CN108445172A - 一种基于无人机的水质检测采样系统和采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于无人机的水质检测采样系统和采样方法，包括取样模块，包括浮台，浮台上设置有取水管；输送模块，包括电动绞盘，电动绞盘上缠绕有软管，软管一端连接取水管，另一端连接转移模块；转移模块，包括由电机驱动的空心轴；空心轴上端通过水泵连接有伸缩套管，所述伸缩套管远离空心轴的一端设置有输水头，伸缩套管通过驱动件驱动伸缩；储水模块，包括环形的储水箱，储水箱内均布若干储水室，储水室内侧设置有连接输水头的单向阀；控制模块，包括总控制器；电动绞盘和电机均与总控制器连接。本发明能够系统化、自动化和高效化地进行水质取样，从而给科研工作者们提高有效的气象、水文、地理、生态等信息。

Description

一种基于无人机的水质检测采样系统和采样方法

技术领域

本发明属于水质检测领域，尤其涉及一种基于无人机的水质检测采样系统和采样方法。

背景技术

近年来，江河湖泊遭遇意外污染的事件频繁出现，需要及时对水质情况进行检测。而且随着人们对饮用水水源水质要求的不断提高，也需要加强对水质的检测频率。而高效全面的获取水质信息是水污染防治工作的先决条件，水质采样工作则是获取水质信息的关键环节，兴起的无人直升机作业覆盖范围广、机动性强，能够满足大范围巡察的需要。然而无人机的载重问题一直没有得到很好的解决。我们的水样采集装置，结构简单，实用性强，小巧轻便，为无人机的飞行减少负担。

现有的采集方式有：

1、人工采集：人工翻越河床、林道、溪流、沼泽等区域，再以驱船的方式到达水面中心，通过投下采样桶或者采样水泵采样等方法采样。

缺点：采样方法古老、低效，自动化程度低，尤其是容易受到地形的影响，采样难度大，安全性和效率性低。

2、水桶式采集：无人机上挂若干个采样桶，飞到任务区域后下投取样。

缺点：无人机与科学设备的低级结合，在飞行过程中，样品水样容易外溢。而且水桶投放后，只能采集到表面的水样。与此同时飞机必须通过激烈的动作才能会让水桶灌满水。

3、水泵式采集：无人机上加上一个取水泵和软管，飞到任务区域后降低飞行高度，利用软管吸水。

缺点：此方法一般可利用为森林灭火等任务。不符合科学的精细化、独立存储样品的科学要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于无人机的水质检测采样系统和采样方法，其能够系统化、自动化和高效化地进行水质取样，从而给科研工作者们提高有效、必要且具备说服力的气象、水文、地理、生态等信息。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于无人机的水质检测采样系统，包括取样模块、输送模块、转移模块、储水模块和控制模块；

取样模块，包括浮台，浮台上设置有取水管；

输送模块，包括电动绞盘，电动绞盘上缠绕有软管，软管一端连接取水管，另一端连接转移模块；

转移模块，包括由电机驱动的空心轴，所述空心轴下端与取水管连接，上端通过水泵连接有伸缩套管，所述伸缩套管远离空心轴的一端设置有输水头，伸缩套管通过驱动件驱动伸缩；

储水模块，包括环形的储水箱，储水箱内均布若干储水室，储水室内侧设置有连接输水头的单向阀；

控制模块，包括总控制器，电动绞盘和电机均与总控制器连接。

进一步的，取样模块中，取水管活动插设于浮台中部，取水管一侧设置有防水步进电机，防水步进电机通过蜗轮蜗杆连接有竖直设置的丝杠副，取水管上部设置限位卡，限位卡和丝杠螺母固定连接；防水步进电机上连接有微控制器，微控制器通过无线通信协议和总控制器连接。

