技术领域
[0001] 本发明涉及一种监测系统，尤其是一种用于监测河道水文的水文监测系统。
相关背景技术
[0002] 目前，在对现有的河道在进行水文监测时，尤其是对偏远地区河道进行远程水文监测时，如果采用人工定期进行巡查监测，不仅需要耗费大量的人力物力，而且测量的水文数据也不及时。若是在汛期，如果没有及时的水文数据，就不能及时掌握河道的水文信息，就不能对防汛工作进行快速反应和调度。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0024] 实施例1：
[0025] 如图1‑7所示，本发明提供的用于监测河道水文的水文监测系统，包括巡检无人机以及各个水文监测基站；水文监测基站包括控制箱1、无人机充电平台、管状立柱3、悬挑管梁7、悬挑伸缩杆37、升降驱动机构、水质检测机构、雨量传感器36以及水位传感器39；
[0026] 各个水文监测基站沿河道分布式安装；管状立柱3的下端固定安装在支撑底板2上，控制箱1固定安装在管状立柱3的上端上；悬挑管梁7的一端活动式安装在管状立柱3上，悬挑伸缩杆37的一端插装在悬挑管梁7的另一端内，升降驱动机构固定安装在悬挑伸缩杆37的另一端上；水质检测机构悬吊式安装在升降驱动机构上，由升降驱动机构驱动水质检测机构升降运动；在巡检无人机上悬吊式安装有旋转切换机构，并在旋转切换机构上设置有摄像头30和无人机充电线圈26，由旋转切换机构切换摄像头30或无人机充电线圈26朝向下方；无人机充电平台安装在控制箱1上，并在无人机充电平台上设置有基站充电线圈6，用于与无人机充电线圈26配合对巡检无人机进行无线充电；雨量传感器36以及水位传感器39均安装在悬挑管梁7上；在控制箱1内设置有基站控制器、基站存储器、基站无线通信模块以及基站蓄电池；基站控制器分别与基站存储器、基站无线通信模块、雨量传感器36以及水位传感器39电连接，并对升降驱动机构以及水质检测机构进行协调控制；基站蓄电池分别为基站控制器、基站存储器、基站无线通信模块、雨量传感器36、水位传感器39、升降驱动机构以及水质检测机构供电。
[0027] 利用各个水文监测基站能够对河道进行定点水文监测，并通过基站无线通信模块远程发送至远程监控中心，从而实现远程水文数据无人采集；利用巡检无人机能够对河道进行巡检，并通过摄像头30对河道水文状况进行图像采集，从而上传至远程监控中心，便于对河道进行无盲点监测；利用旋转切换机构切换摄像头30或无人机充电线圈26朝向下方，从而能够在需要充电时将巡检状态切换为无线充电状态；利用悬挑伸缩杆37与悬挑管梁7的插装配合，能够便于调节悬挑长度，从而满足现场检测点位置调节需要；利用无人机充电线圈26与基站充电线圈6的配合，能够对巡检无人机进行无线充电，使得巡检无人机能够在充电电池电压不足时及时补充电能，满足巡检无人机长期无人监管下的可靠运行；利用升降驱动机构能够对水质检测机构的悬吊高度进行调节，从而在无需水质监测完成后，将水质检测机构悬空吊起，避免长时间停留被缠绕上水草；利用雨量传感器36以及水位传感器39能够分别实现雨量和水位进行监测。
[0028] 进一步的，巡检无人机包括飞行单元以及两根竖向条形板21，飞行单元包括机壳18以及四个旋翼电机20；旋转切换机构包括翻转驱动电机32以及三角柱状箱体23；两根竖向条形板21竖向固定安装在机壳18的下侧面上，并在两根竖向条形板21的下端部上均固定安装有一根端部短轴24；三角柱状箱体23的两端面中心分别旋转式安装在两根端部短轴24上；在三角柱状箱体23内且位于一根端部短轴24上设置有翻转驱动蜗轮31；翻转驱动电机
