CN108181908A - 一种用于内河环境监测的无人船系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内河环境监测的无人船系统，包括无人船模块、智能码头模块和上位机，所述无人船模块设于无人船上，并通过智能码头模块与上位机相互通信，所述智能码头模块设于无人船停靠的码头处，无人船模块根据上位机中设置的航线与水质检测任务，自主完成规定路径避障巡航、水质检测，以及返航至码头，并将自身工作状态信息自主上传到智能码头模块中，智能码头模块对返航后的无人船模块进行自主充电、故障检查，同时上位机实时查询智能码头模块中无人船当前工作状态信息。与现有技术相比，本发明能够有效、快速对目标水域水质信息进行采集，无需人员操作实现无人化的水环境监测管理，节省大量人力物力的同时提高了工作效率。

Description

一种用于内河环境监测的无人船系统

技术领域

本发明涉及内河环境监测管理领域，尤其是涉及一种用于内河环境监测的无人船系统。

背景技术

我国湖泊、河流众多，洪涝灾害和水质污染成为了困扰经济发展和社会生活的一个难题。由于监管不到位，一些企业非法将污染物排入水源当中，内河水域的环境压力日益严峻。2016年12月，中国中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面推行河长制的意见》，更加明确了各级政府的水环境质量责任，进一步提高了对内河水域环境保护的标准和要求并要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。目前，目前对水域资源的环境监测大多采用重点污染源在线监控设备采集和人工采集的方式，常依赖人工划船进入水域采集水样再到岸上分析检测，而对于复杂多变的水体环境危险性未知，造成很大部分水域人工也无法驾船驶入进行采集水样。因而这种方式的弊端是不够灵活，需要耗费大量的人力和物力且执行效率低下，人工水质监测存在很大难度。综上所述，还没有能克服以上缺点以满足内河环境监测需求的有效解决方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于内河环境监测的无人船系统，能有效地对目标水域进行环境监测，操作方便灵活，执行效率高，弥补现有的人工监测的不足。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于内河环境监测的无人船系统，包括无人船模块、智能码头模块和上位机，所述无人船模块设于无人船上，并通过智能码头模块与上位机相互通信，所述智能码头模块设于无人船停靠的码头处，无人船模块根据上位机中设置的航线与水质检测任务，自主完成规定路径避障巡航、水质检测，以及返航至码头，并将自身工作状态信息自主上传到智能码头模块中，智能码头模块对返航后的无人船模块进行自主充电、故障检查，同时上位机实时查询智能码头模块中无人船当前工作状态信息。

所述无人船模块包括船控单元、应用系统控制器、运动摄像机、深度摄像机、水质指标检测装置、位置姿态检测装置、船体无线通讯装置、巡航单元和蓄电池单元，所述船控单元分别连接应用系统控制器、位置姿态检测装置、船体无线通讯装置和巡航单元，所述运动摄像机、深度摄像机、水质指标检测装置分别连接应用系统控制器，所述蓄电池单元为其他单元提供工作电源；

运动摄像机对目标水域周围环境进行拍摄图像与视频并上传至应用系统控制器，深度摄像机对无人船前方环境进行拍摄图像并上传至应用系统控制器，应用系统控制器识别深度摄像机拍摄图像内的障碍物位置，水质指标检测装置用于采集目标水域的水样，以及检测得到水质指标数据并上传至应用系统控制器，位置姿态检测装置获取无人船当前位置信息和姿态信息，并传输给船控单元；

船控单元通过船体无线通讯装置接收智能码头模块转发的上位机中设置的航线与水质检测任务，船控单元将无人船当前位置信息、姿态信息与设置的航线进行对比，控制巡航单元按照设置的航线自动航行至目的地，航行时船控单元根据应用系统控制器识别的障碍物位置实时控制巡航单元的转向进行避障，船控单元根据水质检测任务通过应用系统控制器控制水质指标检测装置工作，船控单元还将无人船当前位置信息、姿态信息通过船体无线通讯装置上传至智能码头模块；

当无人船返航至码头，船控单元将应用系统控制器内的目标水域周围环境的图像与视频、水质指标数据通过船体无线通讯装置上传至智能码头模块中，船控单元通过船体无线通讯装置接收智能码头模块发送的故障检查命令，并进行故障检查，若无人船出现故障，则反馈回无人船模块发送的故障报警信息，同时，智能码头模块对蓄电池单元进行充电。

