一种基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法与流程

本发明涉及水质环境监测领域，具体涉及一种基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法。

背景技术：

水资源短缺和水质污染是当今世界水环境面临的两大难题，越来越受到世界各地的重视和关注。而随着经济的快速发展，人口快速增长，人类社会活动日益频繁和企业规模不断扩大，大量的生活污水、有机物、重金属等有毒有害的污染物不断进入河流湖泊，水体污染问题的日渐严重，许多水源遭到突发性或渐变性的水质污染，特别是重大的突发性水污染事故给人类的生存及生态环境带来了严重的灾难。对水环境进行持续、有效、快速的监测是预防和治理水污染重要前提。

传统的水质监测方式主要有采样监测、自动站监测和移动监测，随着电子技术、计算机信息技术和无线通信技术的发展，出现了多种新型水质监测方式，比如基于物联网的在线水质监测系统、便携式移动水质监测系统、遥控式移动水质快速监测系统等。这些水质监测方式主要存在以下不足之处：需要大量人力干预、监测周期长、工作强度大、成本高、监测点位置固定、不能实时跟踪水质检测装置的状态、水质检测装置难以实现回收和更换、监测范围小等，因此难以及时反映水质情况，尤其在偏远地区的水域，更是加大了水质监测的难度、工作量和成本。

近年来，在电子与航空技术飞速发展的推动下，无人机技术受到了广泛关注，并且在其他技术领域中也得到了应用，从而推动了其他技术领域的发展，但是，在水质环境监测领域中无人机技术还未得到广泛的结合，因此本发明提供的一种基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法能够有效提高水质监测的效率，解决现有水质监测方式的不足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法，对水质检测装置进行快速、准确定位、全方位的自动放置，并对监测水域水质进行长期的在线实时监测，在需要回收或更换水质检测装置时，能够快速将水质检测装置带回指定地点。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。

一种基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法，其特征在于包括无人机、远程控制器和地面监测站，无人机装载有无人机控制系统、无人机无线通讯系统、无人机定位系统、摄像头、机载机械手、水质检测装置、光电对准模块，所述水质检测装置包括吊环、光电对准标识、太阳能光伏板、电源系统模块、装置内定位系统模块、装置内无线通信模块、装置内单片机系统、水质检测模块、浮标、水质进样模块。所述摄像头、无人机定位系统、无人机无线通讯系统、光电对准模块、机载机械手与无人机控制系统相连，所述水质检测装置通过吊环与机载机械手相连，所述无人机控制系统通过无人机无线通讯系统与远程控制器相连，所述空控制系统单元通过无线通信与地面监测站相连。所述水质检测模块、装置内定位系统模块、装置内无线通信模块与装置内单片机系统相连，吊环安装在浮标的顶部，装置内单片机系统、水质检测模块、装置内定位系统模块、装置内无线通信模块安装在浮标内，水质进样模块安装在浮标底部，并由不锈钢包裹，太阳能光伏板安装在浮标上表面，光电对准标识安装在浮标的顶部表面，电源系统模块等均为易更换模块，水质检测装置通过装置内无线通信模块与地面监测站相连。通过人工控制或程序自动控制无人机平台，将水质检测装置运载到目标水域进行投放或将水质检测装置回收至指定地点。

对目标水域进行水质检测时，通过无人机定位系统和摄像头准确寻找目标水域，由无人机将水质检测装置运到指定地点，通过远程人工或程序自动控制进行投放；回收水质检测装置或更换里面模块时，通过无人机和水质检测装置的定位数据，控制无人机飞行至装置附近，再通过摄像头和光电对准模块使无人机查找到并抓取吊环，控制无人机飞行送至地面回收点。

所述光电对准模块包括四个光电传感器和一个超声波传感器，四个光电传感器呈十字排列安装，超声波传感器位于四个光电传感器中间，所述光电对准标识为黑色十字形状，选用对光电传感器敏感材料，光电对准模块和光电对准标识配合使用，用于水质检测装置的回收时，使无人机上的机械手与吊环对准。

