CN109060442B - 基于无人机的自主定点定深式水体采样系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于无人机的自主定点定深式水体采样系统及其方法，所述系统搭载于无人机平台，以任务设备控制器为核心，由抽水管线、释放机构、水流控制装置、储水袋、抛管机构等部分共同组成。释放机构根据指令释放抽水管线；抽水管线底部装有测量水深的压力变送器；通过控制无人机的位置与高度，精确控制抽水口的位置和深度；通过水流控制装置实现自动的管路清洗与疏通、水样采集与排放；紧急情况下可通过抛管机构抛离管线，保证无人机飞行安全。通过任务控制器的集中控制，本发明可以自主对多个不同地点、不同深度的采样点进行精确的定点、定深采样，并可自动对采水设备进行清洗和疏通，实现高效、高精度、安全可靠的自动化采水作业。

Description

基于无人机的自主定点定深式水体采样系统及其方法

技术领域

本发明涉及水环境监测与环境保护领域，尤其涉及一种利用无人机，自主地对多个不同地点、不同深度的采样点进行精确的定点、定深采样的方法，属于无人机、传感器检测、自动控制等技术领域。

背景技术

水体采样和水质监测是污染源控制和水污染治理的重要手段。由于我国水域面积较大，在线监测点覆盖度有限，因此人工采样仍然是主要的采样方式。

传统的人工采水方法多为船舶平台上的手动作业方式，需要手持桶状采水装置放于水下，到达指定深度后打开采水开关，待水样充满容器后关闭开关并提出水面。在流速较高的水域，船舶难以保持定点停泊，且采水装置易随水流发生倾斜，影响深度测量精度，因此难以实现精确的定点、定深采水，且采水效率较低。

近年来出现了利用无人机进行自动采水的方法，但大多都基于传统采水装置、采用升降机构将采水装置施放至水下进行采水，由于采水装置较重，长距离吊挂重物对无人机姿态控制影响较大；且现有方案大多没有精确测量和控制采水的深度，无法实现定点定深采水；此外，多数采水方案多为单点作业，自动化程度、采样精度和效率都较为低下。

发明内容

本发明提出了一种可以自主对多个不同位置、不同深度的采样点进行精确的定点、定深采样的系统及方法，并可自动对采水设备进行清洗和疏通，提高采水作业的效率、精度及自动化程度，改进现有方法中的不足。

本发明采用的技术方案为：

一种基于无人机的自主定点定深式水体采样系统，主要包括搭载在无人机平台上，用于控制采水设备的任务设备控制器；用于测量水深和采样的抽水管线；用于施放抽水管线的释放机构；用于管路清洗与疏通、水体采样与排放的水流控制装置；用于存储水体样本的多个储水袋及紧急情况下用于抛弃抽水管线、保证飞行安全的抛管机构。

作为优选，所述任务设备控制器用于接收操作员指定的采水点位置与深度，自动规划作业路径；按照指定的采水任务控制无人机逐一飞至采样点，进行采水作业；释放抽水管线，并实时采集其深度信息，通过调节无人机的飞行高度来实现抽水口(抽水管线底端)的深度控制；实时采集水体流速和流量信息，监控采样过程；按照采样过程对各个水泵和水阀进行控制，先后完成管路清洗、水体采样，并在管路堵塞时进行反向疏通，在必要时进行排水；在紧急情况下(水下抽水管线被杂物卡住或缠绕)发送抛管信号，将抽水管线抛弃，保证无人机的飞行安全。

作为优选，所述抽水管线主要包括过滤器、压力变送器、长约数十米的水管和线缆。过滤器用于滤除水中的杂质，防止管路被堵塞；压力变送器测量抽水口处的压力值，经线缆传送至任务设备控制器，得到抽水口在水下的深度，用来调整无人机的飞行高度，实现抽水口深度的稳定控制。水管采用可缠绕、防阻塞的波纹管，一端与过滤器相连，另一端通过卡箍固定在一段软质橡胶管上，软质橡胶管通过自脱落式连接器与水流控制装置连接；为了避免打结，管路与线缆使用胶带或扎带固定在一起。

作为优选，所述释放机构包括放管舵机和吊挂绳索。绳索一端固定在抽水管线的固定点上，另一端绕环状抽水管线将其束缚住后连接一个吊环，吊环吊挂在放管舵机的销轴上，放管舵机与任务设备管理器相连。当无人机飞至指定采样点，准备开始采样时，任务设备控制器通过PWM信号控制放管舵机发生动作，带动销轴移动，使圆环脱离销轴，抽水管线在重力作用下自行脱落并自由展开，落入水中。

