一种水文监测无人船的制作方法

1.本技术涉及水文监测设备技术领域，具体涉及一种水文监测无人船。


背景技术：

2.湖泊、海洋等大面积水域的水文监测，一直是环境领域的重要工作，监测水体的水量、水质和生态信息，及时、准确地掌握水体变化情况，对水体情况进行客观准确的评价，是决策环保措施的重要信息。
3.但是，海洋等由于需监测面积大，采用人工乘船进行取样监测的工作强度大、成本高、耗时长，而且存在较大的人身安全隐患。因此，近年来逐渐出现了一些用于监测水体质量指标的无人船，以克服人工采样监测所存在的问题。但由于发展时间尚短，部分无人船技术仍处于试验阶段，在实际应用场景中存在较多问题，比如无人船功能较为单一，仅能执行固定设置的监测功能；或者体积较大，动力消耗多，监测作业续航短；或者需要操作人员主动控制航行，避障和自动巡航功能不足，难以满足自动化巡航监测目的等。
4.为此，研究可灵活更换水文监测模块、具有自动巡航避障功能的小型水文监测无人船成为本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺陷，本技术提供一种水文监测无人船，以实现监测模块灵活更换、小型化、自动巡航避障等功能。
6.本技术提供一种水文监测无人船，所述水文监测无人船包括设有内舱的主船体和设置于主船体尾部的推进器，具体的，
7.所述主船体内部由船首至船尾方向依次设置有声呐舱、监测安装舱、主控动力舱及充电操作舱，声呐舱、监测安装舱、主控动力舱及充电操作舱均设置有舱口，所述主船体底部设置有第一监测口和第二监测口；
8.所述声呐舱用于安装声呐探测仪，所述声呐舱内设置有一用于供声呐探测仪的探头通过的导引管，所述导引管两端开口，其下端开口连通至所述第一监测口；
9.所述监测安装舱用于安装水文监测模块，所述监测安装舱为立方空腔结构且内周设置有一固定挡圈，所述监测安装舱竖直贯穿至所述第二监测口；
10.所述主控动力舱内部设置有动力电池组和主控机，所述动力电池组与所述主控机电连接；
11.所述充电操作舱内部设置有一用于与外部电源供电连接的充电控制器，所述充电控制器与所述动力电池组输电连接且与所述主控机信号连接；
12.所述推进器与所述动力电池组电连接，且与所述主控机信号连接。
13.在一种可选择的实现方式中，所述主船体包括船身和甲板，船身和甲板拼合形成所述内舱；所述甲板设置有监控台，所述监控台设置有用于收发信号的天线及用于提示航行状态的舷侧灯；所述天线及所述舷侧灯均与所述主控机信号连接。
14.进一步的，所述监控台还设置有双目摄像头，所述甲板在船首处设置有一激光雷达；所述双目摄像头位于所述主船体由船首至船尾的中心线上且朝向所述主船体的正前方，所述双目摄像头与主船体两侧舷的距离相等；所述双目摄像头与所述激光雷达均与所述主控机信号连接。
15.根据本实现方式的水文监测无人船具有双目视觉成像及激光探测的功能，可实现前方目标障碍探测的功能。
16.在一种可选择的实现方式中，所述水文监测模块包括监测外壳，所述监测外壳的外结构与所述监测安装舱的内结构相适配，所述监测外壳外周设置有与所述固定挡圈相配合的定位挡条，所述水文监测模块由上至下安装于所述监测安装舱，所述定位挡条抵接所述固定挡圈的上表面；
17.所述监测外壳内部设置有水文监测仪器，所述水文监测仪器与所述主控机电信连接，所述水文监测仪器包括水质取样器、流速测量仪、水质测量仪、水位测量仪、水深探测仪、泥沙监测仪中的一种或多种组合。
18.根据本实现方式的水文监测无人船具有双目视觉成像及激光探测的功能，可实现前方目标障碍探测的功能。
19.根据前述实现方式所提供的水文监测无人船结构紧凑且功能齐全，并且可实现水文监测模块的灵活更换，便于各种监测任务需求，可适用于大流速、大水域的智能化、自动化水文监测任务。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术一实施方式提供的水文监测无人船的结构示意图；
22.图2为本技术一实施方式提供的水文监测无人船的船舱示意图；
23.图3为本技术另一实施方式提供的水文监测无人船的结构示意图；
24.图4为本技术一实施方式提供的水文监测无人船的水文监测模块结构示意图；
25.图5为本技术提供的水文监测无人船的巡航避障方法流程图。
26.图6为本技术提供的水文监测无人船的巡航避障行进示意图。
27.附图标记说明：
