CN109932210B - 一种基于无人机水环境自动采样的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于无人机水环境自动采样的装置包括：主体，用于容纳无人机导航、定位、图像采集和分析、高度和深度计算和调节、升降计算和控制、电源管理、数据存储、数据发射和接收的模块；旋翼，用于通过调节各个旋翼的电机的转速来改变螺旋桨的速度，控制无人机的姿态、行进方向、速度和空间位置；伸缩装置，根据计算的升降高度以及控制命令而使得采样容器上升或下降一定的距离；采样容器，用于根据预设的采样位置和深度，获取目标区域的水环境样本，并将水样密闭。其能够高效、及时、准确、高精度、低投入地获得水环境自动采样，便于提高水环境监控效率，加强对水环境污染源的控制力度或者对于不便于人工监控的水环境的监测。

Description

一种基于无人机水环境自动采样的装置

技术领域

本发明涉及水环境监管领域，并且更具体而言，涉及一种基于无人机水环境自动采样的装置。

背景技术

随着社会经济的快速发展，水环境的污染和监测问题逐渐成为社会关注的焦点；另外由于水产养殖业的急速发展，对水环境的检测需求越来越大；此外，在“美丽中国”的建设中，各级机构需要定期获取湖泊、河流、水源地等的生化参数。在诸如以上所述的场景中，需要对水环境进行采样和分析。然而在实践中，以水环境污染和监测为例，往往采用人工监测和在线监测两种方式。其中，人工监测往往通过驾驶船只或快艇进入目标区域进行人工采样，然而采用这种方式采样周期长、劳动强度大、效率低、成本高、需要消耗大量人力物力，并且因为目标采样区域的复杂性(例如存在水面/水上漂浮物或障碍物，或者由于水面有对船只或快艇腐蚀的污染物，或者由于存在浅滩，或者由于存在水草，或者特别地，当目标采样区域存在环境放射性污染物或危险生物/化学品时)，进一步加剧了采样的难度，恶化了采样效果。在线监测是根据固定的在线监测站进行实时水环境监测，然而采用这种方式只能采集固定地域的水质情况，成本极高，不具备随机动态性且无法在大范围广泛应用。特别地，现有技术中的常规方式对水环境突变的监测存在迟滞性以及准确度和精度不高等缺点。

在航空电子技术飞速发展的今天，将无人机应用于水环境监测成为可能。无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，其具有结构简单、体积小、重量轻、机动性好、飞行时间长、成本低、无需机场跑道、可多次回收重复使用等优点。无人机利用湖、河等平静水面作为起飞降落场地，或者悬停于水面上方。相对于传统水环境采样手段而言，无人机技术能够提供更多的便利和优势，有助于水环境采样监测的高效，提高了水环境采样监测精度和准确度。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于无人机水环境自动采样的装置，其能够高效、及时、准确、高精度、低投入地获得水环境自动采样，具有较好的便捷性和广泛的现场适应能力，便于提高水环境监控效率，加强对水环境污染源的控制力度或者对于不便于人工监控的水环境的监测，以及对于有辐射性或腐蚀性的水环境的监测，提高了水环境监测的机动性、灵活性和应急监测能力，并且极大地减少了人力劳动和能源的浪费。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案为：一种基于无人机水环境自动采样的装置包括：主体，用于容纳无人机导航、定位、图像采集和分析、高度和深度计算和调节、升降计算和控制、电源管理、数据存储、数据发射和接收的模块；四个旋翼，用于通过调节各个旋翼的电机的转速来改变螺旋桨的速度，进而控制无人机的姿态、行进方向、速度和空间位置；伸缩装置，用于连接主体和采样容器，并且根据计算的升降高度以及控制命令而使得采样容器上升或下降一定的距离；以及采样容器，用于根据预设的采样位置和深度，获取目标区域的水环境样本，并将水样密闭，该采样容器或者是内壁涂覆或电镀有防腐蚀材料的金属采样容器，或者是外部安装有保护外壳的玻璃采样容器。

