河道水质监测的无人监测船.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920846239.9 (22)申请日 2019.06.05 (73)专利权人 中山大学 地址 510275 广东省广州市海珠区新港西 路135号 (72)发明人 孙连鹏林健新邓欢忠吕慧 左达任金辉 (74)专利代理机构 广州知顺知识产权代理事务 所(普通合伙) 44401 代理人 彭志坚 (51)Int.Cl. G01N 33/18(2006.01) G05D 1/02(2020.01) G01S 19/14(2010.01) G08C 17/02(2006.01) (5。

2、4)实用新型名称 一种河道水质监测的无人监测船 (57)摘要 本实用新型公开了一种河道水质监测的无 人监测船， 包括视频采集单元、 能源动力单元、 处 理与控制单元、 数据通信单元、 定位单元、 无人机 单元、 无人机管理单元、 综合监测与变送单元。 本 实用新型通过集成潜水式监测模块、 无人机管理 单元、 无线充电模块， 实现在河道上就地进行无 线充电、 对暗管内水质进行监测以及无人机的停 降与充电， 极大地提高了无人监测船的连续作业 能力以及扩展性， 进而实现自主巡航功能， 解决 了现阶段无人监测船续航差， 无法连续作业、 监 测手段单一的问题， 大大提高了河道水质监测的 效率。 权利要求。

3、书2页 说明书5页 附图3页 CN 210534129 U 2020.05.15 CN 210534129 U 1.一种河道水质监测的无人监测船， 其特征在于， 所述无人监测船包括船体、 视频采集 单元、 能源动力单元、 处理与控制单元、 数据通信单元、 定位单元、 无人机管理单元、 综合监 测与变送单元， 其中， a)船体为无人监测船的主体， 顶部设有信号天线， 用于信号传输， 外部四周设有避障模 块， 用于感知周围障碍物， 进而实现自动避障功能； b)视频采集单元， 包括旋转云台、 摄像照明一体模块， 安装在船体顶部， 用于对水面情 况以及排放口进行视频拍摄； c)能源动力单元， 包括电池。

4、模块、 无线充电接收模块、 推进器， 电池模块集成在船体内 部， 无线充电接收模块设置在船体右侧， 推进器设置在船体尾部， 用于设备供电、 充电以及 提供动力； d)处理与控制单元， 包括处理器、 视频处理模块、 时钟模块、 数模转换模块、 存储模块， 集成在船体内部， 用于接收信号变送模块的电信号并转化了相应的数字信号， 以及接收视 频采集单元拍摄的视频数据， 处理器与视频处理模块对监测数据以及视频进行分析处理， 根据处理结果作出相应的设备调整， 并将数据进行存储； e)数据通信单元， 集成在船体内部， 用于接收河道水质平台的监测任务、 手动控制信 号、 设备参数配置值以及无人机数据， 并将。

5、监测数据、 视频数据、 设备数据发送至河道监测 平台； f)定位单元， 包括RTK模块、 GPS模块， 集成在船体内部， 用于无人监测船的高精度定位； g)无人机管理单元， 包括停降甲板、 辅助标识、 充电输出模块、 固定模块， 设置在船体顶 部靠近船首位置， 用于向无人机提供停降空间以及停降时的定位参考标识， 并在停降后对 无人机进行充电以及固定功能； h)综合监测与变送单元， 包括信号变送模块、 主水质探头、 潜水式监测模块、 声呐探头， 设置在船体底部， 用于对无人监测船所在位置、 周围一定范围的区域进行水质监测， 以及对 河道三维结构扫描与河道两侧的结构扫描， 信号变送模块用于将水质监。