进一步的，所述取水管上部设置限位卡，蜗杆上设置磁铁，取水管通过限位卡与磁铁的相互吸引来和蜗杆固定连接。

进一步的，在浮台上设置有反射镜，在无人机上设置有角度跟随器和激光发射器。

进一步的，浮台下均布若干稳定重锤。

进一步的，在浮台上表面、浮台的下表面和取水管侧壁均设置有温度传感器。

一种基于无人机的水质检测采样方法，包括如下步骤：

步骤一，启动无人机，地面工作人员通过无人机的遥控设备控制无人机飞行至取样区并自动定点悬停；

步骤二，下放浮台，由总控制器控制自动绞盘将浮台放至水面；

步骤三，定位调节，利用角度跟随器和激光发射器测量浮台相对于无人机的位置偏移量，然后操控无人机移动使得浮台到达取样点，将无人机再次定点悬停；

步骤四，定深，由总控制器向微控制器发出指令，微控制器启动防水步进电机，调节取水管的吃水深度；

步骤五，取样，由总控制器控制驱动件，驱动伸缩套管伸长，让输水头插入单向阀内；接着由总控制器启动水泵，取水管吸取水样，水样经软管和伸缩套管进入到储水室内；

步骤六，步骤五中的一次取样完成后，由总控制器控制伸缩套管回缩，同时控制自动绞盘将软管卷起；

步骤七，驱动无人机飞往下一个采样区并自动定点悬停；

步骤八，重复步骤二至步骤七的操作，进行多采样点的多次采样。

进一步的，步骤五中，取样前，在输水头不插入单向阀的状态下进行吸水20秒。

进一步的，步骤五中，水泵将水样吸入储水室中时，直到储水室中的水样从储水室上方的止回阀中溢出若干秒后，水泵停止吸水。

进一步的，在每个采样点进行采样工作的同时，总控制器通过温度传感器和GPS记录下采样点的空气温度、水温和位置信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、利用无人机的飞行特性，可以让使用者在岸上、船上等安全区域起飞、操作飞机飞越沙滩、河床、林道、溪流，以及恶劣的沙漠地形；简单方便的对采样区进行科学水样采集工作；减少人员设备在复杂地形工作耗费的时间金钱投入以及增加人员安全性；

2、浮标式定深采集方法更加科学严谨。水体表面的水样品会由于水气交换，植物落叶、漂浮垃圾等因素的影响，此处采集的水体样品不能完全代表了整个水体的实际情况。所以我们至少采取水表面以下20cm的水样作为研究样品；我们提供了浮标可调深度式采集方式，能够满足不同研究内容对不同采样深度需求进行精确控制；

3、水泵旋转式采集装置。利用该装置能够完成全部的洗漱取水工作，有利于装置的精简化、轻量化；通过电机驱动空心轴旋转的方式，可使无人机具备多区域、多时间、多梯度的各种层级的取样，并且能够保证样品独立保存不外溢；通过一次飞行可获取量大、独立、可靠的科学样品，并且附带相应的气象水文地理信息。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中取样模块的结构示意图。

图中，1、浮台；11、取水管；111、过滤网；112、限位卡；12、防水步进电机；121、蜗轮蜗杆；122、丝杠螺母；123、丝杠副；13、反射镜；131、激光发射器；14、稳定重锤；15、温度传感器；16、稳定支架；2、电动绞盘；21、软管；3、空心轴；31、电机；32、水泵；321、伸缩套管；322、输水头；323、气缸；4、储水箱；41、储水室；42、锥型口；421、单向阀；43、止回阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明旨在提供一种基于无人机的水质检测采样系统，如图1所示，包括取样模块、输送模块、转移模块、储水模块和控制模块。

取样模块，包括浮台1，浮台1上设置有取水管11，取水管11底部设置有过滤网111；取水管11活动插设于浮台1中部，取水管11一侧设置有防水步进电机12，防水步进电机12通过蜗轮蜗杆121连接有竖直设置的丝杠副123，取水管11上部设置限位卡112，限位卡112和丝杠螺母122固定连接，从而使得防水步进电机12能够驱动取水管11上下移动；防水步进电机12上连接有微控制器；另外，取水管11还可以通过气缸等其他成熟的现有技术实现。

在浮台1上设置有反射镜13，在无人机上设置有角度跟随器和激光发射器131。浮台1下均布若干稳定重锤14。在浮台1上表面、浮台1的下表面和取水管11侧壁均设置有温度传感器15。浮台1上还设置有稳定支架16，在浮台1收起后，起到稳定作用。

