CN114136288A - 一种远程水文监测系统 - Google Patents

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钱晓军
周俊生
范冬萍
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Nanjing Normal University
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Suzhou Nanshi University Science Park Investment Management Co ltd
Nanjing Normal University
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Abstract

本发明公开了一种远程水文监测系统，包括巡检无人机以及各个水文监测基站；水文监测基站包括控制箱、无人机充电平台、悬挑支架、升降驱动机构以及水质检测机构；无人机充电平台安装在悬挑支架的顶部；在巡检无人机上设置有摄像头和无人机充电线圈；在无人机充电平台上设置有基站充电线圈。该远程水文监测系统利用各个水文监测基站能够对河道进行定点水文监测，实现远程水文数据无人采集；利用巡检无人机能够对河道进行巡检，并对河道水文状况进行图像采集，便于对河道进行无盲点监测；利用无人机充电线圈与基站充电线圈的配合，能够对巡检无人机进行无线充电，使得巡检无人机及时补充电能，满足巡检无人机长期无人监管下的可靠运行。

Description

一种远程水文监测系统
技术领域
本发明涉及一种监测系统，尤其是一种远程水文监测系统。
背景技术
目前，在对现有的河道在进行水文监测时，尤其是对偏远地区河道进行远程水文监测时，如果采用人工定期进行巡查监测，不仅需要耗费大量的人力物力，而且测量的水文数据也不及时。若是在汛期，如果没有及时的水文数据，就不能及时掌握河道的水文信息，就不能对防汛工作进行快速反应和调度。
发明内容
发明目的：提供一种远程水文监测系统，能够对河道的水文数据进行实时监测，同时通过巡检无人机对河道进行水文图像采集，并远程发送至水文监控中心，无需进行人工定期进行巡查监测。
技术方案：本发明所述的远程水文监测系统，包括巡检无人机以及各个水文监测基站；水文监测基站包括控制箱、无人机充电平台、悬挑支架、升降驱动机构、水质检测机构、雨量传感器以及水位传感器；
各个水文监测基站的悬挑支架沿河道分布式安装；无人机充电平台安装在悬挑支架的顶部，用于停靠巡检无人机；在巡检无人机上设置有摄像头和无人机充电线圈；在无人机充电平台上设置有基站充电线圈，用于与无人机充电线圈配合对巡检无人机进行无线充电；升降驱动机构安装在悬挑支架的悬挑端上，水质检测机构悬吊式安装在升降驱动机构上，由升降驱动机构驱动水质检测机构升降运动；控制箱、雨量传感器以及水位传感器均安装在悬挑支架上；在控制箱内设置有基站控制器以及基站无线通信模块；基站控制器分别与基站无线通信模块、雨量传感器以及水位传感器电连接，并对升降驱动机构以及水质检测机构进行协调控制。
进一步的，巡检无人机包括飞行单元、两根竖向支撑杆、两根水平支撑杆、翻转调节轴以及摄像云台；两根竖向支撑杆竖向固定安装在飞行单元的下侧面上，两根水平支撑杆的中部分别垂直固定安装在两根竖向支撑杆的下端部上；翻转调节轴的两端分别旋转式安装在两根竖向支撑杆的下部，并在一根竖向支撑杆的下部固定安装有一个环形齿轮；无人机充电线圈固定安装在翻转调节轴上；翻转驱动电机固定安装在翻转调节轴上，并在输出轴上固定安装有与环形齿轮相啮合的翻转驱动齿轮；摄像云台固定安装在翻转调节轴的中部，摄像头安装在摄像云台上；飞行单元分别与无人机充电线圈、翻转驱动电机、摄像云台以及摄像头电连接。
进一步的，悬挑支架包括支撑底板、底部套管、顶部支撑管、悬挑套管以及伸缩杆；底部套管竖向固定安装在支撑底板的上侧面中心处；顶部支撑管的下端插装在底部套管的上端管口内，并在顶部支撑管的下端管壁上间隔设置有各个高度调节孔；在底部套管的上端管口处螺纹旋合安装有高度定位螺栓，且高度定位螺栓的端部伸入一个高度调节孔内；悬挑套管的一端垂直固定在顶部支撑管上，伸缩杆的一端插装在悬挑套管的另一端管口内，升降驱动机构安装在伸缩杆的另一端上；在悬挑套管的另一端管口处螺纹旋合安装有伸缩定位螺栓，且伸缩定位螺栓的端部按压在伸缩杆上；雨量传感器以及水位传感器均安装在悬挑套管上；控制箱安装在顶部支撑管上；无人机充电平台安装在顶部支撑管的上端上。
