CN101403660B - 水下活动采样平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下活动采样平台，其特征在于它包括潜水动力装置、采集组件和控制系统；所述潜水动力装置包括主仓和设于主仓上的水平推进装置和沉浮装置；所述采集组件包括连接主仓的水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置；所述控制系统包括设于主仓内的机载控制板及与机载控制板连接的终端PC机。本发明设有潜水动力装置，能够在水下灵活自由的活动，相比现有的水下采样设备能够在更广阔的范围内准确搜索并获取水下样品；同时本发明搭载有完整的采集组件，能够在一次水下环境测量任务中完整的完成水样采集、水底腐殖质采集和水底图像采集工作，因此相比现有的水下采样设备，采集效率更高。

Description

水下活动采样平台

技术领域

本发明涉及一种水下活动采样平台。

背景技术

传统的水下采样方式通常都是借助船上的“拖网”装置将水下腐殖质铲入随船行走的拖斗内，然后吊起至船舱，由于这种方式存在取样随机性大，准确性差的缺点，加上装置难以控制，效果很不理想，并已被逐步淘汰。

随后出现了专门的水下采样设备，这类设备通常由中央控制系统、水下监测装置、采集装置及其动力驱动装置所构成，其中采集装置针对不同的采集标的物，在结构和功能上存在较大的区别，一般可分为水样采集装置和土样采集装置。由于这类设备通过中央控制系统及动力驱动装置的连接，并借助水下监测装置的实时监控，使得人们可以自主的控制采集装置在水下的动作，因此在一定程度上提高了采样准确性，取得了较好的效果。

然而上述水下采样设备在实际的使用过程中也暴露出如下缺点：首先由于缺少专门的水下活动载具，采集装置无法在水下灵活自由的移动，因此无法在更广阔的范围内准确搜索并获取水下样品；其次由于设备无法同时搭载针对不同采集标的物而设的多组采集装置，故在一次水下环境测量任务中也就无法同时对水样、土样或者腐殖质等实现完整的采集；往往只有通过更换采集装置才能实现目的，这无疑不利于采集效率的提高。

随着人类对于水下地质情况研究的深入，水下采样势必将变的更为频繁，无疑对于水下采样设备的功能和性能提出了更高的要求。

发明内容

本发明目的是：针对背景技术中提及的现有水下采样设备存在的不足，而提供一种水下活动采样平台，不仅能够在水下灵活自由的移动，而且能够在一次水下环境测量任务中同时完成包含水样采集和水底腐殖质采集在内的多项采集工作。

本发明的技术方案是：一种水下活动采样平台，它包括潜水动力装置、采集组件和控制系统；所述潜水动力装置包括主仓和设于主仓上的水平推进装置和沉浮装置；所述采集组件包括连接主仓的水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置；所述控制系统包括设于主仓内的机载控制板及与机载控制板连接的终端PC机。

本发明中所述水平推进装置包括平行固定在主仓两侧的两个防水电动螺旋桨推进器，每个防水电动螺旋桨推进器内的电机同主仓内的机载控制板电连接。

本发明中所述沉浮装置包括储放气装置和供气装置，其中所述储放气装置包括固定在主仓顶部的前后两个气仓沉浮筒，及设于这两个气仓沉浮筒之间的一个由四个两位两通电磁阀连接组成的四通装置，该四通装置的四个接口中的两个分别连接两个气仓沉浮筒，其余两个分别为排气接口和进气接口；而所述供气装置包括固定在主仓内并与上述四通装置上的进气接口连接的电磁气阀，及连接该电磁气阀的高压气瓶；所述电磁气阀与四个两位两通电磁阀均与主仓内的机载控制板电连接。

