本發(fā)明涉及無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于無人機(jī)的水質(zhì)采樣方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境管理的重要組成部分，是環(huán)境保護(hù)工作最為重要的基礎(chǔ)性和前沿性工作。其中，水質(zhì)監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測中最重要的部分，要真實地反映水質(zhì)污染狀況，必須監(jiān)測具有代表性的水樣，傳統(tǒng)的方法是開船到水質(zhì)取樣點進(jìn)行抽取，不僅耗費人力、物力和時間，而且容易破壞水質(zhì)取樣點的原有環(huán)境，使水樣失去代表性。

無人機(jī)是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器，被廣泛應(yīng)用于航拍、監(jiān)測、搜救、資源勘查、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域，但在無人機(jī)水質(zhì)采樣方面的應(yīng)用技術(shù)還不成熟。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提供一種基于無人機(jī)的水質(zhì)采樣方法及系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的取樣浪費人力、耗費時間長、且取樣環(huán)境容易被破壞、導(dǎo)致的水樣不具代表性的問題。

為了達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明包括以下技術(shù)方案：

一種基于無人機(jī)的水質(zhì)采樣方法，所述無人機(jī)上設(shè)有水樣采集裝置，包括如下步驟：

1）無人機(jī)起飛升至預(yù)先設(shè)定的航路飛行高度處；

2）基于航路飛行高度飛至采樣點上方；

3）無人機(jī)由采樣點上方降落至預(yù)先設(shè)定的懸停高度處；

4）控制所述水樣采集裝置采樣；

5）采樣任務(wù)完成，無人機(jī)返航或飛至下一采樣點。

進(jìn)一步地，所述步驟2）具體包括：

所述無人機(jī)根據(jù)預(yù)先所獲取的采樣點的地理位置信息飛向采樣點；

在飛向采樣點的過程中實時計算與采樣點所在位置的水平距離；

判定是否飛至采樣點上空，若已飛至采樣點上空，則由采樣點上空開始降落至預(yù)先設(shè)定的距離水面的懸停高度處；否之，繼續(xù)實時獲取距離采樣點的水平距離。

進(jìn)一步地，所述無人機(jī)距離水面的距離通過設(shè)置于無人機(jī)上的超聲波傳感器獲取。

進(jìn)一步地，所述若無人機(jī)已飛至采樣點上空，則由采樣點上空降落至預(yù)先設(shè)定的距離水面的懸停高度處具體為：

所述無人機(jī)由采樣點上空以速度降落，并實時判斷是否已降落至第一預(yù)定高度處；

若已降落至第一預(yù)定高度處，則以速度降落（<），直至降落至懸停高度處；

若未降落至第一預(yù)定高度處，則繼續(xù)以降落。

進(jìn)一步地，所述超聲波傳感器在獲取無人機(jī)距離水面高度的過程中，實時將測得的原始高度數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行處理并得到精確的高度測量數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述將超聲波傳感器所測得的原始高度數(shù)據(jù)處理后得到精確的高度數(shù)據(jù)方法為：

將實時獲取的連續(xù)10個原始高度數(shù)據(jù)由小到大進(jìn)行排序；

取排序后的前三個數(shù)據(jù)或后三個數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值；

然后采用一階低通濾波獲得精確的高度數(shù)據(jù)。

另外，本發(fā)明還提供了一種基于無人機(jī)的水質(zhì)采樣系統(tǒng)，包括地面站、無人機(jī)、安裝于無人機(jī)上的升降裝置以及與所述升降裝置連接的水質(zhì)采樣裝置；所述無人機(jī)上設(shè)置有飛行控制模塊、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、超聲波傳感器和視頻傳感器，所述升降裝置、水質(zhì)采樣裝置、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、超聲波傳感器以及視頻傳感器均與所述飛行控制模塊連接；所述飛行控制模塊與地面站無線通信。