所述运动摄像机和深度摄像机分别通过一云台设置在无人船上，云台自动调整角度保持运动摄像机和深度摄像机的拍摄角度。

所述位置姿态检测装置包括分别连接船控单元的GPS导航装置和电子罗盘，所述GPS导航装置用于获取无人船当前经纬度的位置信息，所述电子罗盘用于获取包含偏航角、俯仰角、翻滚角、速度、加速度的无人船当前姿态信息。

所述船体无线通讯装置包括船体数传无线通讯单元和船体图传无线通讯单元，目标水域周围环境的图像与视频经船体图传无线通讯单元上传至智能码头模块，无人船当前位置信息、姿态信息、水质指标数据通过船体数传无线通讯单元上传至智能码头模块，智能码头模块经船体数传无线通讯单元向船控单元发送故障检查命令和上位机中设置的航线与水质检测任务。

所述巡航单元包括分别连接船控单元的舵机、调速电机和电源开关，所述舵机的驱动端连接无人船的尾舵部件，所述调速电机的驱动端连接无人船的螺旋桨部件，调速电机的供电端经电源开关连接蓄电池单元。

所述蓄电池单元包括蓄电池，以及分别连接蓄电池的充电插头和无线充电接收装置。

所述智能码头模块包括码头控制器，以及分别连接码头控制器的无线充电发射装置、码头无线通讯装置和服务器，所述服务器连接上位机；

码头控制器经服务器接收上位机设置的航线与水质检测任务，并通过码头无线通讯装置转发至无人船模块，同时通过码头无线通讯装置接收无人船模块采集的工作状态信息，当无人船返航至码头，码头控制器利用无线充电发射装置对无人船模块进行充电，并利用码头无线通讯装置向无人船模块发送故障检查命令，若无人船出现故障，码头控制器通过码头无线通讯装置接收无人船模块发送的故障报警信息并上传至服务器。

所述码头无线通讯装置包括码头数传无线通讯单元和码头图传无线通讯单元，无人船当前工作状态信息中目标水域周围环境的图像与视频经码头图传无线通讯单元上传至码头控制器，无人船当前工作状态信息中无人船当前位置信息、姿态信息、水质指标数据通过码头数传无线通讯单元上传至码头控制器，码头控制器经码头数传无线通讯单元向无人船模块发送故障检查命令和上位机中设置的航线与水质检测任务。

所述上位机包括操作界面软件单元，上位机实时访问智能码头模块，以查询无人船当前工作状态信息，操作界面软件单元用于设置无人船的航线与水质检测任务并通过智能码头模块转发到无人船模块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、能够有效、快速对目标水域水质信息进行采集，无需人员操作实现无人化的水环境监测管理，节省大量人力物力的同时提高了工作效率。

2、增加了智能码头模块，可对无人船进行数据收集上传服务器、故障检查以及对无人船充电，大大提高无人船可操作性，提高了无人船的续航能力以及工作效率，同时智能码头模块可与上位机进行通信用户，可实时操作规划无人船航行路线、获取收集到的水质数据、获取无人船故障警告信息等，具有很好的人机交互界面，可为用户提供方便，提高用户的体验感。

3、智能码头模块可利用无线充电发射装置与无线充电接收装置之间的能量传输对蓄电池单元进行充电，或者直接将充电插头接入插座，实现对无人船的充电，提高了无人船的续航能力以及工作效率。无人船停靠码头后，无线充电发射装置对准无线充电接收装置，码头控制器可自主开启无线充电模式进行闲时充电，确保无人船续航能力。

4、不仅可以对目标水域进行水质检测，同时加入运动摄像机装置，可对目标水域的周围环境进行拍摄监视了收集有力证据，有效防止了一些非法企业将污染物偷排入河流当中。

5、加入智能避障功能，通过深度摄像头进行避障，深度摄像机搭配云台可固定拍摄角度，免除风浪对摄像机拍摄的影响提高识别准确率，传统的红外线、激光雷达避障方法无法准确识别水草等纤细物体，与传统方法比较采用深度摄像机避障可实现全方位精准识别、可识别避开水草，实现全方位避障，大大提高避障精度。

6、目前市场上大多数无人船只适用于大海、湖泊、大河等宽阔水域，而本发明所设计的无人船系统拥有更加小巧轻便的船体，不仅适用于宽阔水域，同时也适用于城市内河等狭窄水域。

7、分别设置码头数传无线通讯单元与船体数传无线通讯单元之间对应通信、码头图传无线通讯单元与船体图传无线通讯单元之间对应通信，将图像信息与指令数据分通道传输，保证信息传输的实时性与稳定性，减少相互干扰。

