CN101806811B - 全自动地表水水质采样机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全自动地表水水质采样机器人，包括船体、驱动装置、控制装置和采样装置，控制装置包括导航装置、中央处理单元和通讯模块；采样装置包括气象和水质监测传感器、水下传感器和采样管收放器；导航装置包括GPS卫星定位传感器、电子罗盘和加速度传感器；导航装置与中央处理单元和通讯模块电连接，通讯模块通过无线信号与基站连接；船体设有雷达和激光测距传感器避障装置，以及固定剂滴入装置、保温箱；控制装置与驱动装置及采样装置电连接，实现自动采样和对船体的自动导航。本发明体积小、重量轻，采用电力驱动，无污染排放，相比大型采样船，不仅节约能耗，节省人力，而且价格便宜、降低了使用门槛。

Description

全自动地表水水质采样机器人

技术领域

本发明涉及水质自动采样装置，尤其是一种全自动地表水水质采样机器人。

背景技术

目前，传统的水质监测主要靠在线监测与采样后送至实验室测量。传统的采样方法主要有两种，一种方式是工作人员划船到规定地方采样。由于水库很大，每次监测只靠肉眼和参照物定位，准确度很差。如遇刮风，大雨还会给工作人员带来危险。划船采样工作量大，存在相当一部分工作人员违规简化操作的情况，而这种情况又难以被有效监督。这种方法还费时费力，效率低下。工序繁琐造成采样质量难以保证且采样频率低，无法及时发现水污染问题，是近些年来各种大型水污染事故频发的重要原因之一。

还有部分地区使用大型船，这类船只虽然功能全面，但价格昂贵，需要大量的专业人才操作及维护。另外这类船只一般都使用燃油动力，本身对水质有一定的污染。并且大船开动时对水面搅动很大，影响水样的真实性。

在申请号为200710158240.4的中国发明专利申请中，所述船的结构过于简单，无法完成国家在《地表水和污水监测技术规范HJ/T 91-2002》、《水质采样技术指导GB12998-91》中的相关要求，如目前需要检测的地表水深度往往达十几米甚至几十米深，国家规定水深超过10米要求采水下0.5米处，水底上0.5米处，以及中部。所述采样器无法达到这样的深度。《地表水和污水监测技术规范HJ/T 91-2002》、《水质采样技术指导GB12998-91》、《水质采样方案设计技术规定GB12997-91》、《水质自动采样器技术要求及监测办法HJ/T 372-2007》中还规定，采样时要用采样点的水冲洗采样瓶两到三次，采样后要滴入加入固定剂，要对水样进行保温，这些功能该船都不具备。在实际采样时，该船无法使用。在专利号为ZL97246477.8的中国发明专利中，所述的技术方案也不具有上述提到的要求，实际中无法使用。

发明内容

本发明的目的是结合国家在《地表水和污水监测技术规范HJ/T 91-2002》、《水质采样技术指导GB12998-91》、《水质采样方案设计技术规定GB12997-91》、《水质自动采样器技术要求及监测办法HJ/T 372-2007》，《水质采样样品的保存和管理技术规定GB12999-91》、《生活饮用水水标准检验方法水样的采集与保存GB/T 5750.2-2006》中的相关规定进行设计，能够完成在水质监测中规定的全部技术要求，可以在实际中使用。

本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的：

全自动地表水水质采样机器人，包括船体和设在船体上的驱动装置、控制装置和采样装置，所述控制装置包括导航装置、中央处理单元和通讯模块；所述采样装置包括气象和水质监测传感器、水下传感器和采样管收放器，采样管收放器上设有采样管；

所述导航装置包括GPS卫星定位传感器、电子罗盘和惯性测量模块；

所述导航装置与中央处理单元和通讯模块电路连接，通讯模块通过无线信号与地面基站或手持基站信号连接；

所述控制装置与驱动装置及采样装置电路连接，并实现自动采样和对船体的自动导航。

作为本发明的优选技术方案，所述船体上设有避障装置，该装置包括雷达和激光测距传感器，避障装置与驱动装置和控制装置电路连接。

作为本发明的优选技术方案，所述船体上设有固定剂滴入装置，该装置包括气动活塞泵、气源和电磁控制阀，电磁控制阀与中央处理单元电路连接。

作为本发明的优选技术方案，所述船体内还设有保温箱，保温箱内设有采样瓶。

作为本发明的优选技术方案，所述采样管经蠕动泵、电磁阀分流装置与采样瓶连接，采样瓶内设有清洗管，清洗管经蠕动泵连接出水管。

作为本发明的优选技术方案，所述气象和水质监测传感器包括温度传感器、湿度传感器、风向传感器和风速传感器。

作为本发明的优选技术方案，所述水下传感器包括水温传感器、流速传感器、pH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器和浊度传感器。