進(jìn)一步地，所述水質(zhì)采樣裝置包括采樣箱，所述采樣箱與所述升降裝置連接且采樣箱內(nèi)設(shè)有多個采樣組，每個采樣組由采樣瓶、采水管、采水電動閥、液位傳感器和采水泵組成，所述采水電動閥和采水泵設(shè)置在采水管上，所述采水管的一端連接在采樣瓶內(nèi)，另一端向下伸出采樣箱，所述液位傳感器設(shè)置于采樣瓶內(nèi)的近瓶口端，所述采水電動閥、液位傳感器和采水泵均與所述飛行控制模塊連接。

進(jìn)一步地，所述升降裝置包括底座、通過軸桿轉(zhuǎn)動設(shè)置在底座上的卷線輪、卷繞在所述卷線輪上的牽拉繩以及用于轉(zhuǎn)動所述卷線輪的驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)通過離合器與所述軸桿連接，所述驅(qū)動電機(jī)與所述飛行控制模塊連接。

進(jìn)一步地，所述飛行控制模塊通過3g網(wǎng)絡(luò)、4g網(wǎng)絡(luò)、5g網(wǎng)絡(luò)、wifi中的一種與地面站通信連接。

采用上述技術(shù)方案，包括以下有益效果：本發(fā)明所提供的基于無人機(jī)的水質(zhì)采樣方法及系統(tǒng)，將水質(zhì)采樣裝置設(shè)置在無人機(jī)上，利用無人機(jī)機(jī)動靈活、采集范圍廣的優(yōu)勢，極大地提高了采樣效率，節(jié)省了人力，操作方便，確保了所采集的水樣具有代表性，確保實驗的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1所提供的水質(zhì)采樣方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例2所提供的水質(zhì)采樣方法流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例所提供的水質(zhì)采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明實施例所提供的無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，

1、無人機(jī)；2、驅(qū)動電機(jī)；3、離合器；4、卷線輪；5、軸桿；6、底座；7、超聲波傳感器；8、牽拉繩；9、采樣瓶；10、液位傳感器；11、采水泵；12、采水電動閥；13、飛行控制模塊；14、升降裝置；15、視覺傳感器；16、超聲波傳感器；17、導(dǎo)航定位系統(tǒng)；18、水質(zhì)采樣裝置；19、地面站；20、采水管；21、采樣箱。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明中，術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、“中”、“豎直”、“水平”、“橫向”、“縱向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系。這些術(shù)語主要是為了更好地描述本發(fā)明及其實施例，并非用于限定所指示的裝置、元件或組成部分必須具有特定方位，或以特定方位進(jìn)行構(gòu)造和操作。

并且，上述部分術(shù)語除了可以用于表示方位或位置關(guān)系以外，還可能用于表示其他含義，例如術(shù)語“上”在某些情況下也可能用于表示某種依附關(guān)系或連接關(guān)系。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解這些術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，術(shù)語“安裝”、“設(shè)置”、“設(shè)有”、“連接”、“相連”“套接”應(yīng)做廣義理解。例如，可以是固定連接，可拆卸連接，或整體式構(gòu)造；可以是機(jī)械連接，或電連接；可以是直接相連，或者是通過中間媒介間接相連，又或者是兩個裝置、元件或組成部分之間內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

除非另有說明，“多個”的含義為兩個或兩個以上。

下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實施例：

參閱圖3和4，本實施例1提供了一種基于無人機(jī)的水質(zhì)采樣系統(tǒng)，包括地面站19、無人機(jī)1、安裝于無人機(jī)1上的升降裝置14以及與所述升降裝置14連接的水質(zhì)采樣裝置18；無人機(jī)1上設(shè)置有飛行控制模塊13、導(dǎo)航定位系統(tǒng)17、超聲波傳感器16和視頻傳感器15，升降裝置14、水質(zhì)采樣裝置18、超聲波傳感器16、導(dǎo)航定位系統(tǒng)17以及視頻傳感器15均與所述飛行控制模塊13連接；飛行控制模塊13與地面站19無線通信。

