CN109283015A - 一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下采集装置技术领域，公开了一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置。该装置包括用于样品采集的作业组件、辅助组件以及用于数据收集处理及反馈的控制组件，所述作业组件包括水样采样单元和土样采集单元，所述辅助组件包括运动推进单元，所述控制组件包括控制器单元和上位机。本发明能够仅仅通过一次采样操作即可同时精确高效地获取包含土样及水样在内的复杂采样对象，同时，在一次性完成多种复杂样品采集的过程中还显著提高了相应水下采样装置在进行工作时的采集点定位和运动位姿的精度，同时还具备整个装置结构紧凑、便于操控，工作稳定性强和适应于各类复杂水下环境等特点。
Description
技术领域
本发明属于水下采集装置技术领域，更具体地，涉及一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置。
背景技术
江河海洋等水域广袤无垠，包容万物，其蕴藏着丰富的油气资源、化学资源、空间资源等，是地球上实实在在的资源宝库。据统计，世界海洋中所蕴藏的石油资源量约占全球石油资源总量的34％左右。海水中可提取、可转化利用的化学物质高达50余种。除此之外，海洋中可开发利用的空间资源比陆地上的空间资源要多几倍甚至是几十倍。水下采样是进行水下调查，发掘丰富水下资源的重要途径，此外还对环境监测、水文分析具有十分重要的科学意义。
传统的水底沉积物采样方式有抓斗式采泥和重力式采泥。抓斗式采泥是通过抓斗抓取表层沉积物。重力式采泥是通过装置的重力砸入沉积物来获得柱状样品。但这些方法存在取样随机性大、准确性差、无法获知水下采样情况的缺点，采样效果并不理想。随后出现的更加专业的水下采样设备，将采样装置与中央控制系统、水下监测装置相结合，借助水下监测的实时监控和控制系统对采样装置的主动控制，使得人们可以自主操作采泥装置在水下的动作。一定程度上提高了采样的准确性，取得了较好的效果。
然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然具备以下的缺陷或不足：首先，这些水下采样装置缺乏更高精度的动力推进系统和运动控制功能，特别是无法在水下进行自由灵活的运动和姿态调整，以更加灵活准确地获取水下的样品；其次，这些现有设备通常在执行一次水下作业任务时只能进行一种样品的采集，无法同时对多种复杂样品(如水样、土样或者腐殖质等)进行一次性的完整同步采集，，存在采样效率低的问题。相应的，本领域亟需做出进一步的改善或改进，以便更好的满足现代采样装置采样面对的各类复杂问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置，其中通过对其整个构造组成部件的设置方式及其工作原理重新作出设计，特别是对控制组件在整个水下采样过程中的信息采集及反馈、运动控制及工作工序的管理等多个方面做出改进，相应的能够仅仅通过一次采样操作即可同时精确高效地获取包含土样及水样在内的复杂采样对象，同时，在一次性完成多种复杂样品采集的过程中还显著提高了相应水下采样装置在进行工作时的采集点定位和运动位姿的精度，同时还具备整个装置结构紧凑、便于操控，工作稳定性强和适应于各类复杂水下环境等特点。
为了实现上述目的，本发明提供一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置，该装置包括用于样品采集的作业组件、辅助组件以及用于数据收集处理及反馈的控制组件，其特征在于：
所述作业组件包括水样采样单元和土样采集单元，其中，所述水样采样单元被设计为基于注射器的分层水样自动采集器的形式，并配备有用于对所述采集器所处位置的水压数据进行实时监测的深度计，并且将实时获取的水压数据等信息发送至所述控制组件；所述土样采集单元被设计为振动式沉积物采样器的形式，并配备有用于对采样器的离底高度进行实时监测的高度计，并且将实时的离底高度数据等信息发送至所述控制组件；