作为本发明的优选技术方案，所述驱动装置包括电源、无刷调速电机和螺旋桨；

所述电源包括电池；

所述船体后端设有两套无刷调速电机和螺旋桨。

作为本发明的优选技术方案，所述惯性测量模块包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。

作为本发明的优选技术方案，所述中央处理单元包括单片机；所述通讯模块包括GPRS通讯模块；

所述采样管收放器包括电机和卷扬机，卷扬机上卷绕有采样管，采样管的末端设有水下传感器。

本发明的有益效果是：相对于现有技术，本发明集成了国家现行水质采样的全部相关规定，提高了采样地点的准确性和深度的准确性；在采样过程中，较传统人工方法更加科学、合理，简化了采样过程。因此，本发明势必能提高采样质量、频率等，为水质采样提供一种新的自动化、远程化、规范化的新方案。

本发明全自动地表水水质采样机器人体积小、重量轻，采用电力驱动，自身无污染排放，相比大型采样船，不仅节约了能耗，节省了人力，而且价格便宜、大大降低了使用门槛。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明固定剂滴入装置的结构示意图；

图3是本发明蠕动泵和采样瓶的结构示意图；

图4是本发明采样管收放器和水下传感器的结构示意图。

图中：1.无刷调速电机，2.单片机，3.电池，4.船体，5.GPS卫星定位传感器和电子罗盘，6.GPRS通讯模块，7.气象和水质监测传感器，8.采样管收放器，9.蠕动泵，10.电磁阀分流装置，11.固定剂滴入装置，12.保温箱，13.采样管，14.气动活塞泵，15.雷达，16.激光测距传感器，17.水下传感器，18.惯性测量模块，19.采样瓶，20.螺旋桨，21.气源，22.电磁控制阀，23.清洗管，24.出水管。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图4所示，全自动地表水水质采样机器人，包括船体4和设在船体4上的驱动装置、控制装置和采样装置，所述控制装置包括导航装置、单片机2和GPRS通讯模块6。所述采样装置包括气象和水质监测传感器7、水下传感器17和采样管收放器8，采样管收放器8上设有采样管13。所述导航装置包括GPS卫星定位传感器和电子罗盘5以及惯性测量模块18，所述惯性测量模块18包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。所述导航装置与单片机2和GPRS通讯模块6电路连接，通讯模块6通过无线信号与地面基站或手持基站信号连接。所述控制装置与驱动装置及采样装置电路连接，并实现自动采样和对船体的自动导航。

本实施例中，所述船体4上设有避障装置，该装置包括雷达15和激光测距传感器16，避障装置与驱动装置和控制装置电路连接。所述船体4上还设有固定剂滴入装置11，该装置包括气动活塞泵14、气源21和电磁控制阀22，电磁控制阀22与单片机2电路连接。所述船体4内设有保温箱12，保温箱12内设有采样瓶19。所述采样管13经蠕动泵9、电磁阀分流装置10与采样瓶19连接，采样瓶19内设有清洗管23，清洗管23经蠕动泵9连接出水管24。

本实施例中，所述气象和水质监测传感器7包括温度传感器、湿度传感器、风向传感器和风速传感器。所述水下传感器17包括水温传感器、流速传感器、pH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器和浊度传感器。所述驱动装置包括电池3、无刷调速电机1和螺旋桨20；本实施例所述船体4后端设有两套无刷调速电机1和螺旋桨20。所述加速度传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪或角速度传感器。所述采样管收放器8包括电机81和卷扬机82，卷扬机82上卷绕有采样管13，采样管13的末端设有水下传感器17。

本发明具有如下特点：

1.装有雷达、激光测距传感器，能够实现在复杂水面交通状况下避障，达到稳定运行的目的。

2.具有自动航行模式，依目标采样水域的采样点分部、下水位置、上岸位置等，自动生成最短航线，经操作者修改确认后执行。导航通过GPS传感器，以及三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴电子罗盘实现自动导航，根据GPS传感器、加速度传感器的数据，全自动地表水水质采样机器人会实时修正在行驶中因风及水流产生的偏移，在该机器人失去GPS信号或遇到电磁干扰时，依然可以通过惯性测量模块实现定位导航。达到稳定运行的目的。

3.具有手动控制模式，全自动地表水水质采样机器人与手持基站、地面基站通过GPRS模块通讯，地面实时发送对船只的控制命令，同时接收船只的状态信息。可在执行特殊任务，紧急避险，下水，靠岸等特殊情况下使用。