本发明借助如上所述水平推进装置和沉浮装置能够方便、准确地移动自己的位置，并改变自身的姿态；其在水下共有6个自由度，分别为3个平移自由度x，y，z和3个旋转自由度

，θ，ψ。其中x，z，θ，ψ为独立可控自由度。

通过本发明整体配重方式保持为常数(水平)，y为不可控自由度。

水平x方向：当两个防水电动螺旋桨推进器等速同向旋转时，产生的推力将驱动本发明前进或者后退。

竖直z方向：通过控制前后气仓沉浮筒内的空气总体积可以控制本发明的浮力大小，当浮力F大于重力G时，本发明上浮，反之下潜。

俯仰角θ：通过调整前后气仓沉浮筒内的空气体积，可调整前后浮力比例，产生y方向的转距已达到调整俯仰角θ的目的。

方位角ψ：当两个防水电动螺旋桨推进器等速反向旋转时，将会产生绕z轴的自转转矩，利用该转距，可以将本发明调整至一固定的方位角ψ。

而x与ψ的同时控制可实现本发明的转向。

而z与θ的同时控制可实现本发明的紧急上浮或者下潜(倾斜上浮或者下潜)。

采集组件对于本发明来说也是关键的部分，以简单可靠的机械结构满足相应的功能是各采集装置的设计思路。

本发明中所述水样采集装置为设于主仓上的旋转推注式采集器。

所述旋转推注式采集器包括外壳、旋转机构和采样注射器；所述外壳固定在主仓底部，其前端设有封盖，封盖上沿轴向插设并固定有至少一个采样注射器；所述旋转机构包括封装在外壳内并与主仓内的机载控制板电连接的直流减速电机，及通过传动件连接在电机轴上的扇形转片；而所述采样注射器包括针筒和设于针筒内的活塞推杆，活塞推杆的前端与针筒尾端连接有拉簧，而活塞推杆的末端抵在扇形转片上。

本发明中的旋转推注式采集器通过扇形转片的旋转，使得采样注射器上的活塞推杆后部没有了阻挡，从而能够在拉簧的拉力作用下释放，将环境水样采集入针筒内，完成水样采集的任务。该旋转推注式采集器通过一个直流减速电机，并仅利用单自由度的旋转机构便可以完成定点的水样采集任务，设计简单但实用。

本发明所述土样采集装置包括固定在主仓外部的机架及安装在机架尾部末端的至少一个挖斗采集器。

所述挖斗采集器包括挖勺、盖板、套筒、直流减速电机和传动轴；直流减速电机封装在套筒内并与主仓内的机载控制板电连接，其电机轴上固定传动轴，传动轴的前端伸出套筒并偏心固定挖勺；而盖板固定在套筒上，并可与挖勺相盖合。

本发明中如上述挖斗采集器由内置直流减速电机的转速决定挖勺旋转的时间；而偏心固定的挖勺能够深入水底土层，进行腐殖质的采样；采集完成后挖勺与盖板闭合贮存土样。待本发明工作完毕出水后，通过控制直流减速电机反转便可以打开挖勺释放样本。

本发明所述图像采集装置包括固定在主仓前部，并由透明罩体封装的一个二自由度云台及设于该二自由度云台上的彩色摄像头和相关照明设备，所述彩色摄像头和相关照明设备均与机载控制板电连接。

本发明中所述机载控制板的作用是控制本发明在水下的移动(包括水平推进装置和沉浮装置的控制)，控制各采样装置的动作以及与终端PC机通过电缆以串口的方式通讯。而终端PC机的作用是向机载控制板发送控制指令、显示上传的水下实时图像及实现人机交互。

本发明中所述主仓内还设有同机载控制板连接的蓄电池，为水平推进装置、沉浮装置、水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置供电。

值得一提的是，本发明所述的这种水下活动采样平台同时融入了自主水下移动平台AUV(Autonomous Underwater Vehicle)的设计特点；其能够以主仓内自带的蓄电池提供能源，并且独特的沉浮装置设计，可实现定点定深悬浮，尤其是其内部采用高压气瓶供给储放气装置，能够使本发明整体的耗电需求下降。因此可以很方便将本发明改装为一台AUV。

本发明的优点是：

1.本发明所述的这种水下活动采样平台由于设有潜水动力装置，能够在水下灵活自由的活动，尤其是所述潜水动力装置上进一步采用了独特设计的沉浮装置，能够实现定点定深悬浮，以此进一步控制本发明在水下活动的姿态和采样深度；因此相比现有的水下采样设备，本发明水下活动的灵活性和自由度更大，能够在更广阔的范围内准确搜索并获取水下样品。

