CN110824127A - 智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，包括以下步骤：执行检水作业，采集指定水层的水样，获取水质检测数据；对水质检测数据进行加密处理以生成水质加密数据，并将水质加密数据发送至地面站，解密以获取水质检测数据；如果水质检测数据高于预设最高阈值或者水质检测数据低于预设最低阈值，则判断指标参数数据为预警数据，并触发报警系统，发出报警信号；收回水质检测装置，判断是否完成检水任务，如果完成，则指示无人机返回出发位置；如果未完成，则指示无人机飞行至下一目标水域继续作业。本发明提出的控制方法，智能化、自动化程度高，有效提升作业效率和作业精度。

Description

智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法。
背景技术
近年来，随着无人机技术的普及，逐步将无人机应用于环境监测领域，与常规人工操作与仪器监测相比，其机动性灵活性均远优于其他监测模式。无人机进行环境监测方法主要集中在两方面：搭载视频摄录装置对水污染范围、垃圾分布范围、等进行调查；搭载环境空气监测仪器，对空气或烟囱废气排放状况进行气体或颗粒物浓度监测。
但是，在现有技术中，应用无人机搭载水质监测系统对水质监控报警系统的开发仍不够完善，在近水面作业时，系统受风浪等环境影响较大，系统稳定性低，作业精度低、自主巡航作业性能较差。
因此，现有技术需要进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有作业稳定灵活和自主巡航优势的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其可实现全天候实时遥感监测报警，有效提升作业效率和作业精度。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，所述无人机包括飞控与导航系统，所述无人机挂载水质检测装置和数传模块，所述控制方法包括以下步骤：S1:执行检水作业指令，指示所述无人机按照第一预设航路飞行至第一目标水域，并控制无人机悬停在水面上方预设高度H，下放所述水质检测装置，采集指定水层的水样，根据指标参数，生成水质检测数据；S2：数据传输，通过加密算法对所述水质检测数据进行加密处理，并将加密后的水质检测数据通过数传模块发送至地面站，解密以获取所述水质检测数据；S3：数据处理，设置预设最低阈值和预设最高阈值，对所述水质检测数据进行计算分析，如果所述水质检测数据高于预设最高阈值或者所述水质检测数据低于预设最低阈值，则判断所述指标参数数据为预警数据，并触发报警系统，发出报警信号，记录并存储此时无人机的坐标位置、水质检测装置的水层深度和预警数据对应的指标参数；S4：完成检水作业指令，收回所述水质检测装置，并判断是否完成检水任务，如果完成检水任务，则指示所述无人机按照第二预设航路返回出发位置；如果未完成检水任务，则指示所述无人机飞行至下一目标水域继续作业。
本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，可以实现利用无人机平台进行水质监测巡航作业，作业机动化程度高，可根据水面情况自动调整飞行高度，避免作业受水浪影响，提高了作业精度。
根据本发明的一个实施例，所述无人机挂载若干避障模块和图传模块，所述避障模块用于获取障碍信息，所述图传模块用于获取图像信息，指示所述无人机按照第一预设航路飞行至第一目标水域，包括以下步骤：在地面站设置第一预设航路，并将第一预设航路发送至飞控与导航系统，以控制无人机按照第一预设航路飞行；实时获取所述无人机周围的障碍信息和图像信息，将所述图像信息发送至地面站，以在地面站显示器上实时显示图像画面，并将所述障碍信息发送至所述飞控与导航系统；当判断无人机与障碍物的间距小于第一预设距离时，切入速度保护模式，以控制无人机减速飞行，并将所述障碍信息发送至地面站，以便于操作人员操纵无人机避开障碍物；当判断无人机与障碍物的间距小于第二预设距离时，切入位置保护模式，控制无人机悬停，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；实时获取所述无人机的坐标位置，当判断无人机飞行至第一目标水域时，控制无人机下降并悬停在水面上方预设高度H。
根据本发明的一个具体实施例，根据所述图像信息和所述障碍信息生成障碍预警信号，以示意操作人员操控无人机避开障碍物，所述障碍预警信号包括红灯闪烁，蜂鸣器响。
