自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測水面機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地表水水質(zhì)采樣監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，主要的水質(zhì)監(jiān)測方法有兩種方式，一是在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，二是將水質(zhì)采樣到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測。這兩種方式都有其缺點(diǎn)，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測往往位置固定，不方便檢測其他位置的水樣。將水質(zhì)采樣到實(shí)驗(yàn)室往往由人劃船到指定位置采集水樣，如果采樣水域面積大，水面環(huán)境復(fù)雜，需要采集的樣本數(shù)多，人工采樣是一項(xiàng)繁重、效率低下的工作。而且如果是有毒污染，會(huì)對(duì)采樣人員的健康造成威脅。
[0003]在申請?zhí)枮?01010168446.7的中國發(fā)專利申請中，當(dāng)船前進(jìn)到視野之外時(shí)，采樣人員不能實(shí)時(shí)感知船所處的水域環(huán)境，當(dāng)水面上有很多漂浮物時(shí)，船只不僅無法運(yùn)行，而且有可能丟失船只。在該專利中，通信系統(tǒng)使用的是GPRS，GPRS需要付費(fèi)購買流量，在信號(hào)不好時(shí)數(shù)據(jù)延時(shí)大，不能實(shí)時(shí)操控機(jī)器人。在該專利中，使用卷揚(yáng)機(jī)收放采水管道，水管道卷在卷揚(yáng)機(jī)上，容易使采水管道彎折，這樣會(huì)造成采水管道不通，無法正常采集水樣；且該專利中使用電磁閥對(duì)水樣分流，采樣的水會(huì)經(jīng)過電磁閥內(nèi)部，電磁閥容易對(duì)水樣造成污染或者污染的水樣會(huì)腐蝕電磁閥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，能夠自動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)時(shí)返回監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。采樣點(diǎn)多，監(jiān)測水域面積廣，效率高，攜帶方便。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:包括有船體與設(shè)在船體上的電源系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、采樣監(jiān)測系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)；所述的主控系統(tǒng)包括單片機(jī)與其外圍電路；所述的導(dǎo)航系統(tǒng)包括有電子羅盤與GPS定位系統(tǒng)、超聲波避障傳感器、攝像頭，導(dǎo)航系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)相連，完成自主導(dǎo)航與自動(dòng)任務(wù)；所述的通訊系統(tǒng)包括有無線數(shù)傳圖傳模塊，通訊系統(tǒng)與主控系統(tǒng)直接相連，將水面機(jī)器人的位置信息、航向信息、采樣與監(jiān)測信息、攝像頭采集到的視頻信息實(shí)時(shí)發(fā)送到地面基站上；所述的采樣監(jiān)測系統(tǒng)包括有蠕動(dòng)泵、夾管閥、采水管道、采水?dāng)[桿、水質(zhì)傳感器與攝像頭，所述的采水?dāng)[桿安裝在舵機(jī)上，采水?dāng)[桿控制采水深度并與采水管道的一端相連，采水管道的另一端經(jīng)由蠕動(dòng)泵再到夾管閥分流到各個(gè)采樣瓶中，各采樣瓶設(shè)置在保溫箱中，采水?dāng)[桿上面安裝有與主控系統(tǒng)連接的水質(zhì)傳感器，可以在采集水樣時(shí)同時(shí)檢測水質(zhì)參數(shù)；所述的推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)方式為外掛式雙直流電機(jī)與螺旋槳推進(jìn)。
[0006]自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:所述的船體上還設(shè)有與主控系統(tǒng)連接的漏水檢測系統(tǒng)。
[0007]自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:所述的電源系統(tǒng)采用兩組聚合物鋰電池。
[0008]自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:所述的水質(zhì)傳感器包括有溫度傳感器，PH傳感器、溶解氧傳感器、電導(dǎo)率傳感器、濁度傳感器、氧化還原電位傳感器、氨離子傳感器。
[0009]導(dǎo)航系統(tǒng)將采集到機(jī)器人的當(dāng)前的航向、位置等信息發(fā)送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)處理后輸出控制信號(hào)給推進(jìn)系統(tǒng)，控制機(jī)器人自主導(dǎo)航。通訊系統(tǒng)將機(jī)器人當(dāng)前的航向、位置、水域環(huán)境、任務(wù)完成狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)發(fā)送給地面基站，采樣人員可能通過基站了解船當(dāng)前的信息。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明的可用范圍遠(yuǎn)，可通過人眼直接觀察水質(zhì)污染狀況、重量輕，操作簡單，簡化了采樣與監(jiān)測流程；采樣與監(jiān)測速度快，采樣數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠，并且可以實(shí)時(shí)檢測采樣點(diǎn)的水質(zhì)。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為采樣監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。