进一步的，无人机充电平台包括中部支撑平台以及电器盒；电器盒固定安装在悬挑支架上，并在电器盒内设置有无线充电电路；中部支撑平台固定安装在电器盒上方，基站充电线圈嵌入安装在中部支撑平台的上侧面中心处；在控制箱内设置有基站蓄电池，且基站蓄电池通过无线充电电路与基站充电线圈电连接。
进一步的，在控制箱内设置有与基站控制器电连接的折叠驱动电路；在电器盒内设置有折叠驱动电机以及太阳能充电电路，并在折叠驱动电机的输出轴端部上对接安装有折叠驱动螺杆，且折叠驱动螺杆竖向伸入顶部支撑管内；折叠驱动电路与折叠驱动电机电连接，基站蓄电池为折叠驱动电路供电；在中部支撑平台的四侧边缘上均铰接安装有一块支撑背板，并在支撑背板上安装有太阳能电池板；太阳能电池板通过太阳能充电电路为基站蓄电池充电；在顶部支撑管上滑动式套设有支撑滑套，并在支撑滑套上摆动式铰接安装有四根斜撑杆；在顶部支撑管上竖向设置有连通条形孔，在折叠驱动螺杆上螺纹旋合安装有折叠驱动座，且折叠驱动座与支撑滑套固定连接；四根斜撑杆的上端分别摆动式铰接安装在四块支撑背板的下侧面上；四块太阳能电池板通过太阳能充电电路为基站蓄电池充电。
进一步的，升降驱动机构包括机构壳体、升降驱动电机、线缆收放绞盘以及升降连接电缆；在机构壳体内旋转式安装有一根升降驱动轴，线缆收放绞盘固定安装在升降驱动轴上；在升降驱动轴上固定安装有升降驱动蜗轮；在升降驱动电机的输出轴上固定安装有与升降驱动蜗轮相啮合的升降驱动蜗杆；在控制箱内设置有与基站控制器电连接的升降驱动电路，升降驱动电路与升降驱动电机电连接；升降连接电缆的一端绕设固定在线缆收放绞盘上，另一端贯穿机构壳体后固定在水质检测机构上。
进一步的，在线缆收放绞盘的侧边圆盘的外侧面上同心设置有各个环形凹槽，并在各个环形凹槽内分别嵌入设置有各个环形电极；在机构壳体的侧边上设置有电连接座，并在电连接座上弹性设置有各个电极柱，且各个电极柱分别与基站蓄电池以及基站控制器电连接；各个电极柱分别伸入各个环形凹槽内，并弹性按压在各个环形电极上；升降连接电缆的各个电缆线芯分别与各个环形电极电连接。
进一步的，水质检测机构包括圆形接线盒、流速传感器以及各个水质传感器的传感探头；在控制箱内设置有与基站控制器电连接的各个水质传感器的信号处理电路；各个信号处理电路分别与电连接座上对应的各个电极柱电连接；各个传感探头竖向固定安装在圆形接线盒的下侧面上，且各个传感探头的接线端位于圆形接线盒内；在圆形接线盒的下侧面中心处竖向安装有一根导向杆；流速传感器安装在导向杆上，并在导向杆的下端上固定设置有重锤；升降连接电缆的下端固定在圆形接线盒的上侧面中心处，且升降连接电缆的各个电缆线芯分别与流速传感器以及各个传感探头的接线端电连接。
进一步的，在导向杆上滑动式安装有一个浮力筒，并在浮力筒上安装有清理圆盘；在清理圆盘上贯穿式安装有各个清理套筒，且各个清理套筒分别套设在各个传感探头上；在各个清理套筒的内管壁上分布设置有用于清理各个传感探头的清理刷毛；在导向杆上沿轴向设置有限位滑槽，在浮力筒的中心贯穿孔的孔壁上设置有限位凸条，且限位凸条滑动式嵌入限位滑槽内。
进一步的，在升降连接电缆上套设有加热套管，并在加热套管内嵌入设置有电热丝；在加热套管的上端固定安装有浮力支撑盒，在浮力支撑盒的上侧面上设置有收线筒、温度传感器以及指示灯；在机构壳体与浮力支撑盒之间连接有悬浮连接线缆，且悬浮连接线缆的下端冗余收纳在收线筒内；在控制箱内设置有与基站控制器电连接的电控开关；基站控制器通过悬浮连接线缆与温度传感器以及指示灯电连接；电控开关串接在电热丝的供电线路上。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用各个水文监测基站能够对河道进行定点水文监测，并通过基站无线通信模块远程发送至远程监控中心，从而实现远程水文数据无人采集；利用巡检无人机能够对河道进行巡检，并通过摄像头对河道水文状况进行图像采集，从而上传至远程监控中心，便于对河道进行无盲点监测；利用无人机充电线圈与基站充电线圈的配合，能够对巡检无人机进行无线充电，使得巡检无人机能够在充电电池电压不足时及时补充电能，满足巡检无人机长期无人监管下的可靠运行；利用升降驱动机构能够对水质检测机构的悬吊高度进行调节，从而对河道内不同深度的水质进行监测，还能在无需水质监测时，将水质检测机构悬空吊起，避免长时间停留被缠绕上水草。