無人機(jī)是整個水質(zhì)采樣系統(tǒng)的載體，本實施例中，無人機(jī)可以選用多旋翼無人機(jī)，飛行控制模塊13是無人機(jī)的行動中樞，其穩(wěn)定性決定著無人機(jī)整個飛行過程的安全性，其上搭載慣性測量單元、導(dǎo)航定位系統(tǒng)等，主要執(zhí)行無人機(jī)的飛行姿態(tài)計算、飛行航線控制、飛行數(shù)據(jù)反饋，以及在飛行過程中執(zhí)行相關(guān)的飛行任務(wù)；無人機(jī)上設(shè)置有機(jī)載端數(shù)傳模塊，地面站設(shè)有地面端數(shù)傳模塊，所述機(jī)載端數(shù)傳模塊與地面端數(shù)傳模塊用于實現(xiàn)無人機(jī)與地面站間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸；

本實施例中，升降裝置14用于控制水質(zhì)采樣裝置18相對無人機(jī)升降，視頻傳感器15能夠?qū)嵤┧鏀z像，并傳輸至地面站19，通過照片、視頻和監(jiān)測數(shù)據(jù)全方面掌握采樣水域處的水質(zhì)狀況。

本實施例中，所述水質(zhì)采樣裝置18包括采樣箱21，所述采樣箱21與所述升降裝置連接且采樣箱21內(nèi)設(shè)有多個采樣組，每個采集點自動選用其中一采樣組進(jìn)行采樣，換至下一采樣點時，采用另一未使用的采用組采樣。

每個采樣組由采樣瓶9、采水管20、采水電動閥12、液位傳感器10和采水泵11組成，所述采水電動閥12和采水泵11設(shè)置在采水管20上，所述采水管20的一端連接在采樣瓶9內(nèi)，另一端向下伸出采樣箱，所述液位傳感器10設(shè)置于采樣瓶9內(nèi)的近瓶口端，所述采水電動閥12、液位傳感器10和采水泵11均與所述飛行控制模塊13連接。采水管20伸入水面下，在采水泵11的作用下將水樣采入采樣瓶9，當(dāng)液位傳感器10測得所采集水樣已達(dá)到規(guī)定量時，發(fā)送信號給飛行控制模塊13，飛行控制模塊13控制升降裝置14工作，將采樣瓶9向上拉收。

升降裝置14包括底座6、通過軸桿5轉(zhuǎn)動設(shè)置在底座6上的卷線輪4、卷繞在所述卷線輪4上的牽拉繩8以及用于轉(zhuǎn)動所述卷線輪4的驅(qū)動電機(jī)2，所述驅(qū)動電機(jī)2通過離合器3與所述軸桿5連接，所述驅(qū)動電機(jī)2與所述飛行控制模塊13連接。驅(qū)動電機(jī)2帶動卷線輪4轉(zhuǎn)動，從而使得采樣瓶9得以上升或下降。

本實施例中，所述飛行控制模塊通過3g網(wǎng)絡(luò)、4g網(wǎng)絡(luò)、5g網(wǎng)絡(luò)、wifi中的一種與地面站通信連接。

本發(fā)明實施例二，在實施例一的基礎(chǔ)上，提供了一種基于無人機(jī)的水質(zhì)采樣方法，參閱圖1，所述無人機(jī)上設(shè)有水樣采集裝置18，包括如下步驟：

s101、無人機(jī)起飛升至預(yù)先設(shè)定的航路飛行高度處；

進(jìn)行水質(zhì)采樣前，在地面站19上加載高清衛(wèi)星地圖，可以在地圖上選取一個或多個采樣點，針對每個采樣點可以設(shè)置屬性參數(shù)，例如懸停高度以及任務(wù)點屬性，所述任務(wù)點屬性為：任務(wù)完成后，無人機(jī)1可以選擇返航、爬升至一定高度懸?；蚶^續(xù)飛往下一個采樣點。選取采樣點及設(shè)置對應(yīng)采樣點的屬性參數(shù)后，建立地面站19與無人機(jī)1的無線通信連接關(guān)系，將采樣點的位置信息以及屬性參數(shù)信息發(fā)送至無人機(jī)1的飛行控制模塊13內(nèi)。

