CN106644592A - 一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统与方法，适用于水质采样与检测技术领域。主要包括转盘电机（1）、测深传感器（9）、采样泵（12）、采样瓶（16）、电磁阀（17）、无人机（19）、摇臂（20）、控制器（21）；通过转盘电机带动采样管并调整采样深度，采样管通过分支连接多个采样瓶，采样瓶设置在采样平台座中部，平台座通过摇臂连接无人机；通过摇臂弯曲，实现无人机飞行模式和牵引模式的切换；基于测斜仪监测控制摇臂实施补偿性弯曲。本发明提供的系统与方法，实现水质采样与无人机的有机组合，充分利用无人机负载和续航能力，有效保持采样系统的平衡性，具有采样快速、便捷、高效的特点。
Description
技术领域
本发明涉及水质采样与检测技术领域，尤其适用于远距离、大型地表水体的样品采集。
背景技术
水是人类赖以生存的物质基础，然而，由于经济迅猛发展，加之污染防治不力，水污染严重威胁着我国的众多水体。为了掌握水质现状及其变化趋势，需要对江、河、湖、库、渠、海等水体进行采样分析。
传统的水质采样通常是由人工现场操作，对于大型地表水体，常需乘坐船舶等交通工具驶入指定地点进行采样。这种人工采样的方法效率低，对于野外水体，周围可雇佣船员及基础设施匮乏，且人工乘船采样的方法成本较高；特别对于污染严重、突发泄漏位置，以及环境复杂的水域，如地形险要偏僻、沼泽、有害动植物聚集区等，人工采样还较为危险。
为了解决传统人工采样存在的不便，人们研究了多种无人采样设备。如无人船采样，使得水体采样的便捷性和效率大幅提高，但仍存在复杂环境下人员难以到达水体边界，投放和回收船只不便的问题，且流速较高的水体中很难做到定点采样。另有人员研究了无人机采样设备，无人机作业覆盖范围广、机动性强，能够在复杂环境下接触水体实施采样。如中国专利公开号CN 104458329 A，发明了一种无人机水面定点自动取样系统，用于水体表面的水质采样，一次飞行采集一个水样；中国专利公开号CN 105510082 A，发明了一种海洋环境监测用无人机采样装置，通过设置多个升降装置和采水筒实现多点的水质采样，这种方式需要设置多个电机，增加了无人机的负载；又如中国专利公开号CN 105842009 A，发明了一种水质监测无人机水样采集装置，通过驱动电机带动布置在环形支架上的储样器转动，实现一次升空采集多个水样，但这种方式需要储样器保持敞开状态，易造成水样污染或晃荡溅洒。
无人机虽然机动性强，但其负载有限，并且普遍采用的旋翼无人机是一种欠驱动系统，其水平移动需要依靠无人机发生倾斜实现。而现有的无人机采样设备只是无人机和采样装置简单的组合相连，未很好的考虑采样对无人机飞行的平衡问题、续航问题、负载问题，且自动化程度低，没有充分发挥基于无人机采样的优势。
发明内容
鉴于已有技术的不足，本发明提供一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统与方法，能够有效实现水质自动采样，一次飞行采集多个水样，保持采样系统平衡性，有效节省无人机的动力。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统，包括转盘电机（1）、测深传感器（9）、采样泵（12）、采样瓶（16）、电磁阀（17）、无人机（19）、摇臂（20）、控制器（21）。
所述的转盘电机（1）通过同步带（2）牵引转盘（11），转盘（11）通过滚动轴承（3）固定在平台座（5）上，电缆（8）和采样管（10）并排缠绕在转盘（11）上；电缆（8）的一端连接测深传感器（9），另一端连接导电滑环（4）；采样管（10）的入口端布置在靠近测深传感器（9）位置并与电缆（8）相固定，出口端连接旋转接头（13）。
旋转接头（13）通过进液管（14）连接采样泵（12），采样泵（12）出口通过进液管（14）分支连接至少一路采样瓶（16），采样瓶（16）竖直放置，采样瓶（16）入口处设有电磁阀（17），进液管（14）伸入采样瓶（16）底部位置，排液管（15）伸入采样瓶（16）瓶塞位置；进液管（14）分支直接通过电磁阀（17）连接至少有一路排液管（15）。
采样泵（12）和采样瓶（16）均固定在平台座（5）上；采样瓶（16）布置在平台座（5）中部，转盘电机（1）、滚动轴承（3）、电源（18）布置在平台座（5）上采样瓶（16）的周围。