根据本发明的一个实施例，所述水质检测装置通过收放装置与无人机平台连接，所述收放装置包括安装箱、电机、齿轮、绕线轮和收放控制模块，所述下放所述水质检测装置，包括以下步骤：根据作业要求获取指定水层的预设深度D，并通过数传模块将控制信号发送至收放控制模块；控制所述电机正向旋转，以驱动齿轮旋转，齿轮带动绕线轮旋转，从而带动绕线下放；实时计算下放绕线的长度L，当下放绕线的长度L等于预设高度H和预设深度D之和时，判断水质检测装置到达指定水层，控制电机停止工作。
根据本发明的一个实施例，所述控制无人机悬停在水面上方预设高度H，包括以下步骤：获取预设高度H；检测无人机平台底面距离水面的实时高度H0，并将数据发送至飞控与导航系统；当实时高度H0等于预设高度H时，控制无人机悬停；当实时高度H0大于预设高度H时，控制无人机下降；当实时高度H0小于预设高度H时，控制无人机上升，从而实现高度维持。
在本发明的一个具体实施例中，所述飞控与导航系统与地面站进行通讯，并在地面站的显示器上实时显示无人机的实时高度H0。
在本发明的一个具体实施例中，所述报警信号包括数据显示单元格红灯闪烁，报警指示灯红灯闪烁，蜂鸣器持续响3s。
在本发明的一个具体实施例中，所述若干指标参数包括溶解氧、酸碱度(PH)、电导率、浊度、蓝绿藻、余氯、叶绿素A、盐度、氨氮、ORP、COD、液位。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业系统的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的收放装置的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的无人机控制方法的流程图；
图6是根据本发明实施例的水质检测控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述根据本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法。
图1是根据本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法的流程图。
图2是根据本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业系统的结构示意图。如图2所示，智能化无人机水质监测巡航作业系统包括无人机1、水质检测装置2、数传模块3(未示出)、地面站4、避障模块5和图传模块6。此外，无人机1挂载若干避障模块5和图传模块6，避障模块用于获取障碍信息，图传模块用于获取图像信息。
如图1所示，智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，包括以下步骤：
S1:执行检水作业指令，指示无人机1按照第一预设航路飞行至第一目标水域，并控制无人机悬停在水面上方预设高度H，下放水质检测装置2，采集指定水层的水样，对水样进行检测以获取若干指标参数的水质检测数据。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，指示无人机飞行至第一目标水域具体包括以下步骤：
S11，设置第一预设航路，并将第一预设航路发送至飞控与导航系统，以控制无人机按照第一预设航路飞行。
S12，实时获取无人机周围的障碍信息和图像信息，将图像信息发送至地面站，以在地面站显示器上实时显示图像画面，并将障碍信息发送至飞控与导航系统。
S13，判断无人机与障碍物的间距是否小于第一预设距离，如果是，则执行步骤S14；如果否，则执行步骤S15。
S14，切入速度保护模式，以控制无人机减速飞行，并将障碍信息发送至地面站，以便于操作人员操纵无人机避开障碍物，并执行S16；
S15，控制无人机继续按照第一预设航路飞行。
S16，判断无人机与障碍物的间距是否小于第二预设距离，如果是，则执行步骤S17；如果否，则执行步骤S15。
S17，切入位置保护模式，控制无人机悬停。
需要说明的是，第一预设距离大于第二预设距离。
具体来说，第一预设距离可为5米，第二预设距离可为1米。
S18，实时获取无人机的坐标位置，当判断无人机飞行至第一目标水域时，控制无人机下降并悬停到水面上方预设高度H。
具体地，设置检水作业指令，当主动发送指令信息时，首先将指令信息进行加密处理，并返回第二加密数据到无人机；将收到的第二加密数据进行解密处理，并执行解密后的控制指令。
具体地，如图6所示，指令信息进行解密，并判断解密后的指令信息是否为开始水质检测的命令，如果否，则将解密数据直接发送到无人机的飞控与导航系统；如果是，则向无人机发送准备进行检水作业的通知，并控制收放装置的电机正向转动以下放水质检测传感器单元。当判断水质检测传感器单元到达指定水层时，控制水质检测传感器单元开始进行水质检测，并读取水质检测传感器检测到的水质参数和无人机的飞行参数，然后将水质参数和飞行参数进行加密处理以获取第一加密数据。