32安装在三角柱状箱体23内，并在输出轴上对接安装有与翻转驱动蜗轮31相啮合的翻转驱动蜗杆33；在三角柱状箱体23的第一侧面上设置有摄像云台，无人机充电线圈26固定在三角柱状箱体23的第二侧面上；摄像头30安装在摄像云台上；在机壳18边缘水平安装有四根旋翼撑杆19，且四根旋翼撑杆19呈十字形分布；四个旋翼电机20分别固定安装在四根旋翼撑杆19的悬空端部上；在机壳18内设置有飞行控制器、巡航存储器、陀螺仪、定位模块、电压采集电路、远程无线通信模块、从蓝牙模块、飞行驱动电路、翻转驱动电路以及充电电池；飞行控制器分别与巡航存储器、陀螺仪、定位模块、电压采集电路、远程无线通信模块、从蓝牙模块、飞行驱动电路、翻转驱动电路、摄像云台以及摄像头30电连接，飞行驱动电路与四个旋翼电机20电连接，翻转驱动电路与翻转驱动电机32电连接；无人机充电线圈26通过无线充电电路与充电电池电连接；电压采集电路与充电电池的供电端电连接；在控制箱1内设置有与基站控制器电连接的主蓝牙模块，用于与从蓝牙模块配对通信；充电电池分别为飞行控制器、巡航存储器、陀螺仪、定位模块、电压采集电路、远程无线通信模块、从蓝牙模块、飞行驱动电路、翻转驱动电路、摄像云台以及摄像头30供电。
[0029] 利用翻转驱动电机32、翻转驱动蜗轮31以及翻转驱动蜗杆33对三角柱状箱体23进行旋转驱动，从而实现巡检无人机降落、充电、巡检三种状态的切换；利用摄像云台能够对摄像头30进行的朝向进行调节；利用电压采集电路能够实时采集充电电池的电压状态，从而在电压不足时由飞行控制器控制巡检无人机飞向最近的水文监测基站进行无线充电，防止巡检无人机中途失电坠落。
[0030] 进一步的，在三角柱状箱体23的第三侧面的四个顶角处均设置有一个无人机支撑脚22；在三角柱状箱体23的第二侧面的四个顶角处均设置有一个防碰柔性柱25；摄像云台包括旋转驱动电机27以及俯仰驱动电机29；旋转驱动电机27嵌入固定安装在三角柱状箱体23的第一侧面中部，并在输出轴上固定安装有U形支架板28；摄像头30旋转式安装在U形支架板28的两块侧板之间，俯仰驱动电机29固定安装在U形支架板28的侧边上，用于驱动摄像头30旋转；在机壳18内设置有与飞行控制器电连接的旋转驱动电路以及俯仰驱动电路；旋转驱动电路与旋转驱动电机27电连接，俯仰驱动电路与俯仰驱动电机29电连接；充电电池分别为旋转驱动电路以及俯仰驱动电路供电。
[0031] 利用四个无人机支撑脚22能够在巡检无人机降落时进行平稳支撑；利用四个防碰柔性柱25能够在巡检无人机充电降落时进行支撑，防止无人机充电线圈26与无人机充电平台发生强度较大的碰撞，同时也能保证无人机充电线圈26与基站充电线圈6相贴近，确保充电效率；利用旋转驱动电机27、U形支架板28以及俯仰驱动电机29能够巡检状态下对摄像头30进行旋转和俯仰调节。
[0032] 进一步的，在管状立柱3上间隔设置有各个高度定位孔55；在管状立柱3上活动式套设有调节滑套5以及支撑滑套73；在支撑滑套73的上边缘上固定设置有环形支撑板4，并在环形支撑板4的边缘上间隔设置有各个限位槽口47；在支撑滑套73上螺纹旋合安装有一根高度定位螺栓57，且高度定位螺栓57伸入其中一个高度定位孔55内；悬挑管梁7的端部固定在调节滑套5上，并在调节滑套5的侧边上设置有定位铰接座34；调节滑套5的下侧边缘支撑在环形支撑板4上；在定位铰接座34上摆动式铰接安装有一根定位把手杆71，且定位把手杆71摆动至竖向位置时卡扣在一个限位槽口47上。
[0033] 利用高度定位螺栓57和高度定位孔55的配合，能够便于调节支撑滑套73以及悬挑管梁7的高度，从而满足现场安装需要；利用定位把手杆71和限位槽口47的配合，能够对悬挑管梁7的水平角度进行调节和定位；利用定位把手杆71摆动式铰接安装在定位铰接座34上，从而在摆出限位槽口47后推动定位把手杆71使得悬挑管梁7向岸边摆动，便于现场维护人员对摆动至岸边的水质检测机构和升降驱动机构进行维护。
[0034] 进一步的，在定位把手杆71上滑动式套设有锁定套管46和回弹压簧70，并在定位把手杆71的端部上设置有支撑凸圈72；回弹压簧70弹性支撑在支撑凸圈72与锁定套管46之间，用于推动锁定套管46的另一端按压在限位槽口47处的环形支撑板4的下侧面上；在悬挑管梁7的管口处螺纹旋合安装有一根伸缩定位螺栓38，且伸缩定位螺栓38的端部按压在悬挑伸缩杆37上；在悬挑伸缩杆37的外管壁上沿长度方向设置有限位条形槽40，在悬挑管梁7的内管壁上设置有滑动式嵌入限位条形槽40内的限位滑块。
