一种基于无人机的水质采样方法及系统与流程

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种基于无人机的水质采样方法及系统。

背景技术：

环境监测是环境管理的重要组成部分，是环境保护工作最为重要的基础性和前沿性工作。其中，水质监测是环境监测中最重要的部分，要真实地反映水质污染状况，必须监测具有代表性的水样，传统的方法是开船到水质取样点进行抽取，不仅耗费人力、物力和时间，而且容易破坏水质取样点的原有环境，使水样失去代表性。

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器，被广泛应用于航拍、监测、搜救、资源勘查、农业等各个领域，但在无人机水质采样方面的应用技术还不成熟。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供一种基于无人机的水质采样方法及系统，克服了现有技术中存在的取样浪费人力、耗费时间长、且取样环境容易被破坏、导致的水样不具代表性的问题。

为了达到上述技术效果，本发明包括以下技术方案：

一种基于无人机的水质采样方法，所述无人机上设有水样采集装置，包括如下步骤：

1）无人机起飞升至预先设定的航路飞行高度处；

2）基于航路飞行高度飞至采样点上方；

3）无人机由采样点上方降落至预先设定的悬停高度处；

4）控制所述水样采集装置采样；

5）采样任务完成，无人机返航或飞至下一采样点。

进一步地，所述步骤2）具体包括：

所述无人机根据预先所获取的采样点的地理位置信息飞向采样点；

在飞向采样点的过程中实时计算与采样点所在位置的水平距离；

判定是否飞至采样点上空，若已飞至采样点上空，则由采样点上空开始降落至预先设定的距离水面的悬停高度处；否之，继续实时获取距离采样点的水平距离。

进一步地，所述无人机距离水面的距离通过设置于无人机上的超声波传感器获取。

进一步地，所述若无人机已飞至采样点上空，则由采样点上空降落至预先设定的距离水面的悬停高度处具体为：

所述无人机由采样点上空以速度降落，并实时判断是否已降落至第一预定高度处；

若已降落至第一预定高度处，则以速度降落（<），直至降落至悬停高度处；

若未降落至第一预定高度处，则继续以降落。

进一步地，所述超声波传感器在获取无人机距离水面高度的过程中，实时将测得的原始高度数据发送至远程控制中心进行处理并得到精确的高度测量数据。

进一步地，所述将超声波传感器所测得的原始高度数据处理后得到精确的高度数据方法为：

将实时获取的连续10个原始高度数据由小到大进行排序；

取排序后的前三个数据或后三个数据进行求平均值；

然后采用一阶低通滤波获得精确的高度数据。

另外，本发明还提供了一种基于无人机的水质采样系统，包括地面站、无人机、安装于无人机上的升降装置以及与所述升降装置连接的水质采样装置；所述无人机上设置有飞行控制模块、导航定位系统、超声波传感器和视频传感器，所述升降装置、水质采样装置、导航定位系统、超声波传感器以及视频传感器均与所述飞行控制模块连接；所述飞行控制模块与地面站无线通信。

进一步地，所述水质采样装置包括采样箱，所述采样箱与所述升降装置连接且采样箱内设有多个采样组，每个采样组由采样瓶、采水管、采水电动阀、液位传感器和采水泵组成，所述采水电动阀和采水泵设置在采水管上，所述采水管的一端连接在采样瓶内，另一端向下伸出采样箱，所述液位传感器设置于采样瓶内的近瓶口端，所述采水电动阀、液位传感器和采水泵均与所述飞行控制模块连接。

进一步地，所述升降装置包括底座、通过轴杆转动设置在底座上的卷线轮、卷绕在所述卷线轮上的牵拉绳以及用于转动所述卷线轮的驱动电机，所述驱动电机通过离合器与所述轴杆连接，所述驱动电机与所述飞行控制模块连接。

进一步地，所述飞行控制模块通过3g网络、4g网络、5g网络、wifi中的一种与地面站通信连接。

采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明所提供的基于无人机的水质采样方法及系统，将水质采样装置设置在无人机上，利用无人机机动灵活、采集范围广的优势，极大地提高了采样效率，节省了人力，操作方便，确保了所采集的水样具有代表性，确保实验的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的水质采样方法流程图；

图2为本发明实施例2所提供的水质采样方法流程图；

图3为本发明实施例所提供的水质采样系统的结构框图；

图4为本发明实施例所提供的无人机结构示意图。

图中，

1、无人机；2、驱动电机；3、离合器；4、卷线轮；5、轴杆；6、底座；7、超声波传感器；8、牵拉绳；9、采样瓶；10、液位传感器；11、采水泵；12、采水电动阀；13、飞行控制模块；14、升降装置；15、视觉传感器；16、超声波传感器；17、导航定位系统；18、水质采样装置；19、地面站；20、采水管；21、采样箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例：

