CN103808529A - 一种自主导航水样采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主导航水样采集器，其主要包括机械系统、自主导航系统、电控系统和水质留样分析系统；所述机械系统主要包括2个密封舱、推进器和水样分析存储器；所述自主导航系统是水样器的航行航线的算法处理中心，负责水样器的自主定位与航行，完成高精度的定位信息的处理与存储，并提供给电控系统；所述电控系统主要是实现传感器参数采集监测和推进器驱动的设计，所述水质留样分析系统主要包括水体分析存储器，以实现对水样的参数分析和留样存储；所述的四个子系统相互依赖，互相提供数据共享，构成一个整体结构。与现有的技术系统相比，本发明的有益效果是可以适应多种复杂水体。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主导航水样采集器，属于智能机械领域。
背景技术
随着水体环境的污染越来越严重，为了确保水资源的可持续发展，对于水体的检测和污染控制成了必要的工作。对于水体的采样检测，目前大多数水样采集器都只能满足采集特定深度和位置的水样，需要更换位置或者是深度就得靠人力或者是其他外力实现，当采集的范围广、深度大的时候，就会耗费过多的人力和财力，甚至在个别情况采样人员会有生命危险；冬天的时候，需要在多处取样的话，还得进行多次的破冰操作；在很多情况下由于要将水样带回到实验室分析，由于运输过程中如果保存不当会严重影响检测的准确度，不能够正确公正的评估水样。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种集成自主导航系统的高精度的、能满足不同深度和广度的水样采集器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种自主导航水样采集器，其主要包括四个子系统部分：机械系统、自主导航系统、电控系统和水质留样分析系统；
所述机械系统主要包括2个密封舱、推进器和水样分析存储器；每个密封舱分为前舱和后舱；
所述自主导航系统是水样器的航行航线的算法处理中心，负责水样器的自主定位与航行，完成高精度的定位信息的处理与存储，并提供给电控系统；
所述电控系统主要是实现传感器参数采集监测和推进器驱动的设计，完成通信、系统状态参数采集、推进器控制、水样分析存储器管理功能；包括测量采样器航行速度、电源电压和电流、监测水密舱的密封情况以及水体分析存储器传回的数据；
所述水质留样分析系统主要包括水体分析存储器，以实现对水样的参数分析和留样存储；
所述的四个子系统相互依赖，互相提供数据共享，构成一个整体结构。
其中：
所述机械系统由耐腐蚀的合金密封舱、推进器和水样分析存储器构成，密封舱的前舱放置传感器系统，后舱放置推进器驱动系统，两个密封舱的中间放置推进器，推进器用来实现采样器的运动，水体分析存储器挂载于密封舱和推进器下面。
所述的密封舱挂载电控系统、传感器和电池；同时具有良好的匀称性，具有良好的静、动态性能。
密封舱的前舱为球头流线型设计用于放置传感器系统；密封舱的后舱为平头流线型设计用于安装水平推进器，两个密封舱是经过垂直推进器相连。
机械系统中包括三个推进器，一个放置于尾部，实现前进和后退运动；一个放置于采样器中部，实现垂直方向的运动；一个为舵机推进器，实现接受指令驱动舵叶的转动。
自主导航系统采用先进稳定的导航定位算法处理传感器数据，从而实现水样器的自主定位与航行，完成高精度的定位信息的处理与存储，并提供给电控系统。
上述的自主导航定位系统利用数字罗盘和GPS给出的信息，按照特定的导航算法进行精确计算后，得到三维方向上的位置信息和速度信息，根据步进电机的要求，再将三维方向上的信息转换成电控系统所需要的信息，然后通过通信模块传递到电控系统控制推进器进行方向和位置调整，以准确到达目的地。
自主导航定位系统中的导航算法选用卡尔曼滤波算法或者例子滤波算法。
水样留样分析系统主要是控制水体分析存储器，控制水体分析存储器经过“取样，留样”、“样品预处理”、“参数分析”和结果存储四个步骤完成水样的参数分析、留样和数据保存。
水体分析存储器中的采集水样功能由水泵实现，然后经过玻璃导管进入储水瓶，参数分析由集成的水样分析仪器通过自动进样器获取样品，进行分析获取，通过控制液位传感器实现对采样样品的留样处理。
所述机械系统由耐腐蚀的合金密封舱、推进器和水样分析存储器构成。密封舱的前舱放置传感器系统，后舱放置推进器驱动系统，两个密封舱的中间放置推进器。推进器用来实现采样器的运动。水体分析存储器挂载于密封舱和推进器下面。
