CN114136364A - 一种河道水文自动化监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河道水文自动化监测系统，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、升降充电平台、竖向支架、悬挑驱动支架、水质检测机构、雨量传感器以及水位传感器；在升降充电平台上升降式安装有基站环形充电线圈；在巡检无人机上设置有摄像头和无人机环形充电线圈。该河道水文自动化监测系统利用水文监测基站能够对河道进行定点水文监测，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水文状况进行图像采集，从而便于对河道进行无盲点监测；利用无人机环形充电线圈与基站环形充电线圈的配合，能够对巡检无人机进行无线充电，满足巡检无人机长期无人监管下的可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种水文监测系统，尤其是一种河道水文自动化监测系统。
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：提供一种河道水文自动化监测系统，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：本发明所述的河道水文自动化监测系统，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、升降充电平台、竖向支架、悬挑驱动支架、水质检测机构、雨量传感器以及水位传感器；
各个水文监测基站沿河道分布式安装；升降充电平台安装在竖向支架的顶部，并在升降充电平台上升降式安装有基站环形充电线圈；在巡检无人机上设置有摄像头和无人机环形充电线圈；无人机环形充电线圈用于与上升后的基站环形充电线圈配合为巡检无人机无线充电；悬挑驱动支架的一端摆动式安装在竖向支架上，水质检测机构悬吊式安装在悬挑驱动支架的另一端上，由悬挑驱动支架驱动水质检测机构升降运动；控制箱安装在竖向支架上；雨量传感器以及水位传感器通过水平摆动支座安装在悬挑驱动支架上；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，并对悬挑驱动支架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、防碰弹性圈、四根竖向支撑杆以及摄像云台；防碰弹性圈围绕设置在飞行单元上，用于对飞行单元的四周进行碰撞防护；四根竖向支撑杆竖向固定安装在飞行单元的下侧面上，无人机环形充电线圈的边缘通过四个固定侧耳水平安装在四根竖向支撑杆上；在四根竖向支撑杆的下端部上均设置有一个滚珠支座，并在滚珠支座的下侧面上旋转式安装有支撑滚珠；摄像云台固定安装在飞行单元的下侧面中心处，摄像头安装在摄像云台上，且摄像头由无人机环形充电线圈的中心环孔向下伸出；飞行单元分别与无人机环形充电线圈、摄像云台以及摄像头电连接。
进一步的，竖向支架包括支撑底板、底部套管以及顶部支撑管；悬挑驱动支架包括电动伸缩杆、悬挑套管以及悬吊伸缩杆；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固定设置有罩盖在底部套管上端管口上的圆筒形罩盖；在圆筒形罩盖上螺纹旋合安装有一根旋转定位螺栓，且旋转定位螺栓的端部按压在底部套管上；悬挑套管的一端摆动式铰接安装在顶部支撑管上，悬吊伸缩杆的一端插装在悬挑套管的另一端管口内；电动伸缩杆的一端铰接安装在顶部支撑管上，另一端铰接安装在悬挑套管上；在悬吊伸缩杆的另一端上设置有悬吊支座，并在悬吊支座上旋转式安装有线缆绞盘，且线缆绞盘通过绞盘定位销定位在悬吊支座上；在线缆绞盘上绕设固定有一个悬吊线缆，水质检测机构悬吊式安装在悬吊线缆的悬吊端上。
进一步的，水平摆动支座包括矩形框架、两根侧边铰接轴以及配重块；悬挑套管贯穿矩形框架，两根侧边铰接轴均固定在悬挑套管上，且两根侧边铰接轴的另一端均旋转式安装矩形框架的两个竖向侧边框的上部上；配重块固定安装在矩形框架下侧边框的上侧面上；雨量传感器固定安装在矩形框架的上侧边框的上侧面上，水位传感器固定安装在矩形框架的下侧边框的下侧面。
进一步的，水质检测机构包括悬吊稳定杆、浮力箱、流速传感器以及各个水质传感器的传感探头；悬吊稳定杆的上端连接在悬挑驱动支架上；流速传感器安装在悬吊稳定杆的下部，基站控制器与流速传感器电连接；浮力箱滑动式安装在悬吊稳定杆上，并在悬吊稳定杆上设置有滑移限位槽，在浮力箱的中心贯穿孔处设置有滑动式嵌入滑移限位槽内的滑移限位块；各个水质传感器的传感探头竖向安装在浮力箱的下侧面上，且传感探头的接线端位于浮力箱内；在浮力箱顶部设置有与基站控制器电连接的水面指示灯，在浮力箱底部设置有与基站控制器电连接的水浸传感器；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；各个水质传感器的信号处理电路分别与对应的传感探头电连接。