附图说明
图1为本发明的巡检无人机与水文监测基站结构示意图；
图2为本发明的巡检无人机结构示意图；
图3为本发明的升降驱动机构局部剖视结构示意图；
图4为本发明的浮力筒处剖视结构示意图；
图5为本发明的水文监测基站电路结构示意图；
图6为本发明的巡检无人机电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：
如图1-6所示，本发明提供的远程水文监测系统包括：巡检无人机以及各个水文监测基站；水文监测基站包括控制箱6、无人机充电平台、悬挑支架、升降驱动机构、水质检测机构、雨量传感器36以及水位传感器39；
各个水文监测基站的悬挑支架沿河道分布式安装；无人机充电平台安装在悬挑支架的顶部，用于停靠巡检无人机；在巡检无人机上设置有摄像头32和无人机充电线圈25；在无人机充电平台上设置有基站充电线圈，用于与无人机充电线圈25配合对巡检无人机进行无线充电；升降驱动机构安装在悬挑支架的悬挑端上，水质检测机构悬吊式安装在升降驱动机构上，由升降驱动机构驱动水质检测机构升降运动；控制箱6、雨量传感器36以及水位传感器39均安装在悬挑支架上；在控制箱6内设置有基站控制器、基站存储器、基站无线通信模块以及基站蓄电池；基站控制器分别与基站存储器、基站无线通信模块、雨量传感器36以及水位传感器39电连接，并对升降驱动机构以及水质检测机构进行协调控制；基站蓄电池分别为基站控制器、基站存储器、基站无线通信模块、雨量传感器36、水位传感器39、升降驱动机构以及水质检测机构供电。
利用各个水文监测基站能够对河道进行定点水文监测，并通过基站无线通信模块远程发送至远程监控中心，从而实现远程水文数据无人采集；利用巡检无人机能够对河道进行巡检，并通过摄像头32对河道水文状况进行图像采集，从而上传至远程监控中心，便于对河道进行无盲点监测；利用无人机充电线圈25与基站充电线圈的配合，能够对巡检无人机进行无线充电，使得巡检无人机能够在充电电池电压不足时及时补充电能，满足巡检无人机长期无人监管下的可靠运行；利用升降驱动机构能够对水质检测机构的悬吊高度进行调节，从而对河道内不同深度的水质进行监测，还能在无需水质监测时，将水质检测机构悬空吊起，避免长时间停留被缠绕上水草。
进一步的，巡检无人机包括飞行单元、两根竖向支撑杆21、两根水平支撑杆22、翻转调节轴24以及摄像云台；飞行单元包括机壳18以及四个旋翼电机20；摄像云台包括翻转驱动电机28、旋转驱动电机29以及俯仰驱动电机31；在机壳18边缘水平安装有四根旋翼撑杆19，且四根旋翼撑杆19呈十字形分布；四个旋翼电机20分别固定安装在四根旋翼撑杆19的悬空端部上；两根竖向支撑杆21竖向固定安装在机壳18的下侧面上，两根水平支撑杆22的中部分别垂直固定安装在两根竖向支撑杆21的下端部上，并在水平支撑杆22的下侧边上设置有弹性支撑底脚23；翻转调节轴24的两端分别旋转式安装在两根竖向支撑杆21的下部，并在一根竖向支撑杆21的下部固定安装有一个环形齿轮27，且环形齿轮27的中心位于翻转调节轴24的中心轴线上；无人机充电线圈25通过背面的两个固定侧耳固定安装在翻转调节轴24上；翻转驱动电机28固定安装在翻转调节轴24上，并在输出轴上固定安装有与环形齿轮27相啮合的翻转驱动齿轮26；旋转驱动电机29固定安装在翻转调节轴24的中部，并在输出轴上固定安装有U形支架板30；摄像头32旋转式安装在U形支架板30的两块侧板之间，俯仰驱动电机31固定安装在U形支架板30的侧边上，用于驱动摄像头32旋转；在机壳18内设置有飞行控制器、巡航存储器、陀螺仪、定位模块、电压采集电路、远程无线通信模块、从蓝牙模块、飞行驱动电路、旋转驱动电路、翻转驱动电路、俯仰驱动电路以及充电电池；飞行控制器分别与巡航存储器、陀螺仪、定位模块、电压采集电路、远程无线通信模块、从蓝牙模块、飞行驱动电路、摄像头32、旋转驱动电路、翻转驱动电路以及俯仰驱动电路电连接，飞行驱动电路与四个旋翼电机20电连接，旋转驱动电路与旋转驱动电机29电连接，翻转驱动电路与翻转驱动电机28电连接，俯仰驱动电路与俯仰驱动电机31电连接；无人机充电线圈25通过无线充电电路与充电电池电连接；电压采集电路与充电电池的供电端电连接；充电电池分别为飞行控制器、巡航存储器、摄像头32、陀螺仪、定位模块、远程无线通信模块、从蓝牙模块、飞行驱动电路、旋转驱动电路、翻转驱动电路以及俯仰驱动电路供电；在控制箱6内设置有与基站控制器电连接的主蓝牙模块，用于与从蓝牙模块配对通信。