2.本发明所述的这种水下活动采样平台同时搭载有独特设计的水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置，因此能够在一次水下环境测量任务中完整的完成水样采集、水底腐殖质采集和水底图像采集工作，相比现有的水下采用设备，采集效率更高。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明具体实施例的立体结构示意图(省略机架尾部末端的挖斗采集器)；

图2为图1实施例的另一立体结构示意图(省略水样采集装置)；

图3为图1实施例的主仓内部结构示意图；

图4为图1实施例中储放气装置内部结构示意图；

图5为图1实施例在水下活动的自由度演示；

图6为图1实施例中旋转推注式采集器的发大结构示意图；

图7为旋转推注式采集器的立体分解结构示意图；

图8为旋转推注式采集器的主剖面图；

图9为图2的局部放大图；

图10为挖斗采集器的立体分解结构示意图。

其中：1、主仓；2、机载控制板；3、防水电动螺旋桨推进器；4、储放气装置；5、气仓沉浮筒；6、四通装置；7、电磁气阀；8、高压气瓶；9、旋转推注式采集器；10、外壳；11、采样注射器；12、封盖；13、直流减速电机；14、传动件；15、扇形转片；16、针筒；17、活塞推杆；18、拉簧；19、机架；20、挖斗采集器；21、挖勺；22、盖板；23、套筒；24、直流减速电机；25、传动轴；26、二自由度云台；27、彩色摄像头；28、蓄电池；29、透明罩体。

具体实施方式

实施例：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示为本发明水下活动采样平台的一种具体实施方式，它包括潜水动力装置、采集组件和控制系统；所述潜水动力装置包括主仓1和设于主仓1上的水平推进装置和沉浮装置；所述采集组件包括连接主仓1的水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置；所述控制系统包括设于主仓1内的机载控制板2及与机载控制板2连接的终端PC机；同时本实施例中在主仓1内设有同机载控制板2连接的蓄电池28，为水平推进装置、沉浮装置、水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置供电。

具体结合图1、图2、图3和图4所示，本实施例中所述水平推进装置包括平行固定在主仓1两侧的两个防水电动螺旋桨推进器3，每个防水电动螺旋桨推进器3内的电机同主仓1内的机载控制板2电连接。

同时本实施例中所述沉浮装置则包括储放气装置4和供气装置，其中所述储放气装置4包括固定在主仓1顶部的前后两个气仓沉浮筒5，及设于这两个气仓沉浮筒5之间的一个由四个两位两通电磁阀连接组成的四通装置6，该四通装置6的四个接口中的两个分别连接两个气仓沉浮筒5，其余两个分别为排气接口(图4中未标识)和进气接口(图4中不可见)；而所述供气装置包括固定在主仓1内并与上述四通装置6上的进气接口连接的电磁气阀7，及连接该电磁气阀7的高压气瓶8；所述电磁气阀7与四个两位两通电磁阀均与主仓1内的机载控制板2电连接。

本实施例借助如上所述水平推进装置和沉浮装置能够方便、准确地移动自己的位置，并改变自身的姿态；其在水下共有6个自由度，具体结合图5所示分别为3个平移自由度x，y，z和3个旋转自由度

