一种应用于水利的超远距离智能化无人机测流系统的制作方法

本发明涉及一种流速测量系统，尤其涉及一种应用于水利的超远距离智能化无人机测流系统。

背景技术：

应用于水利测流的常见方法有缆道自动测流、声学多普勒流速测流和无人机机载流速仪测流。缆道测流是一种常见的测流方式，经过50多年的发展，技术设备较为成熟，其中全自动缆道测流系统测流精度可达到95～98％。该方法由人工一次性启动缆道测流装置后，可自动测量全断面测点流速和垂线水深，并自动计算出断面面积和流量。由于缆道测流的测量精度较高，且不需要进行率定，在系统工程中主要是用于不规则断面的流量测量，实现对主要测流断面的流量控制；声学多普勒流速测流是英文acousticdopplercurrentprofilers的简称，是利用声学多普勒原理进行研制的，是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测量设备，自1981年在美国诞生以来，随着技术不断进步和日益完善，已从海洋测量逐步应用于河流流量测量，测量精度也得到很大的提高。从最初的盲区1m以上，降低到所谓的“零盲区”，剖面单元缩小到目前的0.05～0.25m，使其在宽浅河流上的应用成为可能；无人机机载流速仪是通过无人机机装载流速仪进行水流测试的，通过遥控器手动控制无人机飞至固定地点进行流速测量。

上述三种水利测流方法均存在各自的缺点：缆道测流精度比较高，但需要架设过河缆道，施工量大，造价高，且测流周期较长，对航运有影响；声学多普勒测流需要在河道两岸安置设备和布设穿越河道线缆；无人机续航时间短，且需要手动遥控，操作难度大；水利及图像通信距离小于10km，无法实现超远距离通信，无法为应急抢险工作提供现场实时高清水利图像数据，人机交互复杂，手动操作居多，无法实现智能化。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于水利的超远距离智能化无人机测流系统，以规避现有的水利测流的缺点，实现流速高效、快速、低成本的测量。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种应用于水利的超远距离智能化无人机测流系统，包括人机交互子系统、地面端超远距离图数一体化通信子系统、天空端超远距离图数一体化通信子系统、无人机平台子系统、云台增稳测流子系统以及云台增稳图像视频采集子系统；所述人机交互子系统与地面端超远距离图数一体化通信子系统信号连接，所述地面端超远距离图数一体化通信子系统与天空端超远距离图数一体化通信子系统信号连接，所述天空端超远距离图数一体化通信子系统与无人机平台子系统信号连接，所述云台增稳测流子系统与无人机平台子系统挂载连接，与天空端超远距离图数一体化通信子系统信号连接，所述云台增稳图像视频采集子系统与无人机平台子系统挂载连接，与天空端超远距离图数一体化通信子系统信号连接。

进一步的，所述地面端超远距离图数一体化通信子系统与天空端超远距离图数一体化通信子系统之间通过cofdm无线通信进行信号连接。

进一步的，所述无人机平台子系统通过飞控系统与天空端超远距离图数一体化通信子系统信号连接。

进一步的，所述人机交互子系统包括地面站，所述无人机平台子系统包括无人机，所述云台增稳测流子系统包括流速仪，所述云台增稳图像视频采集子系统包括相机，所述地面站通过cofdm无线通信分别与飞控系统、流速仪和相机信号连接，所述飞控系统与无人机信号连接。

进一步的，所述流速仪采用雷达流速仪。

进一步的，所述地面站设置有跟踪天线技术和高增益定向天线。

进一步的，所述云台增稳测流子系统和云台增稳图像视频采集子系统均配置有增稳云台。

本发明的有益效果如下所述：一种应用于水利的超远距离智能化无人机测流系统，通过人机交互子系统进行无人机航线的设定，能够灵活配置水利采集点，实现对水利测量工作的灵活控制；通过为云台增稳测流子系统以及云台增稳图像视频采集子系统安装增稳云台，结合雷达流速仪的dsp技术及phytrack速度检测与跟踪算法，实现了低流速的测量；利用cofdm无线通信并结合地面站的跟踪天线技术实现超远距离的水利数据及图像视频数据的通信功能；人机交互子系统提供飞控、流速仪、云台及相机控制功能，并一体化呈现水利数据及应急图像数据。

