速的轉換系數。

水位高程減垂線河底高程為垂線水深，相鄰兩垂線水深的平均值乘部分斷面寬為兩垂線間的部分面積。

Ai=（di-1+di）bi/ 2

式中：Ai—第i 部分面積；

i—測速垂線或測深垂線序號；

di—第i 條垂線的實際水深；

bi—第i 部分斷面寬。

4.3 流量

根據部分斷面平均流速，再乘部分面積，得出部分流量，將所有部分流量累加，即為斷面總流量。部分流量應按下式計算：

qi=ViAi

式中：qi—第i 部分流量。

式中：Q—斷面總流量。

5 技術創新點

5.1 剔除離群值算法

采用MAD 算法和百分位法共同作業于雷達波流速儀反饋回的所有數據中，通過篩選，剔除無效數據，保留有效數據并計算平均值。

5.1.1 MAD 算法

MAD 即Median Absolute Deviation，可翻譯為絕對中位值偏差。其大致思想是通過判斷每一個元素與中位值的偏差是否處于合理的范圍內來判斷該元素是否為離群值。具體方法如下：

（1）計算所有元素的中位值。

（2）計算所有元素與中位值的絕對偏差。

（3）取得絕對偏差的中位值，即MAD 值。

（4）對某一個數XI，確定參數n，則可以對所有的數據作如下調整：

5.1.2 百分位算法

百分位算法類似于比賽中“去掉幾個最高分，去掉幾個最低分”的做法，基本步驟如下：

（1）將數據值進行排序，一般用升序排序，這里排序函數可自定義。

（2）對排位百分位高于70%或排位百分位低于30%的數據值篩選。

在實際處理過程中，誤判問題是不可避免的，只能通過選擇恰當的方法盡量降低誤判發生的幾率。誤判問題存在有兩種，一種為以假當真，一種以真當假。以假為真是將異常值錯誤地保留下來，以假當真的例子：判斷公式受離群值的影響較大，可能將異常值判斷成非異常值。另外，離群值的數量超過1 時，會使得計算的標準偏差、平均值都受到影響，可能將離群值判定為非異常值。以真為假是將非異常值錯誤地剔除，以真當假的例子：處理數據時，預先“剔除”了被檢驗的離群值，這可能導致計算出來的標準偏差較小，從而使得一些位于界限處的離群值被錯誤地判斷為異常值。

剔除后的流速數值可有兩種方式進行插補：

（1）通過增加垂線上的測流歷時，將補測數據再通過算法計算，無效數據剔除，有效數據加入到整體數據庫中，進行計算平均值，計算流速。

（2）在無人機飛到垂線前1～3cm 時，雷達波流速儀開始準備工作，隨即開始測流，雖然準備時間短，但考慮到不用受外界影響過大時，提前進行數據的采集可以更好地收獲有效數據。優先判斷作業期間數據的置信度，若被判斷為缺少數據，則進行數據的插補并加入到數據庫中，進行運算。

5.2 朝向和云臺的協作控制

由于GPS 的定位精度不滿足于水文測流作業，特采用RTK 的數據，調出方向角，當無人機在航線中方向發生變化，反饋到飛行控制系統，實時調節，不再單一采用GPS 的經緯度進行辨別是否偏離航線，大大降低了飛行誤差，致使測流系統能穩定對準斷面。

采用三軸增穩云臺，通過平衡度測驗，在無人機有輕微晃動過程中，也能穩定保持測流角度。

6 改進方向

盡可能結合實際情況，參考各水文站水文監測資料，通過率定和比測，不斷提高無人機測流系統的測驗精度；同時，探索無人機巡測機制，可以解放人力，提高工作效率，有利于推動中小河流站點和無人值守站點的建設，從而有效擴大水文資料的收集范圍。

7 結語

無人機搭載雷達波流速儀實測流量，具有測驗設備不受風浪、漂浮物、水草、高含沙的影響。不依賴固定測流設施，不受地理因素約束，在遭遇超標準洪水，河水暴漲暴落，河堤決口、水庫潰壩等突發性災害性水患時，無人機測流能在保障監測人員財產安全前提下，高時效性、高可靠性完成水文監測任務，同時具備成本低、穩定性好、維護方便的特點。無人機測流在高洪及應急方面的顯著優勢，是對現有水文測驗方式的有益補充，提高了水文監測自動化體系能力■