CN115200559A - 一种用无人机监测河道的系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水文监测技术领域，公开了一种用无人机监测河道的系统及其使用方法。该流速监测系统包括无人机，投放小车。所述投放小车上设有用于控制投放小车各功能模块的第一控制器、车载电源、步进电机以及第一通信模块，所述投放小车通过云台固定于无人机；投放小车上还设有用于监测水位、水面位置和水面宽度的水面监测装置、漂流式流速监测仪及其投放装置；地面主机。本发明创新采用水面监测装置，以应对一年四季河道水位变化、枯水期河道变窄等众多因素对流速测量的影响。通过漂流式流速监测仪进行流速监测更能反映一段流域的水流情况等。本发明通过机械手在目标位置自动投放流速监测仪，实现远程自动化控制。
Description
技术领域
本发明属于水文监测技术领域，具体涉及一种用无人机监测河道的系统及其使用方法。
背景技术
河流水文特征，包括径流量,含沙量，汛期、结冰期、水能资源、流速及水位。其中，水位决定于河流补给类型，以雨水补给为主的河流，水位变化由降水特点决定；冰川融水补给为主的河流，水位变化由气温特点决定，由地下水补给为主的河流，水位较稳定。流速受地形地势影响，短促的起伏大的河流流速快，长而平直的河流流速慢。
在一年四季变换中，河道存在枯水期和丰水期。枯水期是指流域内地表水流枯竭，主要依靠地下水补给水源的时期。当月平均径流量占全年径流量的比例小于5％时，属枯水期。可见，河面的宽度、河道形貌等不断变化，如何有效进行流速监测就显得尤为复杂了。
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，而现有流速仪等多无法实现。
现有技术专利公开号CN207923129U-一种无人机雷达全自动测流系统，公开了通过雷达流速仪进行测量的方案，但因无人机运行中存在晃动的情况，雷达流速仪的检测准确性存在较大不确定性，另外，离水面有一定高度，对枯水期河面较窄时无法准确测量。
现有技术专利公开号CN106979803A-一种基于航拍无人机的测量河道流量的方法，公开了采用航拍无人机的自动跟踪、拍摄功能，快速拍摄水面浮标流动照片。该方案往往适合于丰水期或水面较广的河道，也只能测定河道表面的流速。
实际野外环境复杂不具备近距离测量的条件，或者水量较少时仪器无法运行，并且当遇到刮风、下雨、发洪水等恶劣天气时，仪器使用严重受限。
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用无人机监测河道的系统。
本发明的另一目的在于提供一种用无人机监测河道的系统的使用方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用无人机监测河道的系统，包括：
无人机，所述无人机设有安装投放小车的云台；
投放小车，所述投放小车上设有用于控制投放小车各功能模块的第一控制器、车载电源、步进电机以及第一通信模块，所述投放小车通过云台固定于无人机；投放小车上还设有用于监测水位、水面位置和水面宽度的水面监测装置、漂流式流速监测仪及其投放装置；
地面主机，所述地面主机内设置有电源、第二通信模块和第二控制器，所述第二通信模块与第一通信模块和远程服务器无线通信连接。
本发明创新采用水面监测装置，以应对一年四季河道水位变化、枯水期河道变窄等众多因素对流速测量的影响。通过漂流式流速监测仪进行流速监测更能反映一段流域的水流情况等。
进一步地，所述流速监测仪包括水下主体、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；以及设置在水下主体内的具有时间模块、第三通信模块和定位模块的第三控制器和电源。
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，确保流速监测仪正常工作，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。
进一步地，所述投放装置包括位于投放小车底部的投放通孔、投放机械手，以及用于存放流速监测仪的存放架；所述投放机械手安装于投放小车的底部，其操作端设有抓取装置。本发明通过机械手在目标位置自动投放流速监测仪，实现远程自动化控制。
进一步地，所述投放通孔设有通过步进电机驱动的开关闭合装置，避免了蚊虫或雨水进入投放小车内。步进电机由第一控制器控制，协调步进电机与投放机械手的工作步调。
在户外场景下，投放小车往往存在较大幅度的摆动，为维持流速监测仪的稳定存放，进一步地，所述存放架设有底架以及防脱落支架；所述防脱落支架包括卡箍和弹簧插销，在机械手抓取流速监测仪往上提时，卡箍可往上运动，而释放出流速监测仪。
进一步地，所述水面监测装置包括设置于投放小车底部的监测摄像头以及激光雷达传感器。
进一步地，所述配重块的上面设有环形的配重水袋；所述配重水袋设有密封的加水口；所述水下主体内设有隔层板，所述第三控制器和第三电源设置于隔层板上。
进一步地，流速监测仪还设有信标杆，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；所述加水口通过密封结构穿过凹槽的壁，设置于凹槽内。
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。
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。
一种所述用无人机监测河道的系统的使用方法，包括以下步骤：
S1.启动用无人机监测河道的系统，所述无人机携带投放小车沿河道行驶，水面监测装置对河道的水位、水面位置和水面宽度进行监测，分析给出漂流式流速监测仪的投放位置；
S2.投放小车到达投放位置，投放装置投放漂流式流速监测仪；通过第三通信模块远程启动漂流式流速监测仪的时间模块和定位模块，通过记录漂流的时间和距离获得河道流速；
S3.地面主机的第二控制器根据第三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：