28.1、主船体；2、推进器；3、双目摄像头；4、激光雷达；101、船身；102、甲板；103、第一监测口；104、第二监测口；105、监控台；106、舷侧灯；107、天线；108、前吊耳；109、后吊耳；110、防水盖板；111、提手；201、卡接结构；10、声呐舱；20、监测安装舱；30、主控动力舱；40、充电操作舱；11、导引管；21、水文监测模块；22、固定挡圈；31、动力电池组；32、主控机；41、充电控制器；211、监测外壳；212、定位挡条。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行清
楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅是本技术的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。
30.本文中，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。本技术的描述中，除非有另外说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
31.此外，本文中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的结构示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据结构所放置的方位的变化而相应地发生变化。
32.请参阅图1至图3，本技术一实施方式提供一种水文监测无人船，所述水文监测无人船包括设有内舱的主船体1和设置于主船体1尾部的推进器2。
33.结合图1和图3所示，所述主船体1内部由船首至船尾方向依次设置有声呐舱10、监测安装舱20、主控动力舱30及充电操作舱40，声呐舱10、监测安装舱20、主控动力舱30及充电操作舱40均设置有舱口，所述主船体1底部设置有第一监测口103和第二监测口104；
34.所述声呐舱10用于安装声呐探测仪，所述声呐舱10内设置有一用于供声呐探测仪的探头通过的导引管11，所述导引管11两端开口，其下端开口连通至所述第一监测口103；
35.所述监测安装舱20用于安装水文监测模块21，所述监测安装舱20为立方空腔结构且内周设置有一固定挡圈22，所述监测安装舱20竖直贯穿至所述第二监测口104；
36.所述主控动力舱30内部设置有动力电池组31和主控机32，所述动力电池组31与所述主控机32电连接；
37.所述充电操作舱40内部设置有一用于与外部电源供电连接的充电控制器41，所述充电控制器41与所述动力电池组31输电连接且与所述主控机32信号连接；
38.所述推进器2与所述动力电池组31电连接，且与所述主控机32信号连接。
39.具体的，本实施例中，所述主控机32设置有主控板、cpu处理器、存储器、卫星定位模块、无线模块，用于执行数据运算、存储、卫星定位、无线收发等功能。主控板、cpu处理器、存储器、卫星定位模块、无线模块可根据常规技术手段获得和实现功能。
40.本实施例中，声呐探测仪可采用市售产品或通过常规技术手段获得，其使用及电连接可采用本领域常规技术手段实现。
41.结合图1和图3所示，所述主船体1包括船身101和甲板102，船身101和甲板102拼合形成所述内舱；所述甲板102设置有监控台105，所述监控台105设置有用于收发信号的天线107及用于提示航行状态的舷侧灯106；所述天线107及所述舷侧灯106均与所述主控机32信号连接。
42.具体的，所述天线107用于发送和接收无线信号，包括远程控制信号、卫星定位信号等，并传输至主控机32。
43.结合图3所示，在另一实施例中，所述监控台105还设置有双目摄像头3，所述甲板102在船首处设置有一激光雷达4；所述双目摄像头3位于所述主船体1由船首至船尾的中心线上且朝向所述主船体1的正前方，所述双目摄像头3与主船体1两侧舷的距离相等；所述双目摄像头3与所述激光雷达4均与所述主控机32信号连接。
44.通过设置双目摄像头3和激光雷达4，可实现航行时前方场景的获取，便于执行巡航避障功能。将双目摄像头3设置于中心线上并距离两边等距，可并且将激光雷达4设置于船首处，避免了对探测激光的遮挡。
45.为了实现暗环境下的定位识别，所述舷侧灯106设置为两个，以所述主船体1中心线为基准线，所述舷侧灯106对称设置于基准线两侧。具体的，所述舷侧灯106分别设置为绿灯和红灯，以便在暗环境中更加明确行进方位。