[0035] 利用伸缩定位螺栓38能够便于对悬挑伸缩杆37的伸缩长度进行调节和定位；利用回弹压簧70能够在定位把手杆71向下摆动至竖向状态时，推动锁定套管46的另一端按压在限位槽口47处的环形支撑板4的下侧面上，从而避免非人力作用下定位把手杆71向上摆动，确保悬挑管梁7的稳定性；利用限位条形槽40和限位滑块的配合，能够避免悬挑伸缩杆37的相对旋转。
[0036] 进一步的，无人机充电平台包括中部支撑平台17、折叠支撑套9、四根斜撑杆13、折叠驱动螺杆11以及折叠驱动电机；中部支撑平台17水平固定在控制箱1的顶部上，折叠驱动电机安装在控制箱1内；在控制箱1内设置有无线充电电路以及与基站控制器电连接的折叠驱动电路；折叠驱动电路与折叠驱动电机电连接，基站蓄电池为折叠驱动电路供电；基站充电线圈6嵌入安装在中部支撑平台17的上侧面中心处，基站蓄电池通过无线充电电路与基站充电线圈6电连接；在中部支撑平台17的上侧面四个顶角处均设置有一个与基站控制器电连接的对位指示灯8，基站蓄电池为对位指示灯8供电；折叠驱动螺杆11的上端与折叠驱动电机的输出轴相对接安装，折叠驱动螺杆11的下端伸入管状立柱3内；在中部支撑平台17的四侧边缘上均铰接安装有一块支撑背板15；折叠支撑套9滑动式套设在管状立柱3上，四根斜撑杆13的下端通过下侧铰接座12摆动式铰接安装在折叠支撑套9上，四根斜撑杆13的上端通过四个上侧铰接座14分别摆动式铰接安装在四块支撑背板15的下侧面上；在管状立柱3上竖向设置有连通条形孔10，在折叠驱动螺杆11上螺纹旋合安装有折叠驱动座，且折叠驱动座与折叠支撑套9固定连接。
[0037] 利用中部支撑平台17能够便于停靠巡检无人机，并通过嵌入设置的基站充电线圈6与无人机充电线圈26配合实现巡检无人机的无线充电；利用折叠驱动螺杆11、折叠驱动座、支撑滑套9以及四根斜撑杆13能够对四块支撑背板15进行折叠驱动形成漏斗状，从而在巡检无人机下降停靠时增强下降停靠的准确性，此外在巡检无人机充电时，通过四块支撑背板15能够对巡检无人机四周进行围挡限位，避免大风天气将巡检无人机吹移偏离充电位置；利用对位指示灯8能够在摄像头30进行图像采集对位时增强对位精度，且能够在夜晚也能够进行精确定位，从而准确降落在中部支撑平台17的中部。
[0038] 进一步的，在支撑背板15上安装有太阳能电池板16；在控制箱1内设置有太阳能充电电路；四块太阳能电池板16通过太阳能充电电路为基站蓄电池充电；在四块支撑背板15的上侧面上均垂直设置有一根推压杆58；在四根推压杆58的上端均摆动式铰接安装有一根推压连杆59；在推压连杆59的另一端上铰接安装有一个弧形推压座60，且弧形推压座60滑动式放置于中部支撑平台17上；在弧形推压座60的弧形面上设置有用于推动巡检无人机向中部支撑平台17中部的柔性支撑垫68。
[0039] 利用四块太阳能电池板16能够对基站蓄电池进行太阳能充电，确保水文监测基站长期可靠运行；利用推压杆58、推压连杆59、弧形推压座60以及柔性支撑垫68构成的侧边推动机构，从而在四块支撑背板15向上折叠时从四个方向推动巡检无人机向中部支撑平台17中部，使得基站充电线圈6与无人机充电线圈26对准充电；利用柔性支撑垫68能够防止推动过程中对巡检无人机造成损坏。
[0040] 进一步的，升降驱动机构包括机构壳体35、升降驱动电机62、线缆收放绞盘66以及升降连接线缆61；在机构壳体35内旋转式安装有一根升降驱动轴65，线缆收放绞盘66固定安装在升降驱动轴65上；在升降驱动轴65上固定安装有升降驱动蜗轮64；在升降驱动电机62的输出轴上固定安装有与升降驱动蜗轮64相啮合的升降驱动蜗杆63；在控制箱1内设置有与基站控制器电连接的升降驱动电路，升降驱动电路与升降驱动电机62电连接，基站蓄电池为升降驱动电路供电；升降连接线缆61的一端绕设固定在线缆收放绞盘66上，另一端贯穿机构壳体35后固定在水质检测机构上。
