CN113063911A - 一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人船舶技术领域，尤其是一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统。其包括无人船船体平台，还包括无人船自主控制系统，无人船自主控制系统包括船端控制系统和上位端控制系统，船端控制系统用于无人船船体平台的自主航行与控制，上位端控制系统用于在岸基远程控制无人船船体平台，船端控制系统和上位端控制系统通过远程通信单元实现数据和信息交换。本发明采用具备自主航路规划的船舶搭载自动水样采集系统和水质检测处理系统，通过合理的设计和有机配合，具备标准采样作业、分层采样作业和水华采样作业多种作业模式及走航式全自动采样‑移动监测‑数据处理‑数据发送的全流程作业能力。

Description

一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统
技术领域
本发明涉及无人船舶技术领域，尤其是一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统。
背景技术
随着工业化和城市化的高速发展，全国性水环境污染日益严重，很多地方已经出现严重的水质性缺水。随着人们对水环境保护意识和要求的提高，对区域湖泊及流域水环境的关注程度愈发强烈。
水质监测对整个水环境保护、水污染控制以及维护水环境健康方面都起着至关重要的作用。传统的水质监测多基于现场采集样品回实验室分析，效率极其低下，无法适应水环境状况时域变化的特性；而近年来广泛应用的水质固定自动站，虽然可以做到时间维度的全覆盖，但空间覆盖极其有限，无法反映整体水环境状况。近年来，国家对发展立体化环境监测、智能环保及环境大数据等方面作出了一系列的顶层规划，明确提出要加快便携、快速、自动监测仪器设备的研发与推广应用。水环境监测领域急需发展智能化的监测手段，提升监测科技水平。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，通过在无人船平台上集成水样采集系统和水质监测设备，测量人员在岸基通过无线通信实现对监测无人船平台的远程操控，实现对湖泊及流域水系的水体叶绿素、生物源有机污染等指标进行移动监测，不仅能够降低作业环境条件的要求，还能够显著提高水质监测效率。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，包括无人船船体平台，还包括无人船自主控制系统，无人船自主控制系统包括船端控制系统和上位端控制系统，船端控制系统用于无人船船体平台的自主航行与控制，上位端控制系统用于在岸基远程控制无人船船体平台，船端控制系统和上位端控制系统通过远程通信单元实现数据和信息交换；
所述上位端控制系统包括岸基控制基站，所述船端控制系统包括无人船决策控制单元、导航定位单元、远程通信单元、环境感知单元、能源电力单元和执行机构单元，所述无人船决策控制单元能够接收来自导航定位单元和环境感知单元提供的无人船位置、姿态和障碍距离信息，作为控制回路的反馈输入，并利用事先建立的参考模型，根据实时的测量信息，不断计算得到航行指令，并将航行指令发送给驱动控制总线，无人船决策控制单元还负责数据存储与通信，结合远程通信单元与上位端控制系统的岸基控制基站完成信息传递；所述导航定位单元能够观测无人船自身的状态信息，输出数据到无人船决策控制单元，用于无人船自主航行控制；所述远程通信单元用于实现船岸无线通信；所述环境感知单元能够感知无人船附近水面环境，起到发现目标、定位目标的功能，输出数据到无人船决策控制单元，用于无人船自主避障；所述能源电力单元主要为船载设备提供给用电负载；
所述执行机构单元包括舷外机、水样采集设备和水质监测仪器，执行机构单元负责无人船决策控制单元的运动与控制指令，并准确无误执行指定动作，所述水样采集设备设置在无人船船体平台的船首甲板上，水样采集设备包括水华采样装置和分层采样装置，水华采样装置和分层采样装置分别通过输水管路连接水路控制盒，水路控制盒的各个分流口通过输水管路连接水质监测仪器，水路控制盒通过输水管路连接自动留样装置，自动留样装置能够对水样进行留存。
进一步的，无人船船体平台从前往后依次设有艏尖舱、载荷设备舱、驾控舱和艉舱，驾控舱内设置驾控台，驾控舱顶端设置驾控舱顶棚，驾控舱顶棚上设置信号灯支座，信号灯支座上固定桅杆，桅杆上固定多个能够指示航行状态的航行信号灯，水质监测仪器、水路控制盒和自动留样装置均设置在载荷设备舱内。
进一步的，导航定位单元包括分别设置在信号灯支座和艏尖舱上端的两部惯导天线。
进一步的，远程通信单元包括无线通信天线和4G通信模块，无线通信天线设置在驾控舱顶棚上。
进一步的，环境感知单元包括导航雷达和摄像头，导航雷达设置在驾控舱顶棚上，摄像头固定在桅杆上。
进一步的，舷外机设置在无人船船体平台尾部，舷外机能够提供动力，带动无人船船体平台移动。