进一步的，在悬吊稳定杆上水平固定安装有一块清理圆盘，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。
进一步的，升降充电平台包括中部支撑平台、设备安装箱、折叠支撑套、四根斜撑杆、折叠驱动螺杆、折叠驱动电机以及弹性升降机构；设备安装箱固定安装在竖向支架的顶端上，中部支撑平台固定安装在设备安装箱的顶部上；在中部支撑平台的中心处设置有升降窗口，且升降窗口与设备安装箱的顶部相连通；弹性升降机构安装在设备安装箱内，基站环形充电线圈安装在弹性升降机构上，用于在巡检无人机停靠就位后将基站环形充电线圈弹出；折叠驱动电机安装在设备安装箱内，折叠驱动螺杆的上端与折叠驱动电机的输出轴相对接安装；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；折叠支撑套滑动式套设在竖向支架上，四根斜撑杆的下端通过四个下铰接座分别摆动式铰接安装在折叠支撑套上，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；在折叠驱动螺杆上螺纹旋合安装有折叠驱动座，且折叠驱动座与折叠支撑套固定连接；在控制箱内设置有无线充电电路以及与基站控制器电连接的折叠驱动电路；折叠驱动电路与折叠驱动电机电连接；基站蓄电池通过无线充电电路与基站环形充电线圈电连接。
进一步的，在支撑背板上安装有太阳能电池板；在控制箱内设置有太阳能充电电路以及基站蓄电池；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；在四块支撑背板的上侧面上均垂直设置有一根推压杆；在四根推压杆的上端均摆动式铰接安装有一根推压连杆；在推压连杆的另一端上铰接安装有一个弧形推压座，且弧形推压座滑动式放置于中部支撑平台上；在弧形推压座的弧形面上设置有用于推动巡检无人机向中部支撑平台中部的柔性支撑垫。
进一步的，弹性升降机构包括U形升降板、两根支撑弹簧、两根联动拉绳、两根解锁推杆以及两个弹簧锁定单元；基站环形充电线圈水平固定安装在U形升降板的两个竖向侧板上边缘上；两根支撑弹簧弹性支撑在U形升降板的水平侧板与设备安装箱的内底面之间；两根联动拉绳的下端分别固定在两个下铰接座上，两根联动拉绳的上端贯穿设备安装箱的底部后固定在U形升降板的水平侧板上；在U形升降板的两个竖向侧板的外侧面上均设置有一个锁扣孔，两个弹簧锁定单元安装在设备安装箱的外侧面上，用于在U形升降板下降进入设备安装箱内时分别对两个锁扣孔进行卡扣锁定；在设备安装箱的内底部上竖向设置有一根贯穿U形升降板的水平侧板的中部限位管，在中部限位管的上端设置有一个与基站控制器电连接的对位指示灯；两根解锁推杆分别竖向固定安装在两个下铰接座上，用于在折叠支撑套上升至最高位时对两个弹簧锁定单元进行解锁，使得U形升降板向上弹起。
进一步的，弹簧锁定单元包括锁杆、锁定弹簧以及锁壳；锁壳固定安装在设备安装箱的外侧面上，并在锁壳上设置有伸缩孔；锁定弹簧安装在伸缩孔内；锁杆的一端插装在伸缩孔内，且按压在锁定弹簧上；锁杆的另一端贯穿设备安装箱的外侧面，用于插入锁扣孔进行卡扣锁定；在锁壳上设置有条形限位孔，在锁杆上设置有伸出条形限位孔外的滚轮轴，并在伸出的滚轮轴上旋转式安装有解锁滚轮；在两根解锁推杆的上端上均设置有一个三角块，用于通过三角块的斜坡面推动解锁滚轮水平移动，使得锁杆的端部脱离锁扣孔。
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；利用无人机环形充电线圈与基站环形充电线圈的配合，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；利用悬挑驱动支架的一端摆动式安装在竖向支架上能够对水质检测机构的悬吊高度进行调节，从而在无需水质监测完成后，将水质检测机构悬空吊起，避免长时间停留被缠绕上水草；利用升降充电平台来升降式安装基站环形充电线圈，从而在巡检无人机停靠就位后才将基站环形充电线圈弹出，避免提前弹出后对巡检无人机的位置调节造成阻挡；利用水平摆动支座能够保持雨量传感器和水位传感器的稳定性，确保雨量传感器和水位传感器的检测精度和可靠性；利用雨量传感器以及水位传感器能够分别实现雨量和水位进行监测。
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折叠状态下的局部剖视结构示意图；
图4为本发明的升降驱动机构展开状态下的局部剖视结构示意图；
图5为本发明的清理圆盘剖视结构示意图；
图6为本发明的水文监测基站电路结构示意图；
图7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1-7所示，本发明所述的河道水文自动化监测系统包括：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、升降充电平台、竖向支架、悬挑驱动支架、水质检测机构、雨量传感器36以及水位传感器39；