在控制無人機(jī)飛至航路飛行高度之前，先將遙控器切換到gps模式，解鎖油門推到中立點，無人機(jī)會自動起飛至提前設(shè)置好的懸停高度進(jìn)行懸停，操作者可以通過地面站觀察飛機(jī)的震動值大小、gps信號強弱、電機(jī)情況、姿態(tài)角穩(wěn)定情況等，從而來保證飛機(jī)進(jìn)入任務(wù)前的健康狀況。確定飛機(jī)狀況良好之后，地面站點擊繼續(xù)，無人機(jī)上升至用戶設(shè)定的航路飛行高度。

s102、基于航路飛行高度飛至欲采樣點上方；

無人機(jī)上設(shè)置有導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠定位當(dāng)前位置，可以根據(jù)當(dāng)前位置以及所接收到的采樣點的位置信息，自主飛至欲采樣點上方，本實施例中，無人機(jī)先爬升到預(yù)定的航路飛行高度，水平飛至欲采樣點上空，有利于節(jié)省飛行時間，控制飛行的穩(wěn)定性。

s103、無人機(jī)由采樣點上方降落至預(yù)先設(shè)定的懸停高度處；

當(dāng)無人機(jī)飛至采樣點上空，導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位到采集點的位置，無人機(jī)自主降落直至懸停高度處。

s104、控制所述水樣采集裝置采樣；

當(dāng)無人機(jī)降落至懸停高度處，驅(qū)動電機(jī)工作，帶動卷線輪轉(zhuǎn)動，水樣采集裝置下降，水樣采集裝置中的采水管伸入到水中，采水電動閥和采水泵打開，進(jìn)行采樣，將水泵如采樣瓶內(nèi)，當(dāng)液位傳感器測得采樣瓶中水達(dá)到既定量時，關(guān)閉采水電動閥和采水泵，升降裝置將水樣采集裝置提升至無人機(jī)。

s105、采樣任務(wù)完成，無人機(jī)返航或飛至下一采樣點。

該采樣點的采樣任務(wù)完成后，無人機(jī)可以根據(jù)事先設(shè)定的任務(wù)屬性，自動選擇返航或者根據(jù)當(dāng)前位置信息和預(yù)先存儲的下一采樣點位置信息飛至下一采樣點。

本發(fā)明實施例三，在實施例二的基礎(chǔ)上，提供了一種基于無人機(jī)的

水質(zhì)采樣方法，參閱圖4，進(jìn)一步包括以下步驟：

s201、無人機(jī)起飛升至預(yù)先設(shè)定的航路飛行高度處；

s202、基于航路飛行高度飛至欲采樣點上方；

所述無人機(jī)根據(jù)預(yù)先所獲取的采樣點的地理位置信息飛向采樣點；

在飛向采樣點的過程中實時計算與采樣點所在位置的水平距離；

判定是否飛至采樣點上空，若已飛至采樣點上空，則由采樣點上空開始降落至預(yù)先設(shè)定的距離水面的懸停高度；否之，繼續(xù)實時獲取距離采樣點的水平距離。

s203、無人機(jī)由采樣點上方降落至預(yù)先設(shè)定的懸停高度處；

所述無人機(jī)距離水面的距離通過設(shè)置于無人機(jī)上的超聲波傳感器獲取。若無人機(jī)已飛至采樣點上空，開啟超聲波傳感器，所述無人機(jī)由采樣點上空以速度降落，并實時判斷是否降落至第一預(yù)定高度處；

若降落至第一預(yù)定高度處，則以速度降落（<），直至降落至懸停高度處；

若未降落至第一預(yù)定高度處，則繼續(xù)以降落。

當(dāng)無人機(jī)在距離懸停高度處較遠(yuǎn)時，即未到第一預(yù)定高度處時，以較大的速度降落，當(dāng)達(dá)到第一預(yù)定高度處時，則以較小速度減小z軸方向的高度設(shè)定值，以較小速度接近懸停高度，一方面能夠提高采水效率，另一方面避免在接近懸停高度處時，由于速度較大而降落至懸停高度以下。