8、上位机具有很好的人机界面，可有效提高人机交互方式。

9、水质指标检测装置加入了水样采集功能，可采集目标区域水样对水质做进一步的检测。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体工作流程图；

图3为无人船模块工作流程图。

图中，1-GPS导航装置，2-电子罗盘，3-运动摄像机，4-船体数传无线通讯单元，5-船控单元，6-蓄电池单元，7-调速电机，8-电源开关，9-螺旋桨部件，10-舵机，11-尾舵部件，12-深度摄像机，13-码头控制器，14-网线，15-服务器，16-上位机，17-船体图传无线通讯单元，18-充电插头，19-水质指标检测装置，20-应用系统控制器，21-无线充电接收装置，22-无线充电发射装置，23-码头数传无线通讯单元，24-码头图传无线通讯单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种用于内河环境监测的无人船系统，包括无人船模块、智能码头模块和上位机16，无人船模块设于无人船上，并通过智能码头模块与上位机16相互通信，智能码头模块设于无人船停靠的码头处，无人船模块根据上位机16中设置的航线与水质检测任务，自主完成规定路径避障巡航、水质检测，以及返航至码头，并将自身工作状态信息自主上传到智能码头模块中，工作状态信息包括无人船当前位置信息、姿态信息、水质指标数据、目标水域周围环境的图像与视频等，智能码头模块对返航后的无人船模块进行自主充电、故障检查，同时上位机16实时查询及显示智能码头模块中无人船当前工作状态信息。上位机16包括操作界面软件单元。

无人船模块包括船控单元5、应用系统控制器20、运动摄像机3、深度摄像机12、水质指标检测装置19、位置姿态检测装置、船体无线通讯装置、巡航单元和蓄电池单元6，船控单元5分别连接应用系统控制器20、位置姿态检测装置、船体无线通讯装置和巡航单元，运动摄像机3、深度摄像机12、水质指标检测装置19分别连接应用系统控制器20，蓄电池单元6为其他单元提供工作电源。

本实施例中，运动摄像机3和深度摄像机12分别通过一云台设置在无人船上，云台自动调整角度保持运动摄像机3和深度摄像机12的拍摄角度，深度摄像机12搭配云台可固定拍摄角度，免除风浪对摄像机拍摄的影响，提高摄像机拍摄识别准确率，同时深度摄像机12可识别水草等难以分辨的障碍物，可实现全方位精准识别大大提高避障效果。运动摄像机3可对目标水域周围环境进行拍摄图像与视频，实现了对目标水域的监视与保护同时可收集有力证据，有效防止了一些非法企业将污染物偷排入河流当中。应用系统控制器20可采用树莓派处理器，分别通过USB接口与运动摄像机3和深度摄像机12连接。

水质指标检测装置19包括浊度检测装置、PH值检测装置、水样采集装置等。位置姿态检测装置包括分别连接船控单元5的GPS导航装置1和电子罗盘2，船体无线通讯装置包括船体数传无线通讯单元4和船体图传无线通讯单元17。巡航单元包括分别连接船控单元5的舵机10、调速电机7和电源开关8，舵机10的驱动端连接无人船的尾舵部件11，调速电机7的驱动端连接无人船的螺旋桨部件9，调速电机7的供电端经电源开关8连接蓄电池单元6。蓄电池单元6包括蓄电池，以及分别连接蓄电池的充电插头18和无线充电接收装置21，图1中因避免线条交叉而未标出连接关系。

智能码头模块包括码头控制器13，以及分别连接码头控制器13的无线充电发射装置22、码头无线通讯装置和服务器15，服务器15连接上位机16；码头无线通讯装置包括码头数传无线通讯单元23和码头图传无线通讯单元24，本实施例中，服务器15通过USB端口与码头控制器13连接，码头数传无线通讯单元23与船体数传无线通讯单元4之间对应通信，可采用GPRS数传通讯装置或NRF无线通讯装置，码头图传无线通讯单元24与船体图传无线通讯单元17之间对应通信，可采用WIFI或WIFI+网桥图传通讯装置。无人船停靠码头后，无线充电发射装置22对准无线充电接收装置21，码头控制器13可自主开启无线充电模式进行闲时充电，确保无人船续航能力。