各个水文监测基站沿河道分布式安装；升降充电平台安装在竖向支架的顶部，并在升降充电平台上升降式安装有基站环形充电线圈62；在巡检无人机上设置有摄像头31和无人机环形充电线圈26；无人机环形充电线圈26用于与上升后的基站环形充电线圈62配合为巡检无人机无线充电；悬挑驱动支架的一端摆动式安装在竖向支架上，水质检测机构悬吊式安装在悬挑驱动支架的另一端上，由悬挑驱动支架驱动水质检测机构升降运动；控制箱6安装在竖向支架上；雨量传感器36以及水位传感器39通过水平摆动支座安装在悬挑驱动支架上；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，并对悬挑驱动支架以及水质检测机构进行协调控制。
在控制箱6内还设置有基站存储器以及基站蓄电池；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、悬挑驱动支架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31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；利用无人机环形充电线圈26与基站环形充电线圈62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；利用悬挑驱动支架的一端摆动式安装在竖向支架上能够对水质检测机构的悬吊高度进行调节，从而在无需水质监测完成后，将水质检测机构悬空吊起，避免长时间停留被缠绕上水草；利用升降充电平台来升降式安装基站环形充电线圈62，从而在巡检无人机停靠就位后才将基站环形充电线圈62弹出，避免提前弹出后对巡检无人机的位置调节造成阻挡；利用水平摆动支座能够保持雨量传感器36和水位传感器39的稳定性，确保雨量传感器36和水位传感器39的检测精度和可靠性；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。
进一步的，巡检无人机包括飞行单元、防碰弹性圈21、四根竖向支撑杆22以及摄像云台；防碰弹性圈21围绕设置在飞行单元上，用于对飞行单元的四周进行碰撞防护；四根竖向支撑杆22竖向固定安装在飞行单元的下侧面上，无人机环形充电线圈26的边缘通过四个固定侧耳25水平安装在四根竖向支撑杆22；在四根竖向支撑杆22的下端部上均设置有一个滚珠支座23，并在滚珠支座23的下侧面上旋转式安装有支撑滚珠24；摄像云台固定安装在飞行单元的下侧面中心处，摄像头31安装在摄像云台上，且摄像头31由无人机环形充电线圈26的中心环孔向下伸出；飞行单元分别与无人机环形充电线圈26、摄像云台以及摄像头31电连接。利用支撑滚珠24能够在巡检无人机降落后，方便推移巡检无人机至中部支撑平台61的中部。
飞行单元包括机壳18以及四个旋翼电机20；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；防碰弹性圈21围绕设置在四个旋翼电机20上方的气流通道管上。
摄像云台包括旋转驱动电机28、上侧U形支架27、下侧U形支架29以及俯仰驱动电机32；上侧U形支架27固定安装在机壳18的下侧面中心处，旋转驱动电机28安装在上侧U形支架27内，下侧U形支架29固定安装在旋转驱动电机28的输出轴端部上；摄像头31通过旋转调节轴旋转式安装在下侧U形支架29的两块侧板之间，并在旋转调节轴上固定安装有旋转从动齿轮30；俯仰驱动电机32固定安装在下侧U形支架29内，并在输出轴上固定安装有与旋转从动齿轮30相啮合的旋转主动齿轮33。
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、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31、旋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28电连接，俯仰驱动电路与俯仰驱动电机32电连接；无人机环形充电线圈26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31、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。
利用旋转驱动电机28以及俯仰驱动电机32构成的摄像云台，能够对摄像头31进行的朝向进行调节；利用防碰弹性圈21围绕设置在飞行单元上，能够在四块支撑背板15向上翻折时对飞行单元的四周进行碰撞防护；利用电压采集电路能够实时采集充电电池的电压，从而在电压不足时即使找到最近的水文监测基站进行停靠和充电。