利用翻转驱动电机28、旋转驱动电机29以及俯仰驱动电机31构成的摄像云台，能够对摄像头32进行的朝向进行调节；此外通过翻转驱动电机28还能够将无人机充电线圈25翻转驱动至下方，从而能够与基站充电线圈相贴近，满足无线充电需要。
进一步的，悬挑支架包括支撑底板2、底部套管1、顶部支撑管3、悬挑套管7以及伸缩杆37；底部套管1竖向固定安装在支撑底板2的上侧面中心处；顶部支撑管3的下端插装在底部套管1的上端管口内，并在顶部支撑管3的下端管壁上间隔设置有各个高度调节孔4；在底部套管1的上端管口处螺纹旋合安装有高度定位螺栓5，且高度定位螺栓5的端部伸入一个高度调节孔4内；悬挑套管7的一端垂直固定在顶部支撑管3上，伸缩杆37的一端插装在悬挑套管7的另一端管口内，升降驱动机构安装在伸缩杆37的另一端上；在悬挑套管7的另一端管口处螺纹旋合安装有伸缩定位螺栓38，且伸缩定位螺栓38的端部按压在伸缩杆37上；在伸缩杆37的外管壁上沿长度方向设置有限位条形槽40，在悬挑套管7的内管壁上设置有滑动式嵌入限位条形槽40内的限位滑块；在悬挑套管7上竖向固定安装有风能立柱33，并在风能立柱33上安装有风能发电机34；雨量传感器36以及水位传感器39均安装在悬挑套管7上；控制箱6安装在顶部支撑管3上；风能发电机34通过风能发电电路为基站蓄电池充电；无人机充电平台安装在顶部支撑管3的上端上。利用高度定位螺栓5和高度调节孔4的配合，能够便于调节顶部支撑管3的高度；利用伸缩定位螺栓38能够便于对伸缩杆37的伸缩长度进行调节和定位；利用风能发电机34能够实现基站蓄电池的风能充电，从而与太阳能进行配合，实现风光互补发电；利用雨量传感器36以及水位传感器39能够分别实现雨量和水位进行监测；利用限位条形槽40和限位滑块的配合，能够避免伸缩杆37的相对旋转。
进一步的，无人机充电平台包括中部支撑平台17以及电器盒8；电器盒8固定安装在悬挑支架上，并在电器盒8内设置有无线充电电路；中部支撑平台17固定安装在电器盒8上方，基站充电线圈嵌入安装在中部支撑平台17的上侧面中心处；基站蓄电池通过无线充电电路与基站充电线圈电连接。利用中部支撑平台17能够便于停靠巡检无人机，并通过嵌入设置的基站充电线圈与无人机充电线圈25配合实现巡检无人机的无线充电。
进一步的，在控制箱6内设置有与基站控制器电连接的折叠驱动电路；在电器盒8内设置有折叠驱动电机以及太阳能充电电路，并在折叠驱动电机的输出轴端部上对接安装有折叠驱动螺杆11，且折叠驱动螺杆11竖向伸入顶部支撑管3内；折叠驱动电路与折叠驱动电机电连接，基站蓄电池为折叠驱动电路供电；在中部支撑平台68的四侧边缘上均铰接安装有一块支撑背板15，并在支撑背板15上安装有太阳能电池板16；太阳能电池板16通过太阳能充电电路为基站蓄电池充电；在顶部支撑管3上滑动式套设有支撑滑套9，并在支撑滑套9上通过下侧铰接座12摆动式铰接安装有四根斜撑杆13；在顶部支撑管3上竖向设置有连通条形孔10，在折叠驱动螺杆11上螺纹旋合安装有折叠驱动座，且折叠驱动座通过连接柱贯穿连通条形孔10与支撑滑套9固定连接；四根斜撑杆13的上端通过四个上侧铰接座14分别摆动式铰接安装在四块支撑背板15的下侧面上；四块太阳能电池板16通过太阳能充电电路为基站蓄电池充电。利用四块太阳能电池板16能够对基站蓄电池进行太阳能充电，确保水文监测基站长期可靠运行；利用折叠驱动螺杆11、折叠驱动座、支撑滑套9、四根斜撑杆13以及四块支撑背板15能够对四块太阳能电池板16进行折叠驱动形成漏斗状，从而在巡检无人机下降停靠时增强下降停靠的准确性，此外在巡检无人机充电时，通过四块太阳能电池板16能够对巡检无人机四周进行围挡限位，避免大风天气将巡检无人机吹移偏离充电位置。