[0041] 利用升降驱动蜗轮64与升降驱动蜗杆63的配合能够实现线缆收放绞盘66的旋转驱动和定位，从而对升降连接线缆61下端吊设的水质检测机构进行提拉，使得水质检测机构在水质检测完之后脱离水面，避免水质检测机构上缠绕水草影响检测结果。
[0042] 进一步的，水质检测机构包括导向连接杆53、圆柱形安装座48、流速传感器50以及各个水质传感器的传感探头49；在控制箱1内设置有与基站控制器电连接的各个水质传感器的信号处理电路，基站蓄电池为各个水质传感器的信号处理电路供电；导向连接杆53的上端连接在升降驱动机构上，下端竖向贯穿圆柱形安装座48，并在贯穿端上设置有重锤54；流速传感器50安装在导向连接杆53的下部，且流速传感器50通过升降连接线缆43与基站控制器以及基站蓄电池电连接；各个传感探头49径向固定安装在圆柱形安装座48的圆周面上，并通过升降连接线缆43与各个水质传感器的信号处理电路电连接。
[0043] 利用流速传感器50能够对检测位置处的流速进行检测；利用重锤54能够降低水质检测机构入水后的摆动，增强水质检测的稳定性；利用圆柱形安装座48安装各个传感探头49，从而方便各个传感探头49的接线。
[0044] 进一步的，在导向连接杆53上滑动式安装有一个密封浮箱41；在密封浮箱41的上侧面上设置有收线筒45、温度传感器42以及水面指示灯44；在密封浮箱41的下侧面上安装有水浸传感器74；在密封浮箱41的下侧面上竖向设置有四根浮箱支撑杆51，四根浮箱支撑杆51的下端均固定安装在一个环形电热管56上；在导向连接杆53上沿轴向设置有滑动限位滑槽67，在密封浮箱41的中心贯穿孔的孔壁上设置有滑动限位块，且滑动限位块滑动式嵌入滑动限位滑槽67内；在四根浮箱支撑杆51上均上下间隔设置有各个U形弯折板52，并在各个U形弯折板52的两块侧板上分布设置有用于清理各个传感探头49的清理刷毛69；水浸传感器74、温度传感器42以及水面指示灯44通过升降连接线缆43与基站控制器以及基站蓄电池电连接，且升降连接线缆43的下端冗余收纳在收线筒45内；在控制箱1内设置有与基站控制器电连接的电控开关；基站蓄电池通过升降连接线缆43为环形电热管56供电，且电控开关串接在环形电热管56的供电线芯上。
[0045] 利用密封浮箱41能够提供一定的浮力作用，使得水质检测机构在进入水面时，使得传感探头49相对U形弯折板52向下移动，从而利用清理刷毛69对传感探头49上附着的杂质进行清理，此外在水质检测机构脱离水面时，在重力作用下使得传感探头49相对U形弯折板52向上移动，同样能够利用清理刷毛69对传感探头49上附着的杂质进行清理，确保传感探头49的检测精度和可靠性；利用滑动限位滑槽67与滑动限位块的限位配合，能够限定圆柱形安装座48的上下移动范围，且能够防止圆柱形安装座48旋转；利用水面指示灯44能够闪烁指示，从而便于河道内的船只或其他航行器进行避让；利用温度传感器42能够对河道环境温度进行检测，从而只有在冰冻天气对环形电热管56进行通电加热融冰；利用收线筒45能够便于收纳升降连接线缆43的下端冗余。
[0046] 本发明提供的用于监测河道水文的水文监测系统中：基站控制器、飞行控制器均采用现有的单片机控制器，用于对应实现各个电路的协调控制；基站存储器、巡航存储器均采用现有的存储电路模块，用于对应存储相关数据；雨量传感器36采用现有的雨量传感器，用于对基站位置进行雨量监测；水位传感器39采用现有的超声波水位传感器，用于对河道的水位进行实时监测；水质传感器包括现有的多类水质传感器，例如余氯传感器、TOC传感器、电导率传感器、氨氮传感器、PH传感器、ORP传感器、浊度传感器、水温传感器、盐度传感器、溶解氧传感器中的2‑6种；流速传感器54采用现有的流速传感器，用于实现河道内水流监测；基站无线通信模块和远程无线通信模块均采用现有的4G通信模块或者5G通信模块，用于实现远程数据传输；主蓝牙模块和从蓝牙模块均采用现有的蓝牙通信模块，用