，θ，ψ。其中x，z，θ，ψ为独立可控自由度。

通过本实施例整体配重方式保持为常数(水平)，y为不可控自由度。

水平x方向：当两个防水电动螺旋桨推进器3等速同向旋转时，产生的推力将驱动本实施例前进或者后退。

竖直z方向：通过控制前后气仓沉浮筒5内的空气总体积可以控制本实施例的浮力大小，当浮力F大于重力G时，本实施例上浮，反之下潜。

俯仰角θ：通过调整前后气仓沉浮筒5内的空气体积，可调整前后浮力比例，产生y方向的转距以达到调整俯仰角θ的目的。

方位角ψ：当两个防水电动螺旋桨推进器3等速反向旋转时，将会产生绕z轴的自转转矩，利用该转距，可以将本实施例调整至一固定的方位角ψ。

并且x与ψ的同时控制可实现本实施例的转向。

而z与θ的同时控制可实现本实施例的紧急上浮或者下潜(倾斜上浮或者下潜)。

采集组件对于本发明来说也是关键的部分，以简单可靠的机械结构满足相应的功能是各采集装置的设计思路。

具体结合图1、图6、图7和图8所示，本实施例中所述水样采集装置为设于主仓上的旋转推注式采集器9，该旋转推注式采集器9包括外壳10、旋转机构和采样注射器11。所述外壳10固定在主仓1底部，其前端设有封盖12，封盖12上沿轴向插设并固定有四个呈扇形分布的采样注射器11，并且本实施例中每个采样注射器11在封盖12上的插设孔内均设有密封圈(图中未画出)，以堵住插设孔与采样注射器11间的间隙。

所述旋转机构包括封装在外壳10内并与主仓1内的机载控制板2电连接的直流减速电机13，及通过传动件14连接在电机轴上的扇形转片15；且所述直流减速电机13的额定电压为12V，输出轴转速为5r/min。

所述采样注射器11均由10ml的普通注射器改装而成，包括针筒16和设于针筒16内的活塞推杆17，活塞推杆17的前端与针筒16尾端连接有拉簧18，而活塞推杆17的末端抵在扇形转片15上。

上述旋转推注式采集器通过扇形转片15的旋转，使得四个采样注射器11上的活塞推杆17的后部没有了阻挡，从而能够在各自拉簧18的拉力作用下依次释放，将环境水样采集入针筒16内，完成水样采集的任务。该旋转推注式采集器通过一个直流减速电机13，并仅利用单自由度的旋转机构便可以完成定点的水样采集任务，设计简单但实用。

具体结合图2、图9、图10所示，本实施例所述土样采集装置包括固定在主仓1外部的机架19及安装在机架19尾部末端的两个挖斗采集器20。所述每个挖斗采集器20均包括挖勺21、盖板22、套筒23、直流减速电机24和传动轴25；直流减速电机24封装在套筒23内并与主仓1内的机载控制板2电连接，其电机轴上固定传动轴25，传动轴25的前端伸出套筒23并固定挖勺21；而盖板22固定在套筒23上，并可与挖勺21相盖合。

本实施例中如上述挖斗采集器20由内置直流减速电机24的转速决定挖勺21旋转的时间；而偏心固定的挖勺21能够深入水底土层，进行腐殖质的采样；采集完成后挖勺21与盖板22闭合贮存土样。待本实施例工作完毕出水后，通过控制直流减速电机24反转便可以打开挖勺21释放样本。

具体结合图1和图3所示，本实施例中所述图像采集装置包括固定在主仓1前部，并由透明罩体29封装的一个二自由度云台26及设于该二自由度云台26上的彩色摄像头27和相关照明设备，所述彩色摄像头27和相关照明设备(图中未画出)均与机载控制板2电连接。

本实施例中所述机载控制板2的作用是控制本实施例在水下的移动(包括水平推进装置和沉浮装置的控制)，控制各采样装置的动作以及与终端PC机通过电缆以串口的方式通讯。而终端PC机的作用是向机载控制板2发送控制指令、显示上传的水下实时图像及实现人机交互，当然控制方式均为现有技术，不再多述。

本实施例所述的这种水下活动采样平台由于设有潜水动力装置，能够在水下灵活自由的活动，尤其是所述潜水动力装置上进一步采用了独特设计的沉浮装置，能够实现定点定深悬浮，以此进一步控制本实施例在水下活动的姿态和采样深度；因此相比现有的水下采样设备，本实施例水下活动的灵活性和自由度更大，能够在更广阔的范围内准确搜索并获取水下样品。

并且本实施例所述的这种水下活动采样平台同时搭载有独特设计的水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置，因此能够在一次水下环境测量任务中完整的完成水样采集、水底腐殖质采集和水底图像采集工作，相比现有的水下采用设备，采集效率更高。