6、测数据转化为电信 号并发送至处理与控制单元。 2.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述无线充电接收模块采用额定功 率不小于100W的无线充电线圈。 3.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述声呐探头配有用于旋转的电 机， 旋转中心轴与无人监测船前进方向平行， 旋转角度不小于180 。 4.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述船体底部设有垂直舱体， 形状 为圆柱形， 直径略大于潜水式监测模块外径， 垂直舱体内测设有电磁铁吸盘， 所述电磁铁吸 盘为通电无磁式。 5.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述无人机管理单元的辅助标识为 圆环形图。

7、案， 分布方式为五点分布。 6.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述无人机管理单元的充电输出模 块为圆形金属板， 数量为2， 设置在停降甲板的对角位置。 7.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述无人机管理单元的固定模块为 通电无磁式的电磁铁吸盘， 数量为2， 设置在停降甲板的对角位置。 8.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述主水质探头由COD探头、 氨氮探 权利要求书 1/2 页 2 CN 210534129 U 2 头、 总磷探头、 流速探头组成。 9.根据权利要求1所述的无人监测船， 其特征在于， 所述潜水式监测模块包括主舱体、 摄像照明一。

8、体模块、 运动机构、 测深模块、 副水质探头， 其中， 运动机构， 包括设置在无人监测船内的线盘、 线盘控制电机、 导向轴承、 推进器、 前方向 舵、 后方向舵， 线盘安装在无人监测船后部， 安装方向为水平方向， 线盘控制电机连接在线 盘中央， 用于潜水式监测模块的电力输送及信号传输， 导向轴承安装在垂直舱体顶部开口 处， 推进器设置在主舱体尾部， 前方向舵、 后方向舵分别设置在主舱体前部两侧与后部两 侧， 用于控制潜水式监测模块的水下运动； 摄像照明一体模块、 副水质探头、 测深模块安装在主舱体前部， 用于水下摄像、 水质监 测以及测深， 所述副水质探头由温度探头、 pH探头、 ORP探头、。

9、 电导率探头、 溶解氧探头、 其它 探头组成， 所述测深模块为超声波测深模块。 10.根据权利要求9所述的无人监测船， 其特征在于， 所述线盘的控制线缆长度不小于 10m。 权利要求书 2/2 页 3 CN 210534129 U 3 一种河道水质监测的无人监测船 技术领域 0001 本实用新型涉及无人船技术领域， 具体涉及一种用于河道水环境监测的无人监测 船。 背景技术 0002 随着国家经济的发展， 我国水环境问题日益突出， 其中河流湖泊的水污染问题日 趋严重， 尤其是流经城镇城区的河段， 其污染比较严重， 甚至一些河段成为了黑臭水体， 严 重影响了人民的居住及生产环境。水污染防治行动计划。

10、 提出 “到2020年， 地级及以上城市 建成区黑臭水体均控制在10以内； 到2030年， 城市建成区黑臭水体总体得到消除” 。 可见， 黑臭水体的重点治理势在必行。 0003 现阶段黑臭水体的水质监测手段主要为采用水质监测站进行监测、 使用无人监测 船进行监测以及使用无人机进行监测， 无人监测船与无人机作为新型的监测手段， 相较于 传统的水质监测站， 其具有较高的机动性， 能够完成较大范围区域的水质监测， 并且能根据 监测需求进行有针对性的监测作业， 在黑臭水体的监测中具有较大的应用前景。 然而， 现阶 段的无人监测船存在续航差、 、 扩展性不强的问题， 致使无人监测船在河道水质应用的过程 。

11、中无法实现连续作业， 摆脱现场的人员操作与维护， 以及只能对船体所在位置进行监测， 对 于船周围的情况以及河道两侧的暗管缺乏有效的监测手段， 达不到其应用的效果。 发明内容 0004 针对现阶段河道水质无人监测船存在的问题， 本实用新型提供了一种新型的河道 水质无人监测船， 所述无人监测船集成了潜水式监测模块、 无人机管理单元， 使其能对船体 周围一定范围的水下区域进行水质监测， 以及为无人机提供了停降的场所， 极大地提高了 河道水质无人监测船连续作业能力、 扩展性以及扩大了其应用范围。 0005 本实用新型采取如下技术方案： 一种用于河道水质监测的无人监测船， 包括船体、 视频采集单元、 能。

