CN115166292A - 一种基于人工智能的漂流式监测仪及其监测方法 - Google Patents

一种基于人工智能的漂流式监测仪及其监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于人工智能技术领域，公开了一种基于人工智能的漂流式监测仪及其监测方法。该漂流式监测仪包括水下主体、与水下主体连接的信标杆，以及设置在水下主体内的具有时间模块、通信模块和定位模块的控制器以及电源；所述水下主体的底部设有配重块；所述配重块的上面设有环形的配重水袋；所述配重块与信标杆通过万向球铰链结构连接，所述水下主体设有凹槽；所述水下主体的外壳与凹槽的壁和配重块连接构成密闭体；所述水下主体内设有隔层板，所述控制器和电源设置于隔层板上。本发明采用了漂流式测量方案，根据监测河道的实际情况，实现不同水深流速的测量。通过对投放的漂流式监测仪的流动时间和距离等，可准确测定目标河段的流速。

Description

一种基于人工智能的漂流式监测仪及其监测方法
技术领域
本发明属于人工智能技术领域，具体涉及一种基于人工智能的漂流式监测仪及其监测方法。
背景技术
我国河流众多,河流的综合利用在国家经济社会发展中占有重要的地位。流速测量是水文监测的主要工作之一，但是目前流速测量方法在应用方面都有一定的局限性。
在二维均匀流中，水流由于受到来自底部紊动涡体的作用，时均流速沿水深的分布是不均匀的，水面附近流速较大，河底附近流速较小，由河底向水面分成直线层、过渡层、对数区和外层区。河道的水流往往更加复杂，流速检测需要在不同的水深进行，而现有流速仪只能测水表流速，多无法实现不同深度流速测量。
现有技术专利公开号CN110673186A深海自持式剖面浮标水下轨迹记录系统，公开了一种配置捷联惯导系统的定位模块，用于海洋剖面浮标，用于检测温度、盐度和压力参数等。现有技术专利公开号CN107576314A-浮标式无人区河流湖泊自动监测系统，公开了一种浮球式检测系统，并通过系留缆绳固定于湖泊底部。
目前市场上有由流速仪、旋桨式流速传感器、信号连接线等组成的便携式水流测速仪，使用时将旋桨投入水中，在流速仪上观测数据。因为连接线长度的限制，该类仪器需要人员近距离操作，适用于有桥、行船方便或河道两侧易于接近等场合。
但是，实际野外环境复杂不具备近距离测量的条件，并且当遇到刮风、下雨、发洪水等恶劣天气时，该类仪器使用严重受限。因此亟需一种简单易行、可靠性高且不受距离限制的技术来解决这些问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种基于人工智能的漂流式监测仪。
本发明的另一目的在于提供一种基于人工智能的漂流式监测仪的监测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于人工智能的漂流式监测仪，包括水下主体、与水下主体连接的信标杆，以及设置在水下主体内的具有时间模块、通信模块和定位模块的控制器，以及电源；所述水下主体的底部设有用于保持平衡和保持水下主体沉入水下的配重块；所述配重块的上面设有环形的配重水袋；所述配重块与信标杆通过万向球铰链结构连接，所述配重块的重心上方设有用于容置所述万向球的凹口部；所述水下主体设有用于容纳信标杆的穿过水下主体重心的凹槽；所述凹槽的上部设有至少3个用于维持信标杆直立的压缩弹簧；所述凹槽的侧壁与信标杆外表的距离为2～4cm；所述压缩弹簧的压缩量为1～1.5cm，弹力为10±2N；所述水下主体的外壳与凹槽的壁和配重块连接构成密闭体；所述配重水袋设有密封的加水口；所述加水口通过密封结构穿过凹槽的壁，设置于凹槽内；所述水下主体内设有隔层板，所述控制器和电源设置于隔层板上。
本发明采用了漂流式测量方案，配重块和配重水袋的巧妙结构设计，一方面确保了水下主体保持“不倒翁”的姿态，确保漂流式监测仪正常工作，另一方面，通过配重水袋来调节水下主体的重量，实现不同深度的流速测量。