所述电控系统由参数采集监测和推进器驱动两部分组成，主要负责通信、系统状态参数采集、推进器控制、水样分析存储器管理等功能。
所述自主导航定位系统是实现导航与路径规划的关键。主要负责将电控系统采集的传感器的信息进行综合处理，并确定下采样器的位置信息，然后将位置信息反馈给电控系统，为电控系统控制推进器提供依据。
所述水质留样分析系统是实现水体分析存储器能够正常工作的，完成水样的采集、储存，以及一些参数的在线检测。
与现有的技术系统相比，本发明的有益效果是可以适应多种复杂水体。
海水：满足海域的抽样范围广的要求。
湖水：满足采集表层，中层，以及底层水及污泥的要求。
河水：满足河水在冬天这样的特殊环境下的水质采样要求。
井水：满足水域的抽样深度的要求。
地下水：满足给定地点采集的要求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的垂直推进器的结构示意图。
图3是本发明的自主导航定位系统的结构示意图。
图4是本发明的电控系统的电路设计结构示意图。
图5是本发明的电控系统中传感器信息采集监测系统结构示意图。
图6是本发明的电控系统中PCB版图结构示意图。
图7是本发明的水样留样分析系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合各个系统的附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
一种自主导航水样采集器，其主要包括四个子系统部分：机械系统、自主导航系统、电控系统和水质留样分析系统；
所述机械系统主要包括2个密封舱、推进器和水样分析存储器；每个密封舱分为前舱和后舱；
所述自主导航系统是水样器的航行航线的算法处理中心，负责水样器的自主定位与航行，完成高精度的定位信息的处理与存储，并提供给电控系统；
所述电控系统主要是实现传感器参数采集监测和推进器驱动的设计，完成通信、系统状态参数采集、推进器控制、水样分析存储器管理功能；包括测量采样器航行速度、电源电压和电流、监测水密舱的密封情况以及水体分析存储器传回的数据；
所述水质留样分析系统主要包括水体分析存储器，以实现对水样的参数分析和留样存储；
所述的四个子系统相互依赖，互相提供数据共享，构成一个整体结构。
机械系统
机械系统是整体系统的结构载体。机械外形主要包括密封舱、推进器和水样分析存储器。
密封舱：干燥防水的密封舱用于挂载电控系统、传感器和电池，同时机械外形设计要具有良好的匀称性，具有良好的静、动态性能。考虑到铝材密度较低且具有一定抗腐蚀性（经阳极氧化处理），密封舱采用圆柱形设计并分为两部分：前舱为球头流线型设计以减小在水中的阻力，同时主要放置传感器系统；后舱为平头流线型设计以便于安装水平推进器，同时主要放置推进器驱动系统。两个密封舱是经过垂直推进器相连。
推进器：运动执行机构共需三个推进器，一个放置于尾部，实现前进和后退运动，通过安装于尾部的舵实现采样器的水平偏航运动；另外一个放置于采样器中部，实现垂直方向的运动，以实现采样器的定深航行和定深悬停；第三个为舵机推进器，实现接受指令驱动舵叶转动的功能，以控制航行方向。连接两个密封舱的垂直推进器设计构思如图1。
水体分析存储器：采集水样功能由水泵实现，然后经过玻璃导管进入储水瓶。水样分析仪器通过控制器的操作自动进样器获取样品并进行样品的参数分析。通过液位传感器实现对采样样品的留样处理。水泵、玻璃导管、存储瓶、控制器和水样分析仪器构成了水体分析存储器。这部分器具以一个整体挂接在密封舱和推进器下面。
综上所述，采样器整体机械外形设计效果如图2所示。
自主导航定位系统
自主导航定位系统是水样器的航行航线的算法处理中心，负责水样器的自主定位与航行，完成高精度的定位信息的处理与存储，并提供给电控系统。具体的实现框架图如下图3。
当采样器进入到水中，就要根据提前设定的位置信息进行自主的定位，并安全、准确的到达目的地进行采样操作。这个过程通过数字罗盘和GPS给出的信息，按照特定的导航算法进行精确计算后，得到三维方向上的信息，根据步进电机的要求，再将三维方向上的信息转换成电控系统所需要的信息，然后通过通信模块传递到电控系统控制推进器进行方向和位置调整，以准确到达目的地。对于导航算法，目前流行的包括EKF（卡尔曼滤波算法）、例子滤波算法等。
电控系统
电控系统主要包括传感器参数采集监测和推进器驱动的设计，主要负责通信、系统状态参数采集、推进器控制、水样分析存储器管理等功能。总体的硬件电路设计如下图4。