参阅图3和4，本实施例1提供了一种基于无人机的水质采样系统，包括地面站19、无人机1、安装于无人机1上的升降装置14以及与所述升降装置14连接的水质采样装置18；无人机1上设置有飞行控制模块13、导航定位系统17、超声波传感器16和视频传感器15，升降装置14、水质采样装置18、超声波传感器16、导航定位系统17以及视频传感器15均与所述飞行控制模块13连接；飞行控制模块13与地面站19无线通信。

无人机是整个水质采样系统的载体，本实施例中，无人机可以选用多旋翼无人机，飞行控制模块13是无人机的行动中枢，其稳定性决定着无人机整个飞行过程的安全性，其上搭载惯性测量单元、导航定位系统等，主要执行无人机的飞行姿态计算、飞行航线控制、飞行数据反馈，以及在飞行过程中执行相关的飞行任务；无人机上设置有机载端数传模块，地面站设有地面端数传模块，所述机载端数传模块与地面端数传模块用于实现无人机与地面站间的无线通信和数据传输；

本实施例中，升降装置14用于控制水质采样装置18相对无人机升降，视频传感器15能够实施水面摄像，并传输至地面站19，通过照片、视频和监测数据全方面掌握采样水域处的水质状况。

本实施例中，所述水质采样装置18包括采样箱21，所述采样箱21与所述升降装置连接且采样箱21内设有多个采样组，每个采集点自动选用其中一采样组进行采样，换至下一采样点时，采用另一未使用的采用组采样。

每个采样组由采样瓶9、采水管20、采水电动阀12、液位传感器10和采水泵11组成，所述采水电动阀12和采水泵11设置在采水管20上，所述采水管20的一端连接在采样瓶9内，另一端向下伸出采样箱，所述液位传感器10设置于采样瓶9内的近瓶口端，所述采水电动阀12、液位传感器10和采水泵11均与所述飞行控制模块13连接。采水管20伸入水面下，在采水泵11的作用下将水样采入采样瓶9，当液位传感器10测得所采集水样已达到规定量时，发送信号给飞行控制模块13，飞行控制模块13控制升降装置14工作，将采样瓶9向上拉收。

升降装置14包括底座6、通过轴杆5转动设置在底座6上的卷线轮4、卷绕在所述卷线轮4上的牵拉绳8以及用于转动所述卷线轮4的驱动电机2，所述驱动电机2通过离合器3与所述轴杆5连接，所述驱动电机2与所述飞行控制模块13连接。驱动电机2带动卷线轮4转动，从而使得采样瓶9得以上升或下降。

本实施例中，所述飞行控制模块通过3g网络、4g网络、5g网络、wifi中的一种与地面站通信连接。

本发明实施例二，在实施例一的基础上，提供了一种基于无人机的水质采样方法，参阅图1，所述无人机上设有水样采集装置18，包括如下步骤：

s101、无人机起飞升至预先设定的航路飞行高度处；

进行水质采样前，在地面站19上加载高清卫星地图，可以在地图上选取一个或多个采样点，针对每个采样点可以设置属性参数，例如悬停高度以及任务点属性，所述任务点属性为：任务完成后，无人机1可以选择返航、爬升至一定高度悬停或继续飞往下一个采样点。选取采样点及设置对应采样点的属性参数后，建立地面站19与无人机1的无线通信连接关系，将采样点的位置信息以及属性参数信息发送至无人机1的飞行控制模块13内。

在控制无人机飞至航路飞行高度之前，先将遥控器切换到gps模式，解锁油门推到中立点，无人机会自动起飞至提前设置好的悬停高度进行悬停，操作者可以通过地面站观察飞机的震动值大小、gps信号强弱、电机情况、姿态角稳定情况等，从而来保证飞机进入任务前的健康状况。确定飞机状况良好之后，地面站点击继续，无人机上升至用户设定的航路飞行高度。

s102、基于航路飞行高度飞至欲采样点上方；

无人机上设置有导航定位系统，能够定位当前位置，可以根据当前位置以及所接收到的采样点的位置信息，自主飞至欲采样点上方，本实施例中，无人机先爬升到预定的航路飞行高度，水平飞至欲采样点上空，有利于节省飞行时间，控制飞行的稳定性。

s103、无人机由采样点上方降落至预先设定的悬停高度处；

当无人机飞至采样点上空，导航定位系统定位到采集点的位置，无人机自主降落直至悬停高度处。

s104、控制所述水样采集装置采样；

当无人机降落至悬停高度处，驱动电机工作，带动卷线轮转动，水样采集装置下降，水样采集装置中的采水管伸入到水中，采水电动阀和采水泵打开，进行采样，将水泵如采样瓶内，当液位传感器测得采样瓶中水达到既定量时，关闭采水电动阀和采水泵，升降装置将水样采集装置提升至无人机。

