CN108106881A - 一种载有三维扫描系统的水质监测无人机及采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载有三维扫描系统的水质监测无人机及采样方法，该无人机包括：无人机本体和分别安装在无人机本体上的中央控制器、三维扫描系统以及采样系统；中央控制器分别连接三维扫描系统和采样系统；中央控制器根据三维扫描系统获得的点云数据和图像数据，确定待采集水域的坐标参数，根据预设的采集指令，确定采集指令中包含的采集点坐标参数，控制无人机前往采集点，并控制采样系统进行采集作业。本发明设计的无人机自动导航到指定地点进行水样的采集，整个采样过程高效省时，无需人为干预，极大的提高了采样的效率和广度。
Description
技术领域
本发明涉及水质采样设备和无人机技术领域，特别涉及一种载有三维扫描系统的水质监测无人机及采样方法。
背景技术
随着科技的迅猛发展和受人类活动的影响，近年来，环境污染问题越来越严峻，人们也越加关注环境污染问题；环境治理也已提上国家日程。目前雾霾、臭氧等大气污染环境问题刻不容缓，严重危害人们和动物的身体健康；而水资源污染也越来越严重，近半数水资源已受到严重污染。目前市面上的传统环境监测手法还远远达不到我们的要求
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种载有三维扫描系统的水质监测无人机及采样方法。
第一方面，本发明实施例提供一种载有三维扫描系统的水质监测无人机，包括：无人机本体和分别安装在无人机本体上的中央控制器、三维扫描系统以及采样系统；
所述中央控制器分别连接所述三维扫描系统和采样系统；
所述三维扫描系统安装在所述无人机本体下方的一侧，用于移动扫描无人机飞行的下方区域，得到待采集水域的点云数据和图像数据；
所述采样系统安装在所述无人机本体下方的另一侧，包括：电机、绳缆和采样器；所述电机的输出轴设有联轴器和与联轴器连接的卷轴器，所述绳缆缠绕在卷轴器上，所述绳缆的一端连接所述采样器；所述中央控制器连接所述电机；
所述中央控制器根据所述点云数据和图像数据，确定待采集水域的坐标参数，根据预设的采集指令，确定采集指令中包含的采集点坐标参数，控制所述无人机前往采集点进行采集作业。
在一个实施例中，所述三维扫描系统包括：数字影像系统和定位定向系统；
所述数字影像系统包括激光扫描仪和CCD相机；
所述定位定向系统包括GPS系统和惯性导航系统。
在一个实施例中，所述CCD 相机与所述中央控制器连接，所述CCD 相机用于采集待测水域的色差纹理数据。
在一个实施例中，所述CCD 相机的摄像头为转轴式摄像头。
在一个实施例中，所述采样器上设有液位传感器，所述液位传感器将采集的数据通过无线网络发送给所述中央控制器。
在一个实施例中，所述采样器为颠倒采水器或卡盖式采水器。
第二方面，本发明实施例提供一种采集水样的方法，使用如上述实施例中任一项所述的无人机采集水样。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的上述一种载有三维扫描系统的水质监测无人机、本发明设计的无人机自动导航到指定地点进行水样的采集，整个采样过程高效省时，无需人为干预，极大的提高了采样的效率和广度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的载有三维扫描系统的水质监测无人机的结构框图；
图2为本发明实施例提供的三维扫描系统的结构框图。
具体实施方式
下下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供的载有三维扫描系统的水质监测无人机，参照图1所示，其包括：
无人机本体和分别安装在无人机本体上的中央控制器、三维扫描系统以及采样系统；
上述中央控制器分别连接三维扫描系统和采样系统；
具体地，三维扫描系统安装在无人机本体下方的一侧，用于移动扫描无人机飞行的下方区域，得到待采集水域的点云数据和图像数据；
采样系统可安装在无人机本体下方的另一侧，比如包括：电机、绳缆和采样器；其中电机的输出轴设有联轴器和与联轴器连接的卷轴器，上述绳缆缠绕在卷轴器上，绳缆的一端连接采样器；且中央控制器连接该电机；
本实施例中，中央控制器根据上述点云数据和图像数据，确定待采集水域的坐标参数，根据预设的采集指令，确定采集指令中包含的采集点坐标参数，控制无人机前往采集点进行采集作业。此无人机用于水质监测，采集水样，可以很好的代替了人工采样的传统方式，有效提高了水质监测采样的效率，大大减少了人力物力的支出，高效、快捷、便利的解决了偏远和恶劣环境下的取样问题。
在本发明实施例中，本无人机可以采用市面上常见的四、六旋翼无人机，利用多旋翼无人机飞行稳定，易于操作，动作灵活等优势，并且可以用于悬停。比如无人机可采用11.2V、3300mAh锂电池作为提供动力的能源，也可以搭载光伏板，采用太阳能为无人机提供动力。可根据采样的环境，将其设计的飞行时间在25~60min之间，可负载1kg-3kg的重物。
该无人机在工作时，根据匹配的位置信息点，飞行到湖中央上空后，比如在距湖面以上两米空中，采样系统4根据中央控制器发出的指令，开始工作，下放采样器进行取水。
在一个实施例中，参照图2所示，三维扫描系统包括：数字影像系统和定位定向系统；数字影像系统包括激光扫描仪和CCD相机；定位定向系统包括GPS系统和惯性导航系统。