进一步的，竖向支架包括支撑底板2、底部套管1以及顶部支撑管3；悬挑驱动支架包括电动伸缩杆34、悬挑套管7以及悬吊伸缩杆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的下端管壁上固定设置有圆筒形罩盖4，且圆筒形罩盖4罩盖在底部套管1的上端管口上；在圆筒形罩盖4上螺纹旋合安装有一根旋转定位螺栓5，且旋转定位螺栓5的端部按压在底部套管1上；悬挑套管7的一端摆动式铰接安装在顶部支撑管3上，悬吊伸缩杆37的一端插装在悬挑套管7的另一端管口内；电动伸缩杆34的一端铰接安装在顶部支撑管3上，另一端铰接安装在悬挑套管7上；在悬吊伸缩杆37的另一端上设置有悬吊支座50，并在悬吊支座50上旋转式安装有线缆绞盘46；在线缆绞盘46的圆盘面上间隔设置有各个绞盘定位孔53，在悬吊支座50上设置有支座定位孔，且在支座定位孔上插装有一根贯穿了一个绞盘定位孔53的绞盘定位销80；在线缆绞盘46上绕设固定有一个悬吊线缆43，水质检测机构悬吊式安装在悬吊线缆43的悬吊端上。
利用线缆绞盘46、悬吊线缆43以及绞盘定位销80的配合设置，能够根据现场安装需要调节水质检测机构的初始悬吊高度，从而在悬挑套管7向上摆动后使得水质检测机构脱离水面，而在悬挑套管7向上摆动至指定位置后，水质检测机构落于水面进行水质检测；利用圆筒形罩盖4能够对插装位置处进行防水；利用旋转定位螺栓5能够对旋转进行定位，从而确保悬挑套管7的悬挑稳定性；利用悬吊伸缩杆37与悬挑套管7的插装配合，能够根据现场安装需要调节水质检测机构悬吊位置。
进一步的，在圆筒形罩盖4上安装有旋转推拉把手杆17；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的端部按压在悬吊伸缩杆37上；水平摆动支座包括矩形框架44、两根侧边铰接轴35以及配重块45；悬挑套管7贯穿矩形框架44，两根侧边铰接轴35均固定在悬挑套管7上，且两根侧边铰接轴35的另一端均旋转式安装矩形框架44的两个竖向侧边框的上部上；配重块45固定安装在矩形框架44下侧边框的上侧面上；雨量传感器36固定安装在矩形框架44的上侧边框的上侧面上，水位传感器39固定安装在矩形框架44的下侧边框的下侧面；控制箱6安装在顶部支撑管3上；升降充电平台安装在顶部支撑管3的上端上；在悬吊伸缩杆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。
利用配重块45能够在悬挑套管7摆动时还可以保证矩形框架44的竖向状态，从而确保雨量传感器36和水位传感器39的检测精度和可靠性；利用旋转推拉把手杆17能够便于推拉圆筒形罩盖4旋转，从而方便将悬挑套管7向岸边摆动，使得维护人员对水质检测机构进行维护。
进一步的，水质检测机构包括悬吊稳定杆47、浮力箱41、流速传感器56以及各个水质传感器的传感探头51；悬吊稳定杆47的上端固定连接在悬吊线缆43的悬吊端上；流速传感器56安装在悬吊稳定杆47的下部，基站控制器与流速传感器56电连接，基站蓄电池为流速传感器56供电；在悬吊稳定杆47的下端上设置有重锤54；浮力箱41滑动式安装在悬吊稳定杆47上，并在悬吊稳定杆47上设置有滑移限位槽52，在浮力箱41的中心贯穿孔处设置有滑动式嵌入滑移限位槽52内的滑移限位块；各个水质传感器的传感探头51竖向安装在浮力箱41的下侧面上，且传感探头51的接线端位于浮力箱41内；在浮力箱41顶部设置有与基站控制器电连接的水面指示灯42，在浮力箱41底部设置有与基站控制器电连接的水浸传感器48；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；各个水质传感器的信号处理电路分别与对应的传感探头51电连接。
利用浮力箱41能够使得传感探头51浸入水面下方进行水质检测，确保水质检测的可靠性；利用重锤54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；利用流速传感器56能够对检测点处的流速进行检测；利用滑移限位槽52与滑移限位块的配合，能够限定浮力箱41与悬吊稳定杆47的相对滑移范围，防止浮力箱41与悬吊稳定杆47脱离。
进一步的，在悬吊稳定杆47上水平固定安装有一块清理圆盘55，在清理圆盘55上贯穿式安装有各个清理套筒49，且各个清理套筒49分别套设在各个传感探头51上；在各个清理套筒49的内管壁上分布设置有用于清理各个传感探头51的清理刷毛57。
利用浮力箱41能够提供一定的浮力作用，使得水质检测机构在进入水面或者离开水面时，使得清理套筒49相对传感探头51滑移，从而利用清理刷毛57对传感探头51上附着的杂质进行清理，确保传感探头51的检测精度和可靠性。
