(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210954032.X (22)申请日 2022.08.10 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 熊斌宇　蔡晨　刘师睿　张丹红　 苏义鑫　 (74)专利代理 机构 湖北武汉 永嘉专利代理有限 公司 42102 专利代理师 王丹 (51)Int.Cl. G05D 1/02(2020.01) G01D 21/02(2006.01) G05D 1/06(2006.01) (54)发明名称 一种无人艇与无人机协作在线水质监测系 统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种无人艇与无人机协作在 线水质监测系统及方法， 包括无人艇、 无人机、 起 降网、 水质监测系统、 组网通讯电台和综合地面 站； 综合地面站通过组网通讯电台行实时通讯， 向无人机和无人艇分别发送任务指令； 监听无人 机和无人船的状态， 包括位置、 航向、 速度、 故障 信息， 实时接收水质监测系统的监测结果； 随时 终止无人机和/或无人艇 的任务； 无人艇上的水 质监测系统监测的任一项水质参数超出一定范 围时， 发出水质疑似污染信号， 无人机自主起飞， 检测目标水域是否存在偷排异常情况， 实时向综 合地面站反馈目标水域是否存在 偷排异常情况。 本发明通过无人机和无人艇的信息共享和功能 互补， 全面优化水域数据监测与应急能力。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 115328128 A 2022.11.11 CN 115328128 A 1.一种无人艇与无人机协作在线水质监测系统， 其特征在于， 包括无人艇、 无人机、 起 降网、 水质监测系统、 组网通讯电台和综合 地面站； 其中， 所述组网通讯电台， 将无 人艇、 无人机和综合 地面站进行 无线组网连接， 相互通信； 所述综合地面站， 通过组网通讯电台行实时通讯， 完成以下任务： 向无人机和无人艇分 别发送任务指令； 监听无人机和无人船的状态， 包括位置、 航向、 速度、 故障信息， 实时接收 水质监测系统的监测结果； 随时终止无 人机和/或无 人艇的任务； 所述无人艇上设有舰载控制系统， 并完成以下工作： 与综合地面站进行数据交互， 接收 综合地面站发出 的任务指令； 与所述的水质监测系统连接， 当水质监测系统监测的任一项 水质参数超出一定范围， 则发出水质疑似污染信号； 与无人机进 行数据交互， 共享自身的运 动状态信息， 接收无人机的运动状态信息， 在无人机起降过程中维持稳定状态， 确保无人机 在无人艇上的精准 起降； 实时向综合 地面站反馈水质监测系统的监测结果； 所述无人机设有机载控制系统， 用于完成以下工作： 当收到所述水质疑似污染信号时 自主起飞， 采用协同跟随起降算法保持起 飞后的状态， 启动航拍， 通过机载激光雷达和双关 吊舱来检测目标水域是否存在偷排异常情况； 当拍摄结束返航时， 与无人艇进 行数据交互， 共享自身的运动状态信息， 接 收无人艇的运动状态信息， 采用协同跟随起降算法跟随返航 并降落； 与综合地面站进 行数据交互， 接收综合地面站发出的任务指 令并执行； 实时向综合 地面站反馈目标 水域是否存在偷排异常情况； 所述起降网锚固在所述无 人艇的甲板上， 用于无 人机的停放与充电； 所述水质监测系统安装在无人艇的尾部， 用于从无人艇获取综合地面站 的任务指令， 进行水质采样和监测， 并反馈监测结果； 当水质监测系统监测的任一项水质参数超出一定 范围时， 对区域内水体进行采样留存操作。 2.根据权利要求1所述的无人艇与 无人机协作在线水质监测系统， 其特征在于， 所述的 水质监测系统所监测的水质参数包括PH值、 电导 率、 溶解氧、 浊度和温度。 3.根据权利要求1所述的无人艇与 无人机协作在线水质监测系统， 其特征在于， 所述的 综合地面站发出的任务指 令包括对无人艇的巡航目标点、 巡航速度、 水体留样指 令， 以及对 无人机的巡 逻、 检测、 取证指令 。 4.根据权利要求1所述的无人艇与 无人机协作在线水质监测系统， 其特征在于， 所述的 协同跟随起降算法包括 起飞算法和降落 算法， 其中降落 算法具体为： 无人机完成任务返航， 启动跟踪指令； 采用PID串级控制， 无人机接收无人艇的位置及速度信 息， 动态计算产生偏移后的期望 点、 无人机与无人艇之间的水平距离， 采用位置跟踪比例控制、 速度 跟踪比例控制和速度前 馈控制， 逐步缩短与无人艇之间的水平距离， 直至无人机与无人艇之间的水平距离到达距 离预设值； 所述的速度前馈控制是以无 人艇的速度为前馈； 无人艇保持稳定状态下， 无 人机下降至无 人艇上指定位置； 所述的起飞算法在无人机收到述水质疑似污染信号 时启动， 采用所述的PID串级控制， 逐步起飞升高至预设位置 。 5.根据权利要求4所述的无人艇与 无人机协作在线水质监测系统， 其特征在于， 所述的 PID串级控制包括外环控制和 内环控制； 其中， 外环控制包括位置环控制器和速度环控制 器， 内环包括姿态 环控制器和角速度环控制器；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115328128 A 2位置环控制器采用位置跟踪比例控制， 检测无人机实际位置p， 与无人机期望位置pd相 比较， 为速度环控制器计算无人机期望速度Vd； 速度环控制器以无人艇的速度VF为前馈， 与 无人机期望速度Vd相比较， 采用速度跟踪比例控制， 提供无人机的期望俯仰角φd和横滚角 θd； 同时， 速度环控制器检测无人机实时速度V， 同时通过机上力传感器检测降落过程中与 甲板碰撞所产生的环境力Fe， 为无人机混控输入无 人机所需的总升力Fd； 姿态环控制器与速度环控制器级联控制， 输入所述无人机的期望俯仰角φd和横滚角 θd， 同时输入无人机期望偏航角 ψd， 检测无人机机身实际俯仰角φ、 横滚角 θ和偏航角 ψ， 采用 比例微分控制， 输出无人机期望角速度ωd； 角速度环控制器， 以无人艇实际航向角ωF为前 馈， 根据无人机期望角速度ωd， 检测无人机实际航向角ω， 为无人机混控输入无人机所需 的总力矩， 然后由无 人机混控得到无 人机每个旋翼的角速度； 内外环共同作用， 改变无 人机四旋翼的动作， 使得 无人机完成起飞、 跟随降落过程。 6.利用权利要求1至5中任意一项所述的无人艇与无人机协作在线水质监测系统实现 的在线水质监测方法， 其特 征在于， 本方法包括以下步骤： S1、 无人艇接收综合 地面站的指令， 在待测水面上 行驶； S2、 当无人艇到达指定采样位置， 搭载在无人艇上的水质监测系统从无人艇获取综合 地面站的任务指 令， 进行水质采样和监测， 并反馈监测结果； 当水质监测系统监测的任一项 水质参数超出一定范围， 对区域内水体进 行采样留存操作， 无人艇发出水质疑似污染信号； 无人艇继续行驶到下一指定采样位置； S3、 无人机收到所述水质疑似污染信号时， 自主起飞， 启动航拍， 通过机载激光雷达和 双关吊舱来检测当前指定采样位置是否存在偷排异常情况， 进行拍摄和取证， 并实时传送 拍摄结果； S4、 无人机完成拍摄和取证后， 同时向综合地面站与无人艇发送返程信号， 并采用协同 跟随起降算法跟随无 人艇， 然后降落。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115328128 A 3