12、源动力单元、 处理与控制单元、 数据通信单元、 定位单元、 无人机管理单 元、 综合监测与变送单元， 其中， 0006 a)船体为无人监测船的主体， 顶部设有信号天线， 用于信号传输， 外部四周设有避 障模块， 用于感知周围障碍物， 进而实现自动避障功能； 0007 b)视频采集单元， 包括旋转云台、 摄像照明一体模块， 安装在船体顶部， 用于对水 面情况以及排放口进行视频拍摄； 0008 c)能源动力单元， 包括电池模块、 无线充电接收模块、 推进器， 电池模块集成在船 体内部， 无线充电接收模块设置在船体右侧， 推进器设置在船体尾部， 用于设备供电、 充电 以及提供动力； 0009 d)处。

13、理与控制单元， 包括处理器、 视频处理模块、 时钟模块、 数模转换模块、 存储模 块， 集成在船体内部， 用于接收信号变送模块的电信号并转化了相应的数字信号， 以及接收 视频采集单元拍摄的视频数据， 处理器与视频处理模块对监测数据以及视频进行分析处 说明书 1/5 页 4 CN 210534129 U 4 理， 根据处理结果作出相应的设备调整， 并将数据进行存储； 0010 e)数据通信单元， 集成在船体内部， 用于接收河道水质平台的监测任务、 手动控制 信号、 设备参数配置值以及无人机数据， 并将监测数据、 视频数据、 设备数据发送至河道监 测平台； 0011 f)定位单元， 包括RTK模块。

14、、 GPS模块， 集成在船体内部， 用于无人监测船的高精度 定位； 0012 g)无人机管理单元， 包括停降甲板、 辅助标识、 充电输出模块、 固定模块， 设置在船 体顶部靠近船首位置， 用于向无人机提供停降空间以及停降时的定位参考标识， 并在停降 后对无人机进行充电以及固定功能； 0013 h)综合监测与变送单元， 包括信号变送模块、 主水质探头、 潜水式监测模块、 声呐 探头， 设置在船体底部， 用于对无人监测船所在位置、 周围一定范围的区域进行水质监测， 以及对河道三维结构扫描与河道两侧的结构扫描， 信号变送模块用于将水质监测数据转化 为电信号并发送至处理与控制单元。 0014 进一步地。

15、， 所述无线充电接收模块采用额定功率不小于100W的无线充电线圈。 0015 进一步地， 所述声呐探头配有用于旋转的电机， 旋转中心轴与无人监测船前进方 向平行， 旋转角度不小于180 。 0016 进一步地， 所述船体底部设有垂直舱体， 形状为圆柱形， 直径略大于潜水式监测模 块外径， 垂直舱体内测设有电磁铁吸盘， 所述电磁铁吸盘为通电无磁式。 0017 进一步地， 所述无人机管理单元的辅助标识为圆环形图案， 分布方式为五点分布。 0018 进一步地， 所述无人机管理单元的充电输出模块为圆形金属板， 数量为2， 设置在 停降甲板的对角位置。 0019 进一步地， 所述无人机管理单元的固定模块。

16、为通电无磁式的电磁铁吸盘， 数量为 2， 设置在停降甲板的对角位置。 0020 进一步地， 所述主水质探头由COD探头、 氨氮探头、 总磷探头、 流速探头组成。 0021 进一步地， 所述潜水式监测模块包括主舱体、 摄像照明一体模块、 运动机构、 测深 模块、 副水质探头， 其中， 0022 运动机构， 包括设置在无人监测船内的线盘、 线盘控制电机、 导向轴承、 推进器、 前 方向舵、 后方向舵， 线盘安装在无人监测船后部， 安装方向为水平方向， 线盘控制电机连接 在线盘中央， 用于潜水式监测模块的电力输送及信号传输， 导向轴承安装在垂直舱体顶部 开口处， 推进器设置在主舱体尾部， 前方向舵、。