输送模块，包括电动绞盘2，电动绞盘2上缠绕有软管21，软管21一端连接取水管11，另一端连接转移模块。

转移模块，包括由电机31驱动的空心轴3，在空心轴3下部设置有齿轮盘，从而与电机31上设置的齿轮啮合传动。空心轴3下端与取水管11连接，上端通过水泵32连接有伸缩套管321，伸缩套管321远离空心轴3的一端设置有输水头322，输水头322呈锥状，便于插接，伸缩套管321通过驱动件驱动伸缩，驱动件为气缸323。

储水模块，包括环形的储水箱4，储水箱4内均布若干储水室41，储水室41内侧设置有和输水头322配合的锥型口42并设置有单向阀421。锥型口42内侧设有橡胶垫，提高密封性。在储水室41上部设置止回阀43。

控制模块，包括总控制器，电动绞盘2和电机31均与总控制器连接，微控制器通过无线通信协议和总控制器连接。

本发明还提供一种基于无人机的水质检测采样方法，包括如下步骤：

首先，在无人机起飞前要进行起飞安全检查。检查无人机以及水质检测采样系统的状态是否正常，并保证自动绞盘上的软管21处于收卷状态和伸缩套管321处于回缩状态。

步骤一，启动无人机。地面工作人员通过无人机的遥控设备控制无人机飞行至取样区并自动定点悬停；

具体的，无人机在到达取样区上空后，由无人机自身的rtkGPS定位模块和超声波定高模块分别提供水平和垂直纬度上厘米级别的精确定位定高信息。在无人机的飞行控制计算机的协助下，最大的保持飞机稳定悬停。

步骤二，下放浮台。由总控制器控制自动绞盘将浮台1放至水面；

由于无人机和浮标会受到风和水流的影响，会造成小范围的相对运动，使用软管21连接的方式可使两者位置有一定的冗余量，大幅度的提高了系统的灵活性和安全性。

步骤三，定位调节。利用角度跟随器和激光发射器131测量浮台1相对于无人机的位置偏移量，然后操控无人机移动使得浮台1到达取样点，将无人机再次定点悬停；

具体的，由于风力的影响，导致飞机的定位和浮台1，即取样点的位置存在一定的差距。为了获取更加精准的取样样本，我们使用了光-角定位器对浮标进行了低成本高精度的定位。所谓光-角定位器，具体内容是在浮标上安装一块反射镜13（接收端），飞机端装有角度跟随器和激光发射器131。与无人机飞控imu（角状态传感器）和rtkGPS（差分式GPS）的配合，角度跟随器和激光发射器131通过角度和距离的定位可实现浮标位置的基于无人机位置的再定位。具体的，通过角度跟随器调节激光发射器131的角度，使激光发射器131发射的光束照射到反射镜13上，从而该光束的距离便是无人机和浮台1之间的位移量，而角度跟随器的转角便是无人机和浮台1之间的角度差，根据无人机和浮台1之间的位移量和角度差便可计算出该浮台1的位置，最后通过调控无人机使得浮台1到达指定地点。 该定位方法成本较低，定位精准。

步骤四，定深。由总控制器向微控制器发出指令，微控制器启动防水步进电机12，通过驱动丝杠副123的丝杠转动来调节取水管11的吃水深度。

步骤五，取样。取样前，在输水头322不插入单向阀421的状态下进行吸水20秒。然后由总控制器控制驱动件，驱动伸缩套管321伸长，让输水头322插入单向阀421内；接着由总控制器启动水泵32，取水管11吸取水样，水样经软管21和伸缩套管321进入到储水室41内。水泵32将水样吸入储水室41中时，直到储水室41中的水样从储水室41上方的止回阀43中溢出若干秒后，水泵32停止吸水。

步骤六，步骤五中的一次取样完成后，由总控制器控制伸缩套管321回缩，同时控制自动绞盘将软管21卷起。

步骤七，驱动无人机飞往下一个采样区并自动定点悬停。

步骤八，重复步骤二至步骤七的操作，进行多采样点的多次采样。

在每个采样点进行采样工作的同时，总控制器通过温度传感器15和rtkGPS记录下采样点的空气温度、水温和位置信息。

本发明具有以下优势：

1、利用无人机的飞行特性，可以让使用者在岸上、船上等安全区域起飞、操作飞机飞越沙滩、河床、林道、溪流，以及恶劣的沙漠地形；简单方便的对采样区进行科学水样采集工作；减少人员设备在复杂地形工作耗费的时间金钱投入以及增加人员安全性；