进一步的，升降充电平台包括中部支撑平台61、设备安装箱8、折叠支撑套9、四根斜撑杆13、折叠驱动螺杆11、折叠驱动电机67以及弹性升降机构；设备安装箱8固定安装在竖向支架的顶部支撑管3的顶端上，中部支撑平台61固定安装在设备安装箱8的顶部上；在中部支撑平台61的中心处设置有升降窗口，且升降窗口与设备安装箱8的顶部相连通；弹性升降机构安装在设备安装箱8内，基站环形充电线圈62安装在弹性升降机构上，用于在巡检无人机停靠就位后将基站环形充电线圈62弹出；折叠驱动电机67安装在设备安装箱8内，折叠驱动螺杆11的上端与折叠驱动电机67的输出轴相对接安装，下端伸入顶部支撑管3内；在中部支撑平台61的四侧边缘上均铰接安装有一块支撑背板15；折叠支撑套9滑动式套设在顶部支撑管3上，四根斜撑杆13的下端通过下铰接座12摆动式铰接安装在折叠支撑套9上，四根斜撑杆13的上端通过四个上铰接座14分别摆动式铰接安装在四块支撑背板15的下侧面上；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，且折叠驱动座与折叠支撑套9固定连接；在控制箱6内设置有无线充电电路以及与基站控制器电连接的折叠驱动电路；折叠驱动电路与折叠驱动电机67电连接，基站蓄电池为折叠驱动电路供电；基站蓄电池通过无线充电电路与基站环形充电线圈62电连接。
利用中部支撑平台61能够便于停靠巡检无人机，并通过基站环形充电线圈62与无人机环形充电线圈26配合实现巡检无人机的无线充电；利用折叠驱动螺杆11、折叠驱动座、支撑滑套9以及四根斜撑杆13能够对四块支撑背板15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，通过四块支撑背板15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；利用弹性升降机构对基站环形充电线圈62进行弹性升降控制，从而在巡检无人机停靠就位后将基站环形充电线圈62弹出，避免提前弹出后对巡检无人机的位置调节造成阻挡。
进一步的，在支撑背板15上安装有太阳能电池板16；在控制箱6内设置有太阳能充电电路；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；在四块支撑背板15的上侧面上均垂直设置有一根推压杆58；在四根推压杆58的上端均摆动式铰接安装有一根推压连杆59；在推压连杆59的另一端上铰接安装有一个弧形推压座60，且弧形推压座60滑动式放置于中部支撑平台61上；在弧形推压座60的弧形面上设置有用于推动巡检无人机向中部支撑平台61中部的柔性支撑垫68。
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；利用推压杆58、推压连杆59、弧形推压座60以及柔性支撑垫68构成的侧边推动机构，从而在四块支撑背板15向上折叠时从四个方向推动巡检无人机向中部支撑平台61中部，使得基站环形充电线圈62与无人机环形充电线圈26对准充电；利用柔性支撑垫68能够防止推动过程中对巡检无人机造成损坏。
进一步的，弹性升降机构包括U形升降板64、两根支撑弹簧81、两根联动拉绳63、两根解锁推杆66以及两个弹簧锁定单元；基站环形充电线圈62水平固定安装在U形升降板64的两个竖向侧板上边缘上；两根支撑弹簧81弹性支撑在U形升降板64的水平侧板与设备安装箱8的内底面之间；两根联动拉绳63的下端分别固定在两个下铰接座12上，两根联动拉绳63的上端贯穿设备安装箱8的底部和支撑弹簧81后固定在U形升降板64的水平侧板上；在U形升降板64的两个竖向侧板的外侧面上均设置有一个锁扣孔72，两个弹簧锁定单元安装在设备安装箱8的外侧面上，用于在U形升降板64下降进入设备安装箱8内时分别对两个锁扣孔72进行卡扣锁定；在设备安装箱8的内底部上竖向设置有一根贯穿U形升降板64的水平侧板的中部限位管73，在中部限位管73的上端设置有一个与基站控制器电连接的对位指示灯74；在中部限位管73的外壁上设置有弹出限位滑槽75，在U形升降板64的水平侧板上设置有滑动式嵌入弹出限位滑槽75内的弹出限位滑块76；两根解锁推杆66竖向固定安装在两个下铰接座12上，用于在折叠支撑套9上升至最高位时对两个弹簧锁定单元进行解锁，使得U形升降板64向上弹起。
利用两根联动拉绳63能够在折叠支撑套9向下移动时拉动U形升降板64向下移动，从而使得基站环形充电线圈62收回到升降窗口内，不影响下次巡检无人机降落充电；利用两个弹簧锁定单元能够对下降至一定位置的U形升降板64进行锁定；利用两根解锁推杆66能够在折叠支撑套9上升至最高位时对两个弹簧锁定单元进行解锁，从而使得U形升降板64向上弹起，使得基站环形充电线圈62与无人机环形充电线圈26贴近对准充电，而在巡检无人机向中部推动过程中基站环形充电线圈62不会弹出，避免了提前弹出后对巡检无人机的位置调节造成阻挡；利用对位指示灯74能够在摄像头31进行图像采集对位时增强对位精度，且能够在夜晚也能够进行精确定位，从而准确降落在中部支撑平台61的中部；利用弹出限位滑槽75与弹出限位滑块76的配合，能够限定U形升降板64的活动范围，防止U形升降板64弹出脱离。