通过信标杆实现漂流式监测仪的示踪以及远程信号定位和追踪等，但在河道中受水流的冲击，容易造成信标杆倾倒等问题。本发明将信标杆直接与配重块连接，使得整台仪器的重心更加稳。同时，信标杆与配重块通过万向球铰链结构连接，并在设置了维持信标杆直立的压缩弹簧，在受水流冲击时，给信标杆提供了足够的缓冲余量，在应对复杂河道和水流时，实现了稳定漂流的效果。
进一步地，所述水下主体为球体，所述球体的上部设有导流板，所述导流板上通过铰链设有扩展导流板。发明人通过研究发现，球体结构能够克服水下复杂水流(例如)的冲击。导流板设置可调节的导流板，在应对不同水流情况提供了充足的保障。
进一步地，所述配重块的重心与水下主体的球体重心在同一直线上；所述配重块的上表面为中间鼓起的均匀球面。
进一步地，所述环形配重水袋均衡地固定于配重块的上表面，加注水后的环形配重水袋仍能保持水下主体重心平衡。中间鼓起的均匀球面配合环形配重水袋，使得加注水后的环形配重水袋内的水，能够均匀的沿环形分布，确保水下主体的平衡。
进一步地，所述信标杆设有用于在不同水深测量时调节信标杆长度且保持水下主体重心平衡的长度调节结构。所述长度调节结构包括不少于2节相互嵌套的中空管和锁紧箍。信标杆的长度影响整台仪器的重心，且在不同的投放深度受浮力和水流的影响，整台仪器的重心也会变化，因此，本发明采用可调节长度的信标杆，实现了监测过程中仪器的平稳运行。
进一步地，所述万向球铰链结构的万向球和凹口部设有用于穿过导线和/或信号线的通孔，所述通孔与信标杆的中空通孔连通。所述通孔设有防水密封圈，确保水无法进入水下主体内。
进一步地，所述信标杆上设有通信天线、GPS系统天线。所述信标杆上警示灯。
进一步地，所述凹槽的开口处设有用于防止异物进入凹槽的防护网。通过防护网避免了碎石和杂草等异物进入凹槽等。
进一步地，所述密封结构为与凹槽的壁一体的通管；所述加水口通过塑胶管道与通管连接。通过通管设计，避免了在狭小空间内，加水口的堵塞等问题。
进一步地，所述定位模块包括CORS系统、GPS系统和惯导系统。所述惯导系统包括3个陀螺仪和3个加速度计构成。
连续运行GPS定位服务系统(Continuous OperationalReference System)，简称CORS，是基于现代GNSS技术、计算机网络技术、网络化实时定位服务技术、现代移动通信技术基础之上的大型定位与导航综合服务网络。
陀螺仪采集水下主体角运动信息，加速度计采集水下主体的线运动信息，这些信息通过串口传给控制器，用于对漂流轨迹和距离进行校正，同样也用于对水下主体的漂流姿态进行记录和分析等。
一种所述基于人工智能的漂流式监测仪的监测方法，包括以下步骤：
S1.根据要测定水流流速的深度，往配重水袋中注入水，使得水下主体沉入相应的深度；
S2.在河道中投入漂流式监测仪，待水下主体稳定后，远程或遥控启动计时模块、通信模块和定位模块，记录漂流的时间和距离；
定位模块的GPS系统与CORS系统建立稳定的数据传输链接，把流速测量起点距坐标输入GPS系统，运用CORS系统进行流速测点起点距定位在线监控；同时，人工记录漂流的时间和距离；
S3.系统根据控制器获取漂流的时间和距离，以及CORS系统数据，计算出河道流速，人工记录漂流的时间和距离数据用于流速校正。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用了漂流式测量方案，根据监测河道的实际情况，配制漂流式监测仪的重量，实现不同水深流速的测量。通过对投放的漂流式监测仪的流动时间和距离等，可准确测定目标河段的流速。
采用配重块和配重水袋的巧妙结构设计，一方面确保了水下主体保持“不倒翁”的姿态，确保漂流式监测仪正常工作，另一方面，通过配重水袋来调节水下主体的重量，实现不同深度的流速测量。