附图说明

附图1为本发明的原理示意图；

附图2为本发明所述的采集监测点的原理示意图；

附图3为本发明所述的人机交互子系统的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1至3所述的一种应用于水利的超远距离智能化无人机测流系统，包括人机交互子系统1、地面端超远距离图数一体化通信子系统2、天空端超远距离图数一体化通信子系统3、无人机平台子系统4、云台增稳测流子系统5以及云台增稳图像视频采集子系统6；所述人机交互子系统1与地面端超远距离图数一体化通信子系统2信号连接，所述地面端超远距离图数一体化通信子系统2与天空端超远距离图数一体化通信子系统3信号连接，所述天空端超远距离图数一体化通信子系统3与无人机平台子系统4信号连接，所述云台增稳测流子系统5与无人机平台子系统4挂载连接，与天空端超远距离图数一体化通信子系统3信号连接，所述云台增稳图像视频采集子系统6与无人机平台子系统4挂载连接，与天空端超远距离图数一体化通信子系统3信号连接。

所述地面端超远距离图数一体化通信子系统位于底面端，所述天空端超远距离图数一体化通信子系统位于天空端。

所述地面端超远距离图数一体化通信子系统2与天空端超远距离图数一体化通信子系统3之间通过cofdm无线通信进行信号连接。

所述无人机平台子系统4通过飞控系统8与天空端超远距离图数一体化通信子系统3信号连接。

所述无人机平台子系统包括多旋翼或是固定旋翼的无人机9、飞控模块和供电模块，所述供电模块固定于多旋翼或是固定旋翼的无人机上，并与多旋翼或是固定旋翼的无人机电性连接，所述飞控模块用于连接地面和无人机，便于人机交互子系统通过地面端超远距离图数一体化通信子系统和天空端超远距离图数一体化通信子系统对无人机进行控制。

所述云台增稳测流子系统5包括增稳云台和流速仪10，所述流速仪采用雷达流速仪，由于雷达流速仪采用dsp技术和先进的phytrack速度检测与跟踪算法，是专门针对水体表面流速特征而开发的雷达波流速仪，因此被广泛应用于监测天然河流、明渠以及地下排污井的水流表面流速，并可结合水位计构成在线流量监测系统。雷达波流速仪提供高频次的采样速率和串行接口，因此并可侦测到小于0.2m/s以下的表面流速。对于较为平滑的水面，同样可以提供较好的数据稳定性。雷达流速仪提供垂直角度补偿，避免无人机在悬空测量过程中因姿态变化引起的测量误差，使用增稳平台能够控制雷达流速仪姿态的稳定性，无人机在工作过程中，增稳云台为雷达流速仪的提供稳定可靠的工作环境，硬件选用mcu。

所述云台增稳图像视频采集子系统6包括相机11和增稳平台，所述相机11可采用摄像头，所述增稳平台主要由三轴陀螺仪和三轴加速度传感器构成的imu反馈系统和伺服电机两部份组成，在支撑臂上分布有三个伺服电机，分别负责前后，左右，上下三个方向的旋转。使用云台来稳定摄像头的方向，以保持拍摄画面的清晰与稳定。

cofdm无线通信，功能包括遥控、数传及图传一体化，主要硬件fpga为基带。通信软件部分采用sdr技术，sdr是一种无线电广播通信技术，它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。

所述人机交互子系统设置有地面站12，所述地面站12通过cofdm无线通信分别与飞控系统8、流速仪10和相机11信号连接，所述飞控系统8与无人机9信号连接；具体的，流速仪通过串口的命令信息进行控制，相机可以用串口或者遥控接口进行信息控制。串口和遥控接口均为cofdm无线通信的接口。

飞控主要的硬件为无人机使用的飞控硬件，处理芯片为mcu，型号stm32。

地面站系统采用跟踪天线技术，高增益定向天线，自动追踪无人机位置信息后调节方位角，实现超远距离通信。

依靠本发明能够实现监测点的灵活采集，具体的采集方法：通过任务计划导入地面站软件中；提前预编制任务计划，输入采集点位置信息、采集时长及采集顺序等；地面站与地面端超远距离图数一体化通信子系统进行通信，地面端超远距离图数一体化通信子系统与天空端超远距离图数一体化通信子系统进行交互，天空端超远距离图数一体化通信子系统模块将任务信息发送至飞控。同时，在地面站中设置常用采集点、新增及删除采集点功能，以便在地面站中可随时进行任务计划修改、任务计划配置及任务计划结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。