CN104569333A - 自主导航地表水水质采样与实时监测水面机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，包括有船体与设在船体上的电源系统、主控系统、导航系统、通讯系统、采样监测系统、推进系统；导航系统包括有电子罗盘与GPS定位系统、超声波避障传感器、摄像头，导航系统与主控制系统相连；采样监测系统包括有采水摆杆，采水摆杆安装在舵机上，采水摆杆控制采水深度并与采水管道的一端相连，采水管道的另一端经由蠕动泵再到夹管阀分流到各个采样瓶中，各采样瓶设置在保温箱中，采水摆杆上面安装有与主控系统连接的水质传感器；推进系统的推进方式为外挂式双直流电机与螺旋桨推进。本发明体积小，重量轻，便于携带，操作简单，无污染，并且可以到达人无法到达的区域进行采样监测。
Description
技术领域
本发明涉及地表水水质采样监测技术领域，特别是涉及一种自主导航地表水水质采样与实时监测机器人。
背景技术
目前，主要的水质监测方法有两种方式 ，一是在线实时监测，二是将水质采样到实验室进行检测。这两种方式都有其缺点，在线实时监测往往位置固定，不方便检测其他位置的水样。将水质采样到实验室往往由人划船到指定位置采集水样，如果采样水域面积大，水面环境复杂，需要采集的样本数多，人工采样是一项繁重、效率低下的工作。而且如果是有毒污染，会对采样人员的健康造成威胁。
在申请号为201010168446.7的中国发专利申请中，当船前进到视野之外时，采样人员不能实时感知船所处的水域环境，当水面上有很多漂浮物时，船只不仅无法运行，而且有可能丢失船只。在该专利中，通信系统使用的是GPRS，GPRS需要付费购买流量，在信号不好时数据延时大，不能实时操控机器人。在该专利中，使用卷扬机收放采水管道，水管道卷在卷扬机上，容易使采水管道弯折，这样会造成采水管道不通，无法正常采集水样；且该专利中使用电磁阀对水样分流，采样的水会经过电磁阀内部，电磁阀容易对水样造成污染或者污染的水样会腐蚀电磁阀。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，能够自动进行远距离水质采样与实时监测，实时返回监测点数据。采样点多，监测水域面积广，效率高，携带方便。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：包括有船体与设在船体上的电源系统、主控系统、导航系统、通讯系统、采样监测系统、推进系统；所述的主控系统包括单片机与其外围电路；所述的导航系统包括有电子罗盘与GPS定位系统、超声波避障传感器、摄像头，导航系统与主控制系统相连，完成自主导航与自动任务；所述的通讯系统包括有无线数传图传模块，通讯系统与主控系统直接相连，将水面机器人的位置信息、航向信息、采样与监测信息、摄像头采集到的视频信息实时发送到地面基站上；所述的采样监测系统包括有蠕动泵、夹管阀、采水管道、采水摆杆、水质传感器与摄像头，所述的采水摆杆安装在舵机上，采水摆杆控制采水深度并与采水管道的一端相连，采水管道的另一端经由蠕动泵再到夹管阀分流到各个采样瓶中，各采样瓶设置在保温箱中，采水摆杆上面安装有与主控系统连接的水质传感器，可以在采集水样时同时检测水质参数；所述的推进系统的推进方式为外挂式双直流电机与螺旋桨推进。
自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：所述的船体上还设有与主控系统连接的漏水检测系统。
自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：所述的电源系统采用两组聚合物锂电池。
自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：所述的水质传感器包括有温度传感器，PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、氨离子传感器。
导航系统将采集到机器人的当前的航向、位置等信息发送给主控系统，主控系统处理后输出控制信号给推进系统，控制机器人自主导航。通讯系统将机器人当前的航向、位置、水域环境、任务完成状态等信息实时发送给地面基站，采样人员可能通过基站了解船当前的信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的可用范围远，可通过人眼直接观察水质污染状况、重量轻，操作简单，简化了采样与监测流程；采样与监测速度快，采样数据更加稳定可靠，并且可以实时检测采样点的水质。
附图说明
图1为本发明的侧视结构示意图。
图2为采样监测系统示意图。