作为优选，所述水流控制装置包括第一并联单元和第二并联单元，所述的第一并联单元包括相互并联的支路一和支路二，第二并联单元包括相互并联的一条排水/进气管路和N条采样管路，每条采样管路上均设有一个阀门和一个储水袋；其中支路一和支路二上均至少设有一个阀门，一个流量计和一个水泵，第一并联单元一端与抽水管相连，另一端与第二并联单元相连，任务设备控制器控制水泵转速和水阀开关；其中并联的支路一和支路二的流向相反，支路一的流向为从抽水管流至第二并联单元，支路二的流向为从第二并联单元流至抽水管。

所述N为储水袋的个数，即支持的采样点的数量，可根据需要进行扩展。通过水泵和水阀的通断组合，实现管路的清洗与疏通，及各个储水袋的充水与排放。作业过程中，可根据不同的采水点及各个不同的采水阶段，对水流方向做出实时调整，并对流速和流量进行监测，实现全自主的多点采样任务。

作为优选，所述储水袋为较柔软的黑色塑料材质，采水系统可同时携带多个储水袋，每个储水袋存储一个采水点处的水样；储水袋的编号与操作员指定的采样点的编号及水阀编号相对应；通过水流控制装置可实现某个特定储水袋的充水与排放。

作为优选，所述抛管机构由自脱落式连接器、抛管舵机及吊挂绳索组成。抽水管线与水流控制装置通过自脱落式连接器连接，在重力作用下，连接器可自行脱落；吊挂绳索一端固定在抽水管线的连接器处，另一端连接一个吊环，吊环吊挂在抛管舵机的销轴上。正常情况下，抽水管线的重力通过绳索和吊环，传递到抛管舵机的销轴上；当控制器检测到抽水管线发生缠绕，威胁到无人机飞行安全时，控制器通过PWM信号控制抛管舵机发生动作，带动销轴移动，吊环从销轴上脱落，重力施加在自脱落式连接器上，使连接器脱落，抽水管线与无人机分离，落入水中或地面，使无人机处于自由状态，保证其飞行安全。

本发明的有益效果主要表现在：可以自主对多个不同地点、不同深度的采样点进行精确的定点、定深采样，并可自动对采水设备进行清洗和疏通，实现高效、高精度、安全可靠的自动化采水作业。

附图说明

图1是一种基于无人机的自主定点定深式水体采样系统的示意图。

图2是本发明中的水流控制装置。

图3是本发明中的释放机构与抛管机构。

图4是一种基于无人机的自主定点定深式水体采样的方法与流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

本发明的自主定点定深式水体采样系统可安装在多旋翼、直升机等飞行平台上，用于水体采样。该系统由任务设备控制器、抽水管线、释放机构、水流控制装置、储水袋、抛管机构等组成。具体如下：

参照附图1，本发明中的任务设备控制器根据操作员指定的采水点位置与深度，自动规划作业路径；按照指定的采水任务控制无人机逐一飞至采样点，进行采水作业；控制器控制放管舵机，释放抽水管线；抽水管线末端的压力变送器实时采集水压信息，转换为水深信号并上传给控制器；通过调节无人机的飞行高度实现抽水口(抽水管线底端)深度的精确控制；流量计实时采集流速信息，并发送至控制器，控制器对流速信息进行积分，获取流量信息，并根据流速和流量识别采样过程和系统工作状态；当流量接近储水袋的容量且流速小于限定值时，判定储水袋充满，关闭水泵与水阀，完成该点采样过程，飞至下一个采样点进行采样；必要时，可通过水流控制装置调节水流方向，进行管路清洗、管路疏通或排水，也可在紧急情况下(抽水管线被水下杂物卡住或缠绕)发送抛管信号，将抽水管线抛弃，保证无人机的飞行安全。

参照附图2，本发明通过两个流量计、两个水泵和N+3个水阀对水流进行监测与控制。水泵1配合水阀1，用于采水和排水；水泵2配合水阀2，用于反向疏通管路。水阀3用于控制排水或反向疏通管路；水阀4和水阀5用于控制储水袋1和储水袋2的开关。以下以储水袋1和储水袋2为例，具体控制方法如下：