如图2和图3所示，该无人船系统的工作原理和过程如下：

1）上位机16实时访问服务器15，查询服务器15中存储的无人船工作状态信息，操作界面软件单元上显示无人船信息并可设置无人船目标地点以及航线等目标地位置信息与水质检测任务，并上传至服务器15，服务器15将目标地位置信息与水质检测任务通过网线14（以太网）传送至码头控制器13，码头控制器13利用码头数传无线通讯单元23与船体数传无线通讯单元4之间的通信转发至船控单元5，用于控制无人船执行任务。

2）GPS导航装置1获取无人船当前经纬度的位置信息，电子罗盘2获取包含偏航角、俯仰角、翻滚角、速度、加速度等的无人船当前姿态信息，无人船当前位置信息与无人船姿态信息通过（SPI方式）串口有线通信传送至船控单元5，还通过码头数传无线通讯单元23与船体数传无线通讯单元4之间通信传送至码头控制器13。

船控单元5接收智能码头模块转发的上位机16中设置的目标地位置信息与水质检测任务，船控单元5将无人船当前位置信息、姿态信息与设置的目标地位置信息进行对比，生成控制指令驱动调速电机7和舵机10依照设置航线行驶至目标地，由蓄电池通过电源开关8控制通断对调速电机7进行供电，调速电机7与螺旋桨部件9连接，调速电机7转动可带动螺旋桨部件9，推动无人船前进。

当无人船到达目标地点后，船控单元5根据水质检测任务通过应用系统控制器20控制水质指标检测装置19工作，水质指标检测装置19可以检测水质指标数据如浊度、PH值等数据以及对目标水域进行水样采集，水质指标数据经串口上传至应用系统控制器20，再由船控单元5、码头数传无线通讯单元23与船体数传无线通讯单元4之间通信传送至智能码头模块的码头控制器13。

运动摄像机3通过云台调整好角度固定于无人船上端，云台可用于调整运动摄像机3角度，运动摄像机3对目标水域周围环境进行拍摄图像与视频，并通过USB接口与应用系统控制器20连接，可将图像与视频储存于SD卡中。

深度摄像机12通过云台调整好角度后固定于船头位置对无人船前方环境进行拍摄，并上传至应用系统控制器20，应用系统控制器20识别深度摄像机12拍摄图像内的障碍物位置，航行时船控单元5根据应用系统控制器20识别的障碍物位置实时控制舵机10改变航向，实现自主避障功能。

3）当无人船返回码头时，应用系统控制器20可读取先前存于SD卡中目标水域周围环境的图像与视频信息，通过船控单元5、码头图传无线通讯单元24与船体图传无线通讯单元17之间通信上传至智能码头模块中的码头控制器13。

码头控制器13可将收集到的所有信息经过网线14上传至服务器15，还可利用无线充电发射装置22与无线充电接收装置21之间的能量传输对蓄电池单元6进行充电，或者直接将充电插头18接入插座，实现对无人船的充电，提高了无人船的续航能力以及工作效率。

船控单元5通过码头数传无线通讯单元23与船体数传无线通讯单元4之间通信接收码头控制器13发送的故障检查命令，并进行故障检查，若无人船出现故障，则船控单元5向码头控制器13反馈回故障报警信息并上传至服务器15，用户访问服务器15可接收故障警报信息。

Claims (10)

1.一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，包括无人船模块、智能码头模块和上位机（16），所述无人船模块设于无人船上，并通过智能码头模块与上位机（16）相互通信，所述智能码头模块设于无人船停靠的码头处，无人船模块根据上位机（16）中设置的航线与水质检测任务，自主完成规定路径避障巡航、水质检测，以及返航至码头，并将自身工作状态信息自主上传到智能码头模块中，智能码头模块对返航后的无人船模块进行自主充电、故障检查，同时上位机（16）实时查询智能码头模块中无人船当前工作状态信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述无人船模块包括船控单元（5）、应用系统控制器（20）、运动摄像机（3）、深度摄像机（12）、水质指标检测装置（19）、位置姿态检测装置、船体无线通讯装置、巡航单元和蓄电池单元（6），所述船控单元（5）分别连接应用系统控制器（20）、位置姿态检测装置、船体无线通讯装置和巡航单元，所述运动摄像机（3）、深度摄像机（12）、水质指标检测装置（19）分别连接应用系统控制器（20），所述蓄电池单元（6）为其他单元提供工作电源；

运动摄像机（3）对目标水域周围环境进行拍摄图像与视频并上传至应用系统控制器（20），深度摄像机（12）对无人船前方环境进行拍摄图像并上传至应用系统控制器（20），应用系统控制器（20）识别深度摄像机（12）拍摄图像内的障碍物位置，水质指标检测装置（19）用于采集目标水域的水样，以及检测得到水质指标数据并上传至应用系统控制器（20），位置姿态检测装置获取无人船当前位置信息和姿态信息，并传输给船控单元（5）；