本发明创新采用水面监测装置，以应对一年四季河道水位变化、枯水期河道变窄等众多因素对流速测量的影响。通过漂流式流速监测仪进行流速监测更能反映一段流域的水流情况等。
在户外场景下，投放小车往往存在较大幅度的摆动，为维持流速监测仪的稳定存放，进一步地，所述存放架设有底架以及防脱落支架；所述防脱落支架包括卡箍和弹簧插销，在机械手抓取流速监测仪往上提时，卡箍可往上运动，而释放出流速监测仪。
附图说明
图1为用无人机监测河道的系统的结构示意图；
图2为投放小车的结构示意图；
图3为图2中D部分的局部放大图；
图4为地面主机的结构示意图；
图5为漂流式流速监测仪的剖视图；
图6为图5中A部分的局部放大图；
图7为图5中A部分的俯视局部放大图；
图8为图5中B部分的局部放大图；
图9为图5中C部分的局部放大图；
图10为实施例2漂流式河道流速监测仪的剖视图。
其中：1、水下主体；11、第三控制器；12、第三电源；13、凹槽；14、隔层板；15、导流板；
2、信标杆；21、万向球铰链结构；212、通孔；22、压缩弹簧；23、长度调节结构；231、中空管；232、锁紧箍；
3、配重块；31、凹口部；
4、配重水袋；41、加水口；411、通管；42、密封结构；
5、无人机；51、云台；
6、投放小车；61、第一控制器；62、车载电源；63、步进电机；64、第一通信模块；66、漂流式流速监测仪；671、投放通孔；672、投放机械手；
7、水面监测装置；71、监测摄像头；72、激光雷达传感器；
8、地面主机；81、电源；82、第二通信模块；83、第二控制器；
9、存放架；91、底架；92、防脱落支架；921、卡箍；922、弹簧插销。
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1～9所示，一种用无人机监测河道的系统，包括：
无人机5，所述无人机5设有安装投放小车的云台51；
投放小车6，投放小车上设有用于控制投放小车各功能模块的第一控制器61、车载电源62、步进电机63以及第一通信模块64，投放小车6通过云台51固定于无人机5；投放小车上还设有用于监测水位、水面位置和水面宽度的水面监测装置7、漂流式流速监测仪66及其投放装置；
地面主机8，地面主机8内设置有电源81、第二通信模块82和第二控制器83，第二通信模块82与第一通信模块64和远程服务器无线通信连接。
本发明创新采用水面监测装置7，以应对一年四季河道水位变化、枯水期河道变窄等众多因素对流速测量的影响。通过漂流式流速监测仪66进行流速监测更能反映一段流域的水流情况等。
流速监测仪66包括水下主体1、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3；以及设置在水下主体内的具有时间模块、第三通信模块和定位模块的第三控制器11和电源12。
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，确保流速监测仪正常工作，另一方面，通过配重水袋4来调节水下主体的重量，实现不同深度的流速测量。
投放装置包括位于投放小车底部的投放通孔671、投放机械手672，以及用于存放流速监测仪的存放架9；投放机械手672安装于投放小车的底部，其操作端设有抓取装置673。本发明通过机械手在目标位置自动投放流速监测仪，实现远程自动化控制。
投放通孔671设有通过步进电机63驱动的开关闭合装置631，避免了蚊虫或雨水进入投放小车内。步进电机63由第一控制器控制61，协调步进电机63与投放机械手672的工作步调。
在户外场景下，投放小车6往往存在较大幅度的摆动，为维持流速监测仪66的稳定存放，存放架9设有底架91以及防脱落支架92；防脱落支架92包括卡箍921和弹簧插销922，在机械手672抓取流速监测仪66往上提时，卡箍921可往上运动，而释放出流速监测仪66。
水面监测装置7包括设置于投放小车底部的监测摄像头71以及激光雷达传感器72。
配重块3的上面设有环形的配重水袋4；配重水袋4设有密封的加水口41；水下主体1内设有隔层板14，第三控制器11和第三电源12设置于隔层板14上。
流速监测仪66还设有信标杆2，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；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。
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；长度调节结构包括不少于2节相互嵌套的中空管231和锁紧箍232。
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。
在本实施例的试试过程中，启动无人机5河道流速监测系统，无人机5携带投放小车6沿河道行驶，水面监测装置7对河道的水位、水面位置和水面宽度进行监测，分析给出漂流式流速监测仪66的投放位置；
投放小车6到达投放位置，投放装置通过投放机械手672抓取存放架9上的流速监测仪，通过通孔212投放出漂流式流速监测仪66；
通过第三通信模块远程启动漂流式流速监测仪66的时间模块和定位模块，通过记录漂流的时间和距离获得河道流速；
地面主机8的第二控制器83根据第三控制器11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。
实施例2
本实施例与实施例1结构相似，不同之处在于：
如图10所示，水下主体1的上半部分为柱体，下半部分为球体，水下主体1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。发明人通过研究发现，半球体结构能够克服水下复杂水流(例如)的冲击。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
本实施例提供了一种用无人机监测河道的系统的使用方法，包括以下步骤：