在一个实施例中，主体包括：导航定位及高度确定模块；图像采集和分析模块；深度计算和调节模块；电源管理模块；数据存储模块；数据发射和接收模块；以及中央处理模块；其中：导航定位及高度确定模块，用于经由数据发射和接收模块获取无人机的地理位置信息，确定无人机在水面上方的高度，并将该地理位置信息和高度发送给中央处理模块，以由中央处理模块处理比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别，从而将无人机的地理位置信息和高度以及比较得到的差别经由发射和接收模块发送给地面控制平台，并且当导航定位及高度确定模块确定的无人机在水面上方的高度大于第一阈值时，由中央处理模块控制无人机在垂直方向上降落，而当不大于第一阈值时由在中央处理模块比较差别是否小于等于第二阈值；图像采集和分析模块，用于在中央处理模块比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别之后确定该差别小于等于第二阈值之后，触发图像采集和分析模块采集无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，而当该差别大于第二阈值之后，由中央处理模块将控制信号发送给旋翼，进而调节无人机的姿态、行进方向和速度，从而朝着目标区域的方向前进，之后通过导航定位及高度确定模块将信息反馈给中央处理模块，直到该差别小于等于第二阈值；该图像采集和分析模块还用于根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物；深度计算和调节模块，用于基于中央处理模块的控制和预设的深度要求，计算伸缩装置3的升降角度和/或距离；电源管理模块，用于为主体中的其他所有模块提供电力；数据存储模块，其外部包覆有防水材料，该模块用于存储无人机地理位置变化和伸缩装置升降的参数；数据发射和接收模块，用于经由无线电链路，获取无人机的地理位置信息，并在中央处理模块处理的控制下将无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别以及无人机的高度信息发送给地面控制平台，并且接收地面控制平台的中央控制信息以及操作参数更新信息；以及中央处理模块，用于存储有目标区域的地理信息以及水环境采样的操作参数，并控制旋翼、导航定位及高度确定模块、图像采集和分析模块、深度计算和调节模块、数据存储模块和数据发射和接收模块的操作。

在一个实施例中，导航定位及高度确定模块确定无人机在水面上方的高度的步骤包括：在主体1的正下方设有包括在导航定位及高度确定模块中的光学发射器和光学接收器；光学发射器以一定角度发射光学信号，光学接收器接收第一反射信号，其中无人机在水面上方的高度为：H＝V*(t_e-t_r)*cosα÷2，其中V是该光学信号在水面上方的行进速度，t_e和t_r分别是光学发射器发射光学信号的时间和光学接收器接收第一反射信号的时间，α是光学发射器发射光学信号时与垂直方向之间的角度。

在一个实施例中，图像采集和分析模块根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物进一步包括：提取目标区域的图像的每一列像素，形成像素序列[I₁₁，I₁₂，…，I_1p，…，I_1q]，[I₂₁，I₂₂，…，I_2p，…，I_2q]，……，[I_(m-1)1，I_(m-1)2，…，I_(m-1)p，…，I_(m-1)q]，[I_m1，I_m2，…，I_mp，…，I_mq]，其中m是图像的像素列数，q是图像的像素行数；根据以下公式计算第一列像素与第n列像素的第n相关度：

其中1＜n≤m；当第n相关度小于阈值时，根据公式获取接下来的r个像素列的相关度，当从n开始到n+r列的相关度中有多个的相关度小于阈值，则表明水面存在漂浮物或障碍物，其中1≤r＜m-1。

在一个实施例中，伸缩装置3用于连接主体1和采样容器4，并且包括：可旋转轮31，绳索32，电机33；其中可旋转轮上缠绕有绳索32，并且在电机33的转动下实现绳索32的缠绕或释放；电机32的控制信号来自于深度计算和调节模块，该深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求计算伸缩装置3的升降角度和/或距离以及绳索32的缠绕或释放角度和/或匝数，从而实现采样容器4上升或下降达一定的距离；当预设的深度要求为从主体下方算起下降A米，而可旋转轮31的直径为B米，此时可旋转轮31将旋转释放的角度为360*A/(πB)，释放的匝数为A/(πB)。

在一个实施例中，伸缩装置3包括可变形的平行四边形31以及绳索32，其中平行四边形31由四条边311、312、313、314形成，其中边311和313的长度为a，边312和314的长度为b，并且边311和312之间的夹角为β；平行四边形31的两条边311和312固定于主体1的底面，平行四边形31的每两条边之间存在电机以实现相邻两条边可相互运动，电机的导线被置于中空的边内部；绳索32连接于边313和314的交点，并且绳索32的长度为c；深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求计算伸缩装置3的升降角度和/或距离，从而实现采样容器4上升或下降达一定的距离；其中当预设的深度要求为从主体下方算起下降A米时，边311和312之间电机旋转以使得边311和312之间的夹角为β，该β＝arccos[(A-a-c)/b]。

