[發明專利]水域污染監測系統及方法、監測系統充電線圈設計方法

在審

• 申請號: 201810099251.8
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108408071A
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發明（設計）人: 張進峰;方曉靚;馬偉皓;毛天宇;盧天賦;劉少勇;劉濮瑞;李凡
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B64F1/00
• 分類號: B64F1/00;B60L11/18;B64C39/02;B63B35/00;H01F41/064;H01F38/14;H01F27/28;G06F17/50;G06N3/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 鄭勤振

1.一種水域污染物監測系統，其特征在于，包括無人機、搭載無人機的無人艇、控制端和無人機充電裝置；

所述無人機包括圖像獲取單元、第一定位單元和第一傳輸單元，所述圖像獲取單元獲取監測水域的圖像，所述第一定位單元用于對無人機進行定位，所述第一傳輸單元用于將所述圖像信息和無人機位置信息傳輸到所述控制端；

所述無人艇包括第二定位單元、第二傳輸單元和搭載所述無人機并給無人機充電的搭載平臺，所述第二定位單元用于對所述無人艇進行定位，所述第二傳輸單元用于將所述無人艇的位置信息傳輸到所述控制端；

所述控制端對無人機獲取的所述圖像進行分析以尋找出水域污染物區域，并根據所述無人機和所述無人艇的位置信息控制所述無人機和所述無人艇的位置，以及控制無人機在所述搭載平臺上的起降；

所述無人機充電裝置包括設于所述搭載平臺上的充電供電電路，以及設于所述無人機上的充電接收電路。

2.根據權利要求1所述的水域污染物監測系統，其特征在于，所述充電供電電路包括依次連接的蓄電池、升壓模塊和無線充電發送裝置；所述充電接收電路包括依次連接的無線充電接收裝置、整流模塊、電源降壓充電管理模塊和無人機供電電池。

3.根據權利要求1所述的水域污染物監測系統，其特征在于，所述無人艇的搭載平臺上設有檢測所述無人機著艦的檢測單元，所述檢測單元檢測到所述無人機著艦后啟動所述無人機充電裝置。

4.根據權利要求3所述的水域污染物監測系統，其特征在于，所述檢測單元為壓敏電阻。

5.根據權利要求2所述的水域污染物監測系統，其特征在于，無線充電發送裝置和無線充電接收裝置的線圈均采用平面螺旋線圈。

6.根據權利要求5所述的水域污染物監測系統，其特征在于，所述線圈的平均半徑r_avg＝0.1～1m，匝數N＝1～15。

7.根據權利要求5所述的水域污染物監測系統，其特征在于，所述線圈的平均半徑r_avg＝0.5m，匝數N＝6。

8.根據權利要求5所述的水域污染物監測系統，其特征在于，所述無線充電發送裝置的線圈與所述無線充電接收裝置的線圈之間的距離為4cm。

9.一種利用如權利要求1-8任一項所述系統對水域污染物進行監測的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：無人機的圖像獲取單元獲得水域污染物的圖像，并將所述圖像傳輸到控制端；

步驟2：所述控制端提取所述圖像的紋理特征構造特征向量；

步驟3：分割獲取的所述圖像成n×m的矩陣圖像，n和m的取值范圍為[8,16]；

步驟4：計算分割后每個小塊圖像的特征向量；

步驟5：輸出樣本圖像的特征向量訓練人工神經網絡；

步驟6：將無人機傳輸圖像的特征向量輸入訓練好的人工神經網絡，確定污染區域。

10.一種無線充電線圈的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：建立無線充電系統的磁耦合諧振式理論模型，該模型包括依次連接構成發射回路的電源U_S、電阻R₁、發射線圈和電容C₁，以及依次連接構成接收回路的等效負載R_L、電阻R₂、接收線圈和電容C₂，并建立該模型的KVL方程：

式中：I₁為流經發射回路線圈的電流，I₂為流經接收回路線圈的電流；Z₁，Z₂分別為發射、接收線圈回路的自阻抗，表示虛部，ω為傳輸系統角頻率，M為線圈間的互感；

步驟2：建立參數方程

r_avg＝0.5(D_max+D_min)

D_max＝(N-1)×S+N×W+D_min

式中，r_avg為線圈平均半徑，D_max為線圈的最大外圓直徑，D_min為線圈的最小外圓直徑，S為線圈匝間距，W為線圈導線直徑，N為線圈的匝數，β為線圈填充率；

步驟3：建立線圈參數與充電效率的關系方程

式中：D為兩線圈之間的距離，R為線圈的等效內阻，η為傳輸效率，μ₀為介電常數，M為線圈間的互感；

步驟4：根據步驟2)和步驟3)建立的方程，利用matlab軟件進行仿真實驗，確定線圈參數。