4.本发明在水中前进是通过两个装有螺旋桨的驱动电机实现的。当需要转弯时，根据相应的转弯半径，改变两个驱动电机的方向及转速。

5.按照国家《地表水和污水监测技术规范HJ/T 91-2002》、《地表水自动监测技术规范》、《水质采样技术指导GB12998-91》、《水质采样方案设计技术规定GB12997-91》规定搭载气象及水质传感器，如温度、湿度、方向、风速、水温、pH、溶解氧、电导率和浊度传感器等，能够将采样时获得的气象参数，如温度、湿度、风向、风速，以及现场测试水样参数，如水温、pH、溶解氧、电导率和浊度等，传送至地面基站(总站)，实现采样数据汇总储存。温度，湿度，风向，风速等气象传感器装在船上，流速、水温、pH、溶解氧、电导率和浊度传感器装在采样管下端，使用时与采样管一同伸入水下。

6.全自动地表水水质采样机器人到达目标采样点后，会按照用户设定采取相应水深的水样，采样过程及采样工艺完全符合国家采样器的标准。

本发明采样过程如下：

1.控制伺服电机将采样管送至规定深度，通过电机转动的角度，可以直接计算出采样管伸出的长度。采样管下端装有温度传感器，pH传感器，溶解氧传感器，浊度传感器，电导率传感器，流速传感器等必要传感器，受重力影响，采样管会伸入水下，机器人上装有流速传感器，可以通过计算补偿因水流作用在采样管上导致采样管不垂直所引起的高度差。

2.本全自动地表水水质采样机器人采用双蠕动甭系统，一边采、一边抽。当采样管伸入确定深度时，能按要求用采样点的水冲洗采样瓶两到三次。采样器由单片机控制，并有流量传感器，能够实现定量采水。

3.单片机控制电磁阀导通，可以控制将水采入不同类型及容量的采样瓶。

4.采样瓶放在保温箱中，保证在采样时间内(约一小时)水温基本不变。

5.采样瓶留有固定剂滴入口，如需加入，只要事先将固定剂装置接在滴入口处，抽水完成后便会单片机会控制固定剂装置滴入该固定剂。固定剂装置采用启动驱动，固定剂放在干净注射器中，单片机控制电磁阀，电磁阀与气动元件连接，实现注射剂注入固定剂的动作。注入固定剂的量等于由操作者抽入注射器中固定剂的量。

6.具有自动清洗模式，在自动清洗模式下，蠕动泵能够吸入清水冲洗采样器管道。

Claims (8)

1.一种全自动地表水水质采样机器人，包括船体和设在船体上的驱动装置、控制装置和采样装置，其特征是：所述控制装置包括导航装置、中央处理单元和通讯模块；所述采样装置包括气象和水质监测传感器、水下传感器和采样管收放器，采样管收放器上设有采样管；

所述导航装置包括GPS卫星定位传感器、电子罗盘和惯性测量模块；

所述导航装置与中央处理单元和通讯模块电路连接，通讯模块通过无线信号与地面基站或手持基站信号连接；

所述控制装置与驱动装置及采样装置电路连接，并实现自动采样和对船体的自动导航；

所述船体上设有固定剂滴入装置，该装置通过导管与采样瓶连接，固定剂滴入装置包括气动活塞泵、气源和电磁控制阀，电磁控制阀与中央处理单元电路连接；

所述水下传感器包括水温传感器、流速传感器、pH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器和浊度传感器。

2.根据权利要求1所述的全自动地表水水质采样机器人，其特征是：所述船体上设有避障装置，该装置包括雷达和激光测距传感器，避障装置与驱动装置和控制装置电路连接。

3.根据权利要求1所述的全自动地表水水质采样机器人，其特征是：所述船体内设有保温箱，保温箱内设有所述采样瓶。

4.根据权利要求1或3所述的全自动地表水水质采样机器人，其特征是：所述采样管经蠕动泵一、电磁阀分流装置与采样瓶连接，采样瓶内设有清洗管，清洗管经蠕动泵二连接出水管。

5.根据权利要求1所述的全自动地表水水质采样机器人，其特征是：所述气象和水质监测传感器包括温度传感器、湿度传感器、风向传感器和风速传感器。

6.根据权利要求1所述的全自动地表水水质采样机器人，其特征是：所述驱动装置包括电源、无刷调速电机和螺旋桨；

所述电源包括电池；

所述船体后端设有两套无刷调速电机和螺旋桨。

7.根据权利要求1所述的全自动地表水水质采样机器人，其特征是：所述惯性测量模块包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。

8.根据权利要求1所述的全自动地表水水质采样机器人，其特征是：所述中央处理单元包括单片机；所述通讯模块包括GPRS通讯模块；

所述采样管收放器包括电机和卷扬机，卷扬机上卷绕有采样管，采样管的末端设有所述水下传感器。

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