本發(fā)明涉及水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法。

背景技術(shù)：

水資源短缺和水質(zhì)污染是當今世界水環(huán)境面臨的兩大難題，越來越受到世界各地的重視和關(guān)注。而隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口快速增長，人類社會活動日益頻繁和企業(yè)規(guī)模不斷擴大，大量的生活污水、有機物、重金屬等有毒有害的污染物不斷進入河流湖泊，水體污染問題的日漸嚴重，許多水源遭到突發(fā)性或漸變性的水質(zhì)污染，特別是重大的突發(fā)性水污染事故給人類的生存及生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的災(zāi)難。對水環(huán)境進行持續(xù)、有效、快速的監(jiān)測是預(yù)防和治理水污染重要前提。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方式主要有采樣監(jiān)測、自動站監(jiān)測和移動監(jiān)測，隨著電子技術(shù)、計算機信息技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型水質(zhì)監(jiān)測方式，比如基于物聯(lián)網(wǎng)的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、便攜式移動水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、遙控式移動水質(zhì)快速監(jiān)測系統(tǒng)等。這些水質(zhì)監(jiān)測方式主要存在以下不足之處：需要大量人力干預(yù)、監(jiān)測周期長、工作強度大、成本高、監(jiān)測點位置固定、不能實時跟蹤水質(zhì)檢測裝置的狀態(tài)、水質(zhì)檢測裝置難以實現(xiàn)回收和更換、監(jiān)測范圍小等，因此難以及時反映水質(zhì)情況，尤其在偏遠地區(qū)的水域，更是加大了水質(zhì)監(jiān)測的難度、工作量和成本。

近年來，在電子與航空技術(shù)飛速發(fā)展的推動下，無人機技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，并且在其他技術(shù)領(lǐng)域中也得到了應(yīng)用，從而推動了其他技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，但是，在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中無人機技術(shù)還未得到廣泛的結(jié)合，因此本發(fā)明提供的一種基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法能夠有效提高水質(zhì)監(jiān)測的效率，解決現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測方式的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法，對水質(zhì)檢測裝置進行快速、準確定位、全方位的自動放置，并對監(jiān)測水域水質(zhì)進行長期的在線實時監(jiān)測，在需要回收或更換水質(zhì)檢測裝置時，能夠快速將水質(zhì)檢測裝置帶回指定地點。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法，其特征在于包括無人機、遠程控制器和地面監(jiān)測站，無人機裝載有無人機控制系統(tǒng)、無人機無線通訊系統(tǒng)、無人機定位系統(tǒng)、攝像頭、機載機械手、水質(zhì)檢測裝置、光電對準模塊，所述水質(zhì)檢測裝置包括吊環(huán)、光電對準標識、太陽能光伏板、電源系統(tǒng)模塊、裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊、裝置內(nèi)無線通信模塊、裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)、水質(zhì)檢測模塊、浮標、水質(zhì)進樣模塊。所述攝像頭、無人機定位系統(tǒng)、無人機無線通訊系統(tǒng)、光電對準模塊、機載機械手與無人機控制系統(tǒng)相連，所述水質(zhì)檢測裝置通過吊環(huán)與機載機械手相連，所述無人機控制系統(tǒng)通過無人機無線通訊系統(tǒng)與遠程控制器相連，所述空控制系統(tǒng)單元通過無線通信與地面監(jiān)測站相連。所述水質(zhì)檢測模塊、裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊、裝置內(nèi)無線通信模塊與裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)相連，吊環(huán)安裝在浮標的頂部，裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)、水質(zhì)檢測模塊、裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊、裝置內(nèi)無線通信模塊安裝在浮標內(nèi)，水質(zhì)進樣模塊安裝在浮標底部，并由不銹鋼包裹，太陽能光伏板安裝在浮標上表面，光電對準標識安裝在浮標的頂部表面，電源系統(tǒng)模塊等均為易更換模塊，水質(zhì)檢測裝置通過裝置內(nèi)無線通信模塊與地面監(jiān)測站相連。通過人工控制或程序自動控制無人機平臺，將水質(zhì)檢測裝置運載到目標水域進行投放或?qū)⑺|(zhì)檢測裝置回收至指定地點。

對目標水域進行水質(zhì)檢測時，通過無人機定位系統(tǒng)和攝像頭準確尋找目標水域，由無人機將水質(zhì)檢測裝置運到指定地點，通過遠程人工或程序自動控制進行投放；回收水質(zhì)檢測裝置或更換里面模塊時，通過無人機和水質(zhì)檢測裝置的定位數(shù)據(jù)，控制無人機飛行至裝置附近，再通過攝像頭和光電對準模塊使無人機查找到并抓取吊環(huán)，控制無人機飛行送至地面回收點。

所述光電對準模塊包括四個光電傳感器和一個超聲波傳感器，四個光電傳感器呈十字排列安裝，超聲波傳感器位于四個光電傳感器中間，所述光電對準標識為黑色十字形狀，選用對光電傳感器敏感材料，光電對準模塊和光電對準標識配合使用，用于水質(zhì)檢測裝置的回收時，使無人機上的機械手與吊環(huán)對準。