46.为了便于吊起运输投放或者维修，所述甲板102的前端设置有一对前吊耳108，所述甲板102的后端设置有一对后吊耳109。通过前吊耳108和后吊耳109的设置，有助于平衡重心，便于悬吊升降。
47.结合图3所示，为了防止液体进入船舱内部，每一所述舱口均活动设置有防水盖板110，所述防水盖板110与所述舱口形成水密性连接，所述防水盖板110上表面设置有提手111。当需要进行检修、安装等操作时，可通过拉住提手111将防水盖板110打开，操作完毕后盖紧即可防水。
48.本实施例中，所述推进器2为无轴轮缘推进器2；所述推进器2通过卡接结构201拆卸式安装于所述主船体1的尾部。采用无轴轮缘推进器2，可以防止水草、塑料袋等缠绕螺旋桨，可以扩大在复杂水域的监测适用性。
49.结合图4所示，本实施例中，所述水文监测模块21包括监测外壳211，所述监测外壳211的外结构与所述监测安装舱20的内结构相适配，所述监测外壳211外周设置有与所述固定挡圈22相配合的定位挡条212，所述水文监测模块21由上至下安装于所述监测安装舱20，所述定位挡条212抵接所述固定挡圈22的上表面；
50.所述监测外壳211内部设置有水文监测仪器，所述水文监测仪器与所述主控机32电信连接，所述水文监测仪器包括水质取样器、流速测量仪、水质测量仪、水位测量仪、水深探测仪、泥沙监测仪中的一种或多种组合。
51.具体的，水质取样器、流速测量仪、水质测量仪、水位测量仪、水深探测仪、泥沙监测仪等可采用常规技术手段获得，然后装设于所述监测外壳211中，以便安装于所述监测安装舱20。
52.具体的，本技术所提供的水文监测无人船，可执行以下巡航避障方法，包括：
53.s1、获取监测目标水域的地理位置坐标范围；
54.s2、在监测目标水域的地理位置坐标范围内设定若干定位监测点，获取各定位监测点的位置坐标，设定各个定位监测点的到达次序，依次序连接形成行进路线；
55.s3、根据行进路线，水文监测无人船自动航行依次抵达各定位监测点，执行预设监测任务；
56.其中，水文监测无人船航行过程中，同步执行避障操作，具体包括：
57.a、采用双目摄像技术，间隔性获取船体前方图像，每一时间点至少获取两张视差图，对每一时间点所获得的视差图进行差分运算处理，得到每一时间点的前景目标信息，所述前景目标信息包括目标轮廓、离船距离、尺寸数值；
58.b、根据前景目标信息，计算获取障碍物目标信息，调整航行角度及路线以执行避障动作；
59.c、执行避障动作完毕后，根据拟抵达定位监测点重新设定行进路线，继续执行巡
航。
60.为了提高避障准确性，在步骤b中获取障碍物目标信息时，还包括排除波浪干扰障碍操作，具体包括：周期性选择连续若干个时间点的前景目标信息，根据航行速度进行校正；比对筛除差异性障碍目标以排除波浪干扰，得到精确障碍物目标信息。
61.本技术中，为了提高避障的安全性和准确率，在步骤b中调整航行角度及路线以执行避障动作前，还包括激光雷达识别障碍物操作，具体包括：向航行前方发射激光信号；接收经障碍物反射返回的激光信号；根据返回的激光信号，计算获得激光识别障碍物信息；将激光识别障碍物信息结合前步骤计算获取的障碍物目标信息，形成更新障碍物目标信息，计算调整航行角度及路线以执行避障动作。
62.示例性的，如图6所示，提供水文监测无人船巡航避障行动示意。具体的：
63.操作人员先通过gps信息地图，获取监测目标水域的地理位置坐标范围；
64.然后根据监测需求，设定定位监测点，如图6所示例，依次设置1至5共5个定位监测点，根据各定位监测点的坐标数值，拟定最短路线；
65.水文监测无人船根据坐标位置，在卫星定位的指引下，根据行进路线进行自动巡航；
66.巡航过程中，同步执行避障操作，具体包括：
67.a、采用双目摄像技术，间隔性获取船体前方图像，每一时间点至少获取两张视差图，对每一时间点所获得的视差图进行差分运算处理，得到每一时间点的前景目标信息，所述前景目标信息包括目标轮廓、离船距离、尺寸数值；
68.b、根据前景目标信息，计算获取障碍物目标信息，调整航行角度及路线以执行避障动作；
69.同时，周期性选择连续若干个时间点的前景目标信息，根据航行速度进行校正；比对筛除差异性障碍目标以排除波浪干扰，得到精确障碍物目标信息；
70.并且，航行过程中还执行激光雷达识别障碍物操作，具体包括：向航行前方发射激光信号；接收经障碍物反射返回的激光信号；根据返回的激光信号，计算获得激光识别障碍物信息；将激光识别障碍物信息结合前步骤计算获取的障碍物目标信息，形成更新障碍物目标信息，计算调整航行角度及路线以执行避障动作；