在一个实施例中，伸缩装置3可进一步包括多个分离的、在主体1底面均匀分布的平行四边形，每个平行四边形具有如强烈要求5或6中所述的结构，每个平行四边形的底部分别连接有一个绳索32，绳索32的另一端分别连接有一个采样容器4。

在一个实施例中，采样容器4包括：电动阀门41，用于在中央处理模块的控制下，当需要采集水环境的水样时，被配置成启动以使得盖片42打开，并且在采样容器4采集完成之后，控制改变42以闭合；盖片42，用于开启以采集水环境水样，以及关闭以完成水环境采样；橡胶垫43，被布置在采样容器4的开口处，用于加强水环境采样的密闭水平；滤网44，用于滤除水中的杂质；外壳46，用于安装有保护外壳以保护采样容器免受破坏；内壁45，用于涂覆或电镀有防腐蚀材料以防止水环境采样腐蚀采样容器4。

在一个实施例中，采样容器4包括：吸水泵401，用于通过吸水管402抽取水面下固定深度的水环境采样；吸水管402，用于输入抽取的水环境采样；盖片403，用于密闭以保护水环境采样；放水管404，用于在吸水泵401工作时停止工作，以防止水环境采样流出，并且用于当水环境采样不理想或不满足采样要求，并且在吸水泵401停止工作时将采样容器4内部的水环境采样排出以便于重新采样；放水管405，用于排出采样容器4内部的水环境采样；外壳406，用于安装有保护外壳以保护采样容器免受破坏；内壁407，用于涂覆或电镀有防腐蚀材料以防止水环境采样腐蚀采样容器4。

本发明还公开一种基于无人机水环境自动采样的方法，包括：导航定位及高度确定模块经由数据发射和接收模块获取无人机的地理位置信息，确定无人机在水面上方的高度，并将该地理位置信息和高度发送给中央处理模块，以由中央处理模块处理比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别，从而将无人机的地理位置信息和高度以及比较得到的差别经由发射和接收模块发送给地面控制平台，并且当导航定位及高度确定模块确定的无人机在水面上方的高度大于第一阈值时，由中央处理模块控制无人机在垂直方向上降落，而当不大于第一阈值时由在中央处理模块比较差别是否小于等于第二阈值；图像采集和分析模块在中央处理模块比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别之后确定该差别小于等于第二阈值之后，触发图像采集和分析模块采集无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，而当该差别大于第二阈值之后，由中央处理模块将控制信号发送给旋翼，进而调节无人机的姿态、行进方向和速度，从而朝着目标区域的方向前进，之后通过导航定位及高度确定模块将信息反馈给中央处理模块，直到该差别小于等于第二阈值；该图像采集和分析模块还用于根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物；深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求，计算伸缩装置3的升降角度和/或距离；数据发射和接收模块经由无线电链路，获取无人机的地理位置信息，并在中央处理模块处理的控制下将无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别以及无人机的高度信息发送给地面控制平台，并且接收地面控制平台的中央控制信息以及操作参数更新信息。

附图说明

在附图中通过实例的方式而不是通过限制的方式来示出本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

根据本发明的示范性实施例，图1图示一种基于无人机水环境自动采样的装置的结构图。

根据本发明的示范性实施例，图2图示基于无人机水环境自动采样的装置的主体1的功能框图。

根据本发明的示范性实施例，图3图示基于无人机水环境自动采样的装置的伸缩装置3的结构示意图。

根据本发明的示范性实施例，图4图示基于无人机水环境自动采样的装置的伸缩装置3的替代方案的结构示意图。

根据本发明的示范性实施例，图5图示基于无人机水环境自动采样的装置的采样容器4的结构示意图。

根据本发明的示范性实施例，图6图示基于无人机水环境自动采样的装置的采样容器4的替代方案的结构示意图。

具体实施方式

在进行以下具体实施方式之前，阐述贯穿本专利文档所使用的某些词语和短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其派生词意味着包括而没有限制；术语“或”是包含的，意味着和/或；短语“与...相关联”、“与其相关联”及其派生词可能意味着包括，被包括在...内，与...互连，包含，被包含在...内，连接到...或与...连接，耦合到...或与...耦合，可与...通信，与...合作，交织，并列，接近...，被绑定到...或与...绑定，具有，具有...的属性，等等；而术语“控制器”意味着控制至少一个操作的任何设备、***或其部件，这样的设备可能以硬件、固件或软件或者其中至少两个的一些组合来实现。应当注意的是：与任何特定的控制器相关联的功能性可能是集中式或分布式的，无论是本地还是远程。贯穿本专利文档提供用于某些词语和短语的定义，本领域技术人员应当理解：如果不是大多数情况下，在许多情况下，这样的定义适用于现有的以及这样定义的词语和短语的未来使用。

