CN108170165A - 一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统，包括垂直起降固定翼无人机平台和地面站接收与智能终端，所述垂直起降固定翼无人机平台包括FPV传输模块、无线数据传输模块和图像采集处理模块，所述图像采集处理模块采集待测水域的图像信息并分别传输给FPV传输模块、无线数据传输模块。本发明的有益效果是：1、以无人机为平台的检测方法能够最充分结合无人机高机动性、高灵活性的优势，最大化发挥仪器检测的能力，为水质检测提供了一种新颖且可靠、实际的方案。2、基于远距离图像传输技术和图像处理技术的及时水质检测提高了水质检测的效率和相关部门的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种水质监测系统，具体是一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统。
背景技术
水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水（江、河、湖、海和地下水）及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等；另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。为客观的评价江河和海洋水质的状况，除上述监测项目外，有时需进行流速和流量的测定。主要监测方式有化学法、电化学法、原子吸收分光光度法、离子选择电极法、离子色谱法、气相色谱法、等离子体发射光谱（ICP—AES）法等。其中，离子选择电极法（定性、定量）、化学法（重量法、容量滴定法和分光光度法）在国内外水质常规监测中还普遍被采用。这些监测方式都需要监测人员到待测区域进行复杂的取样，过程复杂，耗时耗力，不利于快速实时监测水质。
传统方式的水质检测，检测人员取水样之后需返回实验室进行物理化学分析。此过程有以下缺点：
⑴无法实时检测水体物理化学性质，如果水样达不到实验检测要求，还要返回取水点重新取水，浪费时间。
⑵对于一些只需检测蓝藻、浊度等特定水质性质的水域，返回实验室检测，太过于大张旗鼓，严重浪费实验室有限的资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统，包括垂直起降固定翼无人机平台和地面站接收与智能终端，所述垂直起降固定翼无人机平台包括FPV传输模块、无线数据传输模块和图像采集处理模块，所述图像采集处理模块采集待测水域的图像信息并分别传输给FPV传输模块、无线数据传输模块，FPV传输模块通过微波传输技术将图像信息传输给地面站接收与智能终端，无线数据传输模块通过GPS 和 GPRS 天线连接地面站接收与智能终端。
作为本发明的进一步技术方案：所述图像采集处理模块由X5S云台相机和Arduino单片机组成。
作为本发明的进一步技术方案：所述无线数据传输模块主要由Arduino和GSM网络模块构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、以无人机为平台的检测方法能够最充分结合无人机高机动性、高灵活性的优势，最大化发挥仪器检测的能力，为水质检测提供了一种新颖且可靠、实际的方案。
2、基于远距离图像传输技术和图像处理技术的及时水质检测提高了水质检测的效率和相关部门的工作效率。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图2为中级电源电路的电路图。
图3为指示灯电路的电路图。
图4为GPRS和GPS天线电路图。
图5为SIM卡接口电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1-5，一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统，包括垂直起降固定翼无人机平台和地面站接收与智能终端，所述垂直起降固定翼无人机平台包括FPV传输模块、无线数据传输模块和图像采集处理模块，所述图像采集处理模块采集待测水域的图像信息并分别传输给FPV传输模块、无线数据传输模块，FPV传输模块通过微波传输技术将图像信息传输给地面站接收与智能终端，无线数据传输模块通过GPS 和 GPRS 天线连接地面站接收与智能终端。图像采集处理模块由X5S云台相机和Arduino单片机组成。无线数据传输模块主要由Arduino和GSM网络模块构成。
本发明的工作原理是：本系统是运用禅思X5S云台相机拍摄到水质的图像信息，通用无线分组业务，利用现有的GSM网络进行水质图像信息的实时回传到地面站相关设备的分析终端同时进行上传云端工作，由云端来进一步处理分析，并下载信息到信息终端进行更为直观的比较分析，从而能够更迅捷且准确的得出相应结论，进行更仔细的污染物信息提取和更精确的污染程度分析。
图像采集处理模块主要由禅思X5S云台相机和Arduino单片机组成，能够做到对待测水域进行全方位的实时具有可选择性的高清拍摄，并进一步将完整图像数据传输给无线数据传输模块。无线数据传输模块主要由Arduino和GSM网络模块构成，能够将图像数据实时上传至云端，进行进一步的处理分析。地面站接收与智能终端部分由无人机控制系统和地面站图像分析终端构成，实现实时对无人机的FPV飞行控制、对采集图像的污染物信息提取和对比云端提供的水质对比信息。