进一步的，水质监测仪器包括水体藻类荧光光谱在线分析仪、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪、在线标定分析仪和载荷控制盒，水体藻类荧光光谱在线分析仪、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪、在线标定分析仪和载荷控制盒分别通过输水管路连接水路控制盒，水体藻类荧光光谱在线分析仪、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪、在线标定分析仪分别和载荷控制盒电连接，载荷控制盒能够对各个分析仪进行自动控制。
进一步的，岸基控制基站包括工业笔记本和通信基站。
进一步的，无人船决策控制单元包括船载决策主机。
进一步的，能源电力单元包括电池组和发电机。
本发明的有益效果如下：
本发明采用具备自主航路规划的船舶搭载自动水样采集系统和水质检测处理系统，通过合理的设计和有机配合，具备标准采样作业、分层采样作业和水华采样作业多种作业模式及走航式全自动采样-移动监测-数据处理-数据发送的全流程作业能力，能够实现对水体叶绿素a含量、营养化有机污染指标水平等多种水体指标的有效监测，有效的解决了传统湖泊及流域水体采样及检测的时效性和作业覆盖区域方面的缺点，且省时省力，足不出户就可观察水质数据，可以针对局部区域范围内面广量大复杂的水环境目标开展监测监管，可以形成直观、客观、宏观、可追溯的水环境数据，以相对传统监测和固定站点自动监测显著的性价比优势，全面掌握水体环境各种要素的状况。
附图说明
图1为本发明立体图。
图2为本发明主视图。
图3为图2的俯视图。
图4为本发明控制系统原理图。
图5为本发明水华采样作业模式原理图。
图6为本发明标准采样作业模式原理图。
图7为本发明分层采用作业模式原理图。
其中：100、无人船船体平台；101、艏尖舱；102、载荷设备舱；103、驾控舱；104、艉舱；105、舷外机；106、驾控台；107、导航雷达；108、摄像头；109、无线通信天线；110、惯导天线；111、桅杆；112、航行信号灯；113、驾控舱顶棚；114、信号灯支座；200、水样采集设备；210、水华采样装置；220、分层采样装置；230、水路控制盒；240、自动留样装置；300、水质监测仪器；310、水体藻类荧光光谱在线分析仪；320、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪；330、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪；340、在线标定分析仪；350、载荷控制盒。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示的实施例中，主要包括无人船船体平台100，无人船船体平台100从前往后依次设有艏尖舱101、载荷设备舱102、驾控舱103和艉舱104。
如图1和图2所示的实施例中，驾控舱103内设置驾控台106，驾控舱103顶端设置驾控舱顶棚113，驾控舱顶棚113上设置信号灯支座114，信号灯支座114上固定桅杆111，桅杆111上固定多个能够指示航行状态的航行信号灯112。
如图4所示的实施例中，还包括无人船自主控制系统，无人船自主控制系统包括船端控制系统和上位端控制系统，船端控制系统用于无人船船体平台100的自主航行与控制，上位端控制系统用于在岸基远程控制无人船船体平台100，船端控制系统和上位端控制系统通过远程通信单元实现数据和信息交换。
如图4所示的实施例中，上位端控制系统主要用于无人船的岸基远程监测和控制，包括岸基控制基站，岸基控制基站包括工业笔记本和通信基站。
如图4所示的实施例中，船端控制系统包括无人船决策控制单元、导航定位单元、远程通信单元、环境感知单元、能源电力单元和执行机构单元，无人船决策控制单元包括船载决策主机，无人船决策控制单元是船端控制系统的核心，无人船决策控制单元能够接收来自导航定位单元和环境感知单元提供的无人船位置、姿态和障碍距离信息，作为控制回路的反馈输入，并利用事先建立的参考模型，根据实时的测量信息，不断计算得到航行指令，并将航行指令发送给驱动控制总线；同时，无人船决策控制单元还负责数据存储与通信，结合远程通信单元与上位端控制系统的岸基控制基站完成信息传递。
导航定位单元包括分别设置在信号灯支座114和艏尖舱101上端的两部惯导天线110，导航定位单元能够观测无人船自身的状态信息(包括经纬度坐标、速度、姿态角等)，输出数据到无人船决策控制单元，用于无人船自主航行控制。
远程通信单元包括无线通信天线109和4G通信模块，远程通信单元用于实现船岸无线通信。无线通信天线109设置在驾控舱顶棚113上。
环境感知单元包括导航雷达107和摄像头108，导航雷达107设置在驾控舱顶棚113上，摄像头108固定在桅杆111上。环境感知单元能够感知无人船附近水面环境，起到发现目标、定位目标的功能，输出数据到无人船决策控制单元，用于无人船自主避障。
能源电力单元包括电池组和发电机，能源电力单元主要为船载设备提供给用电负载。
执行机构单元包括舷外机105、水样采集设备200和水质监测仪器300，执行机构单元负责无人船决策控制单元的运动与控制指令，并准确无误执行指定动作。
如图1和图2所示的实施例中，舷外机105设置在无人船船体平台100尾部，舷外机105能够提供动力，带动无人船船体平台100移动。
