本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)水上監(jiān)管，尤其涉及一種基于水上供能與通信的水域監(jiān)管系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、盡管無(wú)人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海事和水域監(jiān)管領(lǐng)域，但現(xiàn)行的無(wú)人機(jī)監(jiān)管方案均基于人在岸邊或海巡艇上操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行偵查，無(wú)人機(jī)電量不足時(shí)便需要及時(shí)返航在陸基平臺(tái)或母船上有線充電。無(wú)人機(jī)的工作范圍受到了人機(jī)距離的制約，不僅增加了無(wú)人機(jī)和母船的能耗，又因?yàn)楣ぷ餍实投鵁o(wú)法突出無(wú)人機(jī)巡航的優(yōu)勢(shì)與實(shí)用性?，F(xiàn)有無(wú)人機(jī)水域監(jiān)管普遍存在如下不足：數(shù)智化程度低、監(jiān)管總航時(shí)短、設(shè)備壽命較短、巡航面積狹小。

2、若能夠在監(jiān)管水域內(nèi)布置多個(gè)相互串聯(lián)耦合的水上基站，不僅能夠搭載足夠數(shù)量的無(wú)人機(jī)，甚至能夠供無(wú)人機(jī)降落并實(shí)現(xiàn)模塊化的清潔能源發(fā)電功能，基準(zhǔn)也可以作為無(wú)人機(jī)與設(shè)備監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸中繼，最終形成一套解放人力及空間成本的能源保障系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)的巡航不再依賴人工投放和回收，對(duì)于改善現(xiàn)有無(wú)人機(jī)水域監(jiān)管的不足，是非常必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種綜合水上基站組建的局域網(wǎng)連接控制終端和無(wú)人機(jī)單元，形成水陸空協(xié)作智慧平臺(tái)的同時(shí)、構(gòu)建起一張龐大的立體化監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)、能夠便捷的對(duì)無(wú)人機(jī)單元進(jìn)行充能和信號(hào)中繼的、基于水上供能與通信的水域監(jiān)管系統(tǒng)。

2、本發(fā)明提供了一種基于水上供能與通信的水域監(jiān)管系統(tǒng)，包括：

3、無(wú)人機(jī)單元，用于獲取自身狀態(tài)信息和監(jiān)管水域的監(jiān)管物信息；

4、控制終端，設(shè)置在遠(yuǎn)程位置，用于生成指令信號(hào)并向外發(fā)送；無(wú)人機(jī)單元與控制終端無(wú)線通信連接；

5、若干水上基站，設(shè)置在水面上，采用多能互補(bǔ)發(fā)電和儲(chǔ)能，并對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行保溫處理，用于對(duì)無(wú)人機(jī)單元進(jìn)行無(wú)線充電，并與無(wú)人機(jī)單元和控制終端進(jìn)行雙向通信，接收無(wú)人機(jī)單元采集的自身狀態(tài)信息和監(jiān)管物信息或者控制終端發(fā)送的指令信號(hào)，并進(jìn)行加密雙向中繼傳輸。

6、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述若干水上基站，漂浮在水面上，均包括太陽(yáng)能發(fā)電模塊、垂直軸風(fēng)力發(fā)電模塊、達(dá)里厄型垂直軸水力發(fā)電模塊、儲(chǔ)能模塊、熱管理模塊和無(wú)線充電模塊；追日太陽(yáng)能發(fā)電模塊、垂直軸風(fēng)力發(fā)電模塊、達(dá)里厄型垂直軸水力發(fā)電模塊、熱管理模塊和無(wú)線充電模塊均與儲(chǔ)能模塊電性連接；追日太陽(yáng)能發(fā)電模塊、垂直軸風(fēng)力發(fā)電模塊、達(dá)里厄型垂直軸水力發(fā)電模塊用于發(fā)電并將電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能模塊中；熱管理模塊用于對(duì)儲(chǔ)能模塊加熱或者降溫，無(wú)線充電模塊用于將儲(chǔ)能模塊儲(chǔ)存的電能供給無(wú)人機(jī)單元充電；若干水上基座上設(shè)置有應(yīng)急無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)，應(yīng)急無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)供無(wú)人機(jī)降落和無(wú)線充電。