具体地，加密处理采用的加密方案设计包括加密算法、杂凑运算和密码配用，无人机和地面站的密码资源均加密存储在加解密模块中，使用之前需要正确的口令进行解密，防止密码资源被非法窃取，加密方案的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码为“密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出原容，通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。
具体来说，加密算法采用SM1算法，由于使用SM1对称算法对数据进行加密，发送方和接收方需使用相同的密钥进行加密和解密，杂凑运算采用SM3算法，SM1算法是分组对称密码算法，分组模式采用ECB模式，分组长度为128位，密钥长度为128比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与AES相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中，这种算法简单，加/解密使用同样的密钥，加/解密速度快，但密钥管理复杂，杂凑运算采用SM3算法，用于验证身份信息，不同的数据的杂凑值都不同，而且很难通过分析杂凑值获得原数据信息，可以防止数据被非法更改，因此在口令认证时使用。
具体地，水质监测与报警控制系统采用无线通信进行数据传输。其中，无线通信支持GPRS和短消息双通道传输数据，支持多中心数据通信，无线通信的方式可以有效处理水质监测与报警控制系统的通信情况，系统的通信要求主要是：数据实时性高所以使得传输频率较高，但是每次传输的数据量较小，大概在10KB到20KB之间，由于无人机分布范围较广，并且大多需要飞行至采样点采集数据，采集串口设备数据，如串口仪表、采集器、PLC等，所以非常适合使用无线通信的方式来传输水质设备监测到的信息和数据。系统的无线信息传输体系为：水质检测传感器获得水质信息，预处理电路放大并处理该信息，A/D转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号，然后根据国家的编码标准，对数据进行编码传输。
根据本发明实施例提出的基于无人机的全天候水质监测加密控制系统，利用无人机挂载水质检测装置进行检水作业，系统机动化程度高，智能化程度高，通过数据加密传输，提高了信息传输的安全性。
在本发明的一个实施例中，预设航路包括若干航路点，设置第一预设航路，包括以下步骤：分别设置第一至第N航路点的经度，纬度和高度，其中，航路点的经度，纬度和高度(α1，δ1，H1)、第二航路点的经度，纬度和高度(α2，δ2，H2)、……第N航路点的经度，纬度和高度(αN，δN，HN)；分别设置第一至第N航路点的索引号；选取第M航路点对应的位置为第一目标水域，生成第一航路点链表，完成第一预设航路设置，其中，M为大于1且小于N的整数。
具体来说，预设航路可为地面站设置的飞行计划。其中，飞行计划由航路点链表构成。每个航路点都包含纬度、经度、高度和下一个航路点的索引号等信息。地面站可存储若干航路点，所有航路点组成一个或多个飞行计划。其中，每个飞行计划为自封闭的航路链，即任意下一个航路点的索引号均为飞行计划中的航路点。
举例来说，飞行计划由第一航路点0飞向第二航路点1，再飞向第三航路点2，然后飞向第四航路点3，最后飞回到第一航路点0，从而构成一个自封闭的飞行计划。需要说明的是，每个飞行计划还包含飞行高度，每当地面站的自动驾驶仪切换航路点时，就根据目标航路点的高度形成高度指令。
在执行检水作业指令时，可以设定飞行计划中的任一航路点作为目标水域坐标，在设置好预设航路、飞行高度之后，无人机可按照预设航路飞行至目标水域，当无人机下降到预设高度时，下放水质检测装置，可在地面站的显示器显示该处的水质情况。如果设置多个目标水域，则无人机依次采集多个目标水域并将数据发送至地面站。完成检水任务之后，无人机按照预设返回航路自主返航至回收点，并完成降落和螺旋桨停转。
S2：数据传输，将水质检测数据传输到飞控与导航系统10，通过加密算法对水质检测数据进行加密处理，并将加密后的水质检测数据通过数传模块3发送至地面站4，解密并存储水质检测数据。
S3：数据处理，每个指标参数设置预设最低阈值和预设最高阈值，对水质检测数据进行计算分析，如果水质检测数据高于预设最高阈值或者水质检测数据低于预设最低阈值，则判断指标参数数据为预警数据，并触发报警系统，发出报警信号，记录并存储此时无人机的坐标位置、水质检测装置的水层深度和预警数据对应的指标参数。
S4：完成检水作业指令，收回水质检测装置，并判断是否完成检水任务，如果完成检水任务，则指示无人机按照第二预设航路返回出发位置；如果未完成检水任务，则指示无人机飞行至下一目标水域继续作业。