如图1和图2所示的实施例中，水样采集设备200设置在无人船船体平台100的船首甲板上，水样采集设备包括水华采样装置210和分层采样装置220，水华采样装置210能够采集表层的水样，分层采样装置210能够采集0.5～1.5m水深处的水样。水华采样装置210和分层采样装置220分别通过输水管路连接水路控制盒230，水路控制盒230的各个分流口通过输水管路连接水质监测仪器300，水路控制盒230通过输水管路连接自动留样装置240，自动留样装置240能够对水样进行留存。水质监测仪器300、水路控制盒230和自动留样装置240均设置在载荷设备舱102内。
如图3所示的实施例中，水质监测仪器300包括水体藻类荧光光谱在线分析仪310、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪320、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪330、在线标定分析仪340和载荷控制盒350，水体藻类荧光光谱在线分析仪310、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪320、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪330、在线标定分析仪340和载荷控制盒350分别通过输水管路连接水路控制盒230，水体藻类荧光光谱在线分析仪310、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪320、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪330、在线标定分析仪340分别和载荷控制盒350电连接，载荷控制盒350能够对各个分析仪进行自动控制。
本发明一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统具有三种作业模式：
水华采样作业模式：如图5所示，上位端控制系统通过岸基控制基站规划无人船自动航行路线，到达指定地点后，发出作业指令至船端控制系统开始作业；船端控制系统将作业指令通过载荷控制盒350传输至水样采集设备，水华采样装置210按作业指令开始采集水样，通过水路控制盒230输送至自动留样装置240进行留样，同时通过自动留样装置240中的溢流池装置将水样输送至水体藻类荧光光谱在线分析仪310进行自动检测分析，分析后的水质检测数据自动传输至载荷控制盒350，并传输储存于船端控制系统，然后前往下一个指定地点重复上述作业。
标准采样作业模式：如图6所示，上位端控制系统通过岸基控制基站规划无人船自动航行路线，到达指定地点后，发出作业指令至船端控制系统开始作业；船端控制系统将作业指令通过载荷控制盒350传输至水华采样装置210，水华采样装置210按作业指令开始采集水样，通过水路控制盒230输送至自动留样装置240，并通过自动留样装置240中的溢流池装置将水样分别输送至水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪320、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪330和在线标定分析仪340进行自动检测分析，分析后的水质检测数据自动传输至载荷控制盒350，并传输储存于船端控制系统进行融合处理，然后前往下一个指定地点重复上述作业。
分层采样作业模式：如图7所示，上位端控制系统通过岸基控制基站规划无人船自动航行路线，到达指定地点后，发出作业指令至船端控制系统开始作业；船端控制系统将作业指令通过载荷控制盒350传输至分层采用装置220，分层采用装置220按作业指令开始采集指定水深处的水样，通过水路控制盒230输送至自动留样装置240进行留样，然后前往下一个指定地点重复上述作业。
本发明采用具备自主航路规划的船舶搭载自动水样采集系统和水质检测处理系统，通过合理的设计和有机配合，具备标准采样作业、分层采样作业和水华采样作业多种作业模式及走航式全自动采样(留样)-移动监测-数据处理-数据发送的全流程作业能力，能够实现对水体叶绿素a含量、营养化有机污染指标水平等多种水体指标的有效监测，有效的解决了传统湖泊及流域水体采样及检测的时效性和作业覆盖区域方面的缺点，且省时省力，足不出户就可观察水质数据，可以针对局部区域范围内面广量大复杂的水环境目标开展监测监管，可以形成直观、客观、宏观、可追溯的水环境数据，以相对传统监测和固定站点自动监测显著的性价比优势，全面掌握水体环境各种要素的状况。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，包括无人船船体平台(100)，其特征在于：还包括无人船自主控制系统，无人船自主控制系统包括船端控制系统和上位端控制系统，船端控制系统用于无人船船体平台(100)的自主航行与控制，上位端控制系统用于在岸基远程控制无人船船体平台(100)，船端控制系统和上位端控制系统通过远程通信单元实现数据和信息交换；