在下面的描述中，参考附图并以图示的方式示出几个具体的实施例。将理解的是：可设想并且可做出其他实施例而不脱离本公开的范围或精神。因此，以下详细描述不应被认为具有限制意义。

根据本发明的示范性实施例，图1图示一种基于无人机水环境自动采样的装置的结构图。该装置包括：主体1，用于容纳无人机导航、定位、图像采集和分析、高度和深度计算和调节、升降计算和控制、电源管理、数据存储、数据发射和接收的模块；四个旋翼2，用于通过调节各个旋翼的电机的转速来改变螺旋桨的速度，进而控制无人机的姿态、行进方向、速度和空间位置；伸缩装置3，用于连接主体1和采样容器4，并且根据计算的升降高度以及控制命令而使得采样容器4上升或下降一定的距离；采样容器4，用于根据预设的采样位置和深度，获取目标区域的水环境样本，并将水样密闭，该采样容器4或者是内壁涂覆或电镀有防腐蚀材料的金属采样容器，或者是外部安装有保护外壳的玻璃采样容器。

根据本发明的示范性实施例，图2图示基于无人机水环境自动采样的装置的主体1的功能框图。基于无人机水环境自动采样的装置的主体1包括：

导航定位及高度确定模块，用于经由数据发射和接收模块获取无人机的地理位置信息，确定无人机在水面上方的高度，并将该地理位置信息和高度发送给中央处理模块，以由中央处理模块处理比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别，从而将无人机的地理位置信息和高度以及比较得到的差别经由发射和接收模块发送给地面控制平台，并且当导航定位及高度确定模块确定的无人机在水面上方的高度大于第一阈值时，由中央处理模块控制无人机在垂直方向上降落，而当不大于第一阈值时由在中央处理模块比较差别是否小于等于第二阈值；

图像采集和分析模块，用于在中央处理模块比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别之后确定该差别小于等于第二阈值之后，触发图像采集和分析模块采集无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，而当该差别大于第二阈值之后，由中央处理模块将控制信号发送给旋翼，进而调节无人机的姿态、行进方向和速度，从而朝着目标区域的方向前进，之后通过导航定位及高度确定模块将信息反馈给中央处理模块，直到该差别小于等于第二阈值；该图像采集和分析模块还用于根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物；

深度计算和调节模块，用于基于中央处理模块的控制和预设的深度要求，计算伸缩装置3的升降角度和/或距离；

电源管理模块，用于为主体1中的其他所有模块提供电力；

数据存储模块，其外部包覆有防水材料，该模块用于存储无人机地理位置变化和伸缩装置升降的参数；

数据发射和接收模块，用于经由无线电链路，获取无人机的地理位置信息，并在中央处理模块处理的控制下将无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别以及无人机的高度信息发送给地面控制平台，并且接收地面控制平台的中央控制信息以及操作参数更新信息；以及

中央处理模块，用于存储有目标区域的地理信息以及水环境采样的操作参数，并控制旋翼、导航定位及高度确定模块、图像采集和分析模块、深度计算和调节模块、数据存储模块和数据发射和接收模块的操作。

根据本发明的示范性实施例，导航定位及高度确定模块确定无人机在水面上方的高度的步骤包括：在主体1的正下方设有包括在导航定位及高度确定模块中的光学发射器和光学接收器；光学发射器以一定角度发射光学信号，光学接收器接收第一反射信号，其中无人机在水面上方的高度为：H＝V*(t_e-t_r)*cosα÷2，其中V是该光学信号在水面上方的行进速度，t_e和t_r分别是光学发射器发射光学信号的时间和光学接收器接收第一反射信号的时间，α是光学发射器发射光学信号时与垂直方向之间的角度。由于光学信号经过水面或者水面的漂浮物/障碍物会产生反射，因此光学接收器会在极短时间内捕获到反射的信号。尽管光学发射器发射的光学信号经过水面时还形成折射并进入水中进行反射后再折射出水面，从而再次被光学接收器捕获，但是光学接收器在光学发射器发射光学信号开始的时段中，以第一次获得/接收的反射信号的时间作为水面高度计算的反射时间。