17、 后方向舵分别设置在主舱体前部两侧与后部 两侧， 用于控制潜水式监测模块的水下运动。 0023 摄像照明一体模块、 副水质探头、 测深模块安装在主舱体前部， 用于水下摄像、 水 质监测以及测深， 所述副水质探头由温度探头、 pH探头、 ORP探头、 电导率探头、 溶解氧探头、 其它探头组成， 所述测深模块为超声波测深模块。 0024 进一步地， 所述线盘的控制线缆长度不小于10m。 附图说明 0025 为了更清晰地说明本实用新型的技术方案， 下面对实施例描述中所需要的附图进 行说明介绍， 明显地， 以下附图仅仅是本发明实施过程中的部分实施例， 对于该领域的技术 说明书 2/5 页 5 CN 2。

18、10534129 U 5 人员， 还能根据本发明内容轻易地获得其他实施例的附图。 0026 图1为本实用新型的硬件架构示意图。 0027 图2A为无人监测船的俯视图。 0028 图2B为无人监测船的正视图。 0029 图2C为无人监测船的侧视图。 0030 图2D为无人监测船的A-A剖面图。 0031 图3为无人监测船的潜水式监测模块侧视图。 具体实施方式 0032 下面将通过具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、 完整地描述。 0033 如图1所示， 一种用于河道水质监测的无人监测船， 包括船体101、 视频采集单元 102、 能源动力单元103、 处理与控制单元104、 数据通信单元。

19、105、 定位单元106、 无人机管理 单元107、 综合监测与变送单元108， 其中， 视频采集单元102包括旋转云台201、 摄像照明一 体模块202， 能源动力单元包括电池模块、 无线充电接收模块、 推进器， 处理与控制单元包括 处理器、 视频处理模块、 时钟模块、 数模转换模块、 存储模块， 定位单元包括RTK模块、 GPS模 块， 无人机管理单元包括停降甲板、 辅助标识、 充电输出模块、 固定模块， 综合监测与变送单 元包括信号变送模块、 主水质探头、 潜水式监测模块、 声呐探头。 0034 本实用新型所提供的无人监测船所采用的处理器为X86架构的处理器， 以满足现 场采集的视频的识。

20、别要求。 电池模块宜采用容量不小于20Ah的12V或者24V直流锂电池， 以 满足无人监测船不小于2h的续航时间。 RTK模块采用分体式模块， 信号传输部分设置在船体 101外部， 以保证有较强的信号， 电路模块集成在船体101内部， 起到防水作用。 其余的视频 处理模块、 时钟模块、 数模转换模块、 存储模块、 GPS模块均集成在船体101内部， 采用市面上 较为成熟的方案。 0035 如图2A、 2B所示， 本实用新型所提供的无人监测船的船体101采用单体船体设计， 优选地， 船体101的长度不应小于0.8m， 以满足设计的设备搭载能力。 船体顶部靠后方设有 一突起部分， 其上面设置有旋转。

21、云台201、 摄像照明一体模块、 避障模块， 优选地， 旋转云台 为三轴云台， 更优选地， 旋转云台为一体式旋转云台， 旋转云台201各个方向(上下左右)的 旋转角度不应小于90 。 优选地， 摄像照明一体模块202的拍摄质量不应低于1080p60fps， 并 配备有夜视功能， 照明距离不小于5m。 0036 优选地， 信号天线205设置在船体101顶部的右侧位置， 数量不少于一个， 安装方向 为垂直向上。 更优选地， 信号天线205应采用大功率信号传输的蘑菇头天线。 0037 本实用新型所提供的无人监测船的动力来源为推进器204， 安装在船体101尾部， 优选地， 推进器数量为2， 左侧与右。

