CN111610154B - 一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法 - Google Patents

一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测装置及方法，包括设置在水面运载平台上的多轴旋转支架，还包括姿态主控模块和光谱探测模块；姿态主控模块包括主控MCU和IMU姿态传感器，主控MCU用于读取IMU姿态传感器的传感信息；IMU姿态传感器用于实时采集姿态信息；光谱探测模块包括光谱MCU、MEMS光谱探测芯片及光学透镜。其能通过单点MEMS光谱探测器与IMU姿态传感器的同步融合进行多变量水质监测，还能通过光谱探测器可见光谱信息的深度学习，实现水面漂浮物与近岸水域暗礁的检测与识别，避免了安全事故的发生。

Description

一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法
技术领域
本发明涉及一种水质检测装置及方法，特别涉及一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法，属于特种智能装备的状态检测技术领域。
背景技术
目前水质监测装置在水文环境、农业、渔业、质检监测等方面应用极为广泛，是检测水质状态的主要装备。而用于水质监测的传感器也品类极多，常用的水质传感器包括ORP传感器、浊度传感器、PH传感器、电导率传感器以及余氯传感器等，不同行业的水质检测需求也千差万别，所需要检测出的水质参量也各不相同，因此也需要配备不同的传感器。这样就使得检测设备配置工作繁杂，还需要配置或携带额外的通信/电源的通信及接口，较难实现单一设备的多变量水质状态监测。此外，利用常规水质传感器对开阔水域进行水质检测需要借助船只或者搭建特定的水域观测站，需要繁重的装备设计与制造过程；同时，由于装备繁乱给集成系统的小型化增加了一定难度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法，其能通过单点MEMS光谱探测器与IMU姿态传感器的同步融合进行多变量水质监测，还能通过光谱探测器可见光谱信息的深度学习，实现水面漂浮物与近岸水域暗礁的检测与识别，有效避免了安全事故的发生。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测装置，包括设置在水面运载平台上的多轴旋转支架，还包括姿态主控模块和光谱探测模块；
－所述姿态主控模块包括主控MCU和IMU姿态传感器，所述主控MCU用于读取IMU姿态传感器的传感信息；IMU姿态传感器用于实时采集姿态信息；
－光谱探测模块包括光谱MCU、MEMS光谱探测芯片及光学透镜，所述光谱MCU用于对MEMS光谱探测芯片的探测数据定时采集，并进行水质状态的光学单点分析；所述MEMS光谱探测芯片用于探测光谱，所述光学透镜用于配合MEMS光谱探测芯片进行光谱探测。
在本专利中由于光谱的波长不同，MEMS光谱探测芯片对于其定向感知的光谱特性也不一样，比如波长为850μm的荧光光谱，本专利的MEMS光谱探测芯片最多只能采集12个通道的光谱。
作为优选，所述姿态主控模块还包括压电陶瓷驱动器，所述主控MCU、IMU姿态传感器和压电陶瓷驱动器形成于姿态主控机械外壳内，且主控MCU、IMU姿态传感器和压电陶瓷驱动器之间分别通过RS232串口连接。
作为优选，所述光谱MCU和MEMS光谱探测芯片之间通过SPI进行通信，所述MEMS光谱探测芯片的输出端与光学透镜连接，所述光谱MCU与主控MCU之间通过SPI或者I2C进行通信；且所述光谱MCU、MEMS光谱探测芯片及光学透镜形成于光谱探测外壳内。