平台座（5）底部设置有浮球（6），浮球（6）下设置有脚垫（7），平台座（5）顶部通过摇臂（20）连接无人机（19）。
转盘电机（1）、导电滑环（4）、采样泵（12）、电磁阀（17）、电源（18）、摇臂（20）、测斜仪（22）均与控制器（21）连接。
进一步的，所述的测深传感器（9）为非接触式传感器。
进一步的，所述的测深传感器（9）为超声波测深仪。
进一步的，所述的摇臂（20）可发生弯曲，弯曲角度范围为0-90°。
本发明所述的一种基于旋翼无人机的水质自动采样方法，包括以下步骤。
（一）遥控无人机（19）使其携水质采样系统飞行并降落至设定采样点，并停留在水体表面。
（二）通过测深传感器（9）测试水体深度，根据水深确定需要采样的深度，通过转盘电机（1）释放电缆（8）和采样管（10），使得采样管（10）入口到达设定水深位置。
（三）同步启动采样泵（12）和与排液管（15）相连的电磁阀（17），使水样排空一段时间；然后关闭与排液管（15）相连的电磁阀（17），同时启动与空采样瓶进液管（14）相连的电磁阀（17），实施水质采样，完成后关闭该电磁阀（17）和采样泵（12）。
（四）通过转盘电机（1）调整采样管（10）入口至下一个水深位置，重复步骤（三）；若在更深的多个位置需要采样，则每采集完某一深度的位置后调整采样管（10）入口至下一个水深位置并重复步骤（三）直至最深处样品采集完毕。
（五）该采样点水质采样结束后，通过摇臂（20）弯曲将无人机（19）置成倾斜状态，启动无人机（19）牵引，携水质采样系统在水面上被拖动至下一处采样点，重复步骤（二）、（三）、（四）。
（六）采样结束后，启动无人机（19）牵引并将水质采样系统在水面上拖动至与操作人员较接近的位置，通过摇臂（20）弯曲将无人机（19）从倾斜归为水平状态；启动无人机（19）进入飞行模式并将采样系统带回至地面。
进一步的，步骤（六）无人机（19）的飞行模式中，控制器（21）通过测斜仪（22）监测平台座（5）的倾斜角度，并以闭环负反馈方式控制摇臂（20）发生弯曲以保持平台座（5）水平。
有益效果：本发明充分利用无人机作业范围广、机动性强，能够在复杂环境下接触水体实施采样的特点，具有采样便捷、安全、高效的优势。通过采样瓶设置在采样系统中部、其他单元设置在四周，有利于减小采样前后系统重心偏移，提高系统的稳定和平衡性。通过倾角监控实施对摇臂的弯曲进行反馈控制，进而保证飞行过程采样瓶和采样系统的水平，进一步提高了系统的平衡性，实现采样与无人机的有机组合。通过摇臂弯曲，实现无人机飞行模式和牵引模式的切换，合理采用水空两种移动模式，有效提高了采样系统的负载和续航能力。通过采样管分支和电磁阀的设置，实现采样系统一次下水、多个水样采集，具有节能、快捷、高效的特点。
作为本发明的一个拓展功能和优势：当在流速较高的水体中采样时，一般的无人船采样系统因漂浮在水面上或需要将采样瓶放入水体内部的无人机采样系统会被水流冲击而很难做到定点采样，本发明可以操控无人机浮空停留在水体上面，仅将与测深传感器探头（兼有重锤作用）捆绑一起的采样管入口端放入水体中，有效避免流速过高水流引起的冲击，保持定点采样。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的整体结构示意图。
图2是本发明采样部分控制系统结构图。
图3是本发明配套遥控部分控制系统结构图。
图中：1.转盘电机，2.同步带，3.滚动轴承，4.导电滑环，5.平台座，6.浮球，7.脚垫，8.电缆，9.测深传感器，10.采样管，11.转盘，12.采样泵，13.旋转接头，14.进液管，15.排液管，16.采样瓶，17.电磁阀，18.电源，19.无人机，20.摇臂，21.控制器，22.测斜仪，23.旋翼。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统，包括转盘电机1、测深传感器9、采样泵12、采样瓶16、电磁阀17、无人机19、摇臂20、控制器21。
所述的转盘电机1通过同步带2牵引转盘11，转盘11通过滚动轴承3固定在平台座5上，电缆8和采样管10并排缠绕在转盘11上；电缆8的一端连接测深传感器9，另一端连接导电滑环4；采样管10的入口端布置在靠近测深传感器9位置并与电缆8相固定，出口端连接旋转接头13。
旋转接头13通过进液管14连接采样泵12，采样泵12出口通过进液管14分支连接至少一路采样瓶16，如图1显示连接有四路采样瓶，可标号1~4#，采样瓶16竖直放置，采样瓶16入口处设有电磁阀17，进液管14伸入采样瓶16底部位置，排液管15伸入采样瓶16瓶塞位置；进液管14分支直接通过电磁阀17连接至少有一路排液管15。