所述上位端控制系统包括岸基控制基站，所述船端控制系统包括无人船决策控制单元、导航定位单元、远程通信单元、环境感知单元、能源电力单元和执行机构单元，所述无人船决策控制单元能够接收来自导航定位单元和环境感知单元提供的无人船位置、姿态和障碍距离信息，作为控制回路的反馈输入，并利用事先建立的参考模型，根据实时的测量信息，不断计算得到航行指令，并将航行指令发送给驱动控制总线，无人船决策控制单元还负责数据存储与通信，结合远程通信单元与上位端控制系统的岸基控制基站完成信息传递；所述导航定位单元能够观测无人船自身的状态信息，输出数据到无人船决策控制单元，用于无人船自主航行控制；所述远程通信单元用于实现船岸无线通信；所述环境感知单元能够感知无人船附近水面环境，起到发现目标、定位目标的功能，输出数据到无人船决策控制单元，用于无人船自主避障；所述能源电力单元主要为船载设备提供给用电负载；
所述执行机构单元包括舷外机(105)、水样采集设备(200)和水质监测仪器(300)，执行机构单元负责无人船决策控制单元的运动与控制指令，并准确无误执行指定动作，所述水样采集设备(200)设置在无人船船体平台(100)的船首甲板上，水样采集设备包括水华采样装置(210)和分层采样装置(220)，水华采样装置(210)和分层采样装置(220)分别通过输水管路连接水路控制盒(230)，水路控制盒(230)的各个分流口通过输水管路连接水质监测仪器(300)，水路控制盒(230)通过输水管路连接自动留样装置(240)，自动留样装置(240)能够对水样进行留存。
2.如权利要求1所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述无人船船体平台(100)从前往后依次设有艏尖舱(101)、载荷设备舱(102)、驾控舱(103)和艉舱(104)，驾控舱(103)内设置驾控台(106)，驾控舱(103)顶端设置驾控舱顶棚(113)，驾控舱顶棚(113)上设置信号灯支座(114)，信号灯支座(114)上固定桅杆(111)，桅杆(111)上固定多个能够指示航行状态的航行信号灯(112)，水质监测仪器(300)、水路控制盒(230)和自动留样装置(240)均设置在载荷设备舱(102)内。
3.如权利要求2所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述导航定位单元包括分别设置在信号灯支座(114)和艏尖舱(101)上端的两部惯导天线(110)。
4.如权利要求2所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述远程通信单元包括无线通信天线(109)和4G通信模块，无线通信天线(109)设置在驾控舱顶棚(113)上。
5.如权利要求2所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述环境感知单元包括导航雷达(107)和摄像头(108)，导航雷达(107)设置在驾控舱顶棚(113)上，摄像头(108)固定在桅杆(111)上。
6.如权利要求2所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述舷外机(105)设置在无人船船体平台(100)尾部，舷外机(105)能够提供动力，带动无人船船体平台(100)移动。
7.如权利要求2所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述水质监测仪器(300)包括水体藻类荧光光谱在线分析仪(310)、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪(320)、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪(330)、在线标定分析仪(340)和载荷控制盒(350)，水体藻类荧光光谱在线分析仪(310)、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪(320)、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪(330)、在线标定分析仪(340)和载荷控制盒(350)分别通过输水管路连接水路控制盒(230)，水体藻类荧光光谱在线分析仪(310)、水体有机物紫外光诱导荧光在线分析仪(320)、水体有机污染在线吸收光谱水质监测仪(330)、在线标定分析仪(340)分别和载荷控制盒(350)电连接，载荷控制盒(350)能够对各个分析仪进行自动控制。
8.如权利要求1所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述岸基控制基站包括工业笔记本和通信基站。
9.如权利要求1所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述无人船决策控制单元包括船载决策主机。
10.如权利要求1所述的一种用于湖泊及流域水质监测的无人船系统，其特征在于：所述能源电力单元包括电池组和发电机。
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