一种适用于无人机的水质探头定深系统及方法与流程

本发明属于环境检测技术领域，更具体地，涉及一种适用于无人机的水质探头定深系统及方法。

背景技术：

水质检测的步骤之一便是采集水样，人工作业方式不便取到水下具有深度的水样，而对于工作人员无法靠近的取水地则无法进行取样，给水质检测带来极大不便。随着无人机技术的发展，在水质检测的取样过程中，采用无人机作为载具进行水质采样可以克服人工取样的以上缺陷。采用无人机进行水质取样通常采用无人机携带的线缆将无人机携带的探头或容器下放到取样点进行取水，或采用携带的水管将采集的水样抽取到无人机所携带的采样探头中以便带回实验室进行检测。然而，现有技术中尚未很好地实现传感探头或采样探头的定深。

一些现有的水质采样方案没有定深设计，完全不对水质探头沉入的深度进行控制，或者仅由人工感受水质探头沉入的深度，通过手动提放连接在水质探头上的长杆、线缆、绳索、链条、水管等部件对沉入深度进行调节，这种深度控制的误差大、波动大。

另有采用浮标对水质探头沉入深度进行控制，浮标与水质探头之间通过长度确定的线缆、绳索、链条等部件连接；虽然能够使水质探头沉入并稳定在确定的深度，但沉入深度不能灵活调节，尤其不能在作业过程中随时动态调节，并且由于水质探头与浮标之间有线缆、绳索、链条存在，现场作业或收纳保存时，容易发生打结、磨损等问题。另有采用浮标对水质探头沉入深度进行控制，浮标与水质探头之间通过金属弹簧、非金属弹簧或发条等弹性部件连接。入水后，水质探头下沉的拉力将弹性部件拉伸，当受力平衡后，水质探头即稳定在确定的深度。该方式中，收纳状态下的弹性部件收缩为较短的长度，虽然很大程度上避免了打结、磨损的问题，但同样不能灵活调节沉入深度，尤其不能在作业过程中随时动态调节。

另有由带有标尺的长杆、线缆、绳索、链条、水管等部件连接水质探头，由人工观察标尺的位置或数值来控制水质探头沉入的深度。该方式虽然能够在现场作业时灵活调节沉入的深度，但难以实现沉入深度的自动化控制与调节。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于无人机的水质探头定深系统及方法，其目的在于实现水质探头自动化定深控制与调节。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了适用于无人机的水质探头定深系统，包括搭载于无人机载荷上的挂索长度传感单元、高度探测器和挂索收放单元；

其中，挂索长度传感单元用于探测挂索放出的长度，高度探测器用于探测无人机的飞行高度；工作时，挂索附着于挂索收放单元，用于悬吊水质探头；挂索收放单元根据挂索长度传感单元与高度探测器的探测结果确定挂索应放长度并控制挂索的收放，使水质探头处于目标入水深度。

优选的，上述水质探头定深系统，挂索应放长度l＝h+ds-dd；

其中，ds为水质探头目标入水深度，dd为挂索收放单元的计算起点与高度探测器的测量起点之间的高度差；h为通过高度探测器获得的无人机飞行高度。

优选的，上述水质探头定深系统，其挂索长度传感单元采用霍尔磁传感器、红外传感器、光栅传感器、电感式传感器、电容式传感器、金属传感器中的一种或者几种。

优选的，上述水质探头定深系统，其高度探测器包括第一高度计和第二高度计；无人机载具距离水面的高度h＝αbd·hbd+αus·hus；

其中，hbd是第一高度计的高度测量结果，hus是第二高度计的高度测量结果；αbd和αus分别是第一高度计和第二高度计的权值，满足：

按照本发明的另一方面，提供了一种适用于无人机的水质探头定深方法，包括如下步骤：

采用实施例提供的水质探头定深系统进行定深的方法，包括如下步骤：

(1)通过高度探测器获取无人机载具距离水面的高度h；

(2)获取应放出的挂索长度l＝h+ds-dd；

其中，ds为水质探头目标入水深度，dd为挂索收放单元计算起点与高度探测器测量起点之间的高度差；

(3)根据应放出的挂索长度控制挂索的收放，使水质探头处于目标入水深度。

优选地，上述的水质探头定深方法，当水质探头目标入水深度、挂索收放单元计算起点与高度探测器测量起点之间的高度差或无人机载具距离水面的高度中的一个或几个发生变化，则进入步骤(2)更新应放出的挂索长度，并按照步骤(3)根据更新的挂索长度控制挂索收放。

