CN112985913A - 一种基于多无人机的河口水质监测采样系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，所述系统包括地面站、无人机、水质监测装置、水质采样装置。其特征在于：所述地面站用于多架无人机的航线规划，无人机的状态监测；所述无人机用于携带监测与采集装置至实验地点；所述水质监测装置用于监测水中多参数指标；所述水质采样装置用于三个采样瓶的水样采集；实验结束后，无人机将装置带回。该系统解决了传统监测范围小、采样人员不易到达、同一河口断面监测采样具有时差性等问题，实现了河口断面多点同步水质监测与水质采样，提高了水质监测与水质采样的灵活性和同步性。

Description

一种基于多无人机的河口水质监测采样系统
技术领域
本发明涉及无人机、传感器与环境监测领域，特别涉及一种基于多无人机的河口水质监测采样系统。
背景技术
钱塘江河口潮强流急，冲淤变化剧烈，是典型的强潮河口。该河口供应了杭州市80％的饮用水，是城市重要的水源地。近年来随着经济社会的快速发展，钱塘江流域生态环境问题日益突显，水域正面临严重的水污染问题。研究水环境变化规律，获取有代表性的水质数据，对水污染的治理和水环境的保护具有重要的意义。要解决钱塘江河口地区的用水安全问题，需要定期对水质进行监测与采样。
现阶段水质监测主要方法为建设定点监测站，通过缆绳调整传感器位置实现不同深度的监测，但固定位置传感器受到很多限制，无法进行不同位置监测，固定传感器周围堆积的沉积物可能会导致测量值不稳定。现阶段水样采样主要为人工划船现场采样，这种方式同样存在很多问题，如环境恶劣时无法保证人员安全，船舶划动可能会影响周围水质。同时，由于水流导致污染物扩散，人工划船无法完成对一个河流断面进行多点同步采样与监测。无人机灵活性高，对恶劣环境适应性强，并且具有一定的载重能力，使用多架无人机进行现场水质监测和水质采样能有助于克服这些挑战，减少样本采样时间和成本，降低现场工作人员的安全风险。
通过筛选基于无人机的水质监测与水质采样，目前相关专利有《一种多用途无人机取水装置》(发明(设计)人：中国水利水电科学研究院，公开号：CN110646247A)、《一种悬挂式无人机水质采样器系统》(发明(设计)人：武汉博感空间科技有限公司，公开号：CN105699125A)。上述专利主要用于水质采样，但功能比较单一，采样样品数量较少。因此本专利提出一种基于多无人机的河口水质监测与采样系统，不仅实现了水质监测与水质采样结合，而且实现了河口断面多点同步水质监测与水质采样，更加具有参考价值和实用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现阶段河口断面多点同步水质监测与水质采样的问题，提供了一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，能够实现河口断面多点同步水质监测与水质采样。
一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，包括地面站、无人机、水质监测装置、水质采样装置。
所述地面站起到控制监测多架无人机飞行作用，地面站设定飞行地点、高度，规划多架无人机航线，实现河口断面多点同步水质监测与水质采样的控制。同时，地面站能监测其位置、高度、状态。
所述无人机内部包括飞行控制模块、GPS模块、电池、无线信号发射端，其作用为携带监测与采样装置至现场。
所述系统可实现定深监测与采样，水浸传感器(8)固定于六参水质传感器底部(7)，水浸传感器(8)接触到水后将开关量信号传至控制端单片机(5)中，控制端单片机(5)与舵机端单片机(3)通过无线通讯传递开关量信号，舵机端单片机(3)控制舵机转动圈数，结合绞盘(1)实现对整体装置的深度控制。
所述监测装置包括控制端单片机(5)、六参水质传感器(7)、水浸传感器(8)。舵机端单片机(3)控制舵机下放整体装置到达指定位置后，控制端单片机(5)控制六参水质传感器工作与停止，实现对水质的监测。
所述采样控制模块(5)包括控制端单片机、蠕动泵、电磁阀。舵机端单片机(3)控制舵机下放整体装置到达指定位置后，控制端单片机(5)开启蠕动泵开始采水，通过控制端单片机(5)控制电磁阀，对抽水管(6)中水样流入采样瓶(4)进行选择，实现每一架无人机在同一点取样三次或在三个不同点各取样一次。
所述系统无人机底部安装的摄像头实时监控采水信息，采样瓶水量状态的画面通过无线通讯模块传给地面站，在显示屏上显示，通过观察显示屏信息，可以对采样水量进行精准控制。
附图说明
图1，本发明所述一种基于多无人机的河口水质监测采样系统。其中1-绞盘，2-舵机，3-舵机端单片机，4-采样瓶，6-抽水管，7-六参水质传感器，8-水浸传感器，5-采样控制模块：内部包括控制端单片机，蠕动泵，电磁阀。
图2，多无人机地面站控制原理框图。
图3，多无人机地面站航线规划图。