本发明的漂流式监测仪在受水流冲击时，给信标杆提供了足够的缓冲余量，在应对复杂河道和水流时，实现了稳定漂流的效果。
附图说明
图1为漂流式监测仪的剖视图；
图2为图1中A部分的局部放大图；
图3为图1中A部分的俯视局部放大图；
图4为图1中B部分的局部放大图；
图5为图1中C部分的局部放大图；
图6为实施例2漂流式监测仪的剖视图。
图7为一种基于人工智能的漂流式监测仪的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。以下实施例及对比例所用的原材料均为市购。
实施例1
如图1～5所示，一种基于人工智能的漂流式监测仪，包括水下主体1、与水下主体1连接的信标杆2，以及设置在水下主体1内的具有时间模块、通信模块和定位模块的控制器11，以及电源12。
水下主体1的底部设有用于保持平衡和保持水下主体沉入水下的配重块3；配重块3的上面设有环形的配重水袋4。
配重块3与信标杆2通过万向球铰链结构21连接，配重块3的重心上方设有用于容置万向球的凹口部31。
水下主体1设有用于容纳信标杆2的穿过水下主体重心的凹槽13；凹槽13的上部设有至少3个用于维持信标杆2直立的压缩弹簧22。
凹槽13的侧壁与信标杆2外表的距离为2～4cm；压缩弹簧22的压缩量为1～1.5cm，弹力为10±2N。
水下主体1的外壳与凹槽13的壁和配重块3连接构成密闭体。
配重水袋4设有密封的加水口41；加水口41通过密封结构42穿过凹槽13的壁，设置于凹槽13内。
水下主体1内设有隔层板14，控制器11和控制器12设置于隔层板14上。
本发明采用了漂流式测量方案，配重块3和配重水袋4的巧妙结构设计，一方面确保了水下主体保持“不倒翁”的姿态，确保漂流式监测仪正常工作，另一方面，通过配重水袋4 来调节水下主体1的重量，实现不同深度的流速测量。
通过信标杆2实现漂流式监测仪的示踪以及远程信号定位和追踪等，但在河道中受水流的冲击，容易造成信标杆倾倒等问题。本发明将信标杆2直接与配重块3连接，使得整台仪器的重心更加稳。同时，信标杆2与配重块3通过万向球铰链结构21连接，并在设置了维持信标杆2直立的压缩弹簧22，在受水流冲击时，给信标杆2提供了足够的缓冲余量，在应对复杂河道和水流时，实现了稳定漂流的效果。
水下主体1为球体。
配重块3的重心与水下主体1的球体重心在同一直线上；配重块3的上表面为中间鼓起的均匀球面。
环形配重水袋4均衡地固定于配重块3的上表面，加注水后的环形配重水袋4仍能保持水下主体重心平衡。中间鼓起的均匀球面配合环形配重水袋4，使得加注水后的环形配重水袋内的水，能够均匀的沿环形分布，确保水下主体的平衡。
信标杆2设有用于在不同水深测量时调节信标杆长度且保持水下主体重心平衡的长度调节结构23。
长度调节结构23包括不少于2节相互嵌套的中空管231和锁紧箍232。信标杆2的长度影响整台仪器的重心，且在不同的投放深度受浮力和水流的影响，整台仪器的重心也会变化，因此，本发明采用可调节长度的信标杆2，实现了监测过程中仪器的平稳运行。
万向球铰链结构21的万向球211和凹口部31设有用于穿过导线和/或信号线的通孔212，通孔212与信标杆2的中空通孔连通。凹口部31设有防水密封圈，确保水无法经通孔212进入水下主体内。
信标杆2上设有通信天线、GPS系统天线。信标杆2上警示灯24。
定位模块包括CORS系统、GPS系统和惯导系统。惯导系统包括3个陀螺仪和3个加速度计构成。
凹槽13的开口处设有用于防止异物进入凹槽的防护网131。通过防护网131避免了碎石和杂草等异物进入凹槽13等。
密封结构42为与凹槽13的壁一体的通管411；加水口41通过塑胶管道与通管411连接。通过通管设计，避免了在狭小空间内，加水口41的堵塞等问题。
实施例2