(1)泵1和阀1开启，泵2和阀2关闭：

a).阀4开启，阀3和阀5关闭：控制储水袋1采水；

b).阀5开启，阀3和阀4关闭：控制储水袋2采水；

c).阀3开启，阀4和阀5关闭：控制清洗管路和水泵。

(2)泵1和阀1关闭，泵2和阀2开启：

a).阀4开启，阀3和阀5关闭：控制储水袋1排水；

b).阀5开启，阀3和阀4关闭：控制储水袋2排水；

c).阀3开启，阀4和阀5关闭：控制反向吹气，疏通采水管路和水滤。

需要说明的是，本发明中的采水点可扩展为多个，每增加一个采水点，需增设一个储水袋和一个阀门。

参照附图3，所述释放机构包括放管舵机和吊挂绳索。抽水管线在收纳状态下绕成环状，绳索一端固定在抽水管线的固定点上，另一端绕过环状抽水管线将其束缚住后连接一个吊环，吊环吊挂在放管舵机的销轴上，放管舵机与任务设备管理器相连，其中固定点优选设置在抽水管线环状部分的尾端(以抽水管线的抽水口为头端、靠近水流控制装置为尾端)，吊挂绳索自固定点开始沿抽水管线环状部分(可看做近似圆筒状)的外壁至其头端，然后折返并从环状部分的环内穿过最终绕环状抽水管线一圈后与吊环连接，从而将抽水管线束缚住。当无人机飞至指定采样点，准备开始采样时，任务设备控制器通过PWM信号控制放管舵机发生动作，带动销轴移动，使圆环脱离销轴，抽水管线在重力作用下自行脱落并自由展开，落入水中。

参照附图3，所述抛管机构由自脱落式连接器、抛管舵机及吊挂绳索组成。所述自脱落式连接器含一个采水管路连接器和一个信号线路连接器，其中，采水管路连接器由软质橡胶段和宝塔式接头的中转段组成，两段软质橡胶管分别连接在一个宝塔式接头的中转段上，宝塔式接头的约束力可以防止管路自行脱离，但在抽水管线自身重力的作用下可顺畅脱开；信号线路连接器可采用不带自锁机构的排针与排插(如香蕉头、杜邦接头等)，在抽水管线自身重力作用下可顺畅脱开。抽水管线与水流控制装置通过自脱落式连接器连接；吊挂绳索一端固定在抽水管线的连接器处，另一端连接一个吊环，吊环吊挂在抛管舵机的销轴上。正常情况下，抽水管线的重力通过绳索和吊环，传递到抛管舵机的销轴上；当控制器检测到抽水管线发生缠绕，威胁到无人机飞行安全时，控制器通过PWM信号控制抛管舵机发生动作，带动销轴移动，吊环从销轴上脱落，重力施加在自脱落式连接器上，使连接器脱落，抽水管线与无人机分离，落入水中或地面，使无人机处于自由状态，保证其飞行安全。

参照附图4，正常情况下自主定点定深式水体采样方法可以分为任务指定、位置控制、管线释放、深度控制、管路清洗、水样采集、依次完成多点采样、返航等多个过程。在必要时，可以进行排水或抛管。

1)、任务指定：本发明中，操作员可通过地面站依次设定各个采样点的坐标与深度，或直接在地图上选择采样点并指定采样深度。作业任务指定后，任务设备控制器即可获知作业目标和要求，并按照采样点的位置坐标规划飞行路径。

2)、位置控制：本发明中，采水作业开始后，任务设备控制器控制无人机按照采水顺序依次飞向采水点的位置，并调整到规定高度(距水面高度与抽水管线长度相当)，准备释放抽水管线。通过无人机的位置控制，可以实现高精度的自主定点采水。

3)、管线释放：本发明中，当无人机飞至第一个采样点，且位置和高度控制稳定后，按照控制程序，自动释放抽水管线。抽水管线只需在第一个采样点释放一次，后续不再收起，因此不必重复释放。

4)、深度控制：本发明中，抽水口处的压力变送器采集水压并传送至任务设备控制器，控制器将压力测量信号转换为深度测量信号(H＝P_表/(ρ_水g))，进而将目标采样深度与深度测量值之间的偏差信号转换为无人机高度控制器设定值的增量信号，通过调整无人机高度，使深度偏差稳定在0附近。深度控制器可采用PID控制结构，为了保证无差的深度控制，深度控制器应包含积分作用。这种通过水压直接测量抽水口深度，并通过无人机实时精确控制抽水口深度的方法，可以避免由水流产生的采水设备倾斜角给深度测量值带来的误差，实现精确的定深采水。