22、侧各安装一个， 以实现前进与转向功能。 更优选地， 为了 防止在前进时产生过大的紊流， 从而影响水质的监测， 推进器204应采用12V或者24V直流大 扭矩低速电机以及较大桨叶， 其峰值转速不应大于1800rpm。 0038 优选地， 避障模块203采用超声波距离感应模块， 最大感应距离不下于5m， 最小感 应距离不大于0.4m， 感应角度不小于120 ， 安装数量不小于4个， 分别在船体101的前、 后、 左、 右方向上各安装一个。 0039 用于无人机停降的停降甲板209设置在船体101顶部靠近船首的位置， 优选地， 停 说明书 3/5 页 6 CN 210534129 U 6 降甲板20。

23、9的四周宜设有L型标识以限定其区域， 停降甲板209宜设置成边长不小于0.3m的 正方形。 停降甲板209内设有辅助标识210、 固定模块208、 充电输出模块207。 辅助标识210用 于无人机停降时进行识别定位， 以实现其精准停降在停降甲板209的中央， 优选地， 辅助标 识210宜采用红色环形喷漆图案， 直径不应小于5cm， 数量不少于5个， 按五点分布设置在停 降甲板209的中央。 充电输出模块207和固定模块208设置在停降甲板209内， 优选地， 充电输 出模块207和固定模块208各设置2个， 按正方形边角位置对角分布， 充电输出模块207和固 定模块208形状均为圆形， 直径不。

24、小于5cm。 0040 优选地， 充电输出模块207宜采用铜板， 固定模块208宜采用12V或者24V直流电磁 铁吸盘， 所述电磁铁吸盘为通电无磁式， 当无人机停降在停降甲板209时， 固定模块208不通 电， 此时其具有磁性， 以此将无人机固定， 当无人机起飞时， 固定模块208通电， 此时其无磁 性， 进而失去固定作用。 0041 如图2C所示， 无人监测船右侧设有无线充电接收模块206， 底部设有主水质探头 213、 潜水式水质监测模块214、 声呐探头215。 其中， 声呐探头215与电机216相连。 0042 优选地， 声呐探头215采用高精度探头， 扫描精度不大于5cm。 0043。

25、 优选地， 电机216采用12V或者24V的直流步进电机， 额定功率不小于5W， 能根据监 测需求将声呐探头215的探测方向旋转至制定位置， 控制范围不小于180 ， 控制精度不大于 1 。 0044 优选地， 主水质探头的监测指标包含COD、 氨氮、 总磷、 流速， 并能根据监测需求进 行不同组合， 其中， COD的量程不小于20-300mg/L， 精度不大于1mg/L， 分辨率不大于1mg/L； 氨氮的量程不小于0-20mg/L， 精度不大于0.1mg/L， 分辨率不大于0.01mg/L； 总磷的量程不 小于0-5.0mg/L， 精度不大于0.05mg/L， 分辨率不大于0.01mg/L；。

26、 流速的量程不小于-5m/s， 5m/s， 精度不大于0.1m/s， 分辨率不大于0.01m/s。 0045 优选地， 无线充电接收模块206的线圈212采用大功率无线线圈， 额定功率不小于 100W， 直径不大于20cm， 更优选地， 线圈212采用环形线圈， 额定规格为24V10A或者12V20A， 充电效率不小于88。 0046 如图2D所示， 船体101内部设有垂直舱体218、 导向轴承219、 固定模块220、 线盘 211、 线盘控制电机217， 其中垂直舱体218的开口设置在船日101的底部， 导向轴承219设置 在垂直舱体218的顶部开口处， 固定模块220设置在垂直舱体218。