本发明实施例的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，可以实现利用无人机平台进行水质监测巡航作业，作业机动化程度高，可根据水面情况自动调整飞行高度，避免作业受水浪影响，提高了作业精度和系统稳定性。
根据本发明的一个实施例，地面站的处理器根据接收到的图像信息和障碍信息生成障碍预警信号，以示意操作人员操控无人机避开障碍物，障碍预警信号包括红灯闪烁，蜂鸣器响。
在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，水质检测装置2通过收放装置7与无人机平台连接，收放装置7包括安装箱70、电机71、齿轮72、绕线轮73和收放控制模块74(未示出)，下放水质检测装置，包括以下步骤：获取指定水层的预设深度D；控制电机正向旋转，以驱动齿轮旋转，齿轮带动绕线轮旋转，从而带动绕线下放；实时计算下放绕线的长度L，当下放绕线的长度L等于预设高度H和预设深度D之和时，判断水质检测装置到达指定水层，控制电机停止工作。
具体地，收放控制模块可为单片机。
更具体地，电机的旋转方向通过单片机进行控制，操作人员通过数传远程向单片机发送信号，单片机接收信号向电机输出信号，电机旋转，执行收起与释放功能，同时，电机的旋转圈数通过相位变化检测，当检测到电机单条输电线电流正反转换一次，则电机旋转一圈，从而可以计算绳子收起或者放下的长度。具体通过单片机检测输入电机的三根电流线中的其中一个，当电流方向出现一正一反变化时，证明电机旋转一圈，释放或者收起一圈的绳子长度。因此，其可以保证旋翼飞行平台悬停一定高度的情况下，执行取水任务。
在本发明的另一个具体实施例中，水质检测装置包括液位计，所述液位计用于获取液位深度D，所述下放所述水质检测装置，包括以下步骤：获取指定水层的预设深度D0；控制电机正向旋转，以驱动齿轮旋转，齿轮带动绕线轮旋转，从而带动绕线下放；实时获取液位深度D，当液位深度D等于预设深度D0时，判断水质检测装置到达指定水层，控制电机停止工作。
在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，控制无人机悬停在水面上方预设高度H，包括以下步骤：
S20，获取预设高度H。
S21，检测无人机平台底面距离水面的实时高度H0，并将数据发送至飞控与导航系统。
具体来说，智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警系统包括超声波高度传感器8，超声波高度传感器设置于机身安装平台底面，超声波高度传感器用于获取无人机底面距离水面的实时高度H0。
S22，当实时高度H0等于预设高度H时，控制无人机悬停；
S23，当实时高度H0大于预设高度H时，控制无人机下降；
S24，当实时高度H0小于预设高度H时，控制无人机上升。
具体地，通过地面站设置预设高度H，并将预设高度发送至飞控与导航系统，飞控与导航系统实时获取无人机底面距离水面的实时高度H0，并判断实时高度H0是否等于预设高度H，当飞控与导航系统判断实时高度等于预设高度H时，控制无人机悬停；当飞控与导航系统判断实时高度H0大于预设高度H时，控制无人机下降；当飞控与导航系统判断实时高度小于预设高度H时，控制无人机上升，从而实现无人机的高度维持。同时，飞控与导航系统将实时高度H0发送至地面站，并通过显示器显示实时高度信息。
需要说明的是，由于水质检测作业需要，预设高度H较小，例如可小于20公分。
在本发明的一个具体实施例中，报警信号包括数据显示单元格红灯闪烁，报警指示灯红灯闪烁，蜂鸣器持续响3s。
在本发明的一个具体实施例中，若干指标参数包括溶解氧、酸碱度(PH)、电导率、浊度、蓝绿藻、余氯、叶绿素A、盐度、氨氮、ORP、COD、液位。

Claims (10)

1.一种智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述无人机挂载水质检测装置，所述控制方法包括以下步骤：
S1:执行检水作业指令，指示所述无人机按照第一预设航路飞行至第一目标水域并控制无人机悬停在水面上方预设高度H，下放所述水质检测装置，采集指定水层的水样，根据指标参数生成水质检测数据；
S2：数据传输，通过加密算法对所述水质检测数据进行加密处理以生成第一加密数据，并将第一加密数据发送至地面站，解密以获取所述水质检测数据；
S3：数据处理，设置预设最低阈值和预设最高阈值，对所述水质检测数据进行计算分析，如果所述水质检测数据高于预设最高阈值或者所述水质检测数据低于预设最低阈值，则判断所述水质检测数据为预警数据，并触发报警系统，发出报警信号，记录并存储此时无人机的坐标位置、水质检测装置的水层深度和预警数据对应的指标参数；