所述水质检测装置可独立浮在水面上，利用电源系统模块供电，通过水质进样模块采集水样，并通过检测机构对水样自动进行分析，同时把分析数据和自身状态通过无线发送给地面监测站，实现对水质的在线检测。

所述水质检测模块根据任务需求搭载相应类型的水质传感器或试剂，其中水质传感器或试剂类型包括PH值、氨氮含量、混浊度、绿藻酸含量、各类金属离子、大肠杆菌含量、氧含量、有机化合物含量、酸根离子、电导率、水质硬度、细菌含量。

所述电源系统模块采用太阳能电池、蓄电池或干电池。根据任务和需求的不同，采用太阳能充电进行长期监测，或采用可快速更换的电池模块进行短期作业。

无人机无线通信模块和吊舱内无线通信模块采用GPRS无线通信模块、ZIGBEE无线通信模块或WIFI无线通信模块等无线通信模块。

本发明的优点是：本发明利用无人机的快速、灵活、机动、适用环境范围广等特点，并结合机械手控制技术、远程水质检测、定位系统、图像处理技术、光电技术等技术手段，能够实现水域水质检测装置进行投放和回收以及水域水质在线实时监测，能够对水质检测装置进行更换或再利用，不仅保证了检测的精度和可靠性，又能节约资源，及时反映水质的变化情况，为水环境保护和治理提供有力帮助。由于本发明涉及一种基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法使得水质检测装置可移动布置，节省了固定水质检测站点数量，而且适用于各种环境，节约了成本、人力和物力资源以及时间，尤其适于偏远地区大型湖泊水域水质检测，以及突发性环境水污染的应急监控。

附图说明

附图1是本发明整体结构示意图。

附图2是本发明水质检测装置结构示意图。

附图3是本发明水质检测装置俯视图。

附图4是本发明机载光电对准装置传感器布局图。

附图5是本发明水质检测装置系统框图。

附图中的标记：1-无人机，2-无人机控制系统，3-无人机无线通讯系统，4-无人机定位系统，5-摄像头，6-机载机械手，7-水质检测装置，8-光电对准模块，9-远程控制器，10-地面监测站，7.1-吊环，7.2-光电对准标识，7.3-太阳能光伏板，7.4-电源系统模块，7.5-装置内定位系统模块，7.6-装置内无线通信模块，7.7-装置内单片机系统，7.8-水质检测模块，7.9-浮标，7.10-水质进样模块，8.1-光电传感器，8.2-超声波传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1和图2分别为本发明基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法整体结构示意图和水质检测装置结构示意图，基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法包括无人机1、远程控制器9和地面监测站10，无人机1装载有无人机控制系统2、无人机无线通讯系统3、无人机定位系统4、摄像头5、机载机械手6、水质检测装置7、光电对准模块8，所述水质检测装置7包括吊环7.1、光电对准标识7.2、太阳能光伏板7.3、电源系统模块7.4、装置内定位系统模块7.5、装置内无线通信模块7.6、装置内单片机系统7.7、水质检测模块7.8、浮标7.9、水质进样模块7.10。所述摄像头5、无人机定位系统4、无人机无线通讯系统3、光电对准模块8、机载机械手6与无人机控制系统2相连，所述水质检测装置7通过吊环7.1与机载机械手6相连，所述无人机控制系统2通过无人机无线通讯系统3与远程控制器9相连，所述无人机控制系统2通过无线通信与地面监测站10相连。所述水质检测模块7.8、装置内定位系统模块7.5、装置内无线通信模块7.6与装置内单片机系统7.7相连，吊环7.1安装在浮标7.9的顶部，装置内单片机系统7.7、水质检测模块7.8、装置内定位系统模块7.5、装置内无线通信模块7.6安装在浮标7.9内，水质进样模块7.10在浮标7.9底部，并由不锈钢包裹，太阳能光伏板7.3安装在浮标7.9上表面，光电对准标识7.2安装在浮标7.9的顶部表面，电源系统模块7.4等均为易更换模块，水质检测装置7通过装置内无线通信模块7.6与地面监测站10相连。通过人工控制或程序自动控制无人机1，将水质检测装置7运载到目标水域进行投放或将水质检测装置7回收至指定地点。