可据水质取样需求，在任一时刻任意地点实施即时水质监测，通过无人机平台所携带的禅思X5S云台相机采集待测水域的高清图像信息，并通过无线数据传输模块上传至云计算平台初步处理，然后传输到图像分析终端，实现检测速度及时，检测成本低廉，检测信息可靠，检测更加自由的目的。
本项目所采用的无人机为自主设计研发的垂直起降固定翼无人机，采用固定翼结合四旋翼的复合翼布局形式，以简单可靠的方式解决了固定翼无人机垂直起降的难题,兼具固定翼无人机航时长、速度高、距离远的特点和旋翼无人机垂直起降的功能。操控者可在地面通过2.4G遥控器，以及地面站进行实时操作控制无人机的飞行姿态。
1.从整体构造方面来看，此次用于水质检测的无人机采用双发、单垂尾、大翼展的气动布局。整个机体设计大方、结构简约、实用性强，可以满足该项目巡航时间长、精准的路线航行、长久平稳悬停及高速长距离航行等特殊功能的要求。机头高KV值电机配合大翼展，充分保证了飞机平飞时的升力要求。四个独立垂面桨相互之间构成菱形，在垂起垂降过程中发力工作，能够保证飞机以最大载荷起飞的要求。
2.在材料方面，我们采用了碳棒、KT板、碳布、树脂、层板、桐木来对飞行器进行构造加工成形和强度加强处理。其中大部分机体采用KT板构型，辅以碳棒、碳布和树脂进行加工加固处理，从而最大程度减少成本、降低重量、延长续航时间，以获得最优的经济性、巡航性和实用性。
3.飞行器的动力部分由两部分组成，分别是位于双侧机翼位置的提供巡航动力的主动力系统和位于机侧提供起降动力的辅助动力系统。其中主动力系统由高KV值电机配合大桨通过特殊设计结构嵌入机翼之中，在巡航时提供主要动力和升力，保证了飞行器的高机动性性能。辅助动力系统在起降过程中充分发挥其方位优势，将飞行器及其携带的摄像系统、信息回传系统等拉起升空。这种设计非常恰当的结合了多旋翼飞行器和固定翼飞行器的优势，集两者的优势与一身，实现了燃料经济性、续航稳定安全性的互补。
（二）垂直起降固定翼无人机飞行控制系统设计
1.该项目的无人机搭载MP 101V飞行控制系统，可实现快速起飞、平稳悬停、精准巡航、安全降落等功能。该种型号的飞控是专门化的垂直起降固定翼无人机研制的低成本、工业级飞控与导航系统.MP 101V在设计时充分考虑了垂直起降固定翼飞行器的特殊的工作模式和独有的气动布局，具有可定制的应急处理能力（包含电压过低、GPS卫星丢失、数据链超时、手动指令超时、高度过低、高度过高等常规的应急处理设置）
2.MP 101V飞控集成了高精度的MEMS惯性传感器和高性能的中央处理器。支持全自动航线飞行和30KM有效距离的半自动飞行。抗电磁干扰、抗振动能力强，可靠性高；采用自适应飞控与导航算法、容错性能好，是低成本电动垂直起降固定翼无人机的理想选择。
3关于飞控的内部设计方面，MP 101V采用飞思卡尔公司的MPC5200B处理器，抗干扰能力强、可靠性高、处理能力强、功耗低、外设接口丰富；支持多种飞行模式（手动模式/半自动模式/自动航线模式）；在算法控制方面，MP 101V在多旋翼部分采用L1自适应控制算法，具有极高精度的姿态与航迹控制性能；抗扰动能力强、稳定性好，控制精度及稳定性不因飞机的重心、重量的变化而受影响。
1.我们在设计飞行控制系统的时候，充分考虑到云台及相机同飞机机动性相协调的问题，要做到灵活飞行的同时能够精确的采集到水质区域的高清图片。MP 101V支持二轴及三轴云台控制同时可外接JOUAV PPS-100后差分模块，支持高精度航测，其内置32MByte数据存储器，可以完整记录4~8小时的飞行数据，为安全巡航提供了最大保障。
图像采集处理模块设计及FPV传输模块设计
（一）禅思X5S云台相机
传统无人机航拍，普遍采用广角镜头，虽然已在诸多领域展现出了良好的应用前景，从地面转向空中的全新视角也今人们为之欢呼雀跃，然而在某些领域其局限性也非常显著。那些安装有广角镜头的航拍设备，并不具备良好的近距离拍摄安全性，尤其是当目标物本身具有较强的电磁辐射干扰性、吸收性时。
传统航拍飞行器需要飞到离目标很近的距离，才能捕捉到目标上的细节。而这些目标有可能是：电线、风力发电机、信号基站等电磁辐射干扰源。飞得太近，有可能会干扰到无人机造成飞行意外事故。
禅思X5S云台相机可实现保持画面稳定，尤其是在高变倍拍摄时的画面稳定；飞行平台如何做到长航时、震动小、稳定可靠；拍摄画面如何实时回传到地面；拥有能够在地面控制拍摄方式和拍摄参数设置等功能。禅思X5S云台相机，采用最新一代M4/3传感器，拥有12.8档动态范围，具有较高的信噪比和色彩灵敏度；支持8款包含变焦镜头在内的标准M4/3镜头，覆盖等效18-90mm焦距。支持最高5.2K 30fps CinemaDNG无损视频和Apple ProRes视频录制，支持高达2080万像素每秒20帧DNG连拍。
FPV图像传输系统设计
本系统采用5.8G TX2000W图传发射机。其采用5.8GHz频率的模拟微波传输技术，把视频信号直接调制在微波的信道上，通过天线发射出去，再通过微波接收机解调出原来的视频信号。
