專利名稱：全自動地表水水質(zhì)采樣機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水質(zhì)自動采樣裝置，尤其是一種全自動地表水水質(zhì)采樣機器人。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測主要靠在線監(jiān)測與采樣后送至實驗室測量。傳統(tǒng)的采樣方 法主要有兩種，一種方式是工作人員劃船到規(guī)定地方采樣。由于水庫很大，每次監(jiān)測只靠肉 眼和參照物定位，準確度很差。如遇刮風，大雨還會給工作人員帶來危險。劃船采樣工作量 大，存在相當一部分工作人員違規(guī)簡化操作的情況，而這種情況又難以被有效監(jiān)督。這種方 法還費時費力，效率低下。工序繁瑣造成采樣質(zhì)量難以保證且采樣頻率低，無法及時發(fā)現(xiàn)水 污染問題，是近些年來各種大型水污染事故頻發(fā)的重要原因之一。還有部分地區(qū)使用大型船，這類船只雖然功能全面，但價格昂貴，需要大量的專業(yè) 人才操作及維護。另外這類船只一般都使用燃油動力，本身對水質(zhì)有一定的污染。并且大 船開動時對水面攪動很大，影響水樣的真實性。在申請?zhí)枮?00710158240.4的中國發(fā)明專利申請中，所述船的結(jié)構(gòu)過于簡 單，無法完成國家在《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T 91-2002》、《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo) GB12998-91》中的相關(guān)要求，如目前需要檢測的地表水深度往往達十幾米甚至幾十米深， 國家規(guī)定水深超過10米要求采水下0. 5米處，水底上0. 5米處，以及中部。所述采樣器 無法達到這樣的深度。《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T 91-2002》、《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo) GB12998-91》、《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定GB12997-91》、《水質(zhì)自動采樣器技術(shù)要求及監(jiān) 測辦法HJ/T 372-2007》中還規(guī)定，采樣時要用采樣點的水沖洗采樣瓶兩到三次，采樣后要 滴入加入固定劑，要對水樣進行保溫，這些功能該船都不具備。在實際采樣時，該船無法使 用。在專利號為ZL97246477. 8的中國發(fā)明專利中，所述的技術(shù)方案也不具有上述提到的要 求，實際中無法使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是結(jié)合國家在《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T 91-2002》、《水 質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)GB12998-91》、《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定GB12997-91》、《水質(zhì)自動 采樣器技術(shù)要求及監(jiān)測辦法HJ/T 372-2007》，《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定 GB12999-9IK《生活飲用水水標準檢驗方法水樣的采集與保存GB/T 5750. 2-2006》中的相 關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，能夠完成在水質(zhì)監(jiān)測中規(guī)定的全部技術(shù)要求，可以在實際中使用。本發(fā)明的目的是通過采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，包括船體和設(shè)在船體上的驅(qū)動裝置、控制裝置和 采樣裝置，所述控制裝置包括導(dǎo)航裝置、中央處理單元和通訊模塊；所述采樣裝置包括氣象 和水質(zhì)監(jiān)測傳感器、水下傳感器和采樣管收放器，采樣管收放器上設(shè)有采樣管；所述導(dǎo)航裝置包括GPS衛(wèi)星定位傳感器、電子羅盤和慣性測量模塊；所述導(dǎo)航裝置與中央處理單元和通訊模塊電路連接，通訊模塊通過無線信號與地面基站或手持基站信號連接；所述控制裝置與驅(qū)動裝置及采樣裝置電路連接，并實現(xiàn)自動采樣和對船體的自動 導(dǎo)航。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述船體上設(shè)有避障裝置，該裝置包括雷達和激光 測距傳感器，避障裝置與驅(qū)動裝置和控制裝置電路連接。