27、的内壁， 线盘设置在船体 101内部靠后部分， 线盘控制电机217设置在线盘211的中央。 0047 优选地， 垂直舱体218主体为圆柱形， 直径略大于潜水式水质监测模块214， 长度不 小于无人监测船高度的70， 在固定模块220的安装处有相应的突起部分， 方便固定潜水式 水质监测模块214， 在其顶部中央处设有一开孔， 用于线材的通过。 0048 优选地， 固定模块220宜采用12V或者24V直流电磁铁吸盘， 所述电磁铁吸盘为通电 无磁式， 当潜水式水质监测模块214停在垂直舱体218时， 固定模块208不通电， 此时其具有 磁性， 以此将潜水式水质监测模块214固定， 当潜水式水质监测模。

28、块214出舱时， 固定模块 220通电， 此时其无磁性， 进而失去固定作用。 0049 优选地， 线盘211安装方向为水平安装， 其包含的用于控制潜水式水质监测模块 214的线缆长度不小于10m。 更优选地， 所述线盘211的线材宜采用电力信号复合式线材， 以 减小线盘211的大小， 信号线宜采用光纤。 说明书 4/5 页 7 CN 210534129 U 7 0050 优选地， 线盘控制电机217宜采用12V或者24V的直流步进电机， 额定功率不小于 15W， 控制精度不大于1 ， 能够潜水式水质监测模块214的位置来控制线盘211的收放， 并为 潜水式水质监测模块214的回收提供动力。 0。

29、051 优选地， 导向轴承219的安装方向为竖直安装， 外径不小于3cm， 厚度不小于2cm。 0052 如图3所示， 潜水式水质监测模块214的主舱体301为圆柱形密封舱体， 在主舱体前 部设有摄像照明一体式模块303、 副水质监测探头302、 测深模块304， 其安装方向均向前。 主 舱体301顶部靠后方设有固定金属板307， 前部两侧设有前方向舵305， 尾部设有后保护罩 308、 推进器309、 后方向舵306， 控制线缆310沿着后保护罩308与主舱体301连接。 0053 优选地， 主舱体301采用流线型设计， 外径不应小于20cm， 长度不小于30cm。 0054 优选地 ， 摄。

30、像照明一体式模块303采 用固定模块 ， 视频拍摄 质量不低于 1080p60fps， 有效照明距离在陆上不小于5m。 0055 优选地， 测深模块304采用微型声呐测深模块， 模块外径不大于4cm， 最大探测距离 不小于10m， 最小探测距离不大于0.3m， 探测分辨率不低于0.1m。 0056 优选地， 副水质探头302由温度探头、 pH探头、 ORP探头、 电导率探头、 溶解氧探头、 其它探头根据监测需求进行不同组合， 其中温度探头的量程不小于0-50， 精度不大于0.1 ， 分辨率不大于0.01； pH探头的量程不小于0-14， 精度大于0.1， 分辨率不大于0.01； ORP 探头的。

31、量程不小于-500mV,500mV， 精度与分辨率不大于1mV； 电导率探头的量程不小于0- 5000uS/cm， 精度不大于5uS/cm， 分辨率不大于1uS/cm； 溶解氧探头的量程不小于0-20mg/L， 精度不大于0.6mg/L， 分辨率不大于0.01mg/L。 0057 优选地， 推进器309为矢量推进器， 额定功率不小于15W， 以节省安装空间。 0058 优选地， 前方向舵305运动方向为上下摆动， 在不工作时保持垂直向下， 以减小无 人监测船的前进阻力。 后方向舵306包括上下摆动一对与左右摆动一个。 0059 对于本领域技术人员而言,显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节。

32、,而 且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本实用新 型。 因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本实用新 型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含 义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。 不应将权利要求中的任何附图标记视为限制 所涉及的权利要求。 说明书 5/5 页 8 CN 210534129 U 8 图1 图2A 说明书附图 1/3 页 9 CN 210534129 U 9 图2B 图2C 说明书附图 2/3 页 10 CN 210534129 U 10 图2D 图3 说明书附图 3/3 页 11 CN 210534129 U 11 。