进一步的，升降驱动机构包括机构壳体35、升降驱动电机62、线缆收放绞盘66以及升降连接电缆61；在机构壳体35内旋转式安装有一根升降驱动轴65，线缆收放绞盘66固定安装在升降驱动轴65上；在升降驱动轴65上固定安装有升降驱动蜗轮64；升降驱动电机62固定安装在机构壳体35内，并在输出轴上固定安装有与升降驱动蜗轮64相啮合的升降驱动蜗杆63；在控制箱6内设置有与基站控制器电连接的升降驱动电路，升降驱动电路与升降驱动电机62电连接，基站蓄电池为升降驱动电路供电；升降连接电缆61的一端绕设固定在线缆收放绞盘66上，另一端贯穿机构壳体35后固定在水质检测机构上。利用升降驱动蜗轮64与升降驱动蜗杆63的配合能够实现线缆收放绞盘66的旋转驱动和定位，从而对升降连接电缆61下端吊设的水质检测机构进行高度调节和定位。
进一步的，在线缆收放绞盘66的侧边圆盘的外侧面上同心设置有各个环形凹槽，并在各个环形凹槽内分别嵌入设置有各个环形电极；在机构壳体35的侧边上设置有电连接座67，并在电连接座67上弹性设置有各个电极柱，且各个电极柱分别与基站蓄电池以及基站控制器电连接；各个电极柱分别伸入各个环形凹槽内，并弹性按压在各个环形电极上；升降连接电缆61的各个电缆线芯分别与各个环形电极电连接。利用电连接座67上弹性设置的各个电极柱，从而能够与各个环形电极进行配合，实现升降连接电缆61的旋转式电连接。
进一步的，水质检测机构包括圆形接线盒46、流速传感器56以及各个水质传感器的传感探头52；在控制箱6内设置有与基站控制器电连接的各个水质传感器的信号处理电路，基站蓄电池为各个水质传感器的信号处理电路供电；各个信号处理电路和基站蓄电池分别与电连接座67上对应的各个电极柱电连接；各个传感探头52竖向固定安装在圆形接线盒46的下侧面上，且各个传感探头52的接线端位于圆形接线盒46内；在圆形接线盒46的下侧面上罩盖有防护钢网48，且各个传感探头52位于防护钢网48内；在圆形接线盒46的下侧面中心处竖向安装有一根导向杆54，且导向杆54的下端伸出防护钢网48外；流速传感器56安装在导向杆54的伸出端上，并在导向杆54的下端上固定设置有重锤55；升降连接电缆61的下端固定在圆形接线盒46的上侧面中心处，且升降连接电缆61的各个电缆线芯分别与流速传感器56以及各个传感探头52的接线端电连接。利用重锤55能够降低水质检测机构入水后的摆动，增强水质检测的稳定性；利用防护钢网48能够对各个传感探头52进行防护，避免水草杂物附着，影响水质检测准确性；利用圆形接线盒46能够便于各个传感探头52的安全接线。
进一步的，在导向杆54上滑动式安装有一个浮力筒49，并在浮力筒49上安装有清理圆盘50；在清理圆盘50上贯穿式安装有各个清理套筒51，且各个清理套筒51分别套设在各个传感探头52上；在各个清理套筒51的内管壁上分布设置有用于清理各个传感探头52的清理刷毛59；在导向杆54上沿轴向设置有限位滑槽47，在浮力筒49的中心贯穿孔57的孔壁上设置有限位凸条60，且限位凸条60滑动式嵌入限位滑槽47内。利用浮力筒49能够提供一定的浮力作用，使得水质检测机构在进入水面时，使得清理套筒51相对传感探头52向上滑移，从而利用清理刷毛59对传感探头52上附着的杂质进行清理，确保传感探头52的检测精度和可靠性；利用限位凸条60与限位滑槽47的限位配合，能够限定清理套筒51的滑移范围，且能够防止清理圆盘50旋转。
进一步的，在升降连接电缆61上套设有加热套管43，并在加热套管43内嵌入设置有电热丝；在加热套管43的上端固定安装有浮力支撑盒41，在浮力支撑盒41的上侧面上设置有收线筒45、温度传感器42以及指示灯44；在机构壳体35与浮力支撑盒41之间连接有悬浮连接线缆53，且悬浮连接线缆53的下端冗余收纳在收线筒45内；在控制箱6内设置有与基站控制器电连接的电控开关；基站控制器通过悬浮连接线缆53与温度传感器42以及指示灯44电连接；基站蓄电池通过悬浮连接线缆53为电热丝、温度传感器42以及指示灯44供电，且电控开关串接在电热丝的供电线芯上。利用温度传感器42能够对河道环境温度进行检测，从而只有在冰冻天气对加热套管43进行加热融冰，降低能耗；利用收线筒45能够便于收纳悬浮连接线缆53的下端冗余；利用加热套管43内嵌入设置电热丝，从而在冰冻天气时融化加热套管43内的冰冻，便于升降连接电缆61升降运动，从而对水质检测机构河道内的深度进行调节，满足冰冻天气下对不同深度进行水质检测；利用指示灯44能够闪烁指示，从而避免河道内的船只或其他航行器进行避让。