所述辅助组件包括运动推进单元，所述运动推进单元包括惯性导航器，其中，所述惯性导航器用于对整体的水下采样装置的位姿进行实时监测，同时将获得的位姿信息发送至所述控制组件，然后基于所述控制组件反馈的运动调整指令来驱动水下采样装置，由此实现水下采样装置的水下自由运动和位姿调整；
所述控制组件包括控制器单元和上位机，其中，所述控制器单元被设计成辅助计算机和主控制板的双控制器架构形式，所述主控制板用于接收所述作业组件和所述辅助组件实时收集的数据，并实时将数据传通过所述辅助计算机传输给上位机，同时接受上位机的控制命令实时向相应的模块输出指令。
进一步优选的，所述控制器单元包括嵌入式辅助计算机和STM32主控板，所述嵌入式辅助计算机用于实现所述上位机STM32主控板之间的通信中转。
进一步优选的，所述运动推进单元优选的还包括推进器驱动器及推进器，其中，推进器驱动器及推进器根据所述控制组件发送的指令实时完成水下采样装置包括航向角、俯仰角以及横滚角的姿态调整。
进一步优选的，所述推进器的数量为四个，其中两个水平方向配置，另外两个垂直方向配置，水平配置的两个所述推进器用来控制采样装置的前进、后退及转艏动作，垂直配置的两个所述推进器用来控制采样装置的上浮、下潜及横滚动作。
进一步优选的，所述水样采样单元还包括采水舵机，其中，所述深度计的输出端与所述STM32主控板连接，所述STM32主控板的输出端与所述采水舵机连接，所述深度计用于测量水压数据并通过总线将数据发送到所述STM32主控板，所述STM32主控板用于计算获得水深值并控制采水舵机动作。
进一步优选的，所述土样采集单元还包括振动电机驱动器和振动电机，其中，所述振动电机驱动器的输入端与所述STM32主控板连接，输出端与所述振动电机连接。
进一步优选的，所述辅助组件还包括安全检测单元，所述安全检测单元包括电压检测器、电流检测器及漏水检测器，用于装置的安全监控。
进一步优选的，所述辅助组件还包括照明监控单元，所述照明监控单元包括云台摄像机和水下灯，用于水下照明以及水下环境观察和采泥状态监控。
进一步优选的，所述上位机包括水样采集模块、土样采集模块、状态监测模块、视频监控模块、传感器标定模块及通信设置模块；其中，
所述水样采集模块用于分层自动采水深度设定以及各注射器采水情况的显示；
所述土样采集模块用于沉积物采样器的释放，振动器的开启、关闭以及振动频率的调节；
所述状态监测模块用于实时显示装置入水深度，离底高度，空间姿态的工作数据，以及电流电压、是否漏水的安全数据；
所述视频监控模块用于实时显示云台摄像机采集的水下高清视频画面；
所述传感器标定模块用于对各传感器进行零点等参数的标定，确保测量的准确性；
所述通信设置模块，用于配置网络通信的IP信息，实现与下位机的有效通信连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的水下采样装置，其中通过对其整个构造组成部件的设置方式及其工作原理重新作出设计，特别是对控制组件在整个水下采样过程中的信息采集及反馈、运动控制及工作工序的管理等多个方面做出改进，相应的能够仅仅通过一次采样操作即可同时精确高效地获取包含土样及水样在内的复杂采样对象，同时，在一次性完成多种复杂样品采集的过程中还显著提高了相应水下采样装置在进行工作时的采集点定位和运动位姿的精度，同时还具备整个装置结构紧凑、便于操控，工作稳定性强和适应于各类复杂水下环境等特点。
2.本发明的水下采样装置，能够在一次下水作业任务中完成水样采集、底泥采泥等多项采样工作，同时配备有相适应的动力推进单元，并结合运动控制算法，能够使得水下采样装置在水下作业时保持稳定姿态，灵活运动，保证底泥采样和不同深度水样采集高稳定性和高可靠性的同时进行，便于采样单元进行精准稳定的采样工作。
3.本发明的水下采样装置，惯性导航模块实时采集采样装置包括航向角、俯仰角以及横滚角等的姿态信息，并通过垂向、水平方向布局的多个推进器实现多种动作，实现对采样装置的运动和姿态精确控制。
4.本发明的水下采样装置，具有多功能、模块化的优点，便于调整或增加功能模块，进行开发升级。
附图说明