71.如图6所示，当识别到前方有障碍时，调整航行角度，绕过障碍物，然后再继续航行驶向第4定位监测点；
72.c、执行避障动作完毕后，根据拟抵达定位监测点重新设定行进路线，继续执行巡航。
73.以上对本技术实施方式所提供的水文监测无人船进行了详细介绍，应用了具体实施例对本技术的原理及实施方式进行了阐释，以上说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心机理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。

技术特征：
1.一种水文监测无人船，其特征在于：所述水文监测无人船包括设有内舱的主船体和设置于主船体尾部的推进器；所述主船体内部由船首至船尾方向依次设置有声呐舱、监测安装舱、主控动力舱及充电操作舱，声呐舱、监测安装舱、主控动力舱及充电操作舱均设置有舱口，所述主船体底部设置有第一监测口和第二监测口；所述声呐舱用于安装声呐探测仪，所述声呐舱内设置有一用于供声呐探测仪的探头通过的导引管，所述导引管两端开口，其下端开口连通至所述第一监测口；所述监测安装舱用于安装水文监测模块，所述监测安装舱为立方空腔结构且内周设置有一固定挡圈，所述监测安装舱竖直贯穿至所述第二监测口；所述主控动力舱内部设置有动力电池组和主控机，所述动力电池组与所述主控机电连接；所述充电操作舱内部设置有一用于与外部电源供电连接的充电控制器，所述充电控制器与所述动力电池组输电连接且与所述主控机信号连接；所述推进器与所述动力电池组电连接，且与所述主控机信号连接。2.根据权利要求1所述的水文监测无人船，其特征在于：所述主船体包括船身和甲板，船身和甲板拼合形成所述内舱；所述甲板设置有监控台，所述监控台设置有用于收发信号的天线及用于提示航行状态的舷侧灯；所述天线及所述舷侧灯均与所述主控机信号连接。3.根据权利要求2所述的水文监测无人船，其特征在于：所述监控台还设置有双目摄像头，所述甲板在船首处设置有一激光雷达；所述双目摄像头位于所述主船体由船首至船尾的中心线上且朝向所述主船体的正前方，所述双目摄像头与主船体两侧舷的距离相等；所述双目摄像头与所述激光雷达均与所述主控机信号连接。4.根据权利要求3所述的水文监测无人船，其特征在于：所述舷侧灯设置为两个，以所述主船体中心线为基准线，所述舷侧灯对称设置于基准线两侧。5.根据权利要求3所述的水文监测无人船，其特征在于：所述甲板的前端设置有一对前吊耳，所述甲板的后端设置有一对后吊耳。6.根据权利要求1或3所述的水文监测无人船，其特征在于：每一所述舱口均活动设置有防水盖板，所述防水盖板与所述舱口形成水密性连接，所述防水盖板上表面设置有提手。7.根据权利要求1或3所述的水文监测无人船，其特征在于：所述推进器为无轴轮缘推进器；所述推进器通过卡接结构拆卸式安装于所述主船体的尾部。8.根据权利要求1或3所述的水文监测无人船，其特征在于：所述水文监测模块包括监测外壳，所述监测外壳的外结构与所述监测安装舱的内结构相适配，所述监测外壳外周设置有与所述固定挡圈相配合的定位挡条，所述水文监测模块由上至下安装于所述监测安装舱，所述定位挡条抵接所述固定挡圈的上表面；所述监测外壳内部设置有水文监测仪器，所述水文监测仪器与所述主控机电信连接，所述水文监测仪器包括水质取样器、流速测量仪、水质测量仪、水位测量仪、水深探测仪、泥沙监测仪中的一种或多种组合。9.根据权利要求1或3所述的水文监测无人船，其特征在于：所述主控机设置有主控板、cpu处理器、存储器、卫星定位模块及无线模块。

技术总结
本申请提供一种水文监测无人船，所述水文监测无人船包括设有内舱的主船体和设置于主船体尾部的推进器，所述主船体内部由船首至船尾方向依次设置有声呐舱、监测安装舱、主控动力舱及充电操作舱，声呐舱、监测安装舱、主控动力舱及充电操作舱均设置有舱口，所述主船体底部设置有第一监测口和第二监测口。本申请提供所提供的水文监测无人船结构紧凑且功能齐全，并且可实现水文监测模块的灵活更换，便于各种监测任务需求。监测任务需求。监测任务需求。


技术研发人员：袁德忠 陈超 谢天雄 朱子园 牟芸 张莉 贾志伟 许天一 刘政 闫明路 罗晓曦 周进 吕强 陆彬 阮哲伟 管磊 舒宇栋 李超威 沈舒歆
受保护的技术使用者：长江水利委员会水文局
技术研发日：2022.12.09
技术公布日：2023/4/4