于实现基站控制器与行控制器的蓝牙配对连接；温度传感器42采用现有的数字式温度传感器，用于实现现场温度实时监测；水浸传感器74采用现有的水浸传感器，用于对密封浮箱41是否浮于水面进行检测；定位模块采用现有的GPS定位模块或者北斗定位模块，用于实现巡检无人机的定位和导航；摄像头30采用现有的红外摄像头，用于实现水面环境图像采集；陀螺仪采用现有的陀螺仪，用于实现巡检无人机的方向判断和导航；对位指示灯8采用现有的红色闪烁指示灯，水面指示灯44采用现有的蓝色闪烁指示灯；电控开关采用现有的电子开关电路，例如三极管构成的开关电路；电压采集电路采用现有的分压电路，再由飞行控制器的A/D采集端口进行数字式采集，从而获取充电电池的电压数据；折叠驱动电路、升降驱动电路、飞行驱动电路、旋转驱动电路、俯仰驱动电路以及翻转驱动电路均采用现有的电机驱动电路，用于分别对折叠驱动电机、升降驱动电机62、旋翼电机20、旋转驱动电机27、俯仰驱动电机29以及翻转驱动电机32进行驱动控制。
[0047] 本发明提供的用于监测河道水文的水文监测系统在工作时，包括如下步骤：
[0048] 基站监测步骤：首先将各个水文监测基站沿河道间隔设置，根据现场安装现有调节支撑滑套73的高度以及伸缩杆37的伸缩长度，再设定各个传感器的初始参数；由基站控制器定期控制升降驱动电机62，将水质检测机构放入河道的水流中，进行水质检测，并在检测完成后将水质检测机构再吊起离开水面，避免水草缠绕；在检测过程中，水面指示灯44闪烁指示，从而提醒河道内的船只或其他航行器进行避让；
[0049] 冰面检测步骤：在温度传感器42检测到河道水面环境温度低于历史数据中河道的结冰温度时，则基站控制器控制电控开关打开环形电热管56对冰面进行加热，从而在冰面加热形成圆洞，使得水质检测机构下部浸入水中，并在水浸传感器74检测到入水时，则基站控制器断开环形电热管56的供电，此时由水质传感器对水质进行采集；
[0050] 清理步骤：在水质检测机构进入水面时，由密封浮箱41在浮力作用下浮于水面，而圆柱形安装座48在重力作用下继续下移，从而由U形弯折板52上的清理刷毛69对传感探头49进行清扫，清理掉传感探头49上附着的杂质，确保传感探头49的检测精度和可靠性；在水质检测机构上升脱离水面时，密封浮箱41在重力作用下停留水面，而圆柱形安装座48在悬吊拉力作用下先上移，使得U形弯折板52上的清理刷毛69对传感探头49进行清扫；
[0051] 无人机巡检步骤：无人机根据预先存储在巡航存储器中的河道位置数据对河道进行巡检，由摄像头30对河道图像进行沿线采集，获取河道的水势情况、堤坝情况、浮萍情况、水草情况、漂浮物情况以及船只情况图像，并通过远程无线通信模块发送至远程监控中心，同时远程监控中心还能通过远程无线通信模块向巡检无人机发送摄像头转向控制命令，由摄像云台对摄像头30的朝向进行调节，从而满足远程临时拍摄需要；
[0052] 无人机充电步骤：在飞行控制器通过电压采集电路采集到充电电池电压低于设定的阈值时，则由飞行控制器根据各个水文监测基站的位置数据选择一个靠近的水文监测基站进行充电，在巡检无人机飞行靠近对应的水文监测基站时，由主蓝牙模块和从蓝牙模块配对通信，此时由基站控制器控制折叠驱动电机，使得四块支撑背板15向上翻转，由摄像头30采集图像，并根据四个对位指示灯8找准中部支撑平台17上的基站充电线圈6后，悬停于基站充电线圈6上方，再由翻转驱动电机32驱动三角柱状箱体23旋转，使得无人机充电线圈
26翻转至下方与基站充电线圈6相对，再控制巡检无人机下降，此时四块支撑背板15对巡检无人机的四周进行倾斜阻挡，使得巡检无人机能够稳定且准确下降，使得无人机充电线圈
26与基站充电线圈6配合，实现充电电池的无线充电，同时在无线充电过程中，四块支撑背板15能够对四周进行围挡限位，避免大风天气将巡检无人机吹移偏离充电位置。
[0053] 如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