本发明提供的远程水文监测系统中：基站控制器、飞行控制器均采用现有的单片机控制器，用于对应实现各个电路的协调控制；基站存储器、巡航存储器均采用现有的存储电路模块，用于对应存储相关数据；雨量传感器36采用现有的雨量传感器，用于对基站位置进行雨量监测；水位传感器39采用现有的超声波水位传感器，用于对河道的水位进行实时监测；水质传感器包括现有的多类水质传感器，例如余氯传感器、TOC传感器、电导率传感器、氨氮传感器、PH传感器、ORP传感器、浊度传感器、水温传感器、盐度传感器、溶解氧传感器中的2-6种；流速传感器56采用现有的流速传感器，用于实现河道内水流监测；基站无线通信模块和远程无线通信模块均采用现有的4G通信模块或者5G通信模块，用于实现远程数据传输；主蓝牙模块和从蓝牙模块均采用现有的蓝牙通信模块，用于实现基站控制器与行控制器的蓝牙配对连接；温度传感器42采用现有的数字式温度传感器，用于实现现场温度实时监测；定位模块采用现有的GPS定位模块或者北斗定位模块，用于实现巡检无人机的定位和导航；摄像头32采用现有的红外摄像头，用于实现水面环境图像采集；陀螺仪采用现有的陀螺仪，用于实现巡检无人机的方向判断和导航；指示灯44采用现有的红色闪烁指示灯；电控开关采用现有的电子开关电路，例如三极管构成的开关电路；电压采集电路采用现有的分压电路，再由飞行控制器的A/D采集端口进行数字式采集，从而获取充电电池的电压数据；折叠驱动电路、升降驱动电路、飞行驱动电路、旋转驱动电路、俯仰驱动电路以及翻转驱动电路均采用现有的电机驱动电路，用于分别对折叠驱动电机、升降驱动电机62、旋翼电机20、旋转驱动电机29、俯仰驱动电机31以及翻转驱动电机28进行驱动控制。
本发明提供的远程水文监测系统在工作时，包括如下步骤：
基站监测步骤：首先将各个水文监测基站沿河道间隔设置，根据现场安装现有调节顶部支撑管3的高度以及伸缩杆37的伸缩长度，再设定各个传感器的初始参数；由基站控制器定期控制升降驱动电机62，将水质检测机构放入河道的水流中，并根据需要对水质检测机构的释放深度进行调节，从而满足不同深度的水质和流速的测量需要；在检测过程中，指示灯44闪烁指示，从而提醒河道内的船只或其他航行器进行避让；
冰面检测步骤：在温度传感器42检测到河道水面环境温度低于历史数据中河道的结冰温度时，则基站控制器控制水质检测机构停留在河道水面内，此时浮力支撑盒41一直浮在水面上，在需要进行不同深度的水质检测时，则首先通过电控开关接通电热丝进行加热，使得加热套管43内的结冰融化，从而方便升降连接电缆61能够顺利进行升降运动，满足水质检测机构在河道内不同深度进行检测调节；
清理步骤：在水质检测机构进入水面时，由浮力筒49在浮力作用下推动清理圆盘50上浮，从而由清理套筒51内的清理刷毛59对传感探头52进行清扫，清理掉传感探头52上附着的杂质，确保传感探头52的检测精度和可靠性；在水质检测机构上升脱离水面时，由浮力筒49和清理圆盘50的重力作用，使得清理套筒51相对传感探头52下移，从而清理刷毛59再次对传感探头52进行清扫；
无人机巡检步骤：无人机根据预先存储在巡航存储器中的河道位置数据对河道进行巡检，由摄像头32对河道图像进行沿线采集，获取河道的水势情况、堤坝情况、浮萍情况、水草情况、漂浮物情况以及船只情况图像，并通过远程无线通信模块发送至远程监控中心，同时远程监控中心还能通过远程无线通信模块向巡检无人机发送摄像头转向控制命令，由摄像云台对摄像头32的朝向进行调节，从而满足远程临时拍摄需要。
无人机充电步骤：在飞行控制器通过电压采集电路采集到充电电池电压低于设定的阈值时，则由飞行控制器根据各个水文监测基站的位置数据选择一个靠近的水文监测基站进行充电，在巡检无人机飞行靠近对应的水文监测基站时，由主蓝牙模块和从蓝牙模块配对通信，此时由基站控制器控制折叠驱动电机，使得四块太阳能电池板16向上翻转，由摄像头32找准中部支撑平台17上的基站充电线圈后，悬停于基站充电线圈上方，再由翻转驱动电机28驱动翻转调节轴24旋转，使得无人机充电线圈25翻转至下方与基站充电线圈相对，再控制巡检无人机下降，此时四块太阳能电池板16对巡检无人机的四周进行倾斜阻挡，使得巡检无人机能够稳定且准确下降，使得无人机充电线圈25与基站充电线圈配合，实现充电电池的无线充电，同时在无线充电过程中，四块太阳能电池板16能够对四周进行围挡限位，避免大风天气将巡检无人机吹移偏离充电位置。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种远程水文监测系统，其特征在于：包括巡检无人机以及各个水文监测基站；水文监测基站包括控制箱(6)、无人机充电平台、悬挑支架、升降驱动机构、水质检测机构、雨量传感器(36)以及水位传感器(39)；