图4，本发明整体流程框图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明的实施例作详细说明，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。所述实例为本发明的较佳实例，而不是全部实例。
本实施例以钱塘江七堡段水质监测与采样为例，对本发明方法进行应用，其具体过程如下：
如图4所示，步骤按流程图进行展开。
步骤1：基于多无人机的河口水质监测与采样系统，所述无人机包括飞行控制模块、GPS模块、电池、无线信号发射端、摄像设备。首先进行多架无人机各模块检验与校准，确认无人机各组件与模块正常。
步骤2：在地面站设定三架无人机飞行路线。如图2所示，无人机通过TCP网络端口以及对应IP地址端口号进行连接，首先将每一个地面站连接实现一个MAVLinkProtocol类，它实现将所有接收到的数据统一汇总到MAVlink的消息解析的接口中，实现消息的解包，然后通过多机管理实现对每一个飞机的数据信息发送与控制，从而实现地面站对多架无人机的航线规划。如图3所示，飞机1、飞机2和飞机3航线中的1形成断面1，飞机1、飞机2和飞机3航线中的2形成断面2，飞机1、飞机2和飞机3航线中的3形成断面3，实现了七堡段河口断面多点同步水质监测与水质采样。
步骤3：无人机携带监测与采样装置至实验地点，通过舵机端单片机(3)控制舵机(2)，下放监测与采样装置，水浸传感器(8)接触到水后将开关量信号传至控制端单片机(5)中，控制端单片机(5)通过无线通讯传递开关量信号至舵机端单片机(3)，舵机端单片机(3)控制舵机转动圈数，结合绞盘实现对整体装置的深度控制。
步骤4：控制端单片机(5)控制监测装置启动，六参水质传感器(7)运行，监测数据回传控制端单片机(5)，通过控制端单片机(5)上传至地面站。
步骤5：控制端单片机(5)控制采水装置启动，控制端单片机(5)开启蠕动泵开始采水，控制端单片机(5)控制电磁阀选择抽水管(6)中水样流入不同采样瓶(4)，可以实现同一点取样三次或在三个不同点各进行一次取样。
步骤6：通过无人机底部安装的采水信息实时监控，观察采水信息，控制采样的水量。
步骤7：监测与采样任务结束，控制端单片机(5)控制监测与采样装置停止运行，无人机返航，取下采样瓶，实验室检测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.本发明公开了一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，可以实现河口断面多点同步水质监测与水质采样，所述系统包括地面站、无人机、水质监测装置、水质采样装置，其特征在于：所述地面站用于多无人机航线规划，监测无人机状态；所述无人机用于携带监测与采样装置至实验地点；所述水质监测装置用于水质监测，可实现多参数定深监测；所述水质采样装置用于水质采样，可实现多样本定深采样。
2.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，其特征在于：无人机通过TCP网络端口以及对应IP地址端口号进行连接，首先将每一个地面站连接实现一个MAVLinkProtocol类，它将所有接收到的数据统一汇总到MAVlink的消息解析的接口中，实现消息的解包，然后通过多机管理实现对每一个飞机的数据信息发送与控制，实现地面站对多架无人机的航线规划，从而实现河口断面多点同步水质监测与水质采样。
3.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，其特征在于：本系统可实现定深监测与采样，水浸传感器接触到水后将开关量信号传至控制端单片机中，控制端单片机通过无线通讯传递开关量信号至舵机端单片机，舵机端单片机控制舵机转动圈数，结合绞盘实现对整体装置的深度控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，其特征在于：水质监测装置现场监测PH、DO、COND、温度、NTU和NH4，选用六参水质传感器，通过内部集成电路中控制端单片机收发信号，使用I2C协议进行测量与传输，将监测到的数据上传至地面站。
5.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，其特征在于：水质采样装置每次作业可以采集三个样本，水质采样装置由三个采样瓶构成，通过控制端单片机控制电磁阀，对抽水管中水样流入采样瓶进行选择，实现每一架无人机在同一点取样三次或在三个不同点各取样一次。
6.根据权利要求1所述的一种基于多无人机的河口水质监测采样系统，其特征在于：用无人机底部安装的摄像头实时监控采水信息，取样瓶水量状态的画面通过无线通讯模块传给地面控制站，在显示屏上显示，通过观察显示屏信息，可以对采集水量进行精准控制。
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