5)、管路清洗：本发明中，对于每个新的采水点，在做水样采集之前，需要先对管线进行清洗，以避免管线中残留的水样给水质分析带来干扰。首先将流量数据清零；任务设备控制器保持泵2、阀2、阀4和阀5处于关闭状态，依次开启阀3、阀1和泵1；水样从抽水口进入管路，经阀1、泵1和阀3，从排水口排出。流量计1实时测量流速，经积分后得到冲水量，冲水量达到指定容量后，任务设备控制器依次关闭泵1、阀1和阀3，流量数据清零，管路清洗过程结束。

6)、水样采集：本发明中，管路清洗完成后，自动进入水样采集过程。将流量数据清零，任务设备控制器保持泵2、阀2、阀3和阀5处于关闭状态，依次开启阀4、阀1和泵1，水样从抽水口进入管路，经阀1、泵1和阀4，充入储水袋1。流量计1实时测量流速，经积分后得到抽水量，抽水量接近储水袋容量且流速基本为0时，储水袋1充满水，任务设备控制器依次关闭泵1、阀1和阀4，水样采集过程结束，流量数据清零。

7)、管路疏通：本发明中，当某个采样点的水样采集完成后，或任务设备控制器检测到管路被堵塞时(检测依据为：抽水量达到规定容量前，流速已降至正常值以下)，自动进入管路疏通过程(堵塞时需暂存流量数据)。任务设备控制器保持泵1、阀1、阀4和阀5处于关闭状态，依次开启阀3、阀2和泵2，空气从排水口进入管路，经阀3、泵2和阀2，从抽水口流出。持续规定时间后，任务设备控制器依次关闭泵2、阀2和阀3，管路疏通过程结束，继续进入水样采集过程(暂存的流量数据值为非零时)或结束该采样点的采样任务。

8)、依次完成多点采样：某个采样点的采样任务完成后，若后续仍有其他采样点，则顺序进入下个采样点的任务，即回跳至“位置控制”过程，控制无人机飞向下个采样点，继续采样。

9)、返航：所有采样点的任务都完成后，任务设备控制器控制无人机返航，在降落时，当抽水管线的下端触地后，可视情况发送抛管指令，使管线与无人机分离，以避免管线对无人机降落姿态的不利影响。

此外，本发明可以在必要时进行排水，任务设备控制器保持泵1、阀1、阀3和阀5处于关闭状态，依次开启阀4、阀2和泵2，储水袋1中的水进入管路，经阀4、泵2和阀2，从抽水口流出。持续规定时间后，任务设备控制器依次关闭泵2、阀2和阀4，排水过程结束。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于无人机的自主定点定深式水体采样系统，其特征在于：包括搭载在无人机平台上，用于控制采水设备的任务设备控制器；用于测量水深和采样的抽水管线；用于施放抽水管线的释放机构；用于管路清洗与疏通、水体采样与排放的水流控制装置；用于存储水体样本的多个储水袋及紧急情况下用于抛弃抽水管线、保证飞行安全的抛管机构；

所述抽水管线包括过滤器、压力变送器、管路和线缆；过滤器用于滤除水中的杂质，防止管路被堵塞；压力变送器测量抽水口处的压力值，经线缆传送至任务设备控制器，所述的管路与线缆使用胶带或扎带固定在一起；

所述水流控制装置包括第一并联单元和第二并联单元，所述的第一并联单元包括相互并联的支路一和支路二，第二并联单元包括相互并联的一条排水/进气管和N条采样管，N为储水袋的个数，每条采样管上均设有一个阀门和一个储水袋；其中支路一和支路二上均至少设有一个阀门，一个流量计和一个水泵，第一并联单元一端与抽水管相连，另一端与第二并联单元相连，任务设备控制器控制水泵转速和水阀开关；其中并联的支路一和支路二的流向相反，支路一的流向为从抽水管流至第二并联单元；