各个水文监测基站的悬挑支架沿河道分布式安装；无人机充电平台安装在悬挑支架的顶部，用于停靠巡检无人机；在巡检无人机上设置有摄像头(32)和无人机充电线圈(25)；在无人机充电平台上设置有基站充电线圈，用于与无人机充电线圈(25)配合对巡检无人机进行无线充电；升降驱动机构安装在悬挑支架的悬挑端上，水质检测机构悬吊式安装在升降驱动机构上，由升降驱动机构驱动水质检测机构升降运动；控制箱(6)、雨量传感器(36)以及水位传感器(39)均安装在悬挑支架上；在控制箱(6)内设置有基站控制器以及基站无线通信模块；基站控制器分别与基站无线通信模块、雨量传感器(36)以及水位传感器(39)电连接，并对升降驱动机构以及水质检测机构进行协调控制。
2.根据权利要求1所述的远程水文监测系统，其特征在于：巡检无人机包括飞行单元、两根竖向支撑杆(21)、两根水平支撑杆(22)、翻转调节轴(24)以及摄像云台；两根竖向支撑杆(21)竖向固定安装在飞行单元的下侧面上，两根水平支撑杆(22)的中部分别垂直固定安装在两根竖向支撑杆(21)的下端部上；翻转调节轴(24)的两端分别旋转式安装在两根竖向支撑杆(21)的下部，并在一根竖向支撑杆(21)的下部固定安装有一个环形齿轮(27)；无人机充电线圈(25)固定安装在翻转调节轴(24)上；翻转驱动电机(28)固定安装在翻转调节轴(24)上，并在输出轴上固定安装有与环形齿轮(27)相啮合的翻转驱动齿轮(26)；摄像云台固定安装在翻转调节轴(24)的中部，摄像头(32)安装在摄像云台上；飞行单元分别与无人机充电线圈(25)、翻转驱动电机(28)、摄像云台以及摄像头(32)电连接。
3.根据权利要求1所述的远程水文监测系统，其特征在于：悬挑支架包括支撑底板(2)、底部套管(1)、顶部支撑管(3)、悬挑套管(7)以及伸缩杆(37)；底部套管(1)竖向固定安装在支撑底板(2)的上侧面中心处；顶部支撑管(3)的下端插装在底部套管(1)的上端管口内，并在顶部支撑管(3)的下端管壁上间隔设置有各个高度调节孔(4)；在底部套管(1)的上端管口处螺纹旋合安装有高度定位螺栓(5)，且高度定位螺栓(5)的端部伸入一个高度调节孔(4)内；悬挑套管(7)的一端垂直固定在顶部支撑管(3)上，伸缩杆(37)的一端插装在悬挑套管(7)的另一端管口内，升降驱动机构安装在伸缩杆(37)的另一端上；在悬挑套管(7)的另一端管口处螺纹旋合安装有伸缩定位螺栓(38)，且伸缩定位螺栓(38)的端部按压在伸缩杆(37)上；雨量传感器(36)以及水位传感器(39)均安装在悬挑套管(7)上；控制箱(6)安装在顶部支撑管(3)上；无人机充电平台安装在顶部支撑管(3)的上端上。
4.根据权利要求1所述的远程水文监测系统，其特征在于：无人机充电平台包括中部支撑平台(17)以及电器盒(8)；电器盒(8)固定安装在悬挑支架上，并在电器盒(8)内设置有无线充电电路；中部支撑平台(17)固定安装在电器盒(8)上方，基站充电线圈嵌入安装在中部支撑平台(17)的上侧面中心处；在控制箱(6)内设置有基站蓄电池，且基站蓄电池通过无线充电电路与基站充电线圈电连接。
5.根据权利要求4所述的远程水文监测系统，其特征在于：在控制箱(6)内设置有与基站控制器电连接的折叠驱动电路；在电器盒(8)内设置有折叠驱动电机以及太阳能充电电路，并在折叠驱动电机的输出轴端部上对接安装有折叠驱动螺杆(11)，且折叠驱动螺杆(11)竖向伸入顶部支撑管(3)内；折叠驱动电路与折叠驱动电机电连接，基站蓄电池为折叠驱动电路供电；在中部支撑平台(68)的四侧边缘上均铰接安装有一块支撑背板(15)，并在支撑背板(15)上安装有太阳能电池板(16)；太阳能电池板(16)通过太阳能充电电路为基站蓄电池充电；在顶部支撑管(3)上滑动式套设有支撑滑套(9)，并在支撑滑套(9)上摆动式铰接安装有四根斜撑杆(13)；在顶部支撑管(3)上竖向设置有连通条形孔(10)，在折叠驱动螺杆(11)上螺纹旋合安装有折叠驱动座，且折叠驱动座与支撑滑套(9)固定连接；四根斜撑杆(13)的上端分别摆动式铰接安装在四块支撑背板(15)的下侧面上；四块太阳能电池板(16)通过太阳能充电电路为基站蓄电池充电。