进一步的，弹簧锁定单元包括锁杆79、锁定弹簧78以及锁壳69；锁壳69固定安装在设备安装箱8的外侧面上，并在锁壳69上设置有伸缩孔；锁定弹簧78安装在伸缩孔内；锁杆79的一端插装在伸缩孔内，且按压在锁定弹簧78上；锁杆79的另一端贯穿设备安装箱8的外侧面，用于插入锁扣孔72进行卡扣锁定；在锁壳69上设置有条形限位孔77，在锁杆79上设置有伸出条形限位孔77外的滚轮轴，并在伸出的滚轮轴上旋转式安装有解锁滚轮71；在设备安装箱8的外侧面上设置有两个侧边支撑座65，两根解锁推杆66分别活动式贯穿两个侧边支撑座65；在两根解锁推杆66的上端上均设置有一个三角块70，用于通过三角块70的斜坡面推动解锁滚轮71水平移动，使得锁杆79的端部脱离锁扣孔72。
利用三角块70与解锁滚轮71的配合，能够在解锁推杆66上升时推动解锁滚轮71水平移动，从而推动锁杆79的端部脱离锁扣孔72，实现U形升降板64的解锁弹出；利用侧边支撑座65能够确保解锁推杆66可以竖向稳定升降。
本发明提供的河道水文自动化监测系统中：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；水浸传感器48采用现有的水浸传感器，用于对浮力箱41是否浮于水面进行检测；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31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；对位指示灯74采用现有的红色闪烁指示灯，水面指示灯42采用现有的蓝色闪烁指示灯；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、旋转驱动电路以及俯仰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67、电动伸缩杆34、旋翼电机20、旋转驱动电机28以及俯仰驱动电机32进行驱动控制。
本发明提供的河道水文自动化监测系统在工作时，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悬挑套管7的悬挑方向以及悬吊伸缩杆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电动伸缩杆34，将水质检测机构放入河道的水流中，进行水质检测，并在检测完成后将水质检测机构再吊起离开水面，避免水草缠绕；在检测过程中，水面指示灯42闪烁指示，从而提醒河道内的船只或其他航行器进行避让；
清理步骤：在水质检测机构进入水面时，由浮力箱41在浮力作用下浮于水面，而悬吊稳定杆47在重力作用下继续下移，从而由清理套筒49内的清理刷毛57对传感探头51进行清扫，清理掉传感探头51上附着的杂质，确保传感探头51的检测精度和可靠性；在水质检测机构上升脱离水面时，浮力箱41在重力作用下停留水面，而悬吊稳定杆47在悬吊拉力作用下先上移，使得清理套筒49内的清理刷毛57对传感探头51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31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31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，由摄像头31采集图像，并根据对位指示灯74找准中部支撑平台61中部的基站环形充电线圈62后，悬停于基站环形充电线圈62的上方，再控制巡检无人机下降停放在中部支撑平台61上；再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67，使得四块支撑背板15向上翻转，通过四块支撑背板15对巡检无人机四周的防碰弹性圈21进行推动，以及通过四个柔性支撑垫68对四个滚珠支座23进行推动，并在无人机环形充电线圈26位于基站环形充电线圈62正上方时，三角块70刚好推动解锁滚轮71解锁，使得无人机环形充电线圈26与基站环形充电线圈62相贴近，实现充电电池的无线充电，同时在无线充电过程中，四块支撑背板15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；在充电完成后，巡检无人机继续进行巡检，再由折叠驱动电机67驱动使得四块支撑背板15展开，同时两根联动拉绳63拉动U形升降板64下降，并在进入设备安装箱8后，由锁定弹簧78推动锁杆79插入锁扣孔72进行卡扣锁定。
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)
1.一种河道水文自动化监测系统，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)、升降充电平台、竖向支架、悬挑驱动支架、水质检测机构、雨量传感器(36)以及水位传感器(39)；
