CN109178305B - 一种水文监测水陆两栖无人机以及水文监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水文监测水陆两栖无人机，包括挂载设备，还包括水陆两栖无人机，水陆两栖无人机包括无人机机体和飞控系统，无人机机体，包括无人机机身、力臂、旋翼、脚架和浮筒，浮筒设置在脚架上，飞控系统通过电子调速器与旋翼电机连接，浮筒上设置有液位传感器和水流流速传感器，挂载设备包括绞盘和声呐成像仪，绞盘安装在无人机机身的底部，绞盘绳索缠绕在绞盘上，声呐成像仪连接在绞盘绳索的收放端。还公开了一种基于水陆两栖无人机进行水文监测的方法，本发明实现了水陆两栖，能够在水面起降。能够在水面按照预设航线自主航行，避免了无人机在空中航行水面测量时，无人机连续起降，从而提高了无人机的工作效率。

Description

一种水文监测水陆两栖无人机以及水文监测方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种水文监测水陆两栖无人机，还涉及一种基于两栖无人机的水文监测的方法。

背景技术

为保护水资源、防治水污染、改善水环境、修复水生态，“河长制”河湖管理保护机制应运而生。与此同时，依赖以人工勘测的水文监测方法存在着周期长、成本高、数据有限等问题。而无人机存在着灵活性高、数据采集全面、速度快的优势，因此无人机在水文监测领域应用逐渐广泛。

但是目前无人机在水文监测领域的应用存在着一些限制。首先传统无人机只能在地面起降和空中航行，这限制了无人机在水面进行任务作业。其次水陆两栖无人机仅能在水面起降，而不能在水面按照规划自主航行，这增加了无人机对操作人员的需求，降低工作效率。因此，开发一款专用于水文监测的水陆两栖无人机非常必要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种水文监测水陆两栖无人机。还提供一种基于两栖无人机的水文监测的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种水文监测水陆两栖无人机，包括挂载设备，还包括水陆两栖无人机，水陆两栖无人机包括无人机机体和飞控系统，

无人机机体，包括无人机机身、力臂、旋翼、脚架和浮筒，

力臂和无人机机身之间为可固定的铰接，旋翼电机的旋转轴与旋翼连接，旋翼电机设置在力臂的尾端，脚架设置在无人机机身下部，浮筒设置在脚架上，飞控系统通过电子调速器与旋翼电机连接，

浮筒上设置有液位传感器和水流流速传感器，

挂载设备包括绞盘和声呐成像仪，绞盘安装在无人机机身的底部，绞盘绳索缠绕在绞盘上，声呐成像仪连接在绞盘绳索的收放端。

一种基于水陆两栖无人机进行水文监测的方法，包括以下步骤：

步骤1、水陆两栖无人机飞到目标测量点后，

若上一目标测量点采用水面测量模式，则进入步骤3；

若上一目标测量点采用悬停测量模式，则进入步骤2；

步骤2、水陆两栖无人机进行降落，通过液位传感器获得的水深信号判断是否已经降落在水面，当水深信号大于水深设定阈值，即判定水陆两栖无人机已降落在水面，进入步骤3，否则判定水陆两栖无人机未降落水面，继续降落，

步骤3、根据浮筒上安装的水流流速传感器获得的水流流速矢量信号，水流流速矢量信号包括水流流速和水流方向，将水流流速与最大允许流速H进行比较，

当水流流速小于等于最大允许流速H时，选择水面测量模式，控制绞盘进行旋转，将声呐探测仪下放到指定吃水量位置，通过声呐探测仪进行测量，声呐探测仪进行测量测量完毕后，根据公式(1)计算水流阻力，通过阻力矢量调整旋翼以补偿水流阻力的影响，阻力矢量包括水流阻力以及水流阻力方向，水流阻力方向与水流方向相同，

F＝λA_sV^1.83+εA_mV^2.18 公式(1)