所述水質(zhì)檢測裝置可獨立浮在水面上，利用電源系統(tǒng)模塊供電，通過水質(zhì)進樣模塊采集水樣，并通過檢測機構(gòu)對水樣自動進行分析，同時把分析數(shù)據(jù)和自身狀態(tài)通過無線發(fā)送給地面監(jiān)測站，實現(xiàn)對水質(zhì)的在線檢測。

所述水質(zhì)檢測模塊根據(jù)任務(wù)需求搭載相應(yīng)類型的水質(zhì)傳感器或試劑，其中水質(zhì)傳感器或試劑類型包括PH值、氨氮含量、混濁度、綠藻酸含量、各類金屬離子、大腸桿菌含量、氧含量、有機化合物含量、酸根離子、電導(dǎo)率、水質(zhì)硬度、細菌含量。

所述電源系統(tǒng)模塊采用太陽能電池、蓄電池或干電池。根據(jù)任務(wù)和需求的不同，采用太陽能充電進行長期監(jiān)測，或采用可快速更換的電池模塊進行短期作業(yè)。

無人機無線通信模塊和吊艙內(nèi)無線通信模塊采用GPRS無線通信模塊、ZIGBEE無線通信模塊或WIFI無線通信模塊等無線通信模塊。

本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明利用無人機的快速、靈活、機動、適用環(huán)境范圍廣等特點，并結(jié)合機械手控制技術(shù)、遠程水質(zhì)檢測、定位系統(tǒng)、圖像處理技術(shù)、光電技術(shù)等技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)水域水質(zhì)檢測裝置進行投放和回收以及水域水質(zhì)在線實時監(jiān)測，能夠?qū)λ|(zhì)檢測裝置進行更換或再利用，不僅保證了檢測的精度和可靠性，又能節(jié)約資源，及時反映水質(zhì)的變化情況，為水環(huán)境保護和治理提供有力幫助。由于本發(fā)明涉及一種基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法使得水質(zhì)檢測裝置可移動布置，節(jié)省了固定水質(zhì)檢測站點數(shù)量，而且適用于各種環(huán)境，節(jié)約了成本、人力和物力資源以及時間，尤其適于偏遠地區(qū)大型湖泊水域水質(zhì)檢測，以及突發(fā)性環(huán)境水污染的應(yīng)急監(jiān)控。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明水質(zhì)檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖3是本發(fā)明水質(zhì)檢測裝置俯視圖。

附圖4是本發(fā)明機載光電對準裝置傳感器布局圖。

附圖5是本發(fā)明水質(zhì)檢測裝置系統(tǒng)框圖。

附圖中的標記：1-無人機，2-無人機控制系統(tǒng)，3-無人機無線通訊系統(tǒng)，4-無人機定位系統(tǒng)，5-攝像頭，6-機載機械手，7-水質(zhì)檢測裝置，8-光電對準模塊，9-遠程控制器，10-地面監(jiān)測站，7.1-吊環(huán)，7.2-光電對準標識，7.3-太陽能光伏板，7.4-電源系統(tǒng)模塊，7.5-裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊，7.6-裝置內(nèi)無線通信模塊，7.7-裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)，7.8-水質(zhì)檢測模塊，7.9-浮標，7.10-水質(zhì)進樣模塊，8.1-光電傳感器，8.2-超聲波傳感器。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

圖1和圖2分別為本發(fā)明基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法整體結(jié)構(gòu)示意圖和水質(zhì)檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖，基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法包括無人機1、遠程控制器9和地面監(jiān)測站10，無人機1裝載有無人機控制系統(tǒng)2、無人機無線通訊系統(tǒng)3、無人機定位系統(tǒng)4、攝像頭5、機載機械手6、水質(zhì)檢測裝置7、光電對準模塊8，所述水質(zhì)檢測裝置7包括吊環(huán)7.1、光電對準標識7.2、太陽能光伏板7.3、電源系統(tǒng)模塊7.4、裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊7.5、裝置內(nèi)無線通信模塊7.6、裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7、水質(zhì)檢測模塊7.8、浮標7.9、水質(zhì)進樣模塊7.10。所述攝像頭5、無人機定位系統(tǒng)4、無人機無線通訊系統(tǒng)3、光電對準模塊8、機載機械手6與無人機控制系統(tǒng)2相連，所述水質(zhì)檢測裝置7通過吊環(huán)7.1與機載機械手6相連，所述無人機控制系統(tǒng)2通過無人機無線通訊系統(tǒng)3與遠程控制器9相連，所述無人機控制系統(tǒng)2通過無線通信與地面監(jiān)測站10相連。所述水質(zhì)檢測模塊7.8、裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊7.5、裝置內(nèi)無線通信模塊7.6與裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7相連，吊環(huán)7.1安裝在浮標7.9的頂部，裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7、水質(zhì)檢測模塊7.8、裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊7.5、裝置內(nèi)無線通信模塊7.6安裝在浮標7.9內(nèi)，水質(zhì)進樣模塊7.10在浮標7.9底部，并由不銹鋼包裹，太陽能光伏板7.3安裝在浮標7.9上表面，光電對準標識7.2安裝在浮標7.9的頂部表面，電源系統(tǒng)模塊7.4等均為易更換模塊，水質(zhì)檢測裝置7通過裝置內(nèi)無線通信模塊7.6與地面監(jiān)測站10相連。通過人工控制或程序自動控制無人機1，將水質(zhì)檢測裝置7運載到目標水域進行投放或?qū)⑺|(zhì)檢測裝置7回收至指定地點。

