CN104568513A - 适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置及方法，装置包括吸水器、控制器和控制终端；控制器包括控制电路板、逆变装置和直流电源；控制电路板与控制终端之间通过RS485通讯模块进行通讯；控制终端与地面控制中心进行无线通信。方法包括：将吸水器通过夹具固定安装在水面机器人船体的自配挂架上；两个取样瓶分别插入两个压扣密封装置的进水孔并通过插销卡住，将各种电源线、通讯线连接完好，达到工作状态；水面机器人携带液体自动采集装置到指定水域位置，吸水器进行吸水工作；本发明与水面机器人装备配合使用，可以到达些危险、人员无法实施液体采集工作等水域，为水域监测、灾害救援等工作有效实施提供权威数据与技术支撑。

Description

适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置及方法

技术领域

本发明属于公共安全技术领域，特别涉及一种适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置及方法。

背景技术

传统的对河流湖泊定期及长期水质监测、突发事件或地质灾害导致河流及湖泊受到有毒有害液体污染取样分析等工作多靠人工操作完成，而且传统的吸水装置具有体积大、重量大、功耗大等缺点，传统设备多应用于河流检测、水产品养殖池塘水质监测等领域，但无法满足与机器人装备的配合使用，再加上目前各种灾害事故、突发事件的严重后果、现场处置困难、灾害形势多样性等特点，传统的人工现场液体采集方式与传统设备已无法满足液体采集、水质测量与灾害救援等工作需要，因无法快速、精准的分析水域现场状况，导致大范围人身伤亡和大量财产损失现象多有发生，贻误战机、给救援工作增加难度。因此，开发适用于机器人配备的液体自动采集装置迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，包括吸水器、控制器和控制终端；

所述吸水器通过固定安装在水面机器人船体的自配挂架上；

所述吸水器包括两个移动式液体采集头、直线导轨、步进电机、联轴器、上限位开关、下限位开关、液位检测开关、压扣密封装置、两个取样瓶、导管、同步带轮、同步带和轴承系统；

其中，移动式液体采集头、直线导轨、步进电机、联轴器、上限位开关、下限位开关、两个压扣密封装置、取样瓶、导管、同步带轮和同步带、轴承系统均安装在框架上；

压扣密封装置设有与取样瓶上盖紧密配合的进水孔，移动式液体采集头通过导管与压扣密封装置的上端连接，取样瓶按位置卡准方式插入压扣密封装置内，并与进水孔对接；液位检测开关安装在导管上；上限位开关、下限位开关分别安装在直线导轨的上限位位置、下限位位置；

步进电机的转轴端与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与轴承系统连接，同步带轮安装在轴承转动轴上，同步带安装在同步带轮上，同步带轮与直线导轨的一端连接，同步带轮带动直线导轨运动，直线导轨的另一端连接移动式液体采集头；

所述控制器包括控制电路板、逆变装置和直流电源；

控制电路板的控制输出端连接步进电机的控制输入端，控制电路板的信号输入端分别连接上限位开关、下限位开关、液位检测开关；直流电源的输出端连接逆变装置的输入端，逆变装置的输出端连接控制电路板的供电端口；

控制电路板与控制终端之间通过RS485通讯模块进行通讯；控制终端与地面控制中心进行无线通信。

进一步地，所述压扣密封装置通过插销卡住取样瓶。

进一步地，所述控制电路板包括开关量输入电路、电源隔离电路芯片、单片机、RS485通讯模块和控制信号输出电路；

开关量输入电路的输入端分别连接上限位开关、下限位开关、液位检测开关，单片机的输入端连接开关量输入电路的输出端，单片机的输出端连接控制信号输出电路的输入端，控制信号输出电路的输出端分别连接移动式液体采集头的控制输入端、步进电机的控制输入端。

进一步地，所述吸水器框架外设置有机玻璃门，有机玻璃门只在更换取样瓶时打开。

进一步地，所述直流电源的输入端连接水面机器人的供电模块输出端或连接蓄电池。

进一步地，该液体自动采集装置所有通讯线、电源线均为航空插头插拔模式。

进一步地，所述单片机与控制终端之间通过RS485通讯模块进行通讯；直流电源的输出端连接逆变装置的输入端，逆变装置的输出端连接电源隔离电路芯片的输入端，电源隔离电路芯片的输出端连接单片机的供电端口。