根据本发明的示范性实施例，图像采集和分析模块根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物进一步包括：提取目标区域的图像的每一列像素，形成像素序列[I₁₁，I₁₂，…，I_1p，…，I_1q]，[I₂₁，I₂₂，…，I_2p，…，I_2q]，……，[I_(m-1)1，I_(m-1)2，…，I_(m-1)p，…，I_(m-1)q]，[I_m1，I_m2，…，I_mp，…，I_mq]，其中m是图像的像素列数，q是图像的像素行数；根据以下公式计算第一列像素与第n列像素的第n相关度：

其中1＜n≤m；当第n相关度小于阈值时，根据公式获取接下来的r个像素列的相关度，当从n开始到n+r列的相关度中有多个的相关度小于阈值，则表明水面存在漂浮物或障碍物，其中1≤r＜m-1。

根据本发明的示范性实施例，图3图示基于无人机水环境自动采样的装置的伸缩装置3的结构示意图。该伸缩装置3用于连接主体1和采样容器4，并且包括：可旋转轮31，绳索32，电机33；其中可旋转轮上缠绕有绳索32，并且在电机33的转动下实现绳索32的缠绕或释放；电机32的控制信号来自于深度计算和调节模块，该深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求计算伸缩装置3的升降角度和/或距离以及绳索32的缠绕或释放角度和/或匝数，从而实现采样容器4上升或下降达一定的距离。例如，当预设的深度要求为从主体下方算起下降A米，而可旋转轮31的直径为B米，此时可旋转轮31将旋转释放的角度为360*A/(πB)，释放的匝数为A/(πB)。

根据本发明的示范性实施例，图4图示基于无人机水环境自动采样的装置的伸缩装置3的替代方案的结构示意图。该伸缩装置3包括可变形的平行四边形31以及绳索32，其中平行四边形31由四条边311、312、313、314形成，其中边311和313的长度为a，边312和314的长度为b，并且边311和312之间的夹角为β；平行四边形31的两条边311和312固定于主体1的底面，平行四边形31的每两条边之间存在电机以实现相邻两条边可相互运动，电机的导线被置于中空的边内部；绳索32连接于边313和314的交点，并且绳索32的长度为c；深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求计算伸缩装置3的升降角度和/或距离，从而实现采样容器4上升或下降达一定的距离，其中当预设的深度要求为从主体下方算起下降A米时，边311和312之间电机旋转以使得边311和312之间的夹角为β，该β＝arccos[(A-a-c)/b]。

优选地，该伸缩装置3可进一步包括电磁铁33，该电磁铁被置于主体1底部的槽中，并且电磁铁33的底部与主体1的底部持平，当未使得采样容器4下落时，电磁铁33通电，以使得吸引边312；而当收到命令使得采样容器4下落时，电磁铁33断电，以使得释放边312。由此可以使得未采样时伸缩装置3牢牢固定于主体1下方，使得无人机可以较为平衡地起落或飞翔。

优选地，该伸缩装置3可进一步包括多个互连的平行四边形，每个平行四边形具有共同的边缘长度a，即在313左侧可以延伸一个相同的平行四边形，这样可以有效地延长平行四边形的长度。

优选地，该伸缩装置3可进一步包括多个分离的、在主体1底面均匀分布的平行四边形，每个平行四边形具有如上图4中所述的结构，每个平行四边形的底部分别连接有一个绳索32，绳索32的另一端分别连接有一个采样容器4。通过这种特殊配置，可以实现多个目标区域的采样，而且由于多个分离的平行四边形的均匀分布，可以使得无人机的负载较为均衡，进而可以较为平衡地起落或飞翔。

特别地，伸缩装置3所连接的采样容器4所采样的位置必须为水面之下固定深度，以防止水环境采样与空气接触，影响水中溶解性气体的采集。

根据本发明的示范性实施例，图5图示基于无人机水环境自动采样的装置的采样容器4的结构示意图。采样容器4包括：电动阀门41，用于在中央处理模块的控制下，当需要采集水环境的水样时，被配置成启动以使得盖片42打开，并且在采样容器4采集完成之后，控制改变42以闭合；盖片42，用于开启以采集水环境水样，以及关闭以完成水环境采样；橡胶垫43，被布置在采样容器4的开口处，用于加强水环境采样的密闭水平；滤网44，用于滤除水中的杂质；外壳46，用于安装有保护外壳以保护采样容器免受破坏；内壁45，用于涂覆或电镀有防腐蚀材料以防止水环境采样腐蚀采样容器4。特别说明的是，图5中的采样容器4上方的“人”字形的部分都属于绳索32，其下方分叉的部分与采样容器4的顶部形成的三角形在垂直方向上的高属于绳索32的长度的一部分。