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述船體上設(shè)有固定劑滴入裝置，該裝置包括氣動 活塞泵、氣源和電磁控制閥，電磁控制閥與中央處理單元電路連接。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述船體內(nèi)還設(shè)有保溫箱，保溫箱內(nèi)設(shè)有采樣瓶。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述采樣管經(jīng)蠕動泵、電磁閥分流裝置與采樣瓶連 接，采樣瓶內(nèi)設(shè)有清洗管，清洗管經(jīng)蠕動泵連接出水管。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述氣象和水質(zhì)監(jiān)測傳感器包括溫度傳感器、濕度 傳感器、風向傳感器和風速傳感器。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述水下傳感器包括水溫傳感器、流速傳感器、pH傳 感器、溶解氧傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述驅(qū)動裝置包括電源、無刷調(diào)速電機和螺旋槳；所述電源包括電池；所述船體后端設(shè)有兩套無刷調(diào)速電機和螺旋槳。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述慣性測量模塊包括三軸加速度傳感器、三軸陀 螺儀、三軸電子羅盤。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述中央處理單元包括單片機；所述通訊模塊包括 GPRS通訊模塊；所述采樣管收放器包括電機和卷揚機，卷揚機上卷繞有采樣管，采樣管的末端設(shè) 有水下傳感器。本發(fā)明的有益效果是相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明集成了國家現(xiàn)行水質(zhì)采樣的全部 相關(guān)規(guī)定，提高了采樣地點的準確性和深度的準確性；在采樣過程中，較傳統(tǒng)人工方法更加 科學(xué)、合理，簡化了采樣過程。因此，本發(fā)明勢必能提高采樣質(zhì)量、頻率等，為水質(zhì)采樣提供 一種新的自動化、遠程化、規(guī)范化的新方案。本發(fā)明全自動地表水水質(zhì)采樣機器人體積小、重量輕，采用電力驅(qū)動，自身無污染 排放，相比大型采樣船，不僅節(jié)約了能耗，節(jié)省了人力，而且價格便宜、大大降低了使用門
-Im ο


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明固定劑滴入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明蠕動泵和采樣瓶的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明采樣管收放器和水下傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.無刷調(diào)速電機，2.單片機，3.電池，4.船體，5. GPS衛(wèi)星定位傳感器和電 子羅盤，6. GPRS通訊模塊，7.氣象和水質(zhì)監(jiān)測傳感器，8.采樣管收放器，9.蠕動泵，10.電 磁閥分流裝置，11.固定劑滴入裝置，12.保溫箱，13.采樣管，14.氣動活塞泵，15.雷達，16.激光測距傳感器，17.水下傳感器，18.慣性測量模塊，19.采樣瓶，20.螺旋槳，21.氣 源，22.電磁控制閥，23.清洗管，24.出水管。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實施例對本發(fā)明作進一步說明如圖1至圖4所示，全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，包括船體4和設(shè)在船體4上的 驅(qū)動裝置、控制裝置和采樣裝置，所述控制裝置包括導(dǎo)航裝置、單片機2和GPRS通訊模塊6。 所述采樣裝置包括氣象和水質(zhì)監(jiān)測傳感器7、水下傳感器17和采樣管收放器8，采樣管收放 器8上設(shè)有采樣管13。所述導(dǎo)航裝置包括GPS衛(wèi)星定位傳感器和電子羅盤5以及慣性測量 模塊18，所述慣性測量模塊18包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸電子羅盤。所述導(dǎo) 航裝置與單片機2和GPRS通訊模塊6電路連接，通訊模塊6通過無線信號與地面基站或手 持基站信號連接。所述控制裝置與驅(qū)動裝置及采樣裝置電路連接，并實現(xiàn)自動采樣和對船 體的自動導(dǎo)航。