进一步地，所述有机玻璃门采用下端限位和上端磁铁吸附方式进行安装。

进一步地，采用所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置的液体自动采集方法，包括以下步骤：

步骤1：将吸水器通过夹具固定安装在水面机器人船体的自配挂架上；

步骤2：两个取样瓶分别插入两个压扣密封装置的进水孔并通过插销卡住，将各种电源线、通讯线连接完好，达到工作状态；

步骤3：水面机器人携带液体自动采集装置到指定水域位置；

步骤4：地面控制中心控制吸水器进行吸水工作；

步骤4-1：地面控制中心发出“工作”指令，控制吸水器的移动式液体采集头下移到水面，同时控制器向地面控制中心反馈到达指定位置的信息；

步骤4-2：地面控制中心发出“吸水”指令，该移动式液体采集头动作开始吸水，待取样瓶吸满后，控制器向地面控制中心反馈信息；

步骤4-3：地面控制中心发出“收回”指令，该取样瓶对应的移动式液体采集头上移到初始位置；

步骤4-4：待两只取样瓶均装满水后，控制器向地面控制中心反馈“工作完成”信息；

步骤5：若继续采集液体，地面控制中间控制水面机器人返回岸边，人工进行现场更换取样瓶，再进行液体采集，返回步骤3。

进一步地，所述步骤4-1的具体步骤如下：

步骤4-1-1：地面控制中心发出“工作”指令经控制终端发送至控制电路板，控制电路板控制步进电机驱动同步带轮运动；

步骤4-1-2：同步带轮的运动带动直线导轨从上限位位置运动至下限位位置，即移动式液体采集头到达指定位置；

步骤4-1-3：下限位开关将达指定位置的信息发送给控制电路板，控制电路板经RS485通讯模块将该信息传至控制终端，进而反馈给地面控制中心。

进一步地，所述步骤4-2的具体步骤如下：

步骤4-2-1：地面控制中心发出“吸水”指令经控制终端发送至控制电路板，控制电路板控制移动式液体采集头动作开始吸水；

步骤4-2-2：液位检测开关检测到取样瓶吸满的信号，将取样瓶吸满的信号发送给控制电路板，控制电路板经RS485通讯模块将该信息传至控制终端，进而反馈给地面控制中心。

有益效果：

本发明提供的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，主要用于河流湖泊、城市水源泄露等液体自动采集，与水面机器人装备配合使用，可以到达一些危险、人员无法实施液体采集工作等水域，通过地面控制中心无线遥控，第一时间、高效便捷的拿到指定水域现场的“第一手”液体样本，为水域监测、灾害救援等工作有效实施提供权威数据与技术支撑。

本发明提供一种适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置及方法，重点基于某些区域人工操作无法实现的现场液体采集的难题，提高液体采集装置的采集、密封、保存等，减少和避免无法实现液体取样、取样不全、漏取、延误取样等现象的发生。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的吸水器结构示意图；

图3是本发明具体实施方式的吸水器外观示意图，其中，1—固定夹具，2—外罩，3—压扣密封装置，4—取样瓶，5—有机玻璃门；

图4是本发明具体实施方式的固定夹具示意图；

图5是本发明具体实施方式的控制器结构框图；

图6是本发明具体实施方式的液体自动采集装置的控制流程图；

图7是本发明具体实施方式的液体自动采集装置的控制器外部接线图；

图8是本发明具体实施方式的开关量输入电路原理图；

图9是本发明具体实施方式的电源隔离电路芯片电路原理图；

图10是本发明具体实施方式的单片机电路原理图；

图11是本发明具体实施方式的RS485通讯模块电路原理图；

图12是本发明具体实施方式的控制信号输出电路原理图；

图13是本发明具体实施方式的液体自动采集方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，一种适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，包括吸水器、控制器和控制终端，控制终端与地面控制中心进行无线通信。

本实施方式的液体自动采集装置所有通讯线、电源线均为航空插头插拔模式。

吸水器与控制器分别安装航空插头，控制器通过通讯电缆线连接吸水器，实现控制功能；另外，控制器与地面控制中心安装在机器人上的控制终端连接，具体通讯方式为RS485串口通讯，也通过航空插头连接；其中，控制终端实现无线信号接收、发功能，实现地面控制中心通过无线发出控制指令传输给控制器，控制器再执行指令控制吸水器。

如图2所示，吸水器包括两个移动式液体采集头（移动式液体采集头1和移动式液体采集头2）、直线导轨、步进电机、联轴器、上限位开关、下限位开关、液位检测开关、压扣密封装置、两个取样瓶、导管、同步带轮、同步带和轴承系统。