船控单元（5）通过船体无线通讯装置接收智能码头模块转发的上位机（16）中设置的航线与水质检测任务，船控单元（5）将无人船当前位置信息、姿态信息与设置的航线进行对比，控制巡航单元按照设置的航线自动航行至目的地，航行时船控单元（5）根据应用系统控制器（20）识别的障碍物位置实时控制巡航单元的转向进行避障，船控单元（5）根据水质检测任务通过应用系统控制器（20）控制水质指标检测装置（19）工作，船控单元（5）还将无人船当前位置信息、姿态信息通过船体无线通讯装置上传至智能码头模块；

当无人船返航至码头，船控单元（5）将应用系统控制器（20）内的目标水域周围环境的图像与视频、水质指标数据通过船体无线通讯装置上传至智能码头模块中，船控单元（5）通过船体无线通讯装置接收智能码头模块发送的故障检查命令，并进行故障检查，若无人船出现故障，则反馈回无人船模块发送的故障报警信息，同时，智能码头模块对蓄电池单元（6）进行充电。

3.根据权利要求2所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述运动摄像机（3）和深度摄像机（12）分别通过一云台设置在无人船上，云台自动调整角度保持运动摄像机（3）和深度摄像机（12）的拍摄角度。

4.根据权利要求2所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述位置姿态检测装置包括分别连接船控单元（5）的GPS导航装置（1）和电子罗盘（2），所述GPS导航装置（1）用于获取无人船当前经纬度的位置信息，所述电子罗盘（2）用于获取包含偏航角、俯仰角、翻滚角、速度、加速度的无人船当前姿态信息。

5.根据权利要求2所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述船体无线通讯装置包括船体数传无线通讯单元（4）和船体图传无线通讯单元（17），目标水域周围环境的图像与视频经船体图传无线通讯单元（17）上传至智能码头模块，无人船当前位置信息、姿态信息、水质指标数据通过船体数传无线通讯单元（4）上传至智能码头模块，智能码头模块经船体数传无线通讯单元（4）向船控单元（5）发送故障检查命令和上位机（16）中设置的航线与水质检测任务。

6.根据权利要求2所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述巡航单元包括分别连接船控单元（5）的舵机（10）、调速电机（7）和电源开关（8），所述舵机（10）的驱动端连接无人船的尾舵部件（11），所述调速电机（7）的驱动端连接无人船的螺旋桨部件（9），调速电机（7）的供电端经电源开关（8）连接蓄电池单元（6）。

7.根据权利要求2所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述蓄电池单元（6）包括蓄电池，以及分别连接蓄电池的充电插头（18）和无线充电接收装置（21）。

8.根据权利要求1所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述智能码头模块包括码头控制器（13），以及分别连接码头控制器（13）的无线充电发射装置（22）、码头无线通讯装置和服务器（15），所述服务器（15）连接上位机（16）；

码头控制器（13）经服务器（15）接收上位机（16）设置的航线与水质检测任务，并通过码头无线通讯装置转发至无人船模块，同时通过码头无线通讯装置接收无人船模块采集的工作状态信息，当无人船返航至码头，码头控制器（13）利用无线充电发射装置（22）对无人船模块进行充电，并利用码头无线通讯装置向无人船模块发送故障检查命令，若无人船出现故障，码头控制器（13）通过码头无线通讯装置接收无人船模块发送的故障报警信息并上传至服务器（15）。

9.根据权利要求8所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述码头无线通讯装置包括码头数传无线通讯单元（23）和码头图传无线通讯单元（24），无人船当前工作状态信息中目标水域周围环境的图像与视频经码头图传无线通讯单元（24）上传至码头控制器（13），无人船当前工作状态信息中无人船当前位置信息、姿态信息、水质指标数据通过码头数传无线通讯单元（23）上传至码头控制器（13），码头控制器（13）经码头数传无线通讯单元（23）向无人船模块发送故障检查命令和上位机（16）中设置的航线与水质检测任务。

10.根据权利要求1所述的一种用于内河环境监测的无人船系统，其特征在于，所述上位机（16）包括操作界面软件单元，上位机（16）实时访问智能码头模块，以查询无人船当前工作状态信息，操作界面软件单元用于设置无人船的航线与水质检测任务并通过智能码头模块转发到无人船模块。