本款图传发射机提供了8种发射频段供设定，可同时8台发射机并机工作，避免同频干扰。发射机主要特点：实现5.8GHz视频/音频同步发射（兼容PAL和NTSC），工作电压为直流9-12V（可采用3S锂电池供电），并使用数字锁相环电路，无温飘现象，使杂波泄漏降至较低，附合CE、FCC要求。本产品集成微型风冷散热器，发热量小，工作效率高。
系统电源控制电路分为前级供电电源电路，中级电源电路和指示灯电路，如图2、3所示。选用 5V-2A 的电源通过前级电源电路给系统供电，用稳压器 MIC29302 来稳定电压，其负载电流为 3A，符合电源的供给电流最大不能超过 5A 的条件。经过降压，输出4.2V 电压来满足系统中一些如 SIM808 模块的正常功耗，同时供电给 LED 指示灯灯，显示系统正常供电，并通过中级电源电路通过 LM2576 实现将 4.2V 电压转换成适宜其他器件如模块工作的 3.3V 电压。电路图的设计也减小了内部阻抗，保持了电压的整体稳定性。
系统需要通过无线网络向外界收发信息，也需要连接卫星来定位，这就需要天线的协助，GPRS 和 GPS 天线电路功能虽然不同但在电路连接上是相似的，它们分别连接SIM808 芯片的 GPS-ANT 和 GSM-ANT 两个引脚，之后通过 50Ω 的阻抗来匹配，最后通过SMA 射频接口连接二者外部天线。电路图如图4所示。
SIM 卡，通俗点说就是我们日常生活中用的手机卡，是一种微小的芯片，可以用来存储数字移动电话信息，为 GSM 网络用户提供身份鉴别等，在系统使用过程中可以通过AT 指令的发送来获取 SIM 卡的相关信息，系统的网络数据收发离不开 SIM 卡的应用，因此 SIM 卡与 SIM808 芯片正确连接是系统工作的必要前提，二者接口电路图5所示，SIM卡的接口电源由 SIM908 模块提供，正常电压值为 1.8V 或 2.8V，两者之间连接 22Ω 的电阻来匹配接口之间的阻抗。本系统不需要使用 SIM 卡的拔插检测，因此略去了相关引脚SIM-PRESENCE，引脚 VDD 为卡供电，输出电压随着卡的类型不同而自主选择，输出的电流约为10mA，RST 引脚提供 SIM 卡复位功能，CLK 引脚为卡设置不同的时钟频率，DATA 引脚则是与 SIM 卡进行双向串行连接，完成数据的输入和输出。
一个系统是否具备抗干扰能力左右着这个系统能否胜任赋予它的功能使命，也是证明系统可靠性的主要指标，在硬件设计系统中，必须充分考虑到其抗干扰能力。SIM808模块为静电敏感器件，故在系统中加入了静电防护措施，采用了 ESDA6V1W5，它可以承受25KV 的瞬间静电和小于 1μ A 的漏电电流。同样，为保护 SIM 卡使用 SMF05C 来做静电保护。
系统遭到干扰的原因有很多：为系统供电的电源浪涌、脉冲和静电；系统布线布局不合理导致的外界环境带来的电磁干扰等。这些干扰对可能导致系统数据错乱，程序判断失误而死循环，更为甚者会造成系统死机。硬件设计为降低干扰，很有必要采取抗干扰措施，具体实施了以下几个措施：
⑴ 采用独立供电线路，不使用无人机电池，而专门设计一个可以保证系统用电的电源，使得空气质量监测系统的供电线路和容易产生干扰的无人机供电部分分开供电，相互不受影响，减少了公共电源的互相耦合，提高系统功能电路的可靠性。
⑵ 在系统电源和地之间加上一个去耦电容。去耦电容可以旁路器件的高频噪声，也能当作集成电路的蓄能电容，电路开关门瞬间的产生的充放电能可以由它提供或者吸收。
⑶ 更为合理的布局。将本身已经小型化的系统搭载在无人机的云台上面，离无人机的电机部分较远，不会因为元器件距离过近而造成干扰。系统内部电源和高频电路部分尽量远离，将 GPS 天线置于外部，利于信号的接收。
⑷ 时钟信号非常容易受到噪声干扰，同时也是部分噪声的发源地，设计时尽量使时钟电路应尽量内存放置，晶体振荡器两引脚之间不走信号线，晶振的外壳连接电容器并接地。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (3)
1.一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统，包括垂直起降固定翼无人机平台和地面站接收与智能终端，其特征在于，所述垂直起降固定翼无人机平台包括FPV传输模块、无线数据传输模块和图像采集处理模块，所述图像采集处理模块采集待测水域的图像信息并分别传输给FPV传输模块、无线数据传输模块，FPV传输模块通过微波传输技术将图像信息传输给地面站接收与智能终端，无线数据传输模块通过GPS 和 GPRS 天线连接地面站接收与智能终端。
2.根据权利要求1所述的一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统，其特征在于，所述图像采集处理模块由X5S云台相机和Arduino单片机组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于垂直起降固定翼无人机平台的水质监测系统，其特征在于，所述无线数据传输模块主要由Arduino和GSM网络模块构成。
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