[0013]圖中:1.主控系統(tǒng)，2.船體，3.電源系統(tǒng)，4.采水?dāng)[桿，5.舵機(jī)，6.電子羅盤與GPS定位系統(tǒng)，7.超聲波避障傳感器，8.攝像頭，9.蠕動(dòng)泵，10.夾管閥，11.采水管道，12.保溫箱，13.采樣瓶，14.無線數(shù)傳圖傳模塊，15.推進(jìn)系統(tǒng)，16.螺旋槳，17.直流電機(jī)，18.水質(zhì)傳感器，19.漏水檢測系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明:
如圖1所示，自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測水面機(jī)器人，包括船體2與船體2上的電源系統(tǒng)，3、主控系統(tǒng)1、導(dǎo)航系統(tǒng)、采樣監(jiān)測系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)15。所述主控系統(tǒng)I包括單片機(jī)與外圍電路，所述導(dǎo)航系統(tǒng)包括電子羅盤與GPS定位系統(tǒng)，6，其姿態(tài)傳感器集成在主控系統(tǒng)I上面。主控系統(tǒng)I與無線數(shù)傳圖傳通訊模塊14直接相連，通過無線數(shù)傳圖傳模塊14將機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面基站上顯示記錄下來。主控系統(tǒng)I根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)采集到的位置信息等數(shù)據(jù)控制推進(jìn)器與采樣監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自動(dòng)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測。本實(shí)例中使用的兩套推進(jìn)系統(tǒng)15包含直流電機(jī)17與螺旋槳16，兩套推進(jìn)器采用外掛式安裝方式，方便拆卸與安裝。
[0015]本實(shí)例中，所述機(jī)器人上面安裝有超聲波避障傳感器7，通過超聲波避障傳感器7能夠發(fā)現(xiàn)前方與側(cè)面的障礙物，其與主控系統(tǒng)I直接相連，通過主控系統(tǒng)1，實(shí)現(xiàn)自主避障。所述機(jī)器人上面安裝有攝像頭8，其與無線數(shù)傳圖傳模塊14直接相連。通過無線數(shù)傳圖傳模塊14將采集到的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到地面基站。操控人員可以實(shí)時(shí)觀察船前方180度范圍內(nèi)的水域情況。所述的機(jī)器人上面安裝有漏水檢測模塊19，當(dāng)機(jī)器人有漏水現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，避免損失。
[0016]本實(shí)例中，所述的采樣與監(jiān)測系統(tǒng)包括采樣系統(tǒng)與水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)包括采水?dāng)[桿4、蠕動(dòng)泵9、夾管閥10、采水管道11、保溫箱12與采樣瓶13。采水?dāng)[桿4、蠕動(dòng)泵9、夾管閥10由主控系統(tǒng)I直接控制。采水管道11經(jīng)由采水?dāng)[桿4連接到蠕動(dòng)泵9，經(jīng)過蠕動(dòng)泵9連接到夾管閥10，然后分流到各個(gè)采樣瓶13中，采樣瓶13安裝在保溫箱12中。所述的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括水質(zhì)傳感器18:溫度傳感器、PH傳感器、溶解氧傳感器(DO)、濁度傳感器(TB)、電導(dǎo)率傳感器(EC)、氧化還原電位傳感器(ORP)再加上一種離子傳感器(如氨離子NH4+傳感器)。
[0017]本發(fā)明的特點(diǎn)如下:
1、裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可以實(shí)時(shí)觀察水域環(huán)境。裝有超聲波避障系統(tǒng)，在自主導(dǎo)航過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自主避障。
[0018]2、具有手工模式與自動(dòng)模式與指導(dǎo)模式等采樣方式。手工模式下由手持遙控器控制機(jī)器人行駛到定點(diǎn)進(jìn)行采樣與監(jiān)測。該操作過程中配合攝像頭使用可以在視距外采樣監(jiān)測。自動(dòng)模式下由基站設(shè)置好采樣任務(wù)后，由GPS定位系統(tǒng)、電子羅盤、狀態(tài)傳感器等采集到船的當(dāng)前位置、方向等信息，主控系統(tǒng)根據(jù)這些信息控制機(jī)器人按最小路徑行駛到任務(wù)點(diǎn)采樣。指導(dǎo)模式下可以人工手動(dòng)輸入采樣位置的經(jīng)緯度，機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航到該任務(wù)點(diǎn)進(jìn)行采樣。
[0019]3、具有失效保護(hù)機(jī)制，當(dāng)基站信號(hào)、遙控器信號(hào)丟失或者機(jī)器人電量不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)返航行為，即返回到出發(fā)點(diǎn)，以防止機(jī)器人丟失。