优选地，上述的水质探头定深方法，无人机载具距离水面的高度h＝αbd·hbd+αus·hus；

其中，hbd是第一高度计的高度测量结果，hus是第二高度计的高度测量结果；αbd和αus分别是第一高度计和第二高度计的权值，满足：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的适用于无人机的水质探头定深系统及方法，解决了利用无人机进行水质探测或采集作业中的水质探头定深的问题，实现了水质探头的入水深度可控、可调，并且实现作业过程中的动态、自动调节。

(2)本发明提供的适用于无人机的水质探头定深系统，所采用的部件简单、轻巧，不会因为增加无人机负载而对飞行安全、能耗造成影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适用于无人机的水质探头定深系统的系统构成示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-水质探头、2-挂索、3-挂索收放单元、4-无人机、5-高度探测器、6-挂索收放单元计算起点、7-高度探测器测量起点、8-挂索长度传感单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1，实施例提供的适用于无人机的水质探头定深系统，包括搭载于无人机4载荷上的挂索收放单元3、挂索长度传感单元8、以及高度探测器5；

挂索收放单元3用于收起或放下挂索，挂索可以卷收卷放或折收折放；工作时，挂索2附着于挂索收放单元3，水质探头固定在挂索的末端；挂索可采用线缆、绳索、链条或水管。挂索长度传感单元8用于探测挂索下放的长度，可采用霍尔磁传感器、红外传感器、光栅传感器、电感式传感器、电容式传感器、金属传感器等中的一种或者几种的组合来探测。

高度探测器5用于对无人机的飞行高度进行探测。在一个实施例中采用gnss(全球导航卫星系统)设备(包括基于北斗、gps、glonass、galileo等定位系统的设备)、气压高度计、超声波高度计、激光高度计、红外高度计、微波高度计、毫米波高度计等高度测量部件中的一种或者几种的组合实现。

对于各高度探测器而言，无人机载具距离水面高度的探测末端均为水面，而不同高度探测器的探测起点不一定相同。譬如，gnss设备的探测起点是gnss天线所在的位置，而超声波高度计等高度传感器的探测起点是传感器自身所在的位置，通过对直接探测得到的高度加上或减去一个确定的值，使各高度探测器获得的高度值具有相同的探测起点。

实施例中，各高度探测器探测到的距离水面高度值为h1、h2、h3、……、hn，无人机载具距离水面的高度

αi满足以下两点：

αi的取值在作业过程中可实时调整。

采用实施例提供的水质探头定深系统进行定深的方法，包括如下步骤：

(1)通过高度探测器获取无人机载具距离水面的高度h；

在一个实施例中，高度探测器包括第一、第二两个高度计，分别为北斗卫星高度计和超声波高度计；北斗卫星高度计的高度测量结果是hbd，超声波高度计高度测量结果是hus；则高度h＝αbd·hbd+αus·hus；

式中，αbd和αus分别是北斗卫星高度计和超声波高度计的权值，满足：

离水面高度越高，超声波高度计探测结果的准确度越低、可信度越低，但系统对高度测量的精度的要求也越低；离水面高度越高，超声波高度计探测结果的准确度越高、可信度越高，系统对高度测量的精度的要求也越高。αus与h之间的关系为非正相关性，即h越低时，使用越大的αus；h越高时，使用越小的αus。

在有效监测范围内，单独的超声波高度计的探测精度优于单独的北斗卫星高度计；超声波高度计的高度检测有效范围为0.1m～10m，并且在有效监测范围内，距离越小，检测结果可信度越高。而北斗卫星高度计的高度检测有效范围为全空间有效，且检测结果可信度与高度无关。

该实施例中，

①在高度大于10m的情况下，取αus＝0，αbd＝1，使得无人机距离水面的高度探测值h完全依赖于北斗卫星高度计的探测结果。

②在高度为0.1m～10m的情况下，

取即高度越低，超声波高度计的探测结果所占权重越大。

而对于高度低于0.1m的情况，由于该高度范围是无人机作业的不安全高度，因此不予考虑。

(2)确定应放出的挂索的长度l＝h+ds-dd；

其中，ds为水质探头目标入水深度，dd为挂索收放单元计算起点6与高度探测器测量起点7之间的高度差，h为无人机载具距离水面的高度。

在一个实例中，水质探头入水目标深度ds为3米；挂索收放单元计算起点6与高度探测器测量起点7之间的高度差dd为0.5米；无人机载具距离水面的高度h为10米，挂索收放单元应该放出的绳索的长度l＝h+ds-dd，即为12.5米。

(3)通过挂索收放单元3对挂索2的收放进行控制，使水质探头处于目标入水深度。

当水质探头目标入水深度ds、挂索收放单元计算起点与高度探测器测量起点之间的高度差dd、无人机载具距离水面的高度h中的一者或几者发生变化，则进入步骤(2)重新计算应放出的挂索的长度l，并控制挂索收放，以调整水质探头入水深度，使其达到目标入水深度，实现定深采集和测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。