所述抛管机构由自脱落式连接器、抛管舵机及吊挂绳索组成；抽水管线与水流控制装置通过自脱落式连接器连接，在重力作用下，连接器可自行脱落；吊挂绳索一端固定在抽水管线靠近连接器处，另一端连接一个吊环，吊环吊挂在抛管舵机的销轴上；正常情况下，抽水管线的重力通过绳索和吊环，传递到抛管舵机的销轴上；当任务设备控制器检测到抽水管线发生缠绕，威胁到无人机飞行安全时，控制器通过PWM信号控制抛管舵机发生动作，带动销轴移动，吊环从销轴上脱落，重力施加在自脱落式连接器上，使连接器脱落，抽水管线与无人机分离，落入水中或地面。

2.如权利要求1所述的基于无人机的自主定点定深式水体采样系统，其特征在于：

所述任务设备控制器用于接收操作员指定的采水点位置与深度；按照指定的采水任务控制无人机逐一飞至采样点，进行采水作业；释放抽水管线，并实时采集深度信息，通过调节无人机的飞行高度来实现抽水口的深度控制；实时采集水体流速和流量信息，监控采样过程；根据采样需求对各个水泵和水阀进行控制，先后完成管路清洗、水体采样，并在管路堵塞时进行反向疏通，在必要时进行排水；在紧急情况下发送抛管信号，将抽水管线抛弃，保证无人机的飞行安全。

3.如权利要求1所述的基于无人机的自主定点定深式水体采样系统，其特征在于：

所述释放机构包括放管舵机和吊挂绳索；抽水管线绕成环状，吊挂绳索一端固定在抽水管线的固定点上，另一端绕过环状抽水管线将其束缚住后连接一个吊环，吊环吊挂在放管舵机的销轴上；放管舵机与任务设备控制器相连。

4.一种权利要求1所述系统的基于无人机的自主定点定深式水体采样方法，其特征在于包括如下步骤：

1）、任务指定：操作员通过地面站依次设定各个采样点的坐标与深度，或直接在地图上选择采样点并指定采样深度；作业任务指定后，任务设备控制器获知作业目标和要求，并按照采样点的位置坐标规划飞行路径；

2）、位置控制：采水作业开始后，任务设备控制器控制无人机按照采水顺序依次飞向采水点的位置，并调整到规定高度，准备释放抽水管线；通过无人机的位置控制，实现高精度的自主定点采水；

3）、管线释放：当无人机飞至第一个采样点，且位置和高度控制稳定后，按照控制程序，自动释放抽水管线，抽水管线只需在第一个采样点释放一次，后续不再收起；

4）、深度控制：抽水口处的压力变送器采集水压并传送至任务设备控制器，控制器将压力测量信号转换为深度测量信号，进而将目标采样深度与深度测量值之间的偏差信号转换为无人机高度控制器设定值的增量信号，通过调整无人机高度，消除深度偏差；深度控制器采用PID控制结构，深度控制器应包含积分作用；

5）、管路清洗：对于每个新的采水点，在做水样采集之前，先对管路进行清洗，首先将流量数据清零；任务设备控制器打开支路一和排水/进气管路，水样从抽水口进入管路，从排水口排出；支路一的流量计实时测量流速，经积分后得到冲水量，冲水量达到指定流量后，任务设备控制器关闭支路一和排水/进气管，流量数据清零，管路清洗过程结束；

6）、水样采集：管路清洗完成后，自动进入水样采集过程；将流量数据清零，任务设备控制器打开支路一和其中一条采样管路，水样从抽水口进入管路，充入对应的储水袋；支路一的流量计实时测量流速，经积分后得到抽水量，抽水量接近储水袋容量且流速小于设定值时，储水袋充满水，任务设备控制器依次关闭支路一和该采样管路，该采样点的水样采集过程结束，流量数据清零；

7）、管路疏通：当某个采样点的水样采集完成后，或任务设备控制器检测到管路被堵塞时，自动进入管路疏通过程；任务设备控制器打开支路二和排水/进气管路，空气从排水口进入管路，从抽水口流出；持续规定时间后，任务设备控制器关闭支路二和排水/进气管路，管路疏通过程结束，继续进入水样采集过程或结束该采样点的采样任务；

8）、依次完成多点采样：某个采样点的采样任务完成后，若后续仍有其他采样点，则顺序进入下个采样点的任务，即回跳至步骤2），控制无人机飞向下个采样点，继续采样；

9）、返航：所有采样点的任务都完成后，任务设备控制器控制无人机返航，在降落时，当抽水管线的下端触地后，可视情况发送抛管指令，使管线与无人机分离。