本實施例中，所述船體4上設(shè)有避障裝置，該裝置包括雷達15和激光測距傳感器 16，避障裝置與驅(qū)動裝置和控制裝置電路連接。所述船體4上還設(shè)有固定劑滴入裝置11， 該裝置包括氣動活塞泵14、氣源21和電磁控制閥22，電磁控制閥22與單片機2電路連接。 所述船體4內(nèi)設(shè)有保溫箱12，保溫箱12內(nèi)設(shè)有采樣瓶19。所述采樣管13經(jīng)蠕動泵9、電磁 閥分流裝置10與采樣瓶19連接，采樣瓶19內(nèi)設(shè)有清洗管23，清洗管23經(jīng)蠕動泵9連接出 水管24。本實施例中，所述氣象和水質(zhì)監(jiān)測傳感器7包括溫度傳感器、濕度傳感器、風向傳 感器和風速傳感器。所述水下傳感器17包括水溫傳感器、流速傳感器、pH傳感器、溶解氧 傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器。所述驅(qū)動裝置包括電池3、無刷調(diào)速電機1和螺旋槳 20 ；本實施例所述船體4后端設(shè)有兩套無刷調(diào)速電機1和螺旋槳20。所述加速度傳感器包 括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀或角速度傳感器。所述采樣管收放器8包括電機81和卷 揚機82，卷揚機82上卷繞有采樣管13，采樣管13的末端設(shè)有水下傳感器17。本發(fā)明具有如下特點1.裝有雷達、激光測距傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜水面交通狀況下避障，達到穩(wěn)定運 行的目的。2.具有自動航行模式，依目標采樣水域的采樣點分部、下水位置、上岸位置等，自 動生成最短航線，經(jīng)操作者修改確認后執(zhí)行。導(dǎo)航通過GPS傳感器，以及三軸陀螺儀、三軸 加速度傳感器、三軸電子羅盤實現(xiàn)自動導(dǎo)航，根據(jù)GPS傳感器、加速度傳感器的數(shù)據(jù)，全自 動地表水水質(zhì)采樣機器人會實時修正在行駛中因風及水流產(chǎn)生的偏移，在該機器人失去 GPS信號或遇到電磁干擾時，依然可以通過慣性測量模塊實現(xiàn)定位導(dǎo)航。達到穩(wěn)定運行的目 的。3.具有手動控制模式，全自動地表水水質(zhì)采樣機器人與手持基站、地面基站通過 GPRS模塊通訊，地面實時發(fā)送對船只的控制命令，同時接收船只的狀態(tài)信息。可在執(zhí)行特殊 任務(wù)，緊急避險，下水，靠岸等特殊情況下使用。4.本發(fā)明在水中前進是通過兩個裝有螺旋槳的驅(qū)動電機實現(xiàn)的。當需要轉(zhuǎn)彎時， 根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑，改變兩個驅(qū)動電機的方向及轉(zhuǎn)速。
5.按照國家《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T 91-2002》、《地表水自動監(jiān)測技術(shù) 規(guī)范》、《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)GB12998-91》、《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定GB12997-91》規(guī)定搭 載氣象及水質(zhì)傳感器，如溫度、濕度、方向、風速、水溫、PH、溶解氧、電導(dǎo)率和濁度傳感器等， 能夠?qū)⒉蓸訒r獲得的氣象參數(shù)，如溫度、濕度、風向、風速，以及現(xiàn)場測試水樣參數(shù)，如水溫、 PH、溶解氧、電導(dǎo)率和濁度等，傳送至地面基站(總站)，實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)匯總儲存。溫度，濕 度，風向，風速等氣象傳感器裝在船上，流速、水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率和濁度傳感器裝在采 樣管下端，使用時與采樣管一同伸入水下。6.全自動地表水水質(zhì)采樣機器人到達目標采樣點后，會按照用戶設(shè)定采取相應(yīng)水 深的水樣，采樣過程及采樣工藝完全符合國家采樣器的標準。本發(fā)明采樣過程如下1.控制伺服電機將采樣管送至規(guī)定深度，通過電機轉(zhuǎn)動的角度，可以直接計算出 采樣管伸出的長度。采樣管下端裝有溫度傳感器，PH傳感器，溶解氧傳感器，濁度傳感器，電 導(dǎo)率傳感器，流速傳感器等必要傳感器，受重力影響，采樣管會伸入水下，機器人上裝有流 速傳感器，可以通過計算補償因水流作用在采樣管上導(dǎo)致采樣管不垂直所引起的高度差。2.本全自動地表水水質(zhì)采樣機器人采用雙蠕動甭系統(tǒng)，一邊采、一邊抽。當采樣管 伸入確定深度時，能按要求用采樣點的水沖洗采樣瓶兩到三次。采樣器由單片機控制，并有 流量傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)定量采水。3.單片機控制電磁閥導(dǎo)通，可以控制將水采入不同類型及容量的采樣瓶。4.采樣瓶放在保溫箱中，保證在采樣時間內(nèi)(約一小時)水溫基本不變。5.采樣瓶留有固定劑滴入口，如需加入，只要事先將固定劑裝置接在滴入口處，抽 水完成后便會單片機會控制固定劑裝置滴入該固定劑。固定劑裝置采用啟動驅(qū)動，固定劑 放在干凈注射器中，單片機控制電磁閥，電磁閥與氣動元件連接，實現(xiàn)注射劑注入固定劑的 動作。注入固定劑的量等于由操作者抽入注射器中固定劑的量。6.具有自動清洗模式，在自動清洗模式下，蠕動泵能夠吸入清水沖洗采樣器管道。