根据本发明的示范性实施例，图6图示基于无人机水环境自动采样的装置的采样容器4的替代方案的结构示意图。采样容器4包括：吸水泵401，用于通过吸水管402抽取水面下固定深度的水环境采样；吸水管402，用于输入抽取的水环境采样；盖片403，用于密闭以保护水环境采样；放水管404，用于在吸水泵401工作时停止工作，以防止水环境采样流出，并且用于当水环境采样不理想或不满足采样要求，并且在吸水泵401停止工作时将采样容器4内部的水环境采样排出以便于重新采样；放水管405，用于排出采样容器4内部的水环境采样；外壳406，用于安装有保护外壳以保护采样容器免受破坏；内壁407，用于涂覆或电镀有防腐蚀材料以防止水环境采样腐蚀采样容器4。特别说明的是，图6中的采样容器4上方的“人”字形的部分都属于绳索32，其下方分叉的部分与采样容器4的顶部形成的三角形在垂直方向上的高属于绳索32的长度的一部分。

优选地或替代地，采样容器4也可以采用聚四氟乙烯或聚乙烯材料的容器。

优选地或替代地，采样容器4的内壁涂覆有环氧树脂、聚四氟乙烯或尼龙涂层。

根据本发明的示范性实施例，本发明还公开一种基于无人机水环境自动采样的方法，包括步骤：

导航定位及高度确定模块经由数据发射和接收模块获取无人机的地理位置信息，确定无人机在水面上方的高度，并将该地理位置信息和高度发送给中央处理模块，以由中央处理模块处理比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别，从而将无人机的地理位置信息和高度以及比较得到的差别经由发射和接收模块发送给地面控制平台，并且当导航定位及高度确定模块确定的无人机在水面上方的高度大于第一阈值时，由中央处理模块控制无人机在垂直方向上降落，而当不大于第一阈值时由在中央处理模块比较差别是否小于等于第二阈值；

图像采集和分析模块在中央处理模块比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别之后确定该差别小于等于第二阈值之后，触发图像采集和分析模块采集无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，而当该差别大于第二阈值之后，由中央处理模块将控制信号发送给旋翼，进而调节无人机的姿态、行进方向和速度，从而朝着目标区域的方向前进，之后通过导航定位及高度确定模块将信息反馈给中央处理模块，直到该差别小于等于第二阈值；该图像采集和分析模块还用于根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物；

深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求，计算伸缩装置3的升降角度和/或距离；

数据发射和接收模块经由无线电链路，获取无人机的地理位置信息，并在中央处理模块处理的控制下将无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别以及无人机的高度信息发送给地面控制平台，并且接收地面控制平台的中央控制信息以及操作参数更新信息。

此外，该基于无人机水环境自动采样的方法还可以包括以上图2-图6中的各个部件的子模块所执行的步骤。此处仅仅为了减少相同描述的重复而省略其描述，但是本领域技术人员可以直接地、毫无疑义地确定上述步骤可以从以上装置描述中得到。

上述的各个技术术语是本领域中的具有通常含义的常规技术术语，为了不模糊本发明的重点，在此不对其进行进一步的解释。

综上，在本发明的技术方案中，通过采用了一种基于无人机水环境自动采样的装置，其能够高效、及时、准确、高精度、低投入地获得水环境自动采样，具有较好的便捷性和广泛的现场适应能力，便于提高水环境监控效率，加强对水环境污染源的控制力度或者对于不便于人工监控的水环境的监测，以及对于有辐射性或腐蚀性的水环境的监测，提高了水环境监测的机动性、灵活性和应急监测能力，并且极大地减少了人力劳动和能源的浪费。

将理解的是：可以硬件、软件或硬件和软件的组合的形式实现本发明的示例和实施例。如上所述，可存储任何执行这种方法的主体，以挥发性或非挥发性存储的形式，例如存储设备，像ROM，无论可抹除或可重写与否，或者以存储器的形式，诸如例如RAM、存储器芯片、设备或集成电路或在光或磁可读的介质上，诸如例如CD、DVD、磁盘或磁带。将理解的是：存储设备和存储介质是适合于存储一个或多个程序的机器可读存储的示例，当被执行时，所述一个或多个程序实现本发明的示例。经由任何介质，诸如通过有线或无线耦合载有的通信信号，可以电子地传递本发明的示例，并且示例适当地包含相同内容。