其中，移动式液体采集头、直线导轨、步进电机、联轴器、上限位开关、下限位开关、两个压扣密封装置、取样瓶、导管、同步带轮和同步带、轴承系统均安装在框架上。

移动式液体采集头与取样瓶一一对应，其中移动式液体采集头选用隔膜泵，在吸水器工作前，需将取样瓶安装在压扣密封装置内，压扣密封装置具有快速安装取样瓶、密封效果好等特点，通过地面控制中心发出采集指令控制，吸水器按指令进行工作。

步进电机选用的型号为SK-ML-10-350，联轴器选用的型号为MKSW-10-10，直线导轨选用的型号为SSVR-550，同步带轮和同步带选用的型号为TAHF25M450，轴承系统选用BAFL-10，移动式液体采集头选用PHS150-05隔膜泵，取样瓶选用GL45玻璃取样瓶，导管选用的型号为THL12-20。

压扣密封装置设有与取样瓶上盖紧密配合的进水孔，移动式液体采集头通过导管与压扣密封装置的上端连接，取样瓶按位置卡准方式插入压扣密封装置内，并与进水孔对接；压扣密封装置通过插销卡住取样瓶，液位检测开关安装在导管上；上限位开关、下限位开关分别安装在直线导轨的上限位位置、下限位位置，来检测滑轨上下移动位置有效。

步进电机通过步进电机安装支架安装在吸水器的框架上，步进电机安装支架为铝合金框架；步进电机的转轴端与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与轴承系统连接，同步带轮安装在轴承转动轴上，同步带安装在同步带轮上实现转动功能，直线导轨安装在吸水器外罩的内壁上，同步带轮与直线导轨的一端连接，同步带滑动带动直线导轨移动，直线导轨的另一端连接移动式液体采集头。

吸水器外观如图3所示，整体为铝合金框架结构，吸水器的框架的外罩2的外表面为PP材质，压扣密封装置3及取样瓶4处的框架外设置有机玻璃门5，有机玻璃门只在更换取样瓶4时打开，有机玻璃门采用下端限位和上端磁铁吸附方式进行安装。吸水器通过固定夹具1固定安装在水面机器人船体的自配挂架上，固定夹具的结构如图4所示，该固定夹具上半部分为T型结构，且在该T型结构横梁上均匀开三个用于与水面机器人船体的自配挂架进行螺栓连接的通孔，该固定夹具下半部为倒置的U型结构，用于与吸水器的外罩固定连接。吸水器配备固定夹具，可实现与不同水面机器人装备进行装配，外形小巧，坚固耐用，便于实际现场应用。

如图5所示，控制器包括控制电路板、逆变装置和直流电源；

控制电路板的控制输出端连接步进电机的控制输入端，控制电路板的信号输入端分别连接上限位开关、下限位开关、液位检测开关；直流电源的输出端连接逆变装置的输入端，逆变装置的输出端连接控制电路板的供电端口；直流电源的输入端连接水面机器人的供电模块输出端或连接蓄电池。

控制电路板与控制终端之间通过RS485通讯模块进行通讯；

控制电路板包括开关量输入电路、电源隔离电路芯片、单片机、RS485通讯模块和控制信号输出电路；

开关量输入电路的输入端分别连接上限位开关、下限位开关、液位检测开关，单片机的输入端连接开关量输入电路的输出端，单片机的输出端连接控制信号输出电路的输入端，控制信号输出电路的输出端分别连接移动式液体采集头的控制输入端、步进电机的控制输入端。

单片机与控制终端之间通过RS485通讯模块进行通讯；逆变装置的输出端连接电源隔离电路芯片的输入端，电源隔离电路芯片的输出端连接单片机的供电端口。

开关量输入电路如图8所示，共10路，主要连接吸水器的上限位开关、下限位开关和液位检测开关。电源隔离电路芯片如图9所示，LM2576是美国半导体公司生产的电流输出降压开关型稳压集成电路，其功率为40W，输出电压可选，在本实施方式中涉及到5V与12V，芯片LM2576是低功耗，其本身有热关断与限流保护。单片机如图10所示，PIC16F1937为高性能RISC CPU，在本实施方式中为核心部件，主要功能通过逻辑运算对开关量的输出顺序，通过开光量信号的采集做出动作保护。RS485通讯模块如图11所示，主要功能是与控制终端进行数据交换，数据通讯协议为MODBUS 为从站，由控制终端控制。控制信号输出电路如图12所示，输出电路芯片ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，本实施方式中它的主要功能是直接驱动移动式液体采集头及驱动步进电机。