2、浮标式定深采集方法更加科学严谨。水体表面的水样品会由于水气交换，植物落叶、漂浮垃圾等因素的影响，此处采集的水体样品不能完全代表了整个水体的实际情况。所以我们至少采取水表面以下20cm的水样作为研究样品；我们提供了浮标可调深度式采集方式，能够满足不同研究内容对不同采样深度需求进行精确控制；

3、水泵32旋转式采集装置。利用该装置能够完成全部的洗漱取水工作，有利于装置的精简化、轻量化；通过电机31驱动空心轴3旋转的方式，可使无人机具备多区域、多时间、多梯度的各种层级的取样，并且能够保证样品独立保存不外溢；通过一次飞行可获取量大、独立、可靠的科学样品，并且附带相应的气象水文地理信息。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于无人机的水质检测采样系统，其特征在于：包括取样模块、输送模块、转移模块、储水模块和控制模块；

取样模块，包括浮台，浮台上设置有取水管；

输送模块，包括电动绞盘，电动绞盘上缠绕有软管，软管一端连接取水管，另一端连接转移模块；

转移模块，包括由电机驱动的空心轴，所述空心轴下端与取水管连接，上端通过水泵连接有伸缩套管，所述伸缩套管远离空心轴的一端设置有输水头，伸缩套管通过驱动件驱动伸缩；

储水模块，包括环形的储水箱，储水箱内均布若干储水室，储水室内侧设置有连接输水头的单向阀；

控制模块，包括总控制器，电动绞盘和电机均与总控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的水质检测采样系统，其特征在于：取样模块中，取水管活动插设于浮台中部，取水管一侧设置有防水步进电机，防水步进电机通过蜗轮蜗杆连接有竖直设置的丝杠副，取水管上部设置限位卡，限位卡和丝杠螺母固定连接；防水步进电机上连接有微控制器，微控制器通过无线通信协议和总控制器连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的水质检测采样系统，其特征在于：所述取水管上部设置限位卡，蜗杆上设置磁铁，取水管通过限位卡与磁铁的相互吸引来和蜗杆固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的水质检测采样系统，其特征在于：在浮台上设置有反射镜，在无人机上设置有角度跟随器和激光发射器。

5.根据权利要求4所述的一种基于无人机的水质检测采样系统，其特征在于：浮台下均布若干稳定重锤。

6.根据权利要求1所述的一种基于无人机的水质检测采样系统，其特征在于：在浮台上表面、浮台的下表面和取水管侧壁均设置有温度传感器。

7.一种基于无人机的水质检测采样方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，启动无人机，地面工作人员通过无人机的遥控设备控制无人机飞行至取样区并自动定点悬停；

步骤二，下放浮台，由总控制器控制自动绞盘将浮台放至水面；

步骤三，定位调节，利用角度跟随器和激光发射器测量浮台相对于无人机的位置偏移量，然后操控无人机移动使得浮台到达取样点，将无人机再次定点悬停；

步骤四，定深，由总控制器向微控制器发出指令，微控制器启动防水步进电机，调节取水管的吃水深度；

步骤五，取样，由总控制器控制驱动件，驱动伸缩套管伸长，让输水头插入单向阀内；接着由总控制器启动水泵，取水管吸取水样，水样经软管和伸缩套管进入到储水室内；

步骤六，步骤五中的一次取样完成后，由总控制器控制伸缩套管回缩，同时控制自动绞盘将软管卷起；

步骤七，驱动无人机飞往下一个采样区并自动定点悬停；

步骤八，重复步骤二至步骤七的操作，进行多采样点的多次采样。

8.根据权利要求7所述的一种基于无人机的水质检测采样方法，其特征在于：步骤五中，取样前，在输水头不插入单向阀的状态下进行吸水20秒。

9.根据权利要求7所述的一种基于无人机的水质检测采样方法，其特征在于：步骤五中，水泵将水样吸入储水室中时，直到储水室中的水样从储水室上方的止回阀中溢出若干秒后，水泵停止吸水。

10.根据权利要求7所述的一种基于无人机的水质检测采样方法，其特征在于：在每个采样点进行采样工作的同时，总控制器通过温度传感器和GPS记录下采样点的空气温度、水温和位置信息。