采样泵12和采样瓶16均固定在平台座5上；采样瓶16布置在平台座5中部，转盘电机1、滚动轴承3、电源18布置在平台座5上采样瓶16的周围。
平台座5底部设置有浮球6，浮球6下设置有脚垫7，平台座5顶部通过摇臂20连接无人机19。
转盘电机1、导电滑环4、采样泵12、电磁阀17、电源18、摇臂20、测斜仪22均与控制器21连接。
进一步的，所述的测深传感器9为非接触式传感器。
进一步的，所述的测深传感器9为超声波测深仪。
进一步的，所述的摇臂20可发生弯曲，弯曲角度范围为0-90°。
结合附图1、图2和图3，一种基于旋翼无人机的水质自动采样方法，包括以下步骤。
（一）遥控无人机19使其携水质采样系统飞行并降落至设定采样点，并停留在水体表面。
（二）通过测深传感器9测试水体深度，根据水深确定需要采样的深度，通过转盘电机1释放电缆8和采样管10，使得采样管10入口到达设定水深位置。
（三）同步启动采样泵12和与排液管15相连的电磁阀17，使水样排空一段时间。然后关闭与排液管15相连的电磁阀17，同时启动与空采样瓶进液管14相连的电磁阀17，实施水质采样，完成后关闭该电磁阀17和采样泵12。
（四）通过转盘电机1调整采样管10入口至下一个水深位置，重复步骤三；若在更深的多个位置需要采样，则每采集完某一深度的位置后调整采样管10入口至下一个水深位置并重复步骤（三）直至最深处样品采集完毕。
（五）该采样点水质采样结束后，通过摇臂20弯曲将无人机19置成倾斜状态，启动无人机19牵引，携水质采样系统在水面上被拖动至下一处采样点，重复步骤（二）、（三）、（四）。
（六）采样结束后，启动无人机19牵引并将水质采样系统在水面上拖动至与操作人员较接近的位置，通过摇臂20弯曲将无人机19从倾斜归为水平状态；启动无人机19进入飞行模式并将采样系统带回至地面。
进一步的，步骤（六）无人机19的飞行模式中，控制器21通过测斜仪22监测平台座5的倾斜角度，并以闭环负反馈方式控制摇臂20发生弯曲以保持平台座5水平。
进行水质采样时，通过遥控器输入指令，指令通过无线传输至控制器21，控制器21启动无人机19，使得水质采样系统飞行并降落至设定采样点。在浮球6的浮力作用下，整个水质采样系统可漂浮在水面上方，关闭无人机19旋翼23，随后通过遥控发送指令至控制器21进行采样作业。
通过测深传感器9测试水体深度，如检测的水体深度为30m，根据水深确定需要采样的深度，按照环境行业标准《地表水和污水监测技术规范》，水深30m条件下采样水深设定为0.5、15.0、29.5m，通过转盘电机1释放电缆8和采样管10，在测深传感器9的重力作用下，采样管10可保持竖直向下，使得采样管10入口到达设定水深位置，如0.5m。
同步启动采样泵12和与排液管15相连的电磁阀17，实施水样排空一段时间，如20s；然后关闭与排液管15相连的电磁阀17，同时启动与空采样瓶如编号为1#进液管14相连的电磁阀17，实施水质采样，完成后关闭电磁阀17和采样泵12。由于采样瓶16设置在采样系统中部、其他单元设置在周围，有利于减小采样前后系统重心偏移，提高系统在水面和飞行过程中的稳定和平衡性。
通过转盘电机1调整采样管10入口至下一个水深位置，如15.0m。启动采样泵12和与排液管15相连的电磁阀17，实施水样排空一段时间，如20s；然后关闭与排液管15相连的电磁阀17，同时启动与空采样瓶如编号为2#的采样瓶进液管14相连的电磁阀17，实施水质采样，完成后关闭电磁阀17和采样泵12。
该采样点所有深度的水质采样结束后，通过摇臂20弯曲将无人机19置成倾斜状态，如倾斜80°。启动无人机19，在旋翼23的牵引作用下，采样系统在水面上被拖动，并行驶至下一处采样点继续实施采样。本发明通过采样管多分支和电磁阀的设置，实现采样系统一次下水、多个水样采集，具有节能、快捷、高效的特点。
采样结束后，启动无人机19牵引作用，将水质采样系统从水面上拖动至与操作人员较接近的位置，通过摇臂20弯曲将无人机19从倾斜归为水平状态；启动无人机19进入飞行模式并将采样系统带回至地面。在此过程中，监控采样瓶16所在平台座5的倾角，并通过闭环负反馈的方式对摇臂20实施补偿性弯曲，以保证平台座5的水平，防止采样瓶16晃荡或倾倒，提高系统的平衡性，实现了水质采样与无人机19的有机组合。并且，通过摇臂23弯曲，实现无人机飞行模式和牵引模式的切换，使得系统具有两种移动方式，并充分利用采样系统在水面上的漂浮移动，有效节省了采样系统的负载任务，提高了续航能力。