S1.启动无人机5河道流速监测系统，无人机5携带投放小车6沿河道行驶，水面监测装置7对河道的水位、水面位置和水面宽度进行监测，分析给出漂流式流速监测仪66的投放位置；
S2.投放小车6到达投放位置，投放装置投放漂流式流速监测仪66；通过第三通信模块远程启动漂流式流速监测仪66的时间模块和定位模块，通过记录漂流的时间和距离获得河道流速；
S3.地面主机8的第二控制器83根据第三控制器11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)
1.一种用无人机监测河道的系统，其特征在于，包括：
无人机(5)，所述无人机(5)设有安装投放小车(6)的云台(51)；
投放小车(6)，所述投放小车(6)上设有用于控制投放小车(6)各功能模块的第一控制器(61)、车载电源(62)、步进电机(63)以及第一通信模块(64)，所述投放小车(6)通过云台(51)固定于无人机(5)；投放小车(6)上还设有用于监测水位、水面位置和水面宽度的水面监测装置(7)、漂流式流速监测仪(66)及其投放装置；
地面主机(8)，所述地面主机(8)内设置有电源(81)、第二通信模块(82)和第二控制器(83)，所述第二通信模块(82)与第一通信模块(64)和远程服务器无线通信连接。
2.根据权利要求1所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，所述流速监测仪包括水下主体(1)、所述水下主体(1)的底部设有用于保持平衡和保持水下主体(1)沉入水下的配重块(3)；以及设置在水下主体(1)内的具有时间模块、第三通信模块和定位模块的第三控制器(11)和电源(81)。
3.根据权利要求1所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，所述投放装置包括位于投放小车(6)底部的投放通孔(671)、投放机械手(672)，以及用于存放流速监测仪的存放架(9)；所述投放通孔(671)设有通过步进电机(63)驱动的开关闭合装置；所述投放机械手(672)安装于投放小车(6)的底部，其操作端设有抓取装置。
4.根据权利要求1所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，所述存放架(9)设有底架(91)以及防脱落支架(92)；所述防脱落支架(92)包括卡箍(921)和弹簧插销(922)。
5.根据权利要求1所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，所述水面监测装置(7)包括设置于投放小车(6)底部的监测摄像头(71)以及激光雷达传感器(72)。
6.根据权利要求2所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，所述配重块(3)的上面设有环形的配重水袋(4)；所述配重水袋(4)设有密封的加水口(41)；所述水下主体(1)内设有隔层板(14)，所述第三控制器(11)和第三电源(12)设置于隔层板(14)上。
7.根据权利要求2所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，流速监测仪还设有信标杆(2)，所述配重块(3)与信标杆(2)通过万向球铰链结构(21)连接，所述配重块(3)的重心上方设有用于容置所述万向球的凹口部(31)；
所述水下主体(1)设有用于容纳信标杆(2)的穿过水下主体(1)重心的凹槽(13)；所述凹槽(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)；所述凹槽(13)的侧壁与信标杆(2)外表的距离为2～4cm；所述压缩弹簧(22)的压缩量为1～1.5cm，弹力为10±2N；
所述水下主体(1)的外壳与凹槽(13)的壁和配重块(3)连接构成密闭体；所述加水口(41)通过密封结构(42)穿过凹槽(13)的壁，设置于凹槽(13)内。
8.根据权利要求7所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，所述信标杆(2)设有用于在不同水深测量时调节信标杆(2)长度且保持水下主体(1)重心平衡的长度调节结构(23)；所述长度调节结构(23)包括不少于2节相互嵌套的中空管(231)和锁紧箍(232)。
9.根据权利要求7所述用无人机监测河道的系统，其特征在于，所述万向球铰链结构(21)的万向球和凹口部(31)设有用于穿过导线和/或信号线的通孔(212)，所述通孔(212)与信标杆(2)的中空通孔(212)连通。
10.一种权利要求1～9任意一项所述用无人机监测河道的系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.启动无人机河道流速监测系统，所述无人机(5)携带投放小车(6)沿目标河道行驶，水面监测装置(7)对河道的水位、水面位置和水面宽度进行监测，分析给出漂流式流速监测仪(66)的投放位置；
S2.投放小车(6)到达投放位置，投放装置投放漂流式流速监测仪(66)；通过第三通信模块远程启动漂流式流速监测仪(66)的时间模块和定位模块，通过记录漂流的时间和距离获得河道流速；
S3.地面主机(8)的第二控制器(83)根据第三控制器(11)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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2022
- 2022-06-02 CN CN202210622285.7A patent/CN115200559B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115200559B (zh) | 2024-02-06 |
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