本实施例中，上述激光扫描仪的激光发射方向垂直于无人机且水平射向无人机前进方向的右侧；该激光扫描仪为采集待测物体除移动载体行进方向(Y 轴) 外的另外两个方向(X、Z) 方向的数据，包括采集点坐标和空间大地坐标等数据。
定位定向系统，其包括相互连接的GPS 系统和INS惯性导航系统，可将上述INS惯性导航系统设置于激光扫描仪的左侧，上述GPS 系统用于采集无人机的地理坐标信息，惯性导航系统用于采集无人机的姿态数据和加速度数据等。
进一步地上述GPS系统包括设置在无人机本体上的移动站GPS和设置在其他固定地点的基站GPS。移动站GPS通过有线或无线通信链路与中央控制器连接，移动站GPS接收基站GPS发射的卫星差分改正信号，确定自身的位置信息，其中基站GPS，也可以是移动或联通的通信基站。
进一步地，CCD 相机与中央控制器连接，CCD 相机用于采集待测水域的色差纹理数据。CCD 相机又可以称为CCD图像传感器，CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
比如水域颜色较深，或呈红色及其他颜色时，将其列为重点监测水域，反馈给中央控制器，可进行水质采样。
进一步地，CCD 相机的摄像头为转轴式摄像头。
在一个实施例中，上述采样器可以为颠倒采水器或卡盖式采水器；颠倒采水器又称为南森采水器（Nansen bottle）是采集预定深度的水样和固定颠倒温度表的器具；总长65厘米，容积约1升，两端各有活门，由弹簧调节松紧，各用杠杆与同一根连杆连接，使两个活门可同时启开或关闭，采水器配置了两支颠倒温度计。采水器上端装有释放器，它包括撞击开关和挡片。采水器下端固定在钢丝绳上，上端利用挡片扣在钢丝绳上，钢丝绳穿过一个重锤的孔。
将钢丝绳将采水器系放入水中，这时两端的活门因采水器的重力同时打开，水可自由出入。到达预定的深度后，在水面将重锤释放，自由下降的重锤将释放器上的撞击开关撞开，这时挡片也被移开，不再扣住钢丝绳，采水器上端脱开绳子倒转180°，这时采水器的重力使两端的活门同时关闭。
如果按一定距离在同一根钢丝绳上装设若干个采水器成串放入水中，则当第一个采水器上端的挡片移开而颠倒后，重锤将继续自由下落，撞在第一个采水器下端固定架的小杠杆上，使其下配置的第二个重锤沿钢丝绳自由下落，到一定距离后撞在第二个采水器上端的撞击开关上，如此继续下去，可在一次系放过程中采取不同深度的若干个水样，同时测定了各水样所在水层的水温。采用该采水器，其结构简单，工作可靠，使用方便，附在采水器上的两支颠倒温度表随同采水器颠倒，记录采水时的温度，通过两支表的读数，还可以估算采水时的深度。
还比如采用卡盖式采水器，通过绳索将采水器（两端卡盖打开）放入水中，入水后水流将贯穿瓶体，待沉入指定深度后，下放使锤令卡盖关闭，封闭水样。将采水器提出水面，至此完成采样过程。
本公开实施例对采用何种采水器不做限定，比如还可以将采水器设计成底部和顶部开口，在采水器内部低端开口处设有止回阀，采集器在下沉过程中水是从采集器底部进入采集器的，达预定采样深度后，所有之前进入采集器内的水都将被预定深度上的水所置换，因此在下沉过程中不存在污染之说。上升过程采集器底部和头部全部自动密封，从而使上升过程也不存在污染之说。
进一步地，可在上述采集器上设置有液位传感器，上述液位传感器将采集的数据通过无线网络发送给中央控制器。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种采集水样的方法，使用如上述实施例任一项的无人机采集水样。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种载有三维扫描系统的水质监测无人机，其特征在于，包括：无人机本体和分别安装在无人机本体上的中央控制器、三维扫描系统以及采样系统；
所述中央控制器分别连接所述三维扫描系统和采样系统；
所述三维扫描系统安装在所述无人机本体下方的一侧，用于移动扫描无人机飞行的下方区域，得到待采集水域的点云数据和图像数据；
所述采样系统安装在所述无人机本体下方的另一侧，包括：电机、绳缆和采样器；所述电机的输出轴设有联轴器和与联轴器连接的卷轴器，所述绳缆缠绕在卷轴器上，所述绳缆的一端连接所述采样器；所述中央控制器连接所述电机；
所述中央控制器根据所述点云数据和图像数据，确定待采集水域的坐标参数，根据预设的采集指令，确定采集指令中包含的采集点坐标参数，控制所述无人机前往采集点进行采集作业。
2.如权利要求1所述的载有三维扫描系统的水质监测无人机，其特征在于，所述三维扫描系统包括：数字影像系统和定位定向系统；
所述数字影像系统包括激光扫描仪和CCD相机；
所述定位定向系统包括GPS系统和惯性导航系统。
3.如权利要求1所述的载有三维扫描系统的水质监测无人机，其特征在于，所述CCD 相机与所述中央控制器连接，所述CCD 相机用于采集待测水域的色差纹理数据。
4.如权利要求1所述的载有三维扫描系统的水质监测无人机，其特征在于，所述CCD 相机的摄像头为转轴式摄像头。
5.如权利要求1所述的载有三维扫描系统的水质监测无人机，其特征在于，所述采样器上设有液位传感器，所述液位传感器将采集的数据通过无线网络发送给所述中央控制器。
6.如权利要求1所述的载有三维扫描系统的水质监测无人机，其特征在于，所述采样器为颠倒采水器或卡盖式采水器。
7.一种采集水样的方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的无人机采集水样。
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