开关量输入电路采集数字信号后，进到单片机。电源隔离电路芯片为电源装置，为芯片单片机、RS485通讯模块、控制信号输出电路进行供电，RS485通讯模块为通讯接口，接收数据后为通过单片机的解析后进行数据交换，通过解析后的信息，通过逻辑运算使能输出管脚，并通过控制信号输出电路的外围电路驱动负载，来实现对吸水器的控制。

控制器外壳为塑料材质，满足防水防尘要求；控制器的外部接线图如图7所示，液体自动采集装置的控制流程如图6所示。

本实施方式液体自动采集装置的工作过程可以分为以下几个阶段：

（1）采集准备阶段

通过控制器指令，吸水器启动移动式液体采集头移动到具体液面位置，通过上限位开关和下限位开关监控，移动式液体采集头到达位置准确；两只移动式液体采集头遵照指令要求交替工作，控制指令均通过RS485传输并反馈工作状态信息。

（2）液体采集阶段

移动式液体采集头到达指定液面位置，地面控制中心将发出相关指令，移动式液体采集头开始液体吸取，液体吸入取样瓶内，通过液位检测开关监控液体吸入情况，待两只取样瓶装满液体后，按照指令要求，采集头自动移动到初始位置。

（3）快速拆装取样瓶

吸水器内部设置两个压扣密封装置，外形为圆柱体，内部有进水孔与取样瓶上盖严密接触，实现吸水功能，装置有一个插销，起到限位、固定取样瓶的作用，压扣密封装置具有操作便捷、密封完好等特点。

采用适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置的液体自动采集方法，如图13所示，包括以下步骤：

步骤1：将吸水器通过夹具固定安装在水面机器人船体的自配挂架上；

步骤2：两个取样瓶分别插入两个压扣密封装置的进水孔并通过插销卡住，将各种电源线、通讯线连接完好，达到工作状态；

步骤3：水面机器人携带液体自动采集装置到指定水域位置；

步骤4：地面控制中心控制吸水器进行吸水工作；

步骤4-1：地面控制中心发出“工作”指令，控制吸水器的移动式液体采集头下移到水面，同时控制器向地面控制中心反馈到达指定位置的信息；

步骤4-1-1：地面控制中心发出“工作”指令经控制终端发送至控制电路板，控制电路板控制步进电机驱动同步带轮运动；

步骤4-1-2：同步带轮的运动带动直线导轨从上限位位置运动至下限位位置，即移动式液体采集头到达指定位置；

步骤4-1-3：下限位开关将达指定位置的信息发送给控制电路板，控制电路板经RS485通讯模块将该信息传至控制终端，进而反馈给地面控制中心。

步骤4-2：地面控制中心发出“吸水”指令，该移动式液体采集头动作开始吸水，待取样瓶吸满后，控制器向地面控制中心反馈信息；

步骤4-2-1：地面控制中心发出“吸水”指令经控制终端发送至控制电路板，控制电路板控制移动式液体采集头动作开始吸水；

步骤4-2-2：液位检测开关检测到取样瓶吸满的信号，将取样瓶吸满的信号发送给控制电路板，控制电路板经RS485通讯模块将该信息传至控制终端，进而反馈给地面控制中心。

步骤4-3：地面控制中心发出“收回”指令，该取样瓶对应的移动式液体采集头上移到初始位置；

步骤4-4：待两只取样瓶均装满水后，控制器向地面控制中心反馈“工作完成”信息；

步骤5：若继续采集液体，地面控制中间控制水面机器人返回岸边，人工进行现场更换取样瓶，再进行液体采集，返回步骤3。

Claims (10)

1.一种适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，其特征在于：包括吸水器、控制器和控制终端；

所述吸水器固定安装在水面机器人船体的自配挂架上；

所述吸水器包括两个移动式液体采集头、直线导轨、步进电机、联轴器、上限位开关、下限位开关、液位检测开关、压扣密封装置、两个取样瓶、导管、同步带轮、同步带和轴承系统；

其中，移动式液体采集头、直线导轨、步进电机、联轴器、上限位开关、下限位开关、两个压扣密封装置、取样瓶、导管、同步带轮和同步带、轴承系统均安装在框架上；

压扣密封装置设有与取样瓶上盖紧密配合的进水孔，移动式液体采集头通过导管与压扣密封装置的上端连接，取样瓶按位置卡准方式插入压扣密封装置内，并与进水孔对接；液位检测开关安装在导管上；上限位开关、下限位开关分别安装在直线导轨的上限位位置、下限位位置；