作为优选，所述光谱探测外壳固定在承压板上，所述承压板活动连接在姿态主控机械外壳上，所述姿态主控机械外壳固定在多轴旋转支架上。
所述姿态主控模块和光谱探测模块分别集成于相应的机械外壳内，安装于多轴旋转支架上，在本专利中，多轴旋转支架可在复杂水面波动的情况下实现光学探测的机械防抖，承压板与压电陶瓷驱动器相互作用，压电陶瓷驱动器用于感知光谱探测模块的运动轨迹。
作为优选，所述主控MCU通过同步时序脉冲进行光谱探测信息与IMU姿态信息的同步采集。
作为优选，所述多轴旋转支架安装在水面运载平台的顶部，其前端不得被遮挡。
作为优选，所述态主控模块和光谱探测模块通过深度学习对水面暗礁、垃圾进行分类识别。
同时，本发明还提供了一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法，包括：
(1)将姿态主控机械外壳和光谱探测外壳通过多轴旋转支架固定在水面运载平台上，在水面无波动的情况下，校正光谱探测模块的光学探测参数；
(2)主控MCU通过RS232串口读取并发送IMU姿态信息，并通过SPI总线通信给MEMS光谱探测芯片发送脉冲时序信号，驱动所述光谱MCU进行光谱单点探测，实现姿态主控模块的姿态信息与光谱探测模块的信息同步；
(3)光谱MCU根据发送的脉冲时序信号，实时按需读取MEMS光谱探测芯片的信息，MEMS光谱探测芯片实时将相应时间的水质光谱探测数据返回；
(4)主控MCU根据同步采集到的IMU姿态传感器的姿态信息与光谱探测信息，将IMU姿态信息检测的平台位姿误差δ与光谱线束与水面具体交点处的水面推扫幅值相对应，即可通过所述光谱单点探测器感知光谱线束与水面具体交点处的水质状态参数；
(5)循环步骤(2)～(4)，不断进行水面扫描，将所有扫描过的点集中在时域内扩展即可形成一条水面推扫曲线，进而获取一个微小的带形区域内的水质状态参数；
(6)通过水面运载平台的运动，结合步骤(5)中获取的条带区域水质参数，即可获取整个平面内的水质状态参数；
(7)利用主控MCU，每隔设定时间获取某一部分平面的水质状态参数，如果某一区域内的水质状态参数在正常范围之内，即再次通过光谱单点探测器进行水质状态检测；
(8)如果某一区域内的水质状态参数超出正常水质参数区域范围之外，即可通过深度学习方法对当前区域的性状进行分类识别，即可识别出水面暗礁、垃圾漂浮物；
(9)重复以上步骤实现水质状态的光谱单点探测，并可实现水面暗礁、垃圾漂浮物的检测。
作为优选，在步骤(6)中，水面运载平台的运动状态包括匀速运动或者变速运动；且监控的水质状态参数包括：氨氮、PH值、COD、电导率、ORP和温度。
作为优选，在步骤(8)中，对于水面垃圾漂浮物或者暗礁其分类标准不同，具体如下：根据水面暗礁及垃圾漂浮物在不同波段光谱下呈现的图像信息进行特征提取，进而根据提取的特征对其进行分类，以监测当前区域所形成的光谱图形为暗礁或者垃圾或者是一般水体。识别用的数据源包括RGB图像、近红外波段光谱图像、远红外波段光谱图像。
本发明的有益效果：本发明通过光谱单点推扫与IMU位姿同步关联的方式实时补偿由于复杂水面波动造成的光谱近地探测误差；同时结合光谱单点推扫与平台的运动规律，使光谱探测到某一特定水面区域的水质状态参数。本专利仅需要极低成本的MEMS光谱探测器即可实现水质状态单点检测，结合水面运载平台的运动可进一步实现水面暗礁、垃圾漂浮物等异物的检测，避免了水面运载平台在自主移动时触礁，防止了安全事故发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的安装结构示意图；
图3为本发明光谱单点推扫与位姿同步关联方法示意图；