7、優(yōu)選的，追日太陽(yáng)能發(fā)電模塊包括若干光強(qiáng)傳感器、光伏板、單片機(jī)和俯仰調(diào)節(jié)裝置；若干光強(qiáng)傳感器沿著東西朝向均勻分布，若干光強(qiáng)傳感器的輸出端分別與單片機(jī)的串行端口通信連接，光伏板固定設(shè)置在俯仰調(diào)節(jié)裝置的輸出軸上，單片機(jī)根據(jù)收到的若干光強(qiáng)傳感器的光強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)逐個(gè)比較的方式確定光強(qiáng)最大的光強(qiáng)傳感器所在方位，然后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)俯仰調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)光伏板的俯仰角度，使光伏板獲得最大的發(fā)電效率，完成調(diào)整后，若干光強(qiáng)傳感器、單片機(jī)和俯仰調(diào)節(jié)裝置進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一次定時(shí)自動(dòng)喚醒重新調(diào)整光伏板的俯仰角度；垂直軸風(fēng)力發(fā)電模塊包括旋轉(zhuǎn)基座與若干葉片，旋轉(zhuǎn)基座環(huán)繞應(yīng)急無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)設(shè)置，且與應(yīng)急無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，若干葉片相對(duì)于旋轉(zhuǎn)基座的中心軸線均勻分布；若干水上基站還包括第一切換裝置，追日太陽(yáng)能發(fā)電模塊與垂直軸風(fēng)力發(fā)電模塊的輸出端擇一的與第一切換裝置電性連接，第一切換裝置與儲(chǔ)能模塊電性連接；達(dá)里厄型垂直軸水力發(fā)電模塊與儲(chǔ)能模塊電性連接。

8、進(jìn)一步優(yōu)選的，熱管理模塊包括若干導(dǎo)熱片，所述儲(chǔ)能模塊包括若干電池單體，若干電池單體順次排列且間隔設(shè)置，若干導(dǎo)熱片的一端分別設(shè)置在電池單體的側(cè)表面上，若干導(dǎo)熱片的另一端朝著遠(yuǎn)離電池單體的方向向外伸出；若干導(dǎo)熱片上均嵌設(shè)有ptc板，若干導(dǎo)熱片用于對(duì)電池單體內(nèi)部的熱量向外傳導(dǎo)，ptc板用于對(duì)電池單體進(jìn)行加熱，使儲(chǔ)能模塊保持在合適的工作溫度。

9、優(yōu)選的，無(wú)人機(jī)單元在若干水上基站上降落和充電的過(guò)程為：1)控制終端判斷無(wú)人機(jī)單元的當(dāng)前電量不足以順利完成當(dāng)前執(zhí)行的水域監(jiān)管任務(wù)；2)控制終端根據(jù)無(wú)人機(jī)單元的當(dāng)前位置，獲取相鄰范圍中的若干水上基站，并從中篩選出電量充足、充電電壓匹配且距離最近的水上基站，并對(duì)該水上基站進(jìn)行標(biāo)注；3)無(wú)人機(jī)單元中斷執(zhí)行當(dāng)前的水域監(jiān)管任務(wù)，飛向被標(biāo)注的水上基站，被標(biāo)注的水上基站引導(dǎo)無(wú)人機(jī)單元降落在應(yīng)急無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)上；4)應(yīng)急無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)上設(shè)置有壓敏電阻，壓敏電阻感應(yīng)到無(wú)人機(jī)單元的重量后，使能無(wú)線充電模塊，儲(chǔ)能模塊通過(guò)無(wú)線充電模塊向無(wú)人機(jī)單元充電，5)無(wú)人機(jī)單元充電完成后，飛離水上基站繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前的水域監(jiān)管任務(wù)，無(wú)線充電模塊復(fù)位。

10、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述無(wú)線充電模塊包括發(fā)射端主控模塊、dc-ac電路、整流電路、接收端主控模塊和欠壓自動(dòng)關(guān)斷電路，發(fā)射端主控模塊用于驅(qū)動(dòng)dc-ac電路，將儲(chǔ)能模塊的直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)通過(guò)磁耦合諧振方式輸出；整流電路的接收端通過(guò)磁耦合方式無(wú)線接收交流信號(hào)，通過(guò)整流電路整流后輸出直流信號(hào)，整流后的直流信號(hào)分別送入無(wú)人機(jī)單元充電端口和欠壓自動(dòng)關(guān)斷電路，接收端主控模塊分別與欠壓自動(dòng)關(guān)斷電路和無(wú)人機(jī)單元充電端口電性連接，接收端主控模塊用于判斷整流后的直流信號(hào)與預(yù)設(shè)電平的大小關(guān)系，維持對(duì)無(wú)人機(jī)單元的充電或者停止充電。

11、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述dc-ac電路包含h橋逆變電路、第一電容和第二電感，h橋逆變電路的輸入端與儲(chǔ)能模塊電性連接，h橋逆變電路的一個(gè)輸出端與第一電容的一端電性連接，第一電容的另一端與第二電感的一端電性連接，第二電感的另一端與h橋逆變電路的另一個(gè)輸出端電性連接；h橋逆變電路的逆變器件的占空比信號(hào)輸入端與發(fā)射端主控模塊的輸出端電性連接；