图1是本发明实施例一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置的系统图；
图2是本发明实施例一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置的构成图；
图3是本发明实施例一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置的供电单元构成图；
图4是本发明实施例一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置的上位机系统构成图；
图5是本发明实施例一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置的采样方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置的系统图，该装置包括用于样品采集的作业组件、辅助组件以及用于数据收集处理及反馈的控制组件，所述作业组件包括水样采样单元2和土样采集单元3，其中，所述水样采样单元2被设计为基于注射器的分层水样自动采集器的形式，并配备有用于对所述采集器所处位置的水压数据进行实时监测的深度计2-1，并且将实时获取的水压数据等信息发送至所述控制组件；所述土样采集单元3被设计为振动式沉积物采样器的形式，并配备有用于对采样器的离底高度进行实时监测的高度计3-1，并且将实时的离底高度数据等信息发送至所述控制组件；
所述辅助组件包括运动推进单元4，所述运动推进单元4包括惯性导航器4-1，其中，所述惯性导航器4-1用于对整体的水下采样装置的位姿进行实时监测，同时将获得的位姿信息发送至所述控制组件，然后基于所述控制组件反馈的运动调整指令来驱动水下采样装置，由此实现水下采样装置的水下自由运动和位姿调整；
所述控制组件包括控制器单元1和上位机8，其中，所述控制器单元1被设计成辅助计算机和主控制板的双控制器架构形式，所述主控制板用于接收所述作业组件和所述辅助组件实时收集的数据，并实时将数据传通过所述辅助计算机传输给上位机8，同时接受上位机8的控制命令实时向相应的模块输出指令。
具体而言：参照图2，控制器单元1可以为辅助计算机和主控制板的双控制器架构，包括嵌入式辅助计算机1-1和STM32主控板1-2；水样采样单元2为基于注射器的分层水样自动采集器，包括深度计2-1和采水舵机2-2，用于不同深度水样的采集；土样采集单元3为振动式沉积物采样器，包括高度计3-1、采泥舵机3-2、振动电机驱动器3-3和振动电机3-4，用于进行频率可调节的振动采泥作业；运动推进单元4包括惯性导航器4-1、推进器驱动器4-2及推进器4-3，用于装置在水下的自由运动和姿态调节；照明监控单元5包括云台摄像机5-1和水下灯5-2，用于水下照明以及水下环境观察和采泥状态监控；安全检测单元6包括电压检测器6-1、电流检测器6-2及漏水检测器6-3，用于装置的安全监控。本发明的水下采集装置，搭载了动力推进单元，结合运动控制算法，能够实现采样装置的自由移动，从而寻找合适的采泥位置，以及在水下的姿态调整与保持，从而将设备维持在水平姿态，便于采泥单元进行精准稳定的采样工作。
在本发明的一个实施例中，嵌入式辅助计算机1-1譬如可搭载Linux操作系统，主要用于上位机8与STM32主控板1-2之间的通信中转，并且实现对云台摄像机5-1高清视频数据的采集以及上传。STM32主控板1-2与嵌入式辅助计算机1-1相连，接收由上位机8转发的操纵指令，对执行机构水下灯5-2、采水舵机2-2、采泥舵机3-2、振动电机3-4、采水舵机13进行控制，同时采集传感器单元8和安全监测单元9的读数并且向上传输。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，深度计2-1用于测量装置的入水深度，深度计2-1直接测量得到水压数据，通过总线将数据发送到STM32主控板中，STM32主控板1-1对水压值进行换算得到水深值。STM32主控板1-1实时比较当前水深值与设定水深值的大小，输出不同占空比的PWM波控制采水舵机进行采水动作。