其中，λ、ε分别为两个预设的标定参数；

A_s为浮筒浸水面积；

A_m为浮筒舯剖面积；

V为水流流速；

F为水流阻力；

当水流流速大于允许流速H时，选择悬停测量模式，水陆两栖无人机升空到达指定高度，绞盘电机启动，下放声呐探测仪到指定吃水量位置，声呐探测仪进行测量测量完毕后，在空中航行到下一目标测量点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、相比较传统无人机，实现了水陆两栖，能够在水面起降。

2、能够在水面按照预设航线自主航行，避免了无人机在空中航行水面测量时，无人机连续起降，从而提高了无人机的工作效率。

3、能够根据实时水面环境智能切换作业模式，实现水空作业模式的切换，保证测量精确性和无人机安全性。

附图说明

图1为本发明的结构简图；

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步描述，需要强调的是，虽然本发明将结合实例进行阐述，这并非指本发明限定于这些实例，这些实例仅仅用于表明本发明的技术方案的可实施性。

一种水文监测水陆两栖无人机，其包括水陆两栖无人机及挂载设备。水陆两栖无人机用于实现自主飞行、自主作业、自主返航。其携载的声纳成像设备用于进行水下地形地貌勘测和数据采集。

所述水陆两栖无人机，包括无人机机体、飞控系统、飞控传感器(用于测量无人机飞行速度，方位，地理位置等信息)、动力系统。

所述无人机机体，包括无人机机身、可折叠的力臂、旋翼、脚架和可拆卸的浮筒。飞控传感器置于无人机机身内，力臂为四个，力臂和无人机机身采用可固定的铰接方式，使水陆两栖无人机不使用时方便折叠收纳，四个旋翼分别与四个旋翼电机的旋转轴连接，旋翼电机设置在四个力臂的尾端。两个脚架通过螺钉连接在无人机机身下面。两个浮筒分别连接于两个脚架上。

动力系统包括锂电池、电子调速器和旋翼电机，用于驱动旋翼。锂电池置于无人机机身内，旋翼电机的旋转轴与旋翼连接，飞控系统通过电子调速器对旋翼电机的转速进行调节，进而调节四个旋翼的转速。

浮筒上安装有液位传感器，在浮筒上还安装一对在水平面上相互垂直的流速传感器。当无人机降落到水面上时，液位传感器感知探测到的水深信号输入到飞控系统，飞控系统根据水深信号判定无人机是否降落水面。同时，流速传感器感知所降区域的水流在无人机前进方向和侧向的流速并获得水流流速矢量信号输入到飞控系统，飞控系统根据水流流速矢量信号可判定水流流速以及方向对于无人机水面航行的阻力，进而通过调整四个旋翼电机转速补偿水流流速以及方向。从而实现了无人机根据航线在水面按照指定路径航行的功能，并且具有一定的抗击水流阻力的能力。

所述挂载设备，包括绞盘和声呐探测仪。绞盘通过螺钉安装在无人机机身的底部，绞盘绳索缠绕在绞盘上，声呐成像仪连接在绞盘绳索的收放端。

当到达指定水面位置时，水陆两栖无人机降落在水面上，声呐探测仪达到测量规定吃水量，进行声呐探测。在测量开始前或测量过程中，当遇到水流流速较大时，水陆两栖无人机起飞悬停在预设高度下，通过控制绞盘电机，收放缠绕在绞盘上的绳索，使得声呐探测仪同样达到规定吃水量继续测量。声呐探测仪实现了无人机自主进行水深探测的功能，配有绞盘的声呐传感器则实现了无人机自主水深探测功能不受河湖水面环境影响。

一种基于水陆两栖无人机进行水文监测的方法，包括以下步骤：

步骤1、水陆两栖无人机飞到目标测量点后，

若上一目标测量点采用水面测量模式，则进入步骤3；

若上一目标测量点采用悬停测量模式，则进入步骤2；

步骤2、水陆两栖无人机进行降落，通过液位传感器获得的水深信号判断是否已经降落在水面，当水深信号大于水深设定阈值(0mm)，即判定水陆两栖无人机已降落在水面，进入步骤3。否则判定水陆两栖无人机未降落水面，继续降落。