12、整流電路包括第一電感l(wèi)1、第八電容c8、整流橋、第二二極管d2、第五二極管d5和第九電容c9；第一電感l(wèi)1的一端與第八電容c8的一端電性連接，第八電容c8的另一端與整流橋的第一輸入端電性連接，第一電感l(wèi)1的另一端與整流橋的第二輸入端電性連接，第二二極管d2的陰極和第九電容c9的一端分別與整流橋的第一輸出端電性連接，第二二極管d2的陽(yáng)極與第五二極管d5的陰極電性連接，第五二極管d5的陽(yáng)極和第九電容c9的另一端分別與整流橋的第二輸出端電性連接；整流橋的第一輸出端和第二輸出端輸出整流后的直流信號(hào)；

13、欠電壓電路包括第一運(yùn)算放大器u4、第十五電阻r15、第十五電容c15、第十三電容c13、第五電阻r5、第六電阻r6、第十六電容c16、第十四電阻r14、第三電阻r3、第三三極管q3、第一mos管q1、第四電阻r4和第七電阻r7，第一運(yùn)算放大器u4的引腳5分別與第十五電阻r15的一端和第十五電容c15的一端電性連接，第十五電容c15的另一端接地，第十五電阻r15的另一端與基準(zhǔn)電壓ref2.5電性連接；整流后的直流信號(hào)分別與第三電阻r3的一端、第五電阻r5的一端、第十三電容c13的一端和第一mos管q1的源極電性連接，第十三電容c13的另一端接地，第三電阻r3的另一端分別與第一mos管q1的柵極和第三三極管q3的集電極電性連接，第五電阻r5的另一端分別與第一運(yùn)算放大器u4的引腳6、第十六電容c16的一端和第六電阻r6的一端電性連接，第十六電容c16的另一端、第六電阻r6的另一端和第三三極管q3的發(fā)射極均接地；第一運(yùn)算放大器u4的引腳7與第十四電阻r14的一端電性連接，第十四電阻r14的另一端與第三三極管q3的基極電性連接；第一mos管q1的漏極與無(wú)人機(jī)單元充電端口port和第四電阻r4的一端電性連接，第四電阻r4的另一端分別與第七電阻r7的一端和接收端主控模塊的adc0端口電性連接，第七電阻r7的另一端接地；當(dāng)整流后的直流信號(hào)小于基準(zhǔn)電壓ref2.5時(shí)，第一運(yùn)算放大器u4輸出高電平使第三三極管q3導(dǎo)通，拉低第一mos管q1的柵極電平，關(guān)斷欠電壓電路對(duì)無(wú)人機(jī)單元充電端口的輸出，并返回低電平關(guān)斷信號(hào)給接收端主控模塊的adc0端口。

14、再進(jìn)一步優(yōu)選的，無(wú)線充電模塊還包括信號(hào)反饋電路；信號(hào)反饋電路包括第八電阻r8、mosfet驅(qū)動(dòng)器u3、編碼生成mos管irf1、第二運(yùn)算放大器u7、第三運(yùn)算放大器u8、第七二極管d7和反相器u9；

15、mosfet驅(qū)動(dòng)器u3的引腳1和引腳8均工作電源vcc電性連接，mosfet驅(qū)動(dòng)器u3的引腳2與接收端主控模塊的cont端口電性連接，mosfet驅(qū)動(dòng)器u3的引腳4和引腳5接地，mosfet驅(qū)動(dòng)器u3的引腳6和引腳7均與編碼生成mos管irf1的柵極電性連接，編碼生成mos管irf1的源極均與整流橋的第二輸出端電性連接，編碼生成mos管irf1的漏極與第八電阻r8的一端電性連接，第八電阻r8的另一端與整流橋的第一輸出端電性連接；接收端主控模塊的cont端口向整流電路的耦合元件發(fā)送編碼信號(hào)，編碼信號(hào)無(wú)線耦合到dc-ac電路的輸出端；