无人机1是本发明基于无人机水质在线检测装置的投放和回收方法的主要载体，采用多旋翼无人机1，根据水质检测装置7重量和从水中抓取所需力大小的总和选择无人机1的载重量，为确保无人机1的稳定性和安全性，无人机1载重量需要大于水质检测装置7重量和从水质抓取所需力大小的总和，并有一定的冗余量。根据任务的需求，选择无人机1的续航电量，并有一定的冗余量。

请一并参见图3和图4所示，光电对准模块8包括四个光电传感器8.1和一个超声波传感器8.2，四个光电传感器8.1呈十字排列安装，超声波传感器8.2位于四个光电传感器8.1中间，光电对准标识7.2为黑色十字形状，选用对光电传感器8.1敏感材料，光电对准模块8和光电对准标识7.2配合使用。当光电传感器8.1正对着光电对准标识7.2时输出高电平电信号，否则输出低电平电信号，只有当四个光电传感器8.1输出都为高电平电信号时才判断为对准，否则判断为未对准，通过装置内单片机系统7.7通过扫描方式检测各个光电传感器8.1输出的电信号判断机载机械手6是否与吊环7.1对准。超声波传感器8.2用于检测无人机1和水质检测装置7的距离，得到与检测距离相应的高电平脉宽信号，通过装置内单片机系统7.7检测超声波传感器8.2脉宽信号高电平的时间计算出距离。水质检测装置7的需要回收时，使无人机1上的机载机械手6与吊环7.1对准，并且使无人机1飞行至合适的高度。

请一并参见图5所示，装置内单片机系统7.7核心控制器使用STM32F103C8T6嵌入式芯片，具有32位机器指令和48管脚。装置内定位系统模块7.5使用GPS模块，通过串口通信方式与装置内单片机系统7.7相连。装置内无线通信模块7.6使用GPRS无线通信模块，通过串口通信方式与装置内单片机系统7.7相连。水质检测模块7.8内部搭载PH水质检测传感器和氨氮检测试剂，输入端与水质进样模块7.10相连，输出端通过STM32F103C8T6单片机内部A/D转换器相连。电源系统模块7.4采用太阳能电池，并通过太阳能光伏板7.3给太阳能电池充电，为水质检测装置7系统长期供电，实现对水质的长期监测。水质检测装置7可独立漂浮于水面，通过水质进样模块7.10获取水样，水质检测模块7.8内部PH水质检测传感器和氨氮检测试剂将水样PH值和氨氮含量参数转换为相应的4-20mA标准电流信号，并通过电流转电压变换电路输出相应模拟电压信号，再输入到单片机内部A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号，有单片机程序自动实现对水样的分析，得到水质PH值和氨氮含量，同时把分析数据和自身状态通过GPRS无线通信模块发送给地面监测站10。

需对目标水域进行水质检测时，对水质检测装置7检查无误之后并打开电源开关，使其处于工作状态，查看地面监测站10，确认通讯正常和水质检测装置7工作状态正常后，无人机1通过机载机械手6装载水质检测装置7，通过无人机定位系统4和摄像头5准确寻找到目标水域，由无人机1将水质检测装置7运到指定地点，通过远程人工或程序自动控制机载机械手6进行投放；需要回收水质检测装置7或更换里面模块时，通过无人机1和水质检测装置7的定位数据，控制无人机1飞行至水质检测装置7附近，通过摄像头5进一步准确找到水质检测装置7的位置，再利用光电对准模块8使无人机1与水质检测装置7对准，准确查找到水质检测装置7上的吊环7.1，并控制机载机械手6抓取吊环7.1，控制无人机1飞行送至地面回收点。