步进电机的转轴端与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与轴承系统连接，同步带轮安装在轴承转动轴上，同步带安装在同步带轮上，同步带轮与直线导轨的一端连接，同步带轮带动直线导轨运动，直线导轨的另一端连接移动式液体采集头；

所述控制器包括控制电路板、逆变装置和直流电源；

控制电路板的控制输出端连接步进电机的控制输入端，控制电路板的信号输入端分别连接上限位开关、下限位开关、液位检测开关；直流电源的输出端连接逆变装置的输入端，逆变装置的输出端连接控制电路板的供电端口；

控制电路板与控制终端之间通过RS485通讯模块进行通讯；控制终端与地面控制中心进行无线通信。

2.根据权利要求1所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，其特征在于：所述压扣密封装置通过插销卡住取样瓶。

3.根据权利要求1所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，其特征在于：所述控制电路板包括开关量输入电路、电源隔离电路芯片、单片机、RS485通讯模块和控制信号输出电路；

开关量输入电路的输入端分别连接上限位开关、下限位开关、液位检测开关，单片机的输入端连接开关量输入电路的输出端，单片机的输出端连接控制信号输出电路的输入端，控制信号输出电路的输出端分别连接移动式液体采集头的控制输入端、步进电机的控制输入端。

4.根据权利要求1所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，其特征在于：所述吸水器框架外设置有机玻璃门，有机玻璃门只在更换取样瓶时打开,所述有机玻璃门采用下端限位和上端磁铁吸附方式进行安装。

5.根据权利要求1所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，其特征在于：所述直流电源的输入端连接水面机器人的供电模块输出端或连接蓄电池。

6.根据权利要求1所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，其特征在于：该装置所有通讯线、电源线均为航空插头插拔模式。

7.根据权利要求3所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置，其特征在于：所述单片机与控制终端之间通过RS485通讯模块进行通讯；直流电源的输出端连接逆变装置的输入端，逆变装置的输出端连接电源隔离电路芯片的输入端，电源隔离电路芯片的输出端连接单片机的供电端口。

8.采用权利要求1所述的适用于水面机器人装备配备的液体自动采集装置的液体自动采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将吸水器通过夹具固定安装在水面机器人船体的自配挂架上；

步骤2：两个取样瓶分别插入两个压扣密封装置的进水孔并通过插销卡住，将各种电源线、通讯线连接完好，达到工作状态；

步骤3：水面机器人携带液体自动采集装置到指定水域位置；

步骤4：地面控制中心控制吸水器进行吸水工作；

步骤4-1：地面控制中心发出“工作”指令，控制吸水器的移动式液体采集头下移到水面，同时控制器向地面控制中心反馈到达指定位置的信息；

步骤4-2：地面控制中心发出“吸水”指令，该移动式液体采集头动作开始吸水，待取样瓶吸满后，控制器向地面控制中心反馈信息；

步骤4-3：地面控制中心发出“收回”指令，该取样瓶对应的移动式液体采集头上移到初始位置；

步骤4-4：待两只取样瓶均装满水后，控制器向地面控制中心反馈“工作完成”信息；

步骤5：若继续采集液体，地面控制中间控制水面机器人返回岸边，人工进行现场更换取样瓶，再进行液体采集，返回步骤3。

9.根据权利要求8所述的液体自动采集方法，其特征在于，所述步骤4-1的具体步骤如下：

步骤4-1-1：地面控制中心发出“工作”指令经控制终端发送至控制电路板，控制电路板控制步进电机驱动同步带轮运动；

步骤4-1-2：同步带轮的运动带动直线导轨从上限位位置运动至下限位位置，即移动式液体采集头到达指定位置；

步骤4-1-3：下限位开关将达指定位置的信息发送给控制电路板，控制电路板经RS485通讯模块将该信息传至控制终端，进而反馈给地面控制中心。

10.根据权利要求8所述的液体自动采集方法，其特征在于，所述步骤4-2的具体步骤如下：

步骤4-2-1：地面控制中心发出“吸水”指令经控制终端发送至控制电路板，控制电路板控制移动式液体采集头动作开始吸水；

步骤4-2-2：液位检测开关检测到取样瓶吸满的信号，将取样瓶吸满的信号发送给控制电路板，控制电路板经RS485通讯模块将该信息传至控制终端，进而反馈给地面控制中心。