图中：1.水面运载平台，2.多轴旋转支架，3.主控MCU，4.IMU姿态传感器，5.光谱MCU，6.MEMS光谱探测芯片，7.光学透镜，8.压电陶瓷驱动器，9.姿态主控机械外壳，10.光谱探测外壳，11.承压板，12.机械紧固装置。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-图3所示，本发明公开了一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测装置，包括设置在水面运载平台1上的多轴旋转支架2，还包括姿态主控模块和光谱探测模块；
－所述姿态主控模块包括主控MCU3和IMU姿态传感器4，所述主控MCU3用于读取IMU姿态传感器4的传感信息；IMU姿态传感器4用于实时采集姿态信息；
－光谱探测模块包括光谱MCU5、MEMS光谱探测芯片6及光学透镜7，所述光谱MCU5用于对MEMS光谱探测芯片6的探测数据定时采集，并进行水质状态的光学单点分析；所述MEMS光谱探测芯片6用于探测光谱，所述光学透镜7用于配合MEMS光谱探测芯片6进行光谱探测。
在本专利中由于光谱的波长不同，MEMS光谱探测芯片对于其的定向感知的光谱特性也不一样，比如波长为850μm的荧光光谱，本专利的MEMS光谱探测芯片最多只能采集12个通道的光谱。
所述姿态主控模块还包括压电陶瓷驱动器8，所述主控MCU3、IMU姿态传感器4和压电陶瓷驱动器8形成于姿态主控机械外壳9内，且主控MCU3、IMU姿态传感器4和压电陶瓷驱动器8之间分别通过RS232串口连接。
所述光谱MCU5和MEMS光谱探测芯片6之间通过SPI进行通信，所述MEMS光谱探测芯片6的输出端与光学透镜连接，所述光谱MCU与主控MCU之间通过SPI或者I2C进行通信；且所述光谱MCU、MEMS光谱探测芯片及光学透镜形成于光谱探测外壳内。
所述光谱探测外壳10通过机械紧固装置12固定在承压板11上，所述承压板11活动连接在姿态主控机械外壳9上，所述姿态主控机械外壳9固定在多轴旋转支架2上。所述机械紧固装置12包括螺丝、螺栓、螺柱或者螺钉等。
所述姿态主控模块和光谱探测模块分别集成于相应的机械外壳内，安装于多轴旋转支架上，在本专利中，多轴旋转支架可在复杂水面波动的情况下实现光学探测的机械防抖，承压板与压电陶瓷驱动器相互作用，压电陶瓷驱动器用于感知光谱探测模块的运动轨迹。
所述主控MCU3通过同步时序脉冲进行光谱探测信息与IMU姿态信息的同步采集。
所述多轴旋转支架2安装在水面运载平台的顶部，其前端不得被遮挡。
所述态主控模块和光谱探测模块通过深度学习对水面暗礁、垃圾进行分类识别。
同时，本发明还提供了一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法，包括：
(1)将姿态主控机械外壳和光谱探测外壳通过多轴旋转支架固定在水面运载平台上，在水面无波动的情况下，校正光谱探测模块的光学探测参数；
(2)主控MCU通过RS232串口读取并发送IMU姿态信息，并通过SPI总线通信给MEMS光谱探测芯片发送脉冲时序信号，驱动光谱MCU进行光谱单点探测，实现姿态主控模块的姿态信息与光谱探测模块的信息同步；
(3)光谱MCU根据发送的脉冲时序信号，实时按需读取MEMS光谱探测芯片的信息，MEMS光谱探测芯片实时将相应时间的水质光谱探测数据返回；
(4)主控MCU根据同步采集到的IMU姿态传感器的姿态信息与光谱探测信息，将IMU姿态信息检测的平台位姿误差δ与光谱线束与水面具体交点处的水面推扫幅值相对应，即可通过光谱单点探测器感知光谱线束与水面具体交点处的水质状态参数；
(5)循环步骤(2)～(4)，不断进行水面扫描，将所有扫描过的点集中在时域内扩展即可形成一条水面推扫曲线，进而获取一个微小的带形区域内的水质状态参数；