6.根据权利要求1所述的远程水文监测系统，其特征在于：升降驱动机构包括机构壳体(35)、升降驱动电机(62)、线缆收放绞盘(66)以及升降连接电缆(61)；在机构壳体(35)内旋转式安装有一根升降驱动轴(65)，线缆收放绞盘(66)固定安装在升降驱动轴(65)上；在升降驱动轴(65)上固定安装有升降驱动蜗轮(64)；在升降驱动电机(62)的输出轴上固定安装有与升降驱动蜗轮(64)相啮合的升降驱动蜗杆(63)；在控制箱(6)内设置有与基站控制器电连接的升降驱动电路，升降驱动电路与升降驱动电机(62)电连接；升降连接电缆(61)的一端绕设固定在线缆收放绞盘(66)上，另一端贯穿机构壳体(35)后固定在水质检测机构上。
7.根据权利要求6所述的远程水文监测系统，其特征在于：在线缆收放绞盘(66)的侧边圆盘的外侧面上同心设置有各个环形凹槽，并在各个环形凹槽内分别嵌入设置有各个环形电极；在机构壳体(35)的侧边上设置有电连接座(67)，并在电连接座(67)上弹性设置有各个电极柱，且各个电极柱分别与基站蓄电池以及基站控制器电连接；各个电极柱分别伸入各个环形凹槽内，并弹性按压在各个环形电极上；升降连接电缆(61)的各个电缆线芯分别与各个环形电极电连接。
8.根据权利要求7所述的远程水文监测系统，其特征在于：水质检测机构包括圆形接线盒(46)、流速传感器(56)以及各个水质传感器的传感探头(52)；在控制箱(6)内设置有与基站控制器电连接的各个水质传感器的信号处理电路；各个信号处理电路分别与电连接座(67)上对应的各个电极柱电连接；各个传感探头(52)竖向固定安装在圆形接线盒(46)的下侧面上，且各个传感探头(52)的接线端位于圆形接线盒(46)内；在圆形接线盒(46)的下侧面中心处竖向安装有一根导向杆(54)；流速传感器(56)安装在导向杆(54)上，并在导向杆(54)的下端上固定设置有重锤(55)；升降连接电缆(61)的下端固定在圆形接线盒(46)的上侧面中心处，且升降连接电缆(61)的各个电缆线芯分别与流速传感器(56)以及各个传感探头(52)的接线端电连接。
9.根据权利要求8所述的远程水文监测系统，其特征在于：在导向杆(54)上滑动式安装有一个浮力筒(49)，并在浮力筒(49)上安装有清理圆盘(50)；在清理圆盘(50)上贯穿式安装有各个清理套筒(51)，且各个清理套筒(51)分别套设在各个传感探头(52)上；在各个清理套筒(51)的内管壁上分布设置有用于清理各个传感探头(52)的清理刷毛(59)；在导向杆(54)上沿轴向设置有限位滑槽(47)，在浮力筒(49)的中心贯穿孔(57)的孔壁上设置有限位凸条(60)，且限位凸条(60)滑动式嵌入限位滑槽(47)内。
10.根据权利要求6所述的远程水文监测系统，其特征在于：在升降连接电缆(61)上套设有加热套管(43)，并在加热套管(43)内嵌入设置有电热丝；在加热套管(43)的上端固定安装有浮力支撑盒(41)，在浮力支撑盒(41)的上侧面上设置有收线筒(45)、温度传感器(42)以及指示灯(44)；在机构壳体(35)与浮力支撑盒(41)之间连接有悬浮连接线缆(53)，且悬浮连接线缆(53)的下端冗余收纳在收线筒(45)内；在控制箱(6)内设置有与基站控制器电连接的电控开关；基站控制器通过悬浮连接线缆(53)与温度传感器(42)以及指示灯(44)电连接；电控开关串接在电热丝的供电线路上。
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CN116923761A (zh) * 2023-09-15 2023-10-24 山东省国土空间数据和遥感技术研究院(山东省海域动态监视监测中心) 无人机林业遥感监测地面信标及林业信息采集站

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