S4：完成检水作业指令，收回所述水质检测装置，并判断是否完成检水任务，如果完成检水任务，则指示所述无人机按照第二预设航路返回出发位置；如果未完成检水任务，则指示所述无人机飞行至下一目标水域继续作业。
2.根据权利要求1所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，所述无人机挂载若干避障模块和图传模块，所述避障模块用于获取障碍信息，所述图传模块用于获取图像信息，其特征在于，指示所述无人机按照第一预设航路飞行至第一目标水域，包括以下步骤：
设置第一预设航路，并将第一预设航路发送至飞控与导航系统，以控制无人机按照第一预设航路飞行；
实时获取所述无人机周围的障碍信息和图像信息，将所述图像信息发送至地面站，以在地面站显示器上实时显示图像画面，并将所述障碍信息发送至所述飞控与导航系统，当判断无人机与障碍物的间距小于第一预设距离时，切入速度保护模式，以控制无人机减速飞行，并将所述障碍信息发送至地面站，以便于操作人员操纵无人机避开障碍物；当判断无人机与障碍物的间距小于第二预设距离时，切入位置保护模式，控制无人机悬停，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；
实时获取所述无人机的坐标位置，当判断无人机飞行至第一目标水域时，控制无人机下降并悬停在水面上方预设高度H。
3.根据权利要求2所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述预设航路包括若干航路点，所述设置第一预设航路，包括以下步骤：
分别设置第一至第N航路点的经度，纬度和高度，其中，航路点的经度，纬度和高度(α1，δ1，H1)、第二航路点的经度，纬度和高度(α2，δ2，H2)、……第N航路点的经度，纬度和高度(αN，δN，HN)；
分别设置第一至第N航路点的索引号；
选取第M航路点对应的位置为第一目标水域，生成第一航路点链表，完成第一预设航路设置，其中，M为大于1且小于N的整数。
4.根据权利要求2所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，根据所述图像信息和所述障碍信息生成障碍预警信号，以示意操作人员操控无人机避开障碍物，所述障碍预警信号包括红灯闪烁，蜂鸣器响。
5.根据权利要求2所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述下放所述水质检测装置，包括以下步骤：
获取指定水层的预设深度D；
控制电机正向旋转，以驱动齿轮旋转，齿轮带动绕线轮旋转，从而带动绕线下放；
实时计算下放绕线的长度L，当下放绕线的长度L等于预设高度H和预设深度D之和时，判断水质检测装置到达指定水层，控制电机停止工作。
6.根据权利要求2所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述水质检测装置包括液位计，所述液位计用于获取液位深度D，所述下放所述水质检测装置，包括以下步骤：
获取指定水层的预设深度D0；
控制电机正向旋转，以驱动齿轮旋转，齿轮带动绕线轮旋转，从而带动绕线下放；
实时获取液位深度D，当液位深度D等于预设深度D0时，判断水质检测装置到达指定水层，控制电机停止工作。
7.根据权利要求1所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述控制无人机悬停在水面上方预设高度H，包括以下步骤：
获取预设高度H；
检测无人机平台底面距离水面的实时高度H0，并将数据发送至飞控与导航系统；
当实时高度H0等于预设高度H时，控制无人机悬停；当实时高度H0大于预设高度H时，控制无人机下降；当实时高度H0小于预设高度H时，控制无人机上升，从而实现无人机的高度维持。
8.根据权利要求7所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述飞控与导航系统与地面站进行通讯，并在地面站的显示器上实时显示无人机的实时高度H0。
9.根据权利要求1所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述报警信号包括数据显示单元格红灯闪烁，报警指示灯红灯闪烁，蜂鸣器持续响3s。
10.根据权利要求1所述的智能化无人机水质监测巡航作业监测与报警控制方法，其特征在于，所述指标参数包括溶解氧、酸碱度(PH)、电导率、浊度、蓝绿藻、余氯、叶绿素A、盐度、氨氮、ORP、COD、液位。
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