各个水文监测基站沿河道分布式安装；升降充电平台安装在竖向支架的顶部，并在升降充电平台上升降式安装有基站环形充电线圈(62)；在巡检无人机上设置有摄像头(31)和无人机环形充电线圈(26)；无人机环形充电线圈(26)用于与上升后的基站环形充电线圈(62)配合为巡检无人机无线充电；悬挑驱动支架的一端摆动式安装在竖向支架上，水质检测机构悬吊式安装在悬挑驱动支架的另一端上，由悬挑驱动支架驱动水质检测机构升降运动；控制箱(6)安装在竖向支架上；雨量传感器(36)以及水位传感器(39)通过水平摆动支座安装在悬挑驱动支架上；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，并对悬挑驱动支架以及水质检测机构进行协调控制。
2.根据权利要求1所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：巡检无人机包括飞行单元、防碰弹性圈(21)、四根竖向支撑杆(22)以及摄像云台；防碰弹性圈(21)围绕设置在飞行单元上，用于对飞行单元的四周进行碰撞防护；四根竖向支撑杆(22)竖向固定安装在飞行单元的下侧面上，无人机环形充电线圈(26)的边缘通过四个固定侧耳(25)水平安装在四根竖向支撑杆(22)上；在四根竖向支撑杆(22)的下端部上均设置有一个滚珠支座(23)，并在滚珠支座(23)的下侧面上旋转式安装有支撑滚珠(24)；摄像云台固定安装在飞行单元的下侧面中心处，摄像头(31)安装在摄像云台上，且摄像头(31)由无人机环形充电线圈(26)的中心环孔向下伸出；飞行单元分别与无人机环形充电线圈(26)、摄像云台以及摄像头(31)电连接。
3.根据权利要求1所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：竖向支架包括支撑底板(2)、底部套管(1)以及顶部支撑管(3)；悬挑驱动支架包括电动伸缩杆(34)、悬挑套管(7)以及悬吊伸缩杆(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)的下端管壁上固定设置有罩盖在底部套管(1)上端管口上的圆筒形罩盖(4)；在圆筒形罩盖(4)上螺纹旋合安装有一根旋转定位螺栓(5)，且旋转定位螺栓(5)的端部按压在底部套管(1)上；悬挑套管(7)的一端摆动式铰接安装在顶部支撑管(3)上，悬吊伸缩杆(37)的一端插装在悬挑套管(7)的另一端管口内；电动伸缩杆(34)的一端铰接安装在顶部支撑管(3)上，另一端铰接安装在悬挑套管(7)上；在悬吊伸缩杆(37)的另一端上设置有悬吊支座(50)，并在悬吊支座(50)上旋转式安装有线缆绞盘(46)，且线缆绞盘(46)通过绞盘定位销(80)定位在悬吊支座(50)上；在线缆绞盘(46)上绕设固定有一个悬吊线缆(43)，水质检测机构悬吊式安装在悬吊线缆(43)的悬吊端上。
4.根据权利要求3所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：水平摆动支座包括矩形框架(44)、两根侧边铰接轴(35)以及配重块(45)；悬挑套管(7)贯穿矩形框架(44)，两根侧边铰接轴(35)均固定在悬挑套管(7)上，且两根侧边铰接轴(35)的另一端均旋转式安装矩形框架(44)的两个竖向侧边框的上部上；配重块(45)固定安装在矩形框架(44)下侧边框的上侧面上；雨量传感器(36)固定安装在矩形框架(44)的上侧边框的上侧面上，水位传感器(39)固定安装在矩形框架(44)的下侧边框的下侧面。
5.根据权利要求1所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：水质检测机构包括悬吊稳定杆(47)、浮力箱(41)、流速传感器(56)以及各个水质传感器的传感探头(51)；悬吊稳定杆(47)的上端连接在悬挑驱动支架上；流速传感器(56)安装在悬吊稳定杆(47)的下部，基站控制器与流速传感器(56)电连接；浮力箱(41)滑动式安装在悬吊稳定杆(47)上，并在悬吊稳定杆(47)上设置有滑移限位槽(52)，在浮力箱(41)的中心贯穿孔处设置有滑动式嵌入滑移限位槽(52)内的滑移限位块；各个水质传感器的传感探头(51)竖向安装在浮力箱(41)的下侧面上，且传感探头(51)的接线端位于浮力箱(41)内；在浮力箱(41)顶部设置有与基站控制器电连接的水面指示灯(42)，在浮力箱(41)底部设置有与基站控制器电连接的水浸传感器(48)；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；各个水质传感器的信号处理电路分别与对应的传感探头(51)电连接。
6.根据权利要求5所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：在悬吊稳定杆(47)上水平固定安装有一块清理圆盘(55)，在清理圆盘(55)上贯穿式安装有各个清理套筒(49)，且各个清理套筒(49)分别套设在各个传感探头(51)上；在各个清理套筒(49)的内管壁上分布设置有用于清理各个传感探头(51)的清理刷毛(57)。