(6)通过水面运载平台的运动，结合步骤(5)中获取的条带区域水质参数，即可获取整个平面内的水质状态参数；水面运载平台的运动状态包括匀速运动或者加速度等的可调变速运动；且监控的水质状态参数包括：氨氮、PH值、COD、电导率、ORP和温度等；
(7)利用主控MCU，每隔设定时间获取某一部分平面的水质状态参数，如果某一区域内的水质状态参数在正常范围之内，即再次通过所述光谱单点探测器进行水质状态检测；
在本技术方案中，时间区域不得大于(fmax*2)-1，其中fmax为正弦推扫曲线的最大频率；
(8)如果某一区域内的水质状态参数超出正常水质参数区域范围之外，即可通过深度学习方法对当前区域的性状进行分类识别，即可识别出水面暗礁、垃圾漂浮物；
对于水面垃圾漂浮物或者暗礁其分类标准不同，具体如下：根据水面暗礁及垃圾漂浮物在不同波段光谱下呈现的图像信息进行特征提取，进而根据提取的特征对其进行分类，以监测当前区域所形成的光谱图形为暗礁或者垃圾或者是一般水体。在识别时用的数据源包括RGB图像、近红外波段光谱图像、远红外波段光谱图像等；
(9)重复以上步骤实现水质状态的光谱单点探测，并可实现水面暗礁、垃圾漂浮物的检测。
本发明通过光谱单点推扫与IMU位姿同步关联的方式实时补偿由于复杂水面波动造成的光谱近地探测误差；同时结合光谱单点推扫与平台的运动规律，使光谱探测到某一特定水面区域的水质状态参数。本专利仅需要极低成本的MEMS光谱探测器即可实现水质状态单点检测，结合水面运载平台的运动可进一步实现水面暗礁、垃圾漂浮物等异物的检测，避免了水面运载平台在自主移动时触礁，防止了安全事故发生。
所描述的实施例只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。

Claims (3)

1.一种基于光谱推扫与位姿同步关联的水质监测装置，包括设置在水面运载平台(1)上的多轴旋转支架(2)，还包括姿态主控模块和光谱探测模块；
所述姿态主控模块包括主控MCU(3)和IMU姿态传感器(4)，所述主控MCU(3)用于读取IMU姿态传感器(4)的传感信息；IMU姿态传感器(4)用于实时采集姿态信息；所述主控MCU(3)通过同步时序脉冲进行光谱探测信息与IMU姿态信息的同步采集；
所述姿态主控模块还包括压电陶瓷驱动器(8)，所述主控MCU(3)、IMU姿态传感器(4)和压电陶瓷驱动器(8)形成于姿态主控机械外壳(9)内，且主控MCU(3)、IMU姿态传感器(4)和压电陶瓷驱动器(8)之间分别通过RS232串口连接；
光谱探测模块包括光谱MCU(5)、MEMS光谱探测芯片(6)及光学透镜(7)，所述光谱MCU(5)用于对MEMS光谱探测芯片(6)的探测数据定时采集，并进行水质状态的光学单点分析；所述MEMS光谱探测芯片(6)用于探测光谱，所述光学透镜(7)用于配合MEMS光谱探测芯片(6)进行光谱探测；
所述光谱MCU(5)和MEMS光谱探测芯片(6)之间通过SPI进行通信，所述MEMS光谱探测芯片(6)与光学透镜(7)连接，所述光谱MCU(5)与主控MCU(3)之间通过SPI或者I2C进行通信；且所述光谱MCU(5)、MEMS光谱探测芯片(6)及光学透镜(7)形成于光谱探测外壳(10)内。
2.根据权利要求1所述的水质监测装置，其特征在于，所述光谱探测外壳(10)固定在承压板(11)上，所述承压板(11)活动连接在姿态主控机械外壳(9)上，所述姿态主控机械外壳(9)固定在多轴旋转支架(2)上。
3.根据权利要求2所述的水质监测装置，其特征在于，所述多轴旋转支架(2)安装在水面运载平台(1)的顶部，其前端不得被遮挡。
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