權(quán)利要求
一種全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，包括船體和設(shè)在船體上的驅(qū)動裝置、控制裝置和采樣裝置，其特征是所述控制裝置包括導(dǎo)航裝置、中央處理單元和通訊模塊；所述采樣裝置包括氣象和水質(zhì)監(jiān)測傳感器、水下傳感器和采樣管收放器，采樣管收放器上設(shè)有采樣管；所述導(dǎo)航裝置包括GPS衛(wèi)星定位傳感器、電子羅盤和慣性測量模塊；所述導(dǎo)航裝置與中央處理單元和通訊模塊電路連接，通訊模塊通過無線信號與地面基站或手持基站信號連接；所述控制裝置與驅(qū)動裝置及采樣裝置電路連接，并實現(xiàn)自動采樣和對船體的自動導(dǎo)航。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述船體上設(shè)有 避障裝置，該裝置包括雷達和激光測距傳感器，避障裝置與驅(qū)動裝置和控制裝置電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述船體上設(shè)有 固定劑滴入裝置，該裝置包括氣動活塞泵、氣源和電磁控制閥，電磁控制閥與中央處理單元 電路連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述船體內(nèi)還設(shè) 有保溫箱，保溫箱內(nèi)設(shè)有采樣瓶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述采樣管 經(jīng)蠕動泵、電磁閥分流裝置與采樣瓶連接，采樣瓶內(nèi)設(shè)有清洗管，清洗管經(jīng)蠕動泵連接出水管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述氣象和水質(zhì) 監(jiān)測傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、風向傳感器和風速傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述水下傳 感器包括水溫傳感器、流速傳感器、PH傳感器、溶解氧傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述驅(qū)動裝置包 括電源、無刷調(diào)速電機和螺旋槳；所述電源包括電池；所述船體后端設(shè)有兩套無刷調(diào)速電機和螺旋槳。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述慣性測量模 塊包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸電子羅盤。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，其特征是所述中央處理單 元包括單片機；所述通訊模塊包括GPRS通訊模塊；所述采樣管收放器包括電機和卷揚機，卷揚機上卷繞有采樣管，采樣管的末端設(shè)有水 下傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及全自動地表水水質(zhì)采樣機器人，包括船體、驅(qū)動裝置、控制裝置和采樣裝置，控制裝置包括導(dǎo)航裝置、中央處理單元和通訊模塊；采樣裝置包括氣象和水質(zhì)監(jiān)測傳感器、水下傳感器和采樣管收放器；導(dǎo)航裝置包括GPS衛(wèi)星定位傳感器、電子羅盤和加速度傳感器；導(dǎo)航裝置與中央處理單元和通訊模塊電連接，通訊模塊通過無線信號與基站連接；船體設(shè)有雷達和激光測距傳感器避障裝置，以及固定劑滴入裝置、保溫箱；控制裝置與驅(qū)動裝置及采樣裝置電連接，實現(xiàn)自動采樣和對船體的自動導(dǎo)航。本發(fā)明體積小、重量輕，采用電力驅(qū)動，無污染排放，相比大型采樣船，不僅節(jié)約能耗，節(jié)省人力，而且價格便宜、降低了使用門檻。
文檔編號G08C17/02GK101806811SQ20101016844
公開日2010年8月18日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者張云飛, 張祚, 成亮, 王銘鈺 申請人:珠海云洲智能科技有限公司