無人機1是本發(fā)明基于無人機水質(zhì)在線檢測裝置的投放和回收方法的主要載體，采用多旋翼無人機1，根據(jù)水質(zhì)檢測裝置7重量和從水中抓取所需力大小的總和選擇無人機1的載重量，為確保無人機1的穩(wěn)定性和安全性，無人機1載重量需要大于水質(zhì)檢測裝置7重量和從水質(zhì)抓取所需力大小的總和，并有一定的冗余量。根據(jù)任務(wù)的需求，選擇無人機1的續(xù)航電量，并有一定的冗余量。

請一并參見圖3和圖4所示，光電對準模塊8包括四個光電傳感器8.1和一個超聲波傳感器8.2，四個光電傳感器8.1呈十字排列安裝，超聲波傳感器8.2位于四個光電傳感器8.1中間，光電對準標識7.2為黑色十字形狀，選用對光電傳感器8.1敏感材料，光電對準模塊8和光電對準標識7.2配合使用。當光電傳感器8.1正對著光電對準標識7.2時輸出高電平電信號，否則輸出低電平電信號，只有當四個光電傳感器8.1輸出都為高電平電信號時才判斷為對準，否則判斷為未對準，通過裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7通過掃描方式檢測各個光電傳感器8.1輸出的電信號判斷機載機械手6是否與吊環(huán)7.1對準。超聲波傳感器8.2用于檢測無人機1和水質(zhì)檢測裝置7的距離，得到與檢測距離相應(yīng)的高電平脈寬信號，通過裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7檢測超聲波傳感器8.2脈寬信號高電平的時間計算出距離。水質(zhì)檢測裝置7的需要回收時，使無人機1上的機載機械手6與吊環(huán)7.1對準，并且使無人機1飛行至合適的高度。

請一并參見圖5所示，裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7核心控制器使用STM32F103C8T6嵌入式芯片，具有32位機器指令和48管腳。裝置內(nèi)定位系統(tǒng)模塊7.5使用GPS模塊，通過串口通信方式與裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7相連。裝置內(nèi)無線通信模塊7.6使用GPRS無線通信模塊，通過串口通信方式與裝置內(nèi)單片機系統(tǒng)7.7相連。水質(zhì)檢測模塊7.8內(nèi)部搭載PH水質(zhì)檢測傳感器和氨氮檢測試劑，輸入端與水質(zhì)進樣模塊7.10相連，輸出端通過STM32F103C8T6單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器相連。電源系統(tǒng)模塊7.4采用太陽能電池，并通過太陽能光伏板7.3給太陽能電池充電，為水質(zhì)檢測裝置7系統(tǒng)長期供電，實現(xiàn)對水質(zhì)的長期監(jiān)測。水質(zhì)檢測裝置7可獨立漂浮于水面，通過水質(zhì)進樣模塊7.10獲取水樣，水質(zhì)檢測模塊7.8內(nèi)部PH水質(zhì)檢測傳感器和氨氮檢測試劑將水樣PH值和氨氮含量參數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的4-20mA標準電流信號，并通過電流轉(zhuǎn)電壓變換電路輸出相應(yīng)模擬電壓信號，再輸入到單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，有單片機程序自動實現(xiàn)對水樣的分析，得到水質(zhì)PH值和氨氮含量，同時把分析數(shù)據(jù)和自身狀態(tài)通過GPRS無線通信模塊發(fā)送給地面監(jiān)測站10。

需對目標水域進行水質(zhì)檢測時，對水質(zhì)檢測裝置7檢查無誤之后并打開電源開關(guān)，使其處于工作狀態(tài)，查看地面監(jiān)測站10，確認通訊正常和水質(zhì)檢測裝置7工作狀態(tài)正常后，無人機1通過機載機械手6裝載水質(zhì)檢測裝置7，通過無人機定位系統(tǒng)4和攝像頭5準確尋找到目標水域，由無人機1將水質(zhì)檢測裝置7運到指定地點，通過遠程人工或程序自動控制機載機械手6進行投放；需要回收水質(zhì)檢測裝置7或更換里面模塊時，通過無人機1和水質(zhì)檢測裝置7的定位數(shù)據(jù)，控制無人機1飛行至水質(zhì)檢測裝置7附近，通過攝像頭5進一步準確找到水質(zhì)檢測裝置7的位置，再利用光電對準模塊8使無人機1與水質(zhì)檢測裝置7對準，準確查找到水質(zhì)檢測裝置7上的吊環(huán)7.1，并控制機載機械手6抓取吊環(huán)7.1，控制無人機1飛行送至地面回收點。