步骤3、根据浮筒上安装的水流流速传感器获得的水流流速矢量信号，水流流速矢量信号包括水流流速和水流方向，将水流流速与水陆两栖无人机正常水面航行的最大允许流速H进行比较。

当水流流速小于等于最大允许流速H时，选择水面测量模式，控制绞盘进行旋转，将声呐探测仪下放到指定吃水量位置，通过声呐探测仪进行测量。声呐探测仪进行测量测量完毕后，根据公式(1)计算水流对水陆两栖无人机水面航行的水流阻力，通过阻力矢量调整旋翼以补偿水流阻力的影响，阻力矢量包括水流阻力以及水流阻力方向，水流阻力方向与水流方向相同，继而水陆两栖无人机在水面上准确稳定的航行到下一目标测量点。其中公式(1)为：

F＝λA_sV^1.83+εA_mV^2.18 公式(1)

其中，λ、ε分别为两个预设的标定参数；

A_s为浮筒浸水面积(m²)

A_m为浮筒舯剖面积(m²)

V为水流流速(m/s)

当水流流速大于允许流速H时，选择悬停测量模式，水陆两栖无人机升空到达指定高度，绞盘电机启动，缓慢下放声呐探测仪到指定吃水量位置。声呐探测仪进行测量测量完毕后，在空中航行到下一目标测量点。

以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和都应落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种水文监测的方法，利用一种水文监测水陆两栖无人机，包括挂载设备和水陆两栖无人机，水陆两栖无人机包括无人机机体和飞控系统，

无人机机体，包括无人机机身、力臂、旋翼、脚架和浮筒，

力臂和无人机机身之间为可固定的铰接，旋翼电机的旋转轴与旋翼连接，旋翼电机设置在力臂的尾端，脚架设置在无人机机身下部，浮筒设置在脚架上，飞控系统通过电子调速器与旋翼电机连接，

浮筒上设置有液位传感器和水流流速传感器，

挂载设备包括绞盘和声呐成像仪，绞盘安装在无人机机身的底部，绞盘绳索缠绕在绞盘上，声呐成像仪连接在绞盘绳索的收放端，

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、水陆两栖无人机飞到目标测量点后，

若上一目标测量点采用水面测量模式，则进入步骤3；

若上一目标测量点采用悬停测量模式，则进入步骤2；

步骤2、水陆两栖无人机进行降落，通过液位传感器获得的水深信号判断是否已经降落在水面，当水深信号大于水深设定阈值，即判定水陆两栖无人机已降落在水面，进入步骤3，否则判定水陆两栖无人机未降落水面，继续降落，

步骤3、根据浮筒上安装的水流流速传感器获得的水流流速矢量信号，水流流速矢量信号包括水流流速和水流方向，将水流流速与最大允许流速H进行比较，

当水流流速小于等于最大允许流速H时，选择水面测量模式，控制绞盘进行旋转，将声呐探测仪下放到指定吃水量位置，通过声呐探测仪进行测量，声呐探测仪进行测量测量完毕后，根据公式(1)计算水流阻力，通过阻力矢量调整旋翼以补偿水流阻力的影响，阻力矢量包括水流阻力以及水流阻力方向，水流阻力方向与水流方向相同，

F＝λA_sV^1.83+εA_mV^2.18 公式(1)

其中，λ、ε分别为两个预设的标定参数；

A_s为浮筒浸水面积；

A_m为浮筒舯剖面积；

V为水流流速；

F为水流阻力；

当水流流速大于允许流速H时，选择悬停测量模式，水陆两栖无人机升空到达指定高度，绞盘电机启动，下放声呐探测仪到指定吃水量位置，声呐探测仪进行测量测量完毕后，在空中航行到下一目标测量点。

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