如图6所示，本实施例在实施例1的基础上，在球体的上部设有导流板15，导流板15上通过铰链设有扩展导流板，提供了一种基于人工智能的漂流式监测仪，包括水下主体1、与水下主体1连接的信标杆2，以及设置在水下主体1内的具有时间模块、通信模块和定位模块的控制器11，以及电源12。
水下主体1的底部设有用于保持平衡和保持水下主体沉入水下的配重块3；配重块3的上面设有环形的配重水袋4。
配重块3与信标杆2通过万向球铰链结构21连接，配重块3的重心上方设有用于容置万向球的凹口部31。
水下主体1设有用于容纳信标杆2的穿过水下主体重心的凹槽13；凹槽13的上部设有至少3个用于维持信标杆2直立的压缩弹簧22。
凹槽13的侧壁与信标杆2外表的距离为2～4cm；压缩弹簧22的压缩量为1～1.5cm，弹力为10±2N。
水下主体1的外壳与凹槽13的壁和配重块3连接构成密闭体。
配重水袋4设有密封的加水口41；加水口41通过密封结构42穿过凹槽13的壁，设置于凹槽13内。
水下主体1内设有隔层板14，控制器11和控制器12设置于隔层板14上。
水下主体1为球体，球体的上部设有导流板，导流板上通过铰链设有扩展导流板。
配重块3的重心与水下主体1的球体重心在同一直线上；配重块3的上表面为中间鼓起的均匀球面。
环形配重水袋4均衡地固定于配重块3的上表面，加注水后的环形配重水袋4仍能保持水下主体重心平衡。中间鼓起的均匀球面配合环形配重水袋4，使得加注水后的环形配重水袋内的水，能够均匀的沿环形分布，确保水下主体的平衡。
信标杆2设有用于在不同水深测量时调节信标杆长度且保持水下主体重心平衡的长度调节结构23。
长度调节结构23包括不少于2节相互嵌套的中空管231和锁紧箍232。信标杆2的长度影响整台仪器的重心，且在不同的投放深度受浮力和水流的影响，整台仪器的重心也会变化，因此，本发明采用可调节长度的信标杆2，实现了监测过程中仪器的平稳运行。
万向球铰链结构21的万向球211和凹口部31设有用于穿过导线和/或信号线的通孔 212，通孔212与信标杆2的中空通孔连通。凹口部31设有防水密封圈，确保水无法经通孔212进入水下主体内。
信标杆2上设有通信天线、GPS系统天线。信标杆2上警示灯24。
定位模块包括CORS系统、GPS系统和惯导系统。惯导系统包括3个陀螺仪和3个加速度计构成。
凹槽13的开口处设有用于防止异物进入凹槽的防护网131。通过防护网131避免了碎石和杂草等异物进入凹槽13等。
密封结构42为与凹槽13的壁一体的通管411；加水口41通过塑胶管道与通管411连接。通过通管设计，避免了在狭小空间内，加水口41的堵塞等问题。
在本实施例的实施过程中，配重块3和配重水袋4的巧妙结构设计，一方面确保了水下主体保持“不倒翁”的姿态，确保漂流式监测仪正常工作，另一方面，通过配重水袋4来调节水下主体1的重量，实现不同深度的流速测量。
通过信标杆2实现漂流式监测仪的示踪以及远程信号定位和追踪等，但在河道中受水流的冲击，容易造成信标杆倾倒等问题。本发明将信标杆2直接与配重块3连接，使得整台仪器的重心更加稳。同时，信标杆2与配重块3通过万向球铰链结构21连接，并在设置了维持信标杆2直立的压缩弹簧22，在受水流冲击时，给信标杆2提供了足够的缓冲余量，在应对复杂河道和水流时，实现了稳定漂流的效果。导流板15设置可调节的导流板，在应对不同水流情况提供了充足的保障。
实施例3
如图7所示，本实施例基于实施例1的基础上提供了一种基于人工智能的漂流式监测仪的监测方法，包括以下步骤：
S1.根据要测定水流流速的深度，往配重水袋中注入水，使得水下主体沉入相应的深度；
S2.在河道中投入漂流式河道流速监测仪，待水下主体稳定后，远程或遥控启动计时模块、通信模块和定位模块，记录漂流的时间和距离；
定位模块的GPS系统与CORS系统建立稳定的数据传输链接，把流速测量起点距坐标输入GPS系统，运用CORS系统进行流速测点起点距定位在线监控；同时，人工记录漂流的时间和距离；