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，高度计3-1用于测量装置的离底高度，为采泥作业提供指导；采泥舵机3-2接收STM32主控板1-1的PWM控制信号，通过上位机8发送控制指令，在开始采泥作业时释放采泥器；振动电机驱动器3-3接收STM32主控制板1-2的开关控制信号和频率控制信号，输出驱动振动电机3-4。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，电压检测器6-1和电流检测器6-2用于对供电单元的相应参数进行测量，输出的模拟信号发送到STM32主控板1-2的模拟口，经过AD转换和换算得到对应值，在过压、欠压、过流等异常情况时显示报警信息；漏水检测器6-3用于检测各控制密封舱是否漏水，一旦漏水则向STM32主控板1-2发送高电平漏水信号。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，惯性导航器4-1实时采集采样装置的姿态信息，包括航向角、俯仰角以及横滚角，通过I2C总线发送给STM32主控器1-2；推进器4-3的数量为四个，两个水平方向配置，两个垂直方向配置，水平配置的两个推进器用来控制采样装置的前进、后退、转艏动作，垂直配置的两个推进器用来控制采样装置的上浮、下潜、横滚动作。
如图3所示，供电单元7包括电池7-1，24V转8V模块7-2，24V转5V模块7-3。所述电池701采用18650锂电池组，正常工作电压为24V。供电单元7将电池输出的24V直流电源分为三路，24V直流电源直接给振动电机驱动器3-3、推进器驱动器4-2、水下灯5-2供电，24V转8V模块7-2给采水舵机2-2、采泥舵机3-2供电，24V转5V模块7-3给嵌入式辅助计算机1-1供电。
图4为本发明的上位机系统构成图。上位机8包括水样采集模块8-1、土样采集模块8-2、状态监测模块8-3、视频监控模块8-4、传感器标定模块8-5、通信设置模块8-6。其中，水样采集模块8-1用于分层自动采水深度的设定，以及各注射器采水情况的显示；土样采集模块8-2用于沉积物采样器的释放，振动器的开启、关闭以及振动频率的调节；状态监测模块8-3实时显示装置的入水深度，离底高度，空间姿态等工作数据，以及电流电压、是否漏水等安全数据；视频监控模块8-4实时显示云台摄像机采集的水下高清视频画面；传感器标定模块8-5用于对各传感器进行零点等参数的标定，确保测量的准确性；通信设置模块8-6，用于配置网络通信的IP信息，实现与下位机的有效通信连接。
图5为本发明其中一个实施例提供的水下采样装置的采样方法流程图，具体步骤如下：
(1)为装置接电，检查各单元工作状况，待一切检查无误后，在上位机中进行各传感器的标定，然后设定分层采水深度值，前期配置工作完成后，将采样装置逐渐下放水中；
(2)随着采样装置的所处水深不断增加，采水单元自主进行采水作业，当当前水深值达到设定水深值时，采水舵机动作，触发针筒进行采水；
(3)在上位机中观察装置离底高度的变化情况以及视频监控的画面，当离底高度小于1m且视频画面中明显可以观察到河床时，表明装置已经靠近河床，此时停止采样装置的下放，开启运动推进单元；
(4)点击上位机上按钮使采样装置调整保持在水平姿态，然后通过观察视频监控画面，操纵装置移动至合适的沉积物采样位置正上方，继续下放采样装置至着陆，释放采泥器，开始采泥作业；
(5)当采泥器达到目标采样深度，采泥完毕，采样作业完成，提升装置回到母船，一次完整的采样流程结束。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多类型复杂样品统一采样的多功能水下采样装置，该装置包括用于样品采集的作业组件、辅助组件以及用于数据收集处理及反馈的控制组件，其特征在于：
所述作业组件包括水样采样单元(2)和土样采集单元(3)，其中，所述水样采样单元(2)被设计为基于注射器的分层水样自动采集器的形式，并配备有用于对所述采集器所处位置的水压数据进行实时监测的深度计(2-1)，并且将实时获取的水压数据等信息发送至所述控制组件；所述土样采集单元(3)被设计为振动式沉积物采样器的形式，并配备有用于对采样器的离底高度进行实时监测的高度计(3-1)，并且将实时的离底高度数据等信息发送至所述控制组件；
