专利汇可以提供基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法及系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及基于卡尔曼滤波 算法 判断铅鱼完全入 水 的方法及系统,属于水文检测装备技术领域。本发明包括步骤:利用卡尔曼滤波算法对铅鱼的 姿态 数据进行处理得到相对于铅鱼垂直轴的倾斜 角 ;根据压 力 传感器 得到的压力数值计算得到此时 压力传感器 所在 位置 的水深值;根据相对于铅鱼垂直轴的倾斜角和压力传感器所在位置的水深值,利用卡尔曼滤波算法修 正压 力传感器所在位置的水深值;如果修正后所得的水深值大于等于压力传感器与铅鱼自带的 转子 流速仪的高度差时,且水面 开关 传感器输出入水 信号 ,则判断铅鱼完全入水。本发明能达到精确检测铅鱼完全入水的目的,从而能在天然河道中更精确实现水深测量及测流过程的准确控制。,下面是基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法及系统专利的具体信息内容。
1.基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法,其特征在于:所述方法的具体步骤如下:
Step1、利用三轴陀螺仪配合三轴加速度计测量铅鱼的姿态数据;
Step2、利用卡尔曼滤波算法对铅鱼的姿态数据进行处理得到相对于铅鱼垂直轴的倾斜角,即翻滚角γ和俯仰角β;
Step3、根据压力传感器得到的压力数值计算得到此时压力传感器所在位置的水深值;
Step4、根据相对于铅鱼垂直轴的倾斜角和压力传感器所在位置的水深值,利用卡尔曼滤波算法修正压力传感器所在位置的水深值;
Step5、判断修正后的压力传感器所在位置的水深值是否大于等于压力传感器与铅鱼自带的转子流速仪的高度差;
如果修正后所得的水深值大于等于压力传感器与铅鱼自带的转子流速仪的高度差时,且水面开关传感器输出入水信号,则判断铅鱼完全入水;否则循环Step1-Step5。
2.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法,其特征在于:
所述Step2中:
在加速度修正子系统中,利用卡尔曼滤波算法对测量得到铅鱼的姿态数据进行最优估计,得到相对于铅鱼垂直轴的倾斜角,即翻滚角γ和俯仰角β。
3.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法,其特征在于:
所述步骤Step2的具体步骤如下:
Step2.1、基于卡尔曼滤波算法建立线性系统状态方程、观测方程;
其中,在加速度修正子系统中,基于卡尔曼滤波算法建立线性系统状态方程、观测方程分别如公式(1)、(2):
x1(n)=A1x1(n-1)+w1(n) (1)
z1(n)=H1(n)x1(n)+v1(n) (2)
x1(n)是加速度修正子系统n时刻的状态向量,采用三轴加速度计坐标(即铅鱼坐标)重力矢量来表示,具体为x1(n)=[x1,x x1,y x1,z]T,其通过上一时刻的x1(n-1)迭代得到,x1(n-
1)是其n-1时刻的状态向量,A1是状态转移矩阵,w1(n)是过程噪声,v1(n)为测量噪声,w1(n)~N(0,Q1),v1(n)~N(0,R1)服从高斯分布,Q1,R1加速度修正子系统的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵,H1(n)是3×3的观测矩阵,z1(n)是三轴加速度计测量向量,即观测目标,是通过三轴加速度计得到的三个方向的加速度数值;
其中,
A1=I3-ΔtyG(n-1) (3)
yG(n-1)是3×3的三轴陀螺仪测量的斜对称矩阵,I3是3×3的单位矩阵,Δt测量的间隔时间,g为重力矢量;
H1(n)=gI3 (5)
Step2.2、基于Step2.1所建立的利用系统状态方程,利用状态方程中的n-1时刻的状态向量去预测n时刻的状态向量,得到状态向量的预测优化值;
Step2.3、通过状态向量的预测优化值计算得到相对于铅鱼垂直轴的倾斜角,即翻滚角γ和俯仰角β,由公式(6)得到:
4.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法,其特征在于:
所述步骤Step4的具体步骤如下:
Step4.1、在压力传感器测水位系统中,基于卡尔曼滤波算法建立线性系统状态方程、观测方程;
其中,在压力传感器测水位系统中,基于卡尔曼滤波算法建立线性系统状态方程、观测方程分别如公式(7)、(8):
x2(n)=A2x2(n-1)+B2u2(n)+w2(n) (7)
z2(n)=H2(n)x2(n)+v2(n) (8)
x2(n)是压力传感器测水位系统n时刻的状态向量,x2(n)=[h(n) v(n)]T,两项分别是所得到的水深值及垂直速度,x2(n-1)是压力传感器测水位系统n-1时刻的状态向量,A2是压力传感器的状态转移矩阵,由式(9)得到,其中Δt表示测量的间隔时间:
B2是输入控制矩阵,由式(10)得到:
u2(n)=([0 0 1])·(Rγ,βa+(n-1)) (11)