當(dāng)無人機(jī)在距離水面的懸停高度處懸停時，超聲波傳感器實時檢測距離水平面的距離，如果gps信號變?nèi)酰霈F(xiàn)高度變化不穩(wěn)定的現(xiàn)象，無人機(jī)會利用超聲波傳感器測量的高度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，具體為：

當(dāng)超聲波傳感器檢測出無人機(jī)距離水面的高度大于第二預(yù)定高度（懸停高度<第二預(yù)定高度<第一預(yù)定高度），逐漸減小下一個目標(biāo)點的高度，維持無人機(jī)在懸停高度附近；當(dāng)超聲波傳感器檢測出無人機(jī)距離水面的高度小于第三預(yù)定高度（第三預(yù)定高度<懸停高度），則逐漸增加下一個目標(biāo)點的高度，維持無人機(jī)在懸停高度附近。

實際使用中，測量距離的傳感器有紅外雷達(dá)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視覺傳感器、超聲波傳感器；這些傳感器各有優(yōu)缺點：激光雷達(dá)精度高，但是價格昂貴；毫米波雷達(dá)受制于波長，探測效果欠佳；紅外雷達(dá)在水面上易被吸收，體現(xiàn)不出差別；視覺傳感器相對來說，技術(shù)實現(xiàn)較為復(fù)雜；低成本超聲波傳感器雖然測量距離很短，但是經(jīng)濟(jì)實惠，如果只應(yīng)用于水面上測量高度，是可以適用的。

但是，由于低成本超聲波傳感器所出來的數(shù)據(jù)會有很多無效數(shù)據(jù)，所以是不能直接使用原始數(shù)據(jù)，而需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，所述超聲波傳感器在獲取無人機(jī)距離水面距離的過程中，實時將測得的原始高度數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行處理并得到精確的高度測量數(shù)據(jù)。

其處理的步驟如下:

無人機(jī)在降落過程中，每隔50hz采集超聲波傳感器所測量的超聲波原始數(shù)據(jù)并傳送到地面站，觀測超聲波原始數(shù)據(jù)的野值（波動較大的測量值）是向上跳還是向下跳動，即觀察超聲波原始數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，如果超聲波的野值是向上跳動的，那么按照如下的策略對原始的超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：將實時獲取的10個原始高度數(shù)據(jù)由小到達(dá)進(jìn)行排序；取排序后的后三個數(shù)據(jù)（較小的三個數(shù)據(jù)）進(jìn)行求平均值；然后采用一階低通濾波獲得精確的高度數(shù)據(jù)。

如果觀測超聲波原始數(shù)據(jù)的野值向下跳動，則取排序后的10個原始數(shù)據(jù)中的前三個數(shù)據(jù)（較大的前三個數(shù)據(jù)）進(jìn)行求平均值，然后采用一低通濾波獲得精確的高度數(shù)據(jù)。

通過以上處理過程得到的超聲波數(shù)據(jù)會更加接近真實值，去掉了很多無用的野值，使得高度測量更加精確，實現(xiàn)了利用低成本超聲波傳感器測量高度，節(jié)省成本。

s204、控制所述水樣采集裝置采樣；

當(dāng)無人機(jī)停留在懸停高度處時，開始進(jìn)行水質(zhì)采集，提前在采樣瓶內(nèi)設(shè)置采樣刻度，由于采樣瓶內(nèi)安裝有液位傳感器，當(dāng)抽取的水質(zhì)達(dá)到預(yù)設(shè)的刻度時，液位傳感器傳感器就會觸發(fā)一個pwm信號，并將pwm信號傳給飛行控制模塊，飛行控制模塊控制關(guān)閉采水電動閥和采水泵，并啟動驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)帶動升降裝置，將水樣采集裝置提升。

s205、采樣任務(wù)完成，無人機(jī)返航或飛至下一采樣點。

無人機(jī)采集完水樣之后，會飛至預(yù)先設(shè)定的航路飛行高度，然后根據(jù)屬性設(shè)置的任務(wù)，確定飛機(jī)是懸停、飛往下一個采水點還是自主返航。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。