S3.系统根据控制器获取漂流的时间和距离，以及CORS系统数据，计算出河道流速，人工记录漂流的时间和距离数据用于流速校正。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，包括水下主体、与水下主体连接的信标杆，以及设置在水下主体内的具有时间模块、通信模块和定位模块的控制器，以及电源；
所述水下主体的底部设有用于保持平衡和保持水下主体沉入水下的配重块；所述配重块的上面设有环形的配重水袋；
所述配重块与信标杆通过万向球铰链结构连接，所述配重块的重心上方设有用于容置所述万向球的凹口部；
所述水下主体设有用于容纳信标杆的穿过水下主体重心的凹槽；所述凹槽的上部设有至少3个用于维持信标杆直立的压缩弹簧；所述凹槽的侧壁与信标杆外表的距离为2～4cm；所述压缩弹簧的压缩量为1～1.5cm，弹力为10±2N；
所述水下主体的外壳与凹槽的壁和配重块连接构成密闭体；
所述配重水袋设有密封的加水口；所述加水口通过密封结构穿过凹槽的壁，设置于凹槽内；
所述水下主体内设有隔层板，所述控制器和电源设置于隔层板上。
2.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述水下主体为球体，所述球体的上部设有导流板，所述导流板上通过铰链设有扩展导流板。
3.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述配重块的重心与水下主体的球体重心在同一直线上；所述配重块的上表面为中间鼓起的均匀球面。
4.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述环形配重水袋均衡地固定于配重块的上表面，加注水后的环形配重水袋仍能保持水下主体重心平衡。
5.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述信标杆设有用于在不同水深测量时调节信标杆长度且保持水下主体重心平衡的长度调节结构；所述长度调节结构包括不少于2节相互嵌套的中空管和锁紧箍。
6.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述万向球铰链结构的万向球和凹口部设有用于穿过导线和/或信号线的通孔，所述通孔与信标杆的中空通孔连通。
7.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述信标杆所述信标杆上设有通信天线、GPS系统天线；所述定位模块包括CORS系统、GPS系统和惯导系统。
8.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述凹槽的开口处设有用于防止异物进入凹槽的防护网。
9.根据权利要求1所述基于人工智能的漂流式监测仪，其特征在于，所述密封结构为与凹槽的壁一体的通管；所述加水口通过塑胶管道与通管连接。
10.根据权利要求1～9任意一项所述基于人工智能的漂流式监测仪的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.根据要测定水流流速的深度，往配重水袋中注入水，使得水下主体沉入相应的深度；
S2.在河道中投入漂流式监测仪，待水下主体稳定后，远程或遥控启动计时模块、通信模块和定位模块，记录漂流的时间和距离；
定位模块的GPS系统与CORS系统建立稳定的数据传输链接，把流速测量起点距坐标输入GPS系统，运用CORS系统进行流速测点起点距定位在线监控；同时，人工记录漂流的时间和距离；
S3.系统根据控制器获取漂流的时间和距离，以及CORS系统数据，计算出河道流速，人工记录漂流的时间和距离数据用于流速校正。
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