B2u2(n)是由Step2中加速度修正子系统提供的翻滚角γ和俯仰角β乘积作为压力传感器测水位系统中的加速度垂直分量,用于修正压力传感器所得到的压力值,从而准确输出铅鱼的水下高度;w2(n)是2×1的过程噪声向量,a+(n-1)是重力补偿的加速度;加速度修正子系统是X、Y、Z三轴方向的,压力传感器测水位系统是垂直方向的,将加速度修正子系统中的Z轴与压力传感器测水位系统对齐,对齐过程中的旋转矩阵即为Rγ,β;
其中,z2(n)是Step3得到的压力传感器所在位置的水深值,H2(n)是观测矩阵,H2(n)x2(n)得到由修正后压力传感器所测压力数据计算出的水深值,v2(n)为压力传感器的测量噪声;其中,H2(n)=[1 0];
Step4.2、基于Step4.1所建立的利用系统状态方程,利用状态方程中的n-1时刻的状态向量去预测n时刻的状态向量,得到状态向量的预测优化值;因为压力传感器测水位系统n时刻的状态向量x2(n)分采用的分别是所得到的水深值及垂直速度,那么状态向量的预测优化值包含了优化后的水深值及垂直速度;
Step4.3、取状态向量的预测优化值中的水深值即为修正后的压力传感器所在位置的水深值。
5.根据权利要求3所述的基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法,其特征在于:
所述步骤Step2.2的具体步骤如下:
基于Step2.1所建立的利用系统状态方程,利用状态方程中的n-1时刻的状态向量去预测n时刻的状态向量,得到状态预测方程:
其中, 是n-1时刻x1(n)的预测值, 是n-1时刻x1(n-1)的预测
值;
首先求取卡尔曼增益系数K1(n)及n-1时刻加速度修正子系统预测的n时刻最小均方误差矩阵P1(n|n-1),其具体过程如公式(14)、(15)、(16)所示,
P1(n|n-1)=A1P1(n-1|n-1)A1T+Q1(n) (14)
K1(n)=P1(n|n-1)H1T(n)[R1(n)+H1(n)P1(n|n-1)H1T(n)]1- (15)
其中P1(n-1|n-1)是n-1时刻的最小均方误差矩阵,Q1(n)和R1(n)为加速度修正子系统的过程和测量噪声协方差矩阵;
2
Q1(n)=-Δtx1(n)∑Gx1(n) (16)
R1(n)=Σacc+∑A (17)
其中,∑G是三轴陀螺仪测量噪声的协方差,σG2是陀螺仪测量噪声的方差,∑A是加速度计测量噪声的协方差,σA2是三轴加速度计测量噪声的方差,可由式(18)、(19)得到;
T 2
∑G=E[nGnG]=σGI3 (18)
ΣA=E[nAnAT]=σA2I3 (19)
然后,通过状态预测方程对状态向量进行预测更新:
P1(n|n)=[I3-K1(n)H1(n)]P1(n|n-1) (21)
其中,P1(n|n)是n时刻加速度修正子系统的最小均方误差矩阵。
6.根据权利要求4所述的基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的方法,其特征在于:
所述步骤Step4.2的具体步骤如下:
基于Step4.1所建立的利用系统状态方程,利用状态方程中的n-1时刻的状态向量去预测n时刻的状态向量,得到状态预测方程:
其中, 是n-1时刻x2(n)的预测值, 是n-1时刻x2(n-1)的预测
值;
首先求取卡尔曼增益系数K2(n)及n-1时刻压力传感器测水位系统预测的n时刻最小均方误差矩阵P2(n|n-1):
P2(n|n-1)=A2P2(n-1|n-1)A2T+Q2(n) (23)
K2(n)=P2(n|n-1)H2T(n)[R2+H2(n)P2(n|n-1)H2T(n)]-1 (24)
其中P2(n-1|n-1)是n-1时刻的最小均方误差矩阵,Q2(n)为压力传感器测水位系统的过程噪声协方差矩阵,R2是压力传感器测水位系统的测量噪声协方差, 是大气压力带来的压力传感器的噪声;
然后,通过状态预测方程对状态向量进行预测更新:
P2(n|n)=[I3-K2(n)H2(n)]P2(n|n-1) (27)
其中,P2(n|n)是n时刻压力传感器测水位系统的最小均方误差矩阵。
7.基于卡尔曼滤波算法判断铅鱼完全入水的系统,其特征在于:包括压力传感器、加速度修正子系统、压力传感器测水位系统、三轴陀螺仪、三轴加速度计、水面开关传感器、CPU、无线传输模块、上位机;
所述压力传感器设置在铅鱼底部用于测量其所在位置的压力值;
所述三轴陀螺仪、三轴加速度计用于测量测量铅鱼的姿态数据;
所述水面开关传感器设置在铅鱼的顶部,位于首尾两端,当两个水面开关传感器同时入水,则输出入水入水信号;
所述加速度修正子系统用于利用卡尔曼滤波算法对铅鱼的姿态数据进行处理得到相对于铅鱼垂直轴的倾斜角,即翻滚角γ和俯仰角β;
所述压力传感器测水位系统用于根据压力传感器得到的压力数值计算得到此时压力传感器所在位置的水深值;还用于根据相对于铅鱼垂直轴的倾斜角和压力传感器所在位置的水深值,利用卡尔曼滤波算法修正压力传感器所在位置的水深值;
所述CPU用于判断修正后的压力传感器所在位置的水深值是否大于等于压力传感器与铅鱼自带的转子流速仪的高度差;如果修正后所得的水深值大于等于压力传感器与铅鱼自带的转子流速仪的高度差时,且水面开关传感器输出入水信号,则判断铅鱼完全入水;否则重新获取修正后的压力传感器所在位置的水深值再进行判断;
所述无线传输模块用于把CPU中铅鱼是否完全入水的信号发送给上位机。
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