7.根据权利要求1所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：升降充电平台包括中部支撑平台(61)、设备安装箱(8)、折叠支撑套(9)、四根斜撑杆(13)、折叠驱动螺杆(11)、折叠驱动电机(67)以及弹性升降机构；设备安装箱(8)固定安装在竖向支架的顶端上，中部支撑平台(61)固定安装在设备安装箱(8)的顶部上；在中部支撑平台(61)的中心处设置有升降窗口，且升降窗口与设备安装箱(8)的顶部相连通；弹性升降机构安装在设备安装箱(8)内，基站环形充电线圈(62)安装在弹性升降机构上，用于在巡检无人机停靠就位后将基站环形充电线圈(62)弹出；折叠驱动电机(67)安装在设备安装箱(8)内，折叠驱动螺杆(11)的上端与折叠驱动电机(67)的输出轴相对接安装；在中部支撑平台(61)的四侧边缘上均铰接安装有一块支撑背板(15)；折叠支撑套(9)滑动式套设在竖向支架上，四根斜撑杆(13)的下端通过四个下铰接座(12)分别摆动式铰接安装在折叠支撑套(9)上，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；在折叠驱动螺杆(11)上螺纹旋合安装有折叠驱动座，且折叠驱动座与折叠支撑套(9)固定连接；在控制箱(6)内设置有无线充电电路以及与基站控制器电连接的折叠驱动电路；折叠驱动电路与折叠驱动电机(67)电连接；基站蓄电池通过无线充电电路与基站环形充电线圈(62)电连接。
8.根据权利要求7所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：在支撑背板(15)上安装有太阳能电池板(16)；在控制箱(6)内设置有太阳能充电电路以及基站蓄电池；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；在四块支撑背板(15)的上侧面上均垂直设置有一根推压杆(58)；在四根推压杆(58)的上端均摆动式铰接安装有一根推压连杆(59)；在推压连杆(59)的另一端上铰接安装有一个弧形推压座(60)，且弧形推压座(60)滑动式放置于中部支撑平台(61)上；在弧形推压座(60)的弧形面上设置有用于推动巡检无人机向中部支撑平台(61)中部的柔性支撑垫(68)。
9.根据权利要求7所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：弹性升降机构包括U形升降板(64)、两根支撑弹簧(81)、两根联动拉绳(63)、两根解锁推杆(66)以及两个弹簧锁定单元；基站环形充电线圈(62)水平固定安装在U形升降板(64)的两个竖向侧板上边缘上；两根支撑弹簧(81)弹性支撑在U形升降板(64)的水平侧板与设备安装箱(8)的内底面之间；两根联动拉绳(63)的下端分别固定在两个下铰接座(12)上，两根联动拉绳(63)的上端贯穿设备安装箱(8)的底部后固定在U形升降板(64)的水平侧板上；在U形升降板(64)的两个竖向侧板的外侧面上均设置有一个锁扣孔(72)，两个弹簧锁定单元安装在设备安装箱(8)的外侧面上，用于在U形升降板(64)下降进入设备安装箱(8)内时分别对两个锁扣孔(72)进行卡扣锁定；在设备安装箱(8)的内底部上竖向设置有一根贯穿U形升降板(64)的水平侧板的中部限位管(73)，在中部限位管(73)的上端设置有一个与基站控制器电连接的对位指示灯(74)；两根解锁推杆(66)分别竖向固定安装在两个下铰接座(12)上，用于在折叠支撑套(9)上升至最高位时对两个弹簧锁定单元进行解锁，使得U形升降板(64)向上弹起。
10.根据权利要求9所述的河道水文自动化监测系统，其特征在于：弹簧锁定单元包括锁杆(79)、锁定弹簧(78)以及锁壳(69)；锁壳(69)固定安装在设备安装箱(8)的外侧面上，并在锁壳(69)上设置有伸缩孔；锁定弹簧(78)安装在伸缩孔内；锁杆(79)的一端插装在伸缩孔内，且按压在锁定弹簧(78)上；锁杆(79)的另一端贯穿设备安装箱(8)的外侧面，用于插入锁扣孔(72)进行卡扣锁定；在锁壳(69)上设置有条形限位孔(77)，在锁杆(79)上设置有伸出条形限位孔(77)外的滚轮轴，并在伸出的滚轮轴上旋转式安装有解锁滚轮(71)；在两根解锁推杆(66)的上端上均设置有一个三角块(70)，用于通过三角块(70)的斜坡面推动解锁滚轮(71)水平移动，使得锁杆(79)的端部脱离锁扣孔(72)。
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2021
- 2021-10-23 CN CN202111236096.8A patent/CN114136364A/zh not_active Withdrawn
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