应当注意的是：因为本发明解决了高效、及时、准确、高精度、低投入地获得水环境自动采样，具有较好的便捷性和广泛的现场适应能力，便于提高水环境监控效率，加强对水环境污染源的控制力度或者对于不便于人工监控的水环境的监测，以及对于有辐射性或腐蚀性的水环境的监测，提高了水环境监测的机动性、灵活性和应急监测能力，并且极大地减少了人力劳动和能源的浪费的技术问题，采用了本技术领域中技术人员在阅读本说明书之后根据其教导所能理解的技术手段，并获取了有益技术效果，所以在所附权利要求中要求保护的方案属于专利法意义上的技术方案。另外，因为所附权利要求要求保护的技术方案可以在工业中制造或使用，因此该方案具备实用性。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应包涵在本发明的保护范围之内。除非以其他方式明确陈述，否则公开的每个特征仅是一般系列的等效或类似特征的一个示例。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于无人机水环境自动采样的装置，其特征在于，包括

主体，其中主体包括：导航定位及高度确定模块、图像采集和分析模块、深度计算和调节模块、电源管理模块、数据存储模块、数据发射和接收模块以及中央处理模块；

四个旋翼，用于通过调节各个旋翼的电机的转速来改变螺旋桨的速度，进而控制无人机的姿态、行进方向、速度和空间位置；

伸缩装置，用于连接主体和采样容器，并且根据计算的升降高度以及控制命令而使得采样容器上升或下降一定的距离；以及

采样容器，用于根据预设的采样位置和深度，获取目标区域的水环境样本，并将水样密闭，该采样容器或者是内壁涂覆或电镀有防腐蚀材料的金属采样容器，或者是外部安装有保护外壳的玻璃采样容器；

所述的导航定位及高度确定模块，用于经由数据发射和接收模块获取无人机的地理位置信息，确定无人机在水面上方的高度，并将该地理位置信息和高度发送给中央处理模块，以由中央处理模块处理比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别，从而将无人机的地理位置信息和高度以及比较得到的差别经由发射和接收模块发送给地面控制平台，并且当导航定位及高度确定模块确定的无人机在水面上方的高度大于第一阈值时，由中央处理模块控制无人机在垂直方向上降落，而当不大于第一阈值时由在中央处理模块比较差别是否小于等于第二阈值；其中导航定位及高度确定模块确定无人机在水面上方的高度的步骤包括：在主体的正下方设有包括在导航定位及高度确定模块中的光学发射器和光学接收器；光学发射器以一定角度发射光学信号，光学接收器接收第一反射信号，其中无人机在水面上方的高度为：H=V*(t_e-t_r)*cosα÷2，其中V是该光学信号在水面上方的行进速度，t_e和t_r分别是光学发射器发射光学信号的时间和光学接收器接收第一反射信号的时间，α是光学发射器发射光学信号时与垂直方向之间的角度；

所述的图像采集和分析模块，用于在中央处理模块比较无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别之后确定该差别小于等于第二阈值之后，触发图像采集和分析模块采集无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，而当该差别大于第二阈值之后，由中央处理模块将控制信号发送给旋翼，进而调节无人机的姿态、行进方向和速度，从而朝着目标区域的方向前进，之后通过导航定位及高度确定模块将信息反馈给中央处理模块，直到该差别小于等于第二阈值；该图像采集和分析模块还用于根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物；其中图像采集和分析模块根据采集的无人机下方的包括目标区域的第一区域的图像信息，提取目标区域的图像，根据静态图像的像素的序列的比较和相关度计算来确定目标区域中是否存在水面漂浮物或障碍物进一步包括：提取目标区域的图像的每一列像素，形成像素序列[I₁₁，I₁₂，…，I_1p，…，I_1q]，[I₂₁，I₂₂，…，I_2p，…，I_2q]，……，[I_(m-1)1，I_(m-1)2，…，I_(m-1)p，…，I_(m-1)q]，[I_m1，I_m2，…，I_mp，…，I_mq]，其中m是图像的像素列数，q是图像的像素行数；根据以下公式计算第一列像素与第n列像素的第n相关度：

，其中1＜n≤m；当第n相关度小于阈值时，根据公式获取接下来的r个像素列的相关度，当从n开始到n+r列的相关度中有多个的相关度小于阈值，则表明水面存在漂浮物或障碍物，其中1≤r＜m-1。