16、第二運(yùn)算放大器u7的同相輸入端順次設(shè)置有第二十五電阻r25、第二十四電阻r24和第二十三電阻r23，第二十五電阻r25的一端與第二運(yùn)算放大器u7的同相輸入端電性連接，第二十五電阻r25的另一端與第二十四電阻r24的一端電性連接，第二十四電阻r24的另一端與第二十三電阻r23的一端電性連接，第二十三電阻r23的另一端還與dc-ac電路的輸出端的一個(gè)輸出端電性連接，第二運(yùn)算放大器u7的反相輸入端分別與第十七電阻r17的一端和第十八電阻r18的一端電性連接，第十七電阻r17的另一端接地，第十八電阻r18的另一端與第二運(yùn)算放大器u7的輸出端電性連接，第二運(yùn)算放大器u7的輸出端還與第二十一電阻r21的一端和第二十二電阻r22的一端電性連接，第二十一電阻r21的另一端分別與第二十六電阻r26的一端和第三運(yùn)算放大器u8的同相輸入端電性連接，第二十六電阻r26的另一端與第二十八電容c28的一端電性連接，第二十八電容c28的另一端分別與地線和第二十五電容c25的一端電性連接，第二十五電容c25的另一端與+5v電源電性連接；第二十二電阻r22的另一端分別與第三運(yùn)算放大器u8的反相輸入端、第十九電阻r19的一端和第十九電容c19的一端電性連接，第十九電阻r19的另一端和第十九電容c19的另一端均接地；第三運(yùn)算放大器u8的輸出端分別與第二十電阻r20的一端和第七二極管d7的陽(yáng)極電性連接，第二十電阻r20的另一端與+5v電源電性連接，第七二極管d7的陰極分別與反相器u9的引腳1和第二十七電阻r27的一端電性連接，第二十七電阻r27的另一端分別與反相器u9的引腳7和地線電性連接，反相器u9的引腳2與引腳3電性連接，反相器u9的引腳9和引腳10電性連接，反相器u9的引腳11和引腳12電性連接，反相器u9的引腳4、引腳5、引腳6、8引腳、引腳13均與發(fā)射端主控模塊電性連接，第三運(yùn)算放大器u8、第七二極管d7用于放大編碼信號(hào)，反相器u9用于解析編碼的內(nèi)容。

17、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述無(wú)人機(jī)單元獲取自身狀態(tài)信息和監(jiān)管水域的監(jiān)管物信息，其中，自身狀態(tài)信息包括無(wú)人機(jī)單元當(dāng)前執(zhí)行的水域監(jiān)管任務(wù)、無(wú)人機(jī)單元的當(dāng)前位置和剩余電量；監(jiān)管水域的監(jiān)管物信息包括監(jiān)管水域的目標(biāo)識(shí)別結(jié)果，是通過(guò)在yolov5的骨干網(wǎng)絡(luò)模型上，增加了熵函數(shù)強(qiáng)化目標(biāo)清晰圖，并增加mobilenet-ssd模塊減少模型的運(yùn)算量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的。

18、再進(jìn)一步優(yōu)選的，控制終端包括設(shè)備監(jiān)控中心和環(huán)境監(jiān)控中心；設(shè)備監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收無(wú)人機(jī)單元和水上基站發(fā)送的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程可視化展示，同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)單元發(fā)出指令信號(hào)，使無(wú)人機(jī)單元執(zhí)行指定的水域監(jiān)管任務(wù)；環(huán)境監(jiān)控中心接收并無(wú)人機(jī)單元回傳的包含監(jiān)管物信息的目標(biāo)影像，以及水上基站發(fā)送的環(huán)境信息并顯示輸出，為設(shè)備監(jiān)控中心的指令信號(hào)的決策提供參考的環(huán)境信息。

19、本發(fā)明提供的基于水上供能與通信的水域監(jiān)管系統(tǒng)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

20、(1)本發(fā)明通過(guò)配備多個(gè)水上基站，可以用于搭載無(wú)人機(jī)?？坎⑦M(jìn)行充電，并可以作為無(wú)人機(jī)與控制終端之間的數(shù)據(jù)傳輸中繼站，擴(kuò)大通信距離，并升級(jí)水域監(jiān)管的覆蓋范圍，形成水陸空協(xié)作的立體化監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全方面的監(jiān)管任務(wù)的可靠執(zhí)行；

21、(2)采用多源互補(bǔ)的發(fā)電方式，太陽(yáng)能發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)追日功能，實(shí)現(xiàn)最大化發(fā)電效率，并且太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電根據(jù)需要進(jìn)行切換，水流能持續(xù)的產(chǎn)生能源作為太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的有力補(bǔ)充，從而改善清潔能源發(fā)電的能源利用率低和發(fā)電效率不穩(wěn)定的問(wèn)題；進(jìn)一步設(shè)置的熱管理模塊，能夠維持儲(chǔ)能模塊始終處于最佳輸出狀態(tài)，改善因低溫導(dǎo)致的電池性能下降造成的電量損失；

22、(3)采用無(wú)線充電方式簡(jiǎn)化了走線布局，同時(shí)配備了信號(hào)反饋電路，判斷無(wú)人機(jī)單元當(dāng)前電池的電量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電狀態(tài)和充電功率的調(diào)節(jié)功能。