作为本发明的一个特殊实施例：当在流速较高的水体中采样时，操控无人机19携带水质采样系统悬空停留在水体上方，仅将与测深传感器9的探头兼有重锤作用捆绑一起的采样管10入口端放入水体中，有效避免流速过高水流引起的冲击，保持定点采样。
Claims (6)
1.一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统，其特征是包括转盘电机（1）、测深传感器（9）、采样泵（12）、采样瓶（16）、电磁阀（17）、无人机（19）、摇臂（20）、控制器（21）；
所述的转盘电机（1）通过同步带（2）牵引转盘（11），转盘（11）通过滚动轴承（3）固定在平台座（5）上，电缆（8）和采样管（10）并排缠绕在转盘（11）上；电缆（8）的一端连接测深传感器（9），另一端连接导电滑环（4）；采样管（10）的入口端布置在靠近测深传感器（9）位置并与电缆（8）相固定，出口端连接旋转接头（13）；
旋转接头（13）通过进液管（14）连接采样泵（12），采样泵（12）出口通过进液管（14）分支连接至少一路采样瓶（16），采样瓶（16）竖直放置，采样瓶（16）入口处设有电磁阀（17），进液管（14）伸入采样瓶（16）底部位置，排液管（15）伸入采样瓶（16）瓶塞位置；进液管（14）分支直接通过电磁阀（17）连接至少有一路排液管（15）；
采样泵（12）和采样瓶（16）均固定在平台座（5）上；采样瓶（16）布置在平台座（5）中部，转盘电机（1）、滚动轴承（3）、电源（18）布置在平台座（5）上采样瓶（16）的周围；
平台座（5）底部设置有浮球（6），浮球（6）下设置有脚垫（7），平台座（5）顶部通过摇臂（20）连接无人机（19）；
转盘电机（1）、导电滑环（4）、采样泵（12）、电磁阀（17）、电源（18）、摇臂（20）、测斜仪（22）均与控制器（21）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统，其特征是所述的测深传感器（9）为非接触式传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统，其特征是所述的测深传感器（9）为超声波测深仪。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统，其特征是所述的摇臂（20）可发生弯曲，弯曲角度范围为0-90°。
5.权利要求1所述的一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统的采样方法，其特征是包括以下步骤：
（一）遥控无人机（19）使其携水质采样系统飞行并降落至设定采样点，并停留在水体表面；
（二）通过测深传感器（9）测试水体深度，根据水深确定需要采样的深度，通过转盘电机（1）释放电缆（8）和采样管（10），使得采样管（10）入口到达设定水深位置；
（三）同步启动采样泵（12）和与排液管（15）相连的电磁阀（17），使水样排空一段时间；然后关闭与排液管（15）相连的电磁阀（17），同时启动与空采样瓶进液管（14）相连的电磁阀（17），实施水质采样，完成后关闭该电磁阀（17）和采样泵（12）；
（四）通过转盘电机（1）调整采样管（10）入口至下一个水深位置，重复步骤（三）；若在更深的多个位置需要采样，则每采集完某一深度的位置后调整采样管（10）入口至下一个水深位置并重复步骤（三）直至最深处样品采集完毕；
（五）该采样点水质采样结束后，通过摇臂（20）弯曲将无人机（19）置成倾斜状态，启动无人机（19）牵引，携水质采样系统在水面上被拖动至下一处采样点，重复步骤（二）、（三）、（四）；
（六）采样结束后，启动无人机（19）牵引并将水质采样系统在水面上拖动至与操作人员较接近的位置，通过摇臂（20）弯曲将无人机（19）从倾斜归为水平状态；启动无人机（19）进入飞行模式并将采样系统带回至地面。
6.根据权利要求5所述的一种基于旋翼无人机的水质自动采样系统的采样方法，其特征是步骤（六）无人机（19）的飞行模式中，控制器（21）通过测斜仪（22）监测平台座（5）的倾斜角度，并以闭环负反馈方式控制摇臂（20）发生弯曲以保持平台座（5）水平。
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