值得一提的是，本实施例所述的这种水下活动采样平台同时融入了自主水下移动平台AUV(Autonomous Underwater Vehicle)的设计特点；其能够以主仓1内自带的蓄电池28提供能源，并且独特的沉浮装置设计，可实现定点定深悬浮，尤其是其内部采用高压气瓶8供给储放气装置4，能够使本实施例整体的耗电需求下降。因此可以很方便将本实施例改装为一台AUV。

Claims (8)

1.一种水下活动采样平台，其特征在于它包括潜水动力装置、采集组件和控制系统；所述潜水动力装置包括主仓(1)和设于主仓(1)上的水平推进装置和沉浮装置；所述采集组件包括连接主仓(1)的水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置；所述控制系统包括设于主仓(1)内的机载控制板(2)及与机载控制板(2)连接的终端PC机；所述水平推进装置包括平行固定在主仓(1)两侧的两个防水电动螺旋桨推进器(3)，每个防水电动螺旋桨推进器(3)内的电机同主仓(1)内的机载控制板(2)电连接；所述沉浮装置包括储放气装置(4)和供气装置，其中所述储放气装置(4)包括固定在主仓(1)顶部的前后两个气仓沉浮筒(5)，及设于这两个气仓沉浮筒(5)之间的一个由四个两位两通电磁阀连接组成的四通装置(6)，该四通装置(6)的四个接口中的两个分别连接两个气仓沉浮筒(5)，其余两个分别为排气接口和进气接口；而所述供气装置包括固定在主仓(1)内并与上述四通装置(6)上的进气接口连接的电磁气阀(7)，及连接该电磁气阀(7)的高压气瓶(8)；所述电磁气阀(7)与四个两位两通电磁阀均与主仓(1)内的机载控制板(2)电连接。

2.根据权利要求1所述的水下活动采样平台，其特征在于所述水样采集装置为设于主仓(1)上的旋转推注式采集器(9)。

3.根据权利要求2所述的水下活动采样平台，其特征在于所述旋转推注式采集器(9)包括外壳(10)、旋转机构和采样注射器(11)；所述外壳(10)固定在主仓(1)底部，外壳(10)的前端设有封盖(12)，封盖(12)上沿轴向插设并固定有至少一个采样注射器(11)；所述旋转机构包括封装在外壳(10)内并与主仓(1)内的机载控制板(2)电连接的直流减速电机(13)，及通过传动件(14)连接在电机轴上的扇形转片(15)；而所述采样注射器(11)包括针筒(16)和设于针筒(16)内的活塞推杆(17)，活塞推杆(17)的前端与针筒(16)尾端连接有拉簧(18)，而活塞推杆(17)的末端抵在扇形转片(15)上。

4.根据权利要求1所述的水下活动采样平台，其特征在于所述土样采集装置包括固定在主仓(1)外部的机架(19)及安装在机架(19)尾部末端的至少一个挖斗采集器(20)。

5.根据权利要求4所述的水下活动采样平台，其特征在于所述挖斗采集器(20)包括挖勺(21)、盖板(22)、套筒(23)、直流减速电机(24)和传动轴(25)；直流减速电机(24)封装在套筒(23)内并与主仓(1)内的机载控制板(2)电连接，其电机轴上固定传动轴(25)，传动轴(25)的前端伸出套筒(23)并固定挖勺(21)；而盖板(22)固定在套筒(23)上，并与挖勺(21)相盖合。

6.根据权利要求1所述的水下活动采样平台，其特征在于所述图像采集装置包括固定在主仓(1)前部，并由透明罩体(29)封装的一个二自由度云台(26)及设于该二自由度云台(26)上的彩色摄像头(27)和相关照明设备，所述彩色摄像头(27)和相关照明设备均与机载控制板(2)电连接。

7.根据权利要求1所述的水下活动采样平台，其特征在于所述主仓(1)内设有同机载控制板(2)连接的蓄电池(28)，为水平推进装置、沉浮装置、水样采集装置、土样采集装置和实时图像采集装置供电。

8.根据权利要求1所述的水下活动采样平台，其特征在于所述机载控制板(2)与终端PC机通过电缆以串口的方式连接通讯。

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