[0020]4、采樣系統(tǒng)中，水樣不經(jīng)過其他采水設(shè)備內(nèi)部，不會(huì)對(duì)采水設(shè)備造成污染?？梢允褂谩渡铒嬘盟畼?biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法水樣的采集與保存GB/T 5750.2-2006》中規(guī)定的各種方式進(jìn)行采樣。能夠搭載共六種水質(zhì)監(jiān)測傳感器設(shè)備，軟件自動(dòng)識(shí)別水質(zhì)傳感器類型。
[0021]采水與監(jiān)測過程如下:
1、機(jī)器人到達(dá)采樣監(jiān)測點(diǎn)后，主控系統(tǒng)控制舵機(jī)將擺桿旋轉(zhuǎn)一定角度，控制擺桿到達(dá)指定深度。
[0022]2、開啟蠕動(dòng)泵與相應(yīng)的夾管閥清洗管道，如此反復(fù)2-3次。
[0023]3、清洗管道結(jié)束后，開始采集水樣，向指定的采樣容器中采集定量的水。此時(shí)向水質(zhì)傳感器發(fā)送采集指令，水質(zhì)傳感器采集此采樣監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，發(fā)送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)通過通訊系統(tǒng)發(fā)送給地面基站。
[0024]4、在該點(diǎn)采樣與監(jiān)測結(jié)束后，控制舵機(jī)收起擺桿，機(jī)器人會(huì)行駛到下一采樣監(jiān)測點(diǎn)重復(fù)1-4的步驟，直到任務(wù)完全結(jié)束。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:包括有船體與設(shè)在船體上的電源系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、采樣監(jiān)測系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)；所述的主控系統(tǒng)包括單片機(jī)與其外圍電路；所述的導(dǎo)航系統(tǒng)包括有電子羅盤與GPS定位系統(tǒng)、超聲波避障傳感器、攝像頭，導(dǎo)航系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)相連，完成自主導(dǎo)航與自動(dòng)任務(wù)；所述的通訊系統(tǒng)包括有無線數(shù)傳圖傳模塊，通訊系統(tǒng)與主控系統(tǒng)直接相連；所述的采樣監(jiān)測系統(tǒng)包括有蠕動(dòng)泵、夾管閥、采水管道、采水?dāng)[桿、水質(zhì)傳感器與攝像頭，所述的采水?dāng)[桿安裝在舵機(jī)上，采水?dāng)[桿控制采水深度并與采水管道的一端相連，采水管道的另一端經(jīng)由蠕動(dòng)泵再到夾管閥分流到各個(gè)采樣瓶中，各采樣瓶設(shè)置在保溫箱中，采水?dāng)[桿上面安裝有與主控系統(tǒng)連接的水質(zhì)傳感器；所述的推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)方式為外掛式雙直流電機(jī)與螺旋槳推進(jìn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:所述的船體上還設(shè)有與主控系統(tǒng)連接的漏水檢測系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:所述的電源系統(tǒng)采用兩組聚合物鋰電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，其特征在于:所述的水質(zhì)傳感器包括有溫度傳感器，PH傳感器、溶解氧傳感器、電導(dǎo)率傳感器、濁度傳感器、氧化還原電位傳感器、氨離子傳感器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自主導(dǎo)航地表水水質(zhì)采樣與實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人，包括有船體與設(shè)在船體上的電源系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、采樣監(jiān)測系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)；導(dǎo)航系統(tǒng)包括有電子羅盤與GPS定位系統(tǒng)、超聲波避障傳感器、攝像頭，導(dǎo)航系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)相連；采樣監(jiān)測系統(tǒng)包括有采水?dāng)[桿，采水?dāng)[桿安裝在舵機(jī)上，采水?dāng)[桿控制采水深度并與采水管道的一端相連，采水管道的另一端經(jīng)由蠕動(dòng)泵再到夾管閥分流到各個(gè)采樣瓶中，各采樣瓶設(shè)置在保溫箱中，采水?dāng)[桿上面安裝有與主控系統(tǒng)連接的水質(zhì)傳感器；推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)方式為外掛式雙直流電機(jī)與螺旋槳推進(jìn)。本發(fā)明體積小，重量輕，便于攜帶，操作簡單，無污染，并且可以到達(dá)人無法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行采樣監(jiān)測。
【IPC分類】G01N33-18
【公開號(hào)】CN104569333
【申請?zhí)枴緾N201510005568
【發(fā)明人】朱宏磊, 李治洋, 茹華, 湯永報(bào), 周培雙, 李如武, 李青, 姜少輝, 葉剛
【申請人】安徽科微智能科技有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月6日