所述辅助组件包括运动推进单元(4)，所述运动推进单元(4)包括惯性导航器(4-1)，其中，所述惯性导航器(4-1)用于对整体的水下采样装置的位姿进行实时监测，同时将获得的位姿信息发送至所述控制组件，然后基于所述控制组件反馈的运动调整指令来驱动水下采样装置，由此实现水下采样装置的水下自由运动和位姿调整；
所述控制组件包括控制器单元(1)和上位机(8)，其中，所述控制器单元(1)被设计成辅助计算机和主控制板的双控制器架构形式，其中该主控制板用于接收所述作业组件和所述辅助组件实时收集的数据，并实时将数据传通过所述辅助计算机传输给上位机(8)，同时接受上位机(8)的控制命令实时向相应的模块输出指令。
2.根据权利要求1所述的水下采样装置，其特征在于，所述控制器单元(1)包括嵌入式辅助计算机(1-1)和STM32主控板(1-2)，所述嵌入式辅助计算机(1-1)用于实现所述上位机(8)STM32主控板(1-2)之间的通信中转。
3.根据权利要求1或2任一项所述的水下采样装置，其特征在于，所述运动推进单元(4)优选的还包括推进器驱动器(4-2)及推进器(4-3)，其中，推进器驱动器(4-2)及推进器(4-3)根据所述控制组件发送的指令实时完成水下采样装置包括航向角、俯仰角以及横滚角的姿态调整。
4.根据权利要求3所述的水下采样装置，其特征在于，所述推进器(4-3)的数量为四个，其中两个水平方向配置，另外两个垂直方向配置，水平配置的两个所述推进器(4-3)用来控制采样装置的前进、后退及转艏动作，垂直配置的两个所述推进器(4-3)用来控制采样装置的上浮、下潜及横滚动作。
5.根据权利要求1-4任一项所述的水下采样装置，其特征在于，所述水样采样单元(2)还包括采水舵机(2-2)，其中，所述深度计(2-1)的输出端与所述STM32主控板(1-2)连接，所述STM32主控板(1-2)的输出端与所述采水舵机(2-2)连接，所述深度计(2-1)用于测量水压数据并通过总线将数据发送到所述STM32主控板(1-2)，所述STM32主控板(1-2)用于计算获得水深值并控制采水舵机(2-2)动作。
6.根据权利要求1-5任一项所述的水下采样装置，其特征在于，所述土样采集单元(3)还包括振动电机驱动器(3-3)和振动电机(3-4)，其中，所述振动电机驱动器(3-3)的输入端与所述STM32主控板(1-2)连接，输出端与所述振动电机(3-4)连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的水下采样装置，其特征在于，所述辅助组件还包括安全检测单元(6)，所述安全检测单元(6)包括电压检测器(6-1)、电流检测器(6-2)及漏水检测器(6-3)，用于装置的安全监控。
8.根据权利要求1-7任一项所述的水下采样装置，其特征在于，所述辅助组件还包括照明监控单元(5)，所述照明监控单元(5)包括云台摄像机(5-1)和水下灯(5-2)，用于水下照明以及水下环境观察和采泥状态监控。
9.根据权利要求1-8任一项所述的水下采样装置，其特征在于，所述上位机(8)包括水样采集模块(8-1)、土样采集模块(8-2)、状态监测模块(8-3)、视频监控模块(8-4)、传感器标定模块(8-5)及通信设置模块(8-6)；其中，
所述水样采集模块(8-1)用于分层自动采水深度设定以及各注射器采水情况的显示；
所述土样采集模块(8-2)用于沉积物采样器的释放，振动器的开启、关闭以及振动频率的调节；
所述状态监测模块(8-3)用于实时显示装置入水深度，离底高度，空间姿态的工作数据，以及电流电压、是否漏水的安全数据；
所述视频监控模块(8-4)用于实时显示云台摄像机采集的水下高清视频画面；
所述传感器标定模块(8-5)用于对各传感器进行零点等参数的标定，确保测量的准确性；
所述通信设置模块(8-6)，用于配置网络通信的IP信息，实现与下位机的有效通信连接。
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