s105、采样任务完成，无人机返航或飞至下一采样点。

该采样点的采样任务完成后，无人机可以根据事先设定的任务属性，自动选择返航或者根据当前位置信息和预先存储的下一采样点位置信息飞至下一采样点。

本发明实施例三，在实施例二的基础上，提供了一种基于无人机的

水质采样方法，参阅图4，进一步包括以下步骤：

s201、无人机起飞升至预先设定的航路飞行高度处；

s202、基于航路飞行高度飞至欲采样点上方；

所述无人机根据预先所获取的采样点的地理位置信息飞向采样点；

在飞向采样点的过程中实时计算与采样点所在位置的水平距离；

判定是否飞至采样点上空，若已飞至采样点上空，则由采样点上空开始降落至预先设定的距离水面的悬停高度；否之，继续实时获取距离采样点的水平距离。

s203、无人机由采样点上方降落至预先设定的悬停高度处；

所述无人机距离水面的距离通过设置于无人机上的超声波传感器获取。若无人机已飞至采样点上空，开启超声波传感器，所述无人机由采样点上空以速度降落，并实时判断是否降落至第一预定高度处；

若降落至第一预定高度处，则以速度降落（<），直至降落至悬停高度处；

若未降落至第一预定高度处，则继续以降落。

当无人机在距离悬停高度处较远时，即未到第一预定高度处时，以较大的速度降落，当达到第一预定高度处时，则以较小速度减小z轴方向的高度设定值，以较小速度接近悬停高度，一方面能够提高采水效率，另一方面避免在接近悬停高度处时，由于速度较大而降落至悬停高度以下。

当无人机在距离水面的悬停高度处悬停时，超声波传感器实时检测距离水平面的距离，如果gps信号变弱，出现高度变化不稳定的现象，无人机会利用超声波传感器测量的高度进行自动调节，具体为：

当超声波传感器检测出无人机距离水面的高度大于第二预定高度（悬停高度<第二预定高度<第一预定高度），逐渐减小下一个目标点的高度，维持无人机在悬停高度附近；当超声波传感器检测出无人机距离水面的高度小于第三预定高度（第三预定高度<悬停高度），则逐渐增加下一个目标点的高度，维持无人机在悬停高度附近。

实际使用中，测量距离的传感器有红外雷达、激光雷达、毫米波雷达、视觉传感器、超声波传感器；这些传感器各有优缺点：激光雷达精度高，但是价格昂贵；毫米波雷达受制于波长，探测效果欠佳；红外雷达在水面上易被吸收，体现不出差别；视觉传感器相对来说，技术实现较为复杂；低成本超声波传感器虽然测量距离很短，但是经济实惠，如果只应用于水面上测量高度，是可以适用的。

但是，由于低成本超声波传感器所出来的数据会有很多无效数据，所以是不能直接使用原始数据，而需要对原始数据进行一定的处理，所述超声波传感器在获取无人机距离水面距离的过程中，实时将测得的原始高度数据发送至远程控制中心进行处理并得到精确的高度测量数据。

其处理的步骤如下:

无人机在降落过程中，每隔50hz采集超声波传感器所测量的超声波原始数据并传送到地面站，观测超声波原始数据的野值（波动较大的测量值）是向上跳还是向下跳动，即观察超声波原始数据的变化规律，如果超声波的野值是向上跳动的，那么按照如下的策略对原始的超声波数据进行处理：将实时获取的10个原始高度数据由小到达进行排序；取排序后的后三个数据（较小的三个数据）进行求平均值；然后采用一阶低通滤波获得精确的高度数据。

如果观测超声波原始数据的野值向下跳动，则取排序后的10个原始数据中的前三个数据（较大的前三个数据）进行求平均值，然后采用一低通滤波获得精确的高度数据。

通过以上处理过程得到的超声波数据会更加接近真实值，去掉了很多无用的野值，使得高度测量更加精确，实现了利用低成本超声波传感器测量高度，节省成本。

s204、控制所述水样采集装置采样；

当无人机停留在悬停高度处时，开始进行水质采集，提前在采样瓶内设置采样刻度，由于采样瓶内安装有液位传感器，当抽取的水质达到预设的刻度时，液位传感器传感器就会触发一个pwm信号，并将pwm信号传给飞行控制模块，飞行控制模块控制关闭采水电动阀和采水泵，并启动驱动电机，驱动电机带动升降装置，将水样采集装置提升。

s205、采样任务完成，无人机返航或飞至下一采样点。

无人机采集完水样之后，会飞至预先设定的航路飞行高度，然后根据属性设置的任务，确定飞机是悬停、飞往下一个采水点还是自主返航。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。