实现上图的整个电控系统包括：
①电源板：为整个采样器系统提供电力；
②无线接收板：无线通信的控制枢纽；
③电机驱动板：提供采样器的进退、潜伏动力；
④步进电机驱动板：为方向舵提供动力；
⑤协议转换板、参数检测板：有线通信的控制枢纽并实现参数监测功能；
⑥GPS和罗盘板：实现GPS信号和航向信号的实时采集。
电控系统作为采样器指挥中心必须能够实时处理采集的数据并做出相应动作，包括测量采样器航行速度、电源电压和电流、监测水密舱的密封情况以及接收其他机载传感器传回的数据。
传感器信息采集监测系统结构如图5所示。
实现的PCB版图如图6。
水样留样分析系统
水样留样分析系统是控制水体分析存储器，从而实现对采集的水体进行参数分析和留样处理的。具体的实现方案如图7。
当检测到要进行水质检测的操作信号以后，就会产生取水指令。接到取水的指令后，执行取水操作获取水样，并根据液位传感器得到液位信息，保证留样的完整性。取得水样后，先进行水样的预处理，最后导入到分析仪器中进行参数分析。所得的分析结果以固定的格式记录在水样采集器的存储空间中，以备在上岸后能够得到。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种自主导航水样采集器，其主要包括四个子系统部分：机械系统、自主导航系统、电控系统和水质留样分析系统；
所述机械系统由2个耐腐蚀的合金密封舱、推进器和水样分析存储器构成，每个密封舱分为前舱和后舱，密封舱的前舱放置传感器系统，后舱放置推进器驱动系统，两个密封舱的中间放置推进器，推进器用来实现采样器的运动，水体分析存储器挂载于密封舱和推进器下面；
所述自主导航系统是水样器的航行航线的算法处理中心，负责水样器的自主定位与航行，完成高精度的定位信息的处理与存储，并提供给电控系统；
所述电控系统主要是实现传感器参数采集监测和推进器驱动的设计，完成通信、系统状态参数采集、推进器控制、水样分析存储器管理功能；包括测量采样器航行速度、电源电压和电流、监测水密舱的密封情况以及水体分析存储器传回的数据；
所述水质留样分析系统主要包括水体分析存储器，以实现对水样的参数分析和留样存储；
所述的四个子系统相互依赖，互相提供数据共享，构成一个整体结构。
2.根据权利要求1所述的自主导航水样采集器，其特征在于：密封舱挂载电控系统、传感器和电池；同时具有良好的匀称性，具有良好的静、动态性能。
3.根据权利要求1所述的自主导航水样采集器，其特征在于：密封舱的前舱为球头流线型设计用于放置传感器系统；密封舱的后舱为平头流线型设计用于安装水平推进器，两个密封舱是经过垂直推进器相连。
4.根据权利要求1所述的自主导航水样采集器，其特征在于：机械系统中包括三个推进器，一个放置于尾部，实现前进和后退运动；一个放置于采样器中部，实现垂直方向的运动；一个为舵机推进器，实现接受指令驱动舵叶的转动。
5.根据权利要求1所述的自主导航水样采集器，其特征在于：所述自主导航定位系统主要负责将电控系统采集的传感器的信息进行综合处理，并确定下采样器的位置信息，然后将位置信息反馈给电控系统，为电控系统控制推进器提供依据。
6.根据权利要求1所述的自主导航水样采集器，其特征在于：自主导航系统采用先进稳定的导航定位算法处理传感器数据，从而实现水样器的自主定位与航行，完成高精度的定位信息的处理与存储，并提供给电控系统。
7.根据权利要求1或5所述的自主导航水样采集器，其特征在于：自主导航定位系统利用数字罗盘和GPS给出的信息，按照特定的导航算法进行精确计算后，得到三维方向上的位置信息和速度信息，根据步进电机的要求，再将三维方向上的信息转换成电控系统所需要的信息，然后通过通信模块传递到电控系统控制推进器进行方向和位置调整，以准确到达目的地。
8.根据权利要求6所述的自主导航水样采集器，其特征在于：自主导航定位系统中的导航算法选用卡尔曼滤波算法或者例子滤波算法。
9.根据权利要求1所述的自主导航水样采集器，其特征在于：水样留样分析系统主要是控制水体分析存储器，控制水体分析存储器经过“取样，留样”、“样品预处理”、“参数分析”和结果存储四个步骤完成水样的参数分析、留样和数据保存。
10.根据权利要求1所述的自主导航水样采集器，其特征在于：水体分析存储器中的采集水样功能由水泵实现，然后经过玻璃导管进入储水瓶，参数分析由集成的水样分析仪器通过自动进样器获取样品，进行分析获取，通过控制液位传感器实现对采样样品的留样处理。
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