2.根据权利要求1所述的基于无人机水环境自动采样的装置，其特征在于：

所述的深度计算和调节模块，用于基于中央处理模块的控制和预设的深度要求，计算伸缩装置的升降角度和/或距离；

所述的电源管理模块，用于为主体中的其他所有模块提供电力；

所述的数据存储模块，其外部包覆有防水材料，该模块用于存储无人机地理位置变化和伸缩装置升降的参数；

所述的数据发射和接收模块，用于经由无线电链路，获取无人机的地理位置信息，并在中央处理模块处理的控制下将无人机的地理位置信息和目标区域的地理位置信息之间的差别以及无人机的高度信息发送给地面控制平台，并且接收地面控制平台的中央控制信息以及操作参数更新信息；以及

所述的中央处理模块，用于存储有目标区域的地理信息以及水环境采样的操作参数，并控制旋翼、导航定位及高度确定模块、图像采集和分析模块、深度计算和调节模块、数据存储模块和数据发射和接收模块的操作。

3.根据权利要求2所述的基于无人机水环境自动采样的装置，其特征在于，其中：

伸缩装置用于连接主体和采样容器，并且包括：可旋转轮，绳索，电机；其中可旋转轮上缠绕有绳索，并且在电机的转动下实现绳索的缠绕或释放；电机的控制信号来自于深度计算和调节模块，该深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求计算伸缩装置的升降角度和/或距离以及绳索的缠绕或释放角度和/或匝数，从而实现采样容器上升或下降达一定的距离；当预设的深度要求为从主体下方算起下降A米，而可旋转轮的直径为B米，此时可旋转轮将旋转释放的角度为360*A/（πB），释放的匝数为A/（πB）。

4.根据权利要求3所述的基于无人机水环境自动采样的装置，其特征在于，其中：

伸缩装置包括可变形的平行四边形以及绳索，其中平行四边形由四条边形成，为边Ⅰ、边Ⅱ、边Ⅲ和边Ⅳ，其中边Ⅰ和边Ⅲ的长度为a，边Ⅱ和边Ⅳ的长度为b，并且边Ⅰ和边Ⅱ之间的夹角为β；平行四边形的两条边边Ⅰ和边Ⅱ固定于主体的底面，平行四边形的每两条边之间存在电机以实现相邻两条边可相互运动，电机的导线被置于中空的边内部；绳索连接于边Ⅲ和边Ⅳ的交点，并且绳索的长度为c；深度计算和调节模块基于中央处理模块的控制和预设的深度要求计算伸缩装置的升降角度和/或距离，从而实现采样容器上升或下降达一定的距离；其中当预设的深度要求为从主体下方算起下降A米时，边Ⅰ和边Ⅱ之间电机旋转以使得边Ⅰ和边Ⅱ之间的夹角为β，该β=arccos[(A-a-c)/b]。

5.根据权利要求4所述的基于无人机水环境自动采样的装置，其特征在于，其中：

伸缩装置可进一步包括多个分离的、在主体底面均匀分布的平行四边形，每个平行四边形的底部分别连接有一个绳索，绳索的另一端分别连接有一个采样容器。

6.根据权利要求5所述的基于无人机水环境自动采样的装置，其特征在于，其中：

采样容器包括：电动阀门，用于在中央处理模块的控制下，当需要采集水环境的水样时，被配置成启动以使得盖片打开，并且在采样容器采集完成之后，控制盖片以闭合；盖片，用于开启以采集水环境水样，以及关闭以完成水环境采样；橡胶垫，被布置在采样容器的开口处，用于加强水环境采样的密闭水平；滤网，用于滤除水中的杂质；外壳，用于安装有保护外壳以保护采样容器免受破坏；内壁，用于涂覆或电镀有防腐蚀材料以防止水环境采样腐蚀采样容器。

7.根据权利要求5所述的基于无人机水环境自动采样的装置，其特征在于，其中：

采样容器包括：吸水泵，用于通过吸水管抽取水面下固定深度的水环境采样；吸水管，用于输入抽取的水环境采样；盖片，用于密闭以保护水环境采样；放水泵，用于在吸水泵工作时停止工作，以防止水环境采样流出，并且用于当水环境采样不理想或不满足采样要求，并且在吸水泵停止工作时将采样容器内部的水环境采样排出以便于重新采样；放水管，用于排出采样容器内部的水环境采样；外壳，用于安装有保护外壳以保护采样容器免受破坏；内壁，用于涂覆或电镀有防腐蚀材料以防止水环境采样腐蚀采样容器。

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