图中：1.主控系统， 2.船体，3.电源系统，4.采水摆杆，5.舵机，6.电子罗盘与GPS定位系统，7.超声波避障传感器，8.摄像头，9.蠕动泵，10.夹管阀，11.采水管道，12.保温箱，13.采样瓶，14.无线数传图传模块，15.推进系统，16.螺旋桨，17.直流电机，18. 水质传感器，19.漏水检测系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如图1所示，自主导航地表水水质采样与实时监测水面机器人，包括船体2与船体2上的电源系统,3、主控系统1、导航系统、采样监测系统与推进系统15。所述主控系统1包括单片机与外围电路，所述导航系统包括电子罗盘与GPS定位系统,6，其姿态传感器集成在主控系统1上面。主控系统1与无线数传图传通讯模块14直接相连，通过无线数传图传模块14将机器人采集到的数据发送到地面基站上显示记录下来。主控系统1根据导航系统采集到的位置信息等数据控制推进器与采样监测系统，实现自主导航、自动采样与实时监测。本实例中使用的两套推进系统15包含直流电机17与螺旋桨16，两套推进器采用外挂式安装方式，方便拆卸与安装。
本实例中，所述机器人上面安装有超声波避障传感器7，通过超声波避障传感器7能够发现前方与侧面的障碍物，其与主控系统1直接相连，通过主控系统1，实现自主避障。所述机器人上面安装有摄像头8,其与无线数传图传模块14直接相连。通过无线数传图传模块14将采集到的视频数据发送到地面基站。操控人员可以实时观察船前方180度范围内的水域情况。所述的机器人上面安装有漏水检测模块19,当机器人有漏水现象时，及时发出报警，避免损失。
本实例中，所述的采样与监测系统包括采样系统与水质监测系统。采样系统包括采水摆杆4、蠕动泵9、夹管阀10、采水管道11、保温箱12与采样瓶13。采水摆杆4、蠕动泵9、夹管阀10由主控系统1直接控制。采水管道11经由采水摆杆4连接到蠕动泵9，经过蠕动泵9连接到夹管阀10，然后分流到各个采样瓶13中，采样瓶13安装在保温箱12中。所述的水质监测系统包括水质传感器18：温度传感器、PH传感器、溶解氧传感器(DO)、浊度传感器(TB)、电导率传感器(EC)、氧化还原电位传感器(ORP)再加上一种离子传感器(如氨离子NH4+传感器)。
本发明的特点如下：
1、装有视频监控系统，操作人员可以实时观察水域环境。装有超声波避障系统，在自主导航过程中能够实现自主避障。
2、具有手工模式与自动模式与指导模式等采样方式。手工模式下由手持遥控器控制机器人行驶到定点进行采样与监测。该操作过程中配合摄像头使用可以在视距外采样监测。自动模式下由基站设置好采样任务后，由GPS定位系统、电子罗盘、状态传感器等采集到船的当前位置、方向等信息，主控系统根据这些信息控制机器人按最小路径行驶到任务点采样。指导模式下可以人工手动输入采样位置的经纬度，机器人自动导航到该任务点进行采样。
3、具有失效保护机制，当基站信号、遥控器信号丢失或者机器人电量不足时，会触发返航行为，即返回到出发点，以防止机器人丢失。
4、采样系统中，水样不经过其他采水设备内部，不会对采水设备造成污染。可以使用《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》中规定的各种方式进行采样。能够搭载共六种水质监测传感器设备，软件自动识别水质传感器类型。
采水与监测过程如下：
1、机器人到达采样监测点后，主控系统控制舵机将摆杆旋转一定角度，控制摆杆到达指定深度。
2、开启蠕动泵与相应的夹管阀清洗管道，如此反复2--3次。
3、清洗管道结束后，开始采集水样，向指定的采样容器中采集定量的水。此时向水质传感器发送采集指令，水质传感器采集此采样监测点的水质数据，发送给主控系统，主控系统通过通讯系统发送给地面基站。
4、在该点采样与监测结束后，控制舵机收起摆杆，机器人会行驶到下一采样监测点重复1-4的步骤，直到任务完全结束。
Claims (4)
1.一种自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：包括有船体与设在船体上的电源系统、主控系统、导航系统、通讯系统、采样监测系统、推进系统；所述的主控系统包括单片机与其外围电路；所述的导航系统包括有电子罗盘与GPS定位系统、超声波避障传感器、摄像头，导航系统与主控制系统相连，完成自主导航与自动任务；所述的通讯系统包括有无线数传图传模块，通讯系统与主控系统直接相连；所述的采样监测系统包括有蠕动泵、夹管阀、采水管道、采水摆杆、水质传感器与摄像头，所述的采水摆杆安装在舵机上，采水摆杆控制采水深度并与采水管道的一端相连，采水管道的另一端经由蠕动泵再到夹管阀分流到各个采样瓶中，各采样瓶设置在保温箱中，采水摆杆上面安装有与主控系统连接的水质传感器；所述的推进系统的推进方式为外挂式双直流电机与螺旋桨推进。
2.根据权利要求1所述的自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：所述的船体上还设有与主控系统连接的漏水检测系统。
3.根据权利要求1所述的自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：所述的电源系统采用两组聚合物锂电池。
4.根据权利要求1所述的自主导航地表水水质采样与实时监测机器人，其特征在于：所述的水质传感器包括有温度传感器，PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、氨离子传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150429 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |