CN111289304A - 一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，包括艇载系统与岸基系统；所述艇载系统包括第一中央控制模块以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；本发明能够在有风浪流干扰的采样点精确动态定位。

Description

一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统
技术领域
本发明涉及无人艇动态定位技术和水质采样技术领域，特别是一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统。
背景技术
根据中国全国水利普查结果，中国流域面积50平方公里以上河流共45203条，总长度达150.85万公里。常年水面面积1平方公里及以上天然湖泊2865个，湖泊水面总面积7.80万平方公里。其中，淡水湖1594个，咸水湖945个，盐湖166 个，其他160个。随着经济社会快速发展，中国河湖管理保护出现了一些新问题，如河道干涸湖泊萎缩，水环境状况恶化，河湖功能退化等，对保障水安全带来严峻挑战。
并且一些湖泊、河流是居民生活用水的水源，根据我国环保部与水力资源部现行规定，不同等级内河湖泊需按时定点采集水样作水质分析，以保障居民生活用水。
为了更好地保护居民生活用水水源，减少水体环境恶化，维持内河湖泊的健康，人们迫切需要提升水质采样设备，尤其是水质采样无人艇及其相关的设施设备。
传统的人工采样艇，体积大，机动性能差，在狭窄的水域中难以操纵，而且费时费力。现有的采样无人艇大多仅配备了推进装置和舵装置，用于推进和操纵无人艇。推进装置主要包括推进电机和推进器，只能够控制船舶的纵向运动。舵装置主要用于控制无人艇的方向。现有技术中的无人艇属于欠驱动系统，无法在有风浪流的水面上实现动态定位。因此只能停船进行采样或者在无人艇运行的过程中进行采样，无法做到精准定点采样。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，能够在有风浪流干扰的采样点精确动态定位。
本发明采用以下方案实现：一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，包括艇载系统与岸基系统；
所述艇载系统包括第一中央控制模块以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；
所述岸基系统通过无线通信的方式将采样信息传输至艇载系统，艇载系统根据GPS北斗导航模块的定位信息抵达采样点，第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位，然后控制水质采样模块执行采样动作。
进一步地，所述艇推进与动态定位驱动模块包括两个横向推进器、两个全回转纵向推进器；两个横向推进器均位于船底中纵剖面上，沿艏艉方向分布，靠近船艏位置且在距离船艏0～0.5倍船长的范围内。两个纵向推进器都位于船尾，关于中纵剖面对称；四个推进器的中心在同一平面。
进一步地，所述风浪流检测模块包括风速仪以及波浪和水流检测装置；风速仪位于艇的顶部，用以检测当前风力；波浪和水流检测装置位于艇的底部，用以检测无人艇所受的波浪力以及水动力。
进一步地，所述第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位具体包括以下步骤：
步骤S1：风浪流检测模块检测出风浪流对无人艇产生的沿x轴的力X，沿y 轴的力Y，以及沿z轴的转动力矩N；然后通过式(1)计算出无人艇沿x轴的线速度u，沿y轴的线速度v，以及沿z轴的转动角速度r：
Figure RE-GDA0002481724940000031
式中，m表示无人艇的质量，u表示沿x轴的线速度，v表示沿y轴的线速度， r表示沿z轴的转动角速度；xG表示沿x轴距重心的距离；JZ表示无人艇沿z轴的转动惯量；XP表示各个螺旋桨力沿x轴的合力，YP表示各个螺旋桨力沿y轴的合力，NP表示各个螺旋桨力沿z轴的转动合力矩；
步骤S2：根据姿态检测模块的实时数据，使无人艇以一定的姿态精确定位在采样点；为了节约电量，以各个推进器的总功率G最小为控制目标，通过下式计算出艇推进与动态定位驱动模块中各个推进器应该提供的推力大小,以及各个推进器的转速和回转角度：
Figure RE-GDA0002481724940000041
Figure RE-GDA0002481724940000042
式中，Txi表示各个推进器在x轴上产生的力，Tyi表示各个推进器在y轴上产生的力，Tni表示各个推进器在z轴上产生力矩，li表示各个推进器距z轴的距离， Ti表示各个推进器在无人艇上产生合力，Qi为各个推进器的转矩，ρ为水的密度， ni为各个推进器的转速，Di为各个推进器的直径，KTi为各个推进器的推力系数， KQi为各个推进器的转矩系数，Pi为各个推进器的功率，Qi为各个推进器的回转角度；其中i＝1与i＝2分别代表两个纵向推进器，i＝3与i＝4分别代表两个横向推进器。
进一步地，所述艇载系统还包括与中央控制模块电性相连的激光雷达模块，用以在前往采样点过程中自动避障。
进一步地，所述岸基系统还包括有遥控操作手柄模块，用以供用户通过手柄手动操作无人艇的行进方向。
进一步地，所述水质采样模块包括采样水泵、可升降的采样管和样品储存器；所述采样管能够根据采样需要在距水面0-2米的深度范围内自由升降，且能固定在某一指定深度。
进一步地，所述样品储存器位于无人艇的左右两舷，且在左右两舷均匀分布并关于中纵剖面对称。每个样品储存器上分别均设置有排水阀和排气阀，排水阀设置于样品储存器的底部，排气阀设置于样品储存器的顶部，排水阀和排气阀均与大气接通。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明通过设有艇推进与动态定位驱动模块以及具有可升降采样管的水质采样模块，并配备了岸基系统与无线通信模块，能达到在岸基系统上选取采样点，采样无人艇自主规划航线到达采样点，并在有风浪流干扰的采样点精确动态定位，采样管降至设定深度，对内河湖泊进行定点、定深精准采样的效果。
附图说明
图1为本发明实施例的采样无人艇的基本结构示意图。图中，1：艇推进与动态定位模块，2：姿态检测模块，3：激光雷达模块，4：第一中央控制模块(核心 ARM控制模块)，5：水质采样模块，6：船载GPS_北斗导航模块，7：无线通讯模块，8：风浪流检测模块。
图2为本发明实施例的推进与动态定位模块各部件结构图。其中(1)为纵向全回转推进器，(2)为横向推进器。
图3为本发明实施例的样品储存器的结构示意。其中，左图为侧视图，右图为俯视图，YV1：进水阀；YV2：排气阀；YV3：排水阀。
图4为本发明实施例的采样无人艇系统岸基系统上的控制界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/ 或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，包括艇载系统与岸基系统；
所述艇载系统包括第一中央控制模块(核心ARM控制模块)以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块(直流12V)、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；
所述岸基系统通过无线通信的方式将采样信息传输至艇载系统，艇载系统根据GPS北斗导航模块的定位信息抵达采样点，第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位，然后控制水质采样模块执行采样动作。
在本实施例中，如图2所示，所述艇推进与动态定位驱动模块包括两个横向推进器、两个全回转纵向推进器；两个横向推进器均位于船底中纵剖面上，沿艏艉方向分布，靠近船艏位置且在距离船艏0～0.5倍船长的范围内(本实施例中分别在距离船艏三分之一和六分之一船长处)。两个纵向推进器都位于船尾，关于中纵剖面对称；四个推进器的中心在同一平面。四个推进器均为全回转推进器。增强了无人艇低速时的操纵性能，保证无人艇在风浪流的干扰下也能准确定位。
在本实施例中，所述风浪流检测模块包括风速仪以及波浪和水流检测装置；风速仪位于艇的顶部，用以检测当前风力，包括风力大小以及风向信息；波浪和水流检测装置位于艇的底部，用以检测无人艇所受的波浪力以及水动力，包括水流的大小和方向等信息。
在本实施例中，所述第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位具体包括以下步骤：
步骤S1：风浪流检测模块检测出风浪流对无人艇产生的沿x轴的力X，沿y 轴的力Y，以及沿z轴的转动力矩N；然后通过式(1)计算出无人艇沿x轴的线速度u，沿y轴的线速度v，以及沿z轴的转动角速度r：
Figure RE-GDA0002481724940000071
式中，m表示无人艇的质量，u表示沿x轴的线速度，v表示沿y轴的线速度， r表示沿z轴的转动角速度；xG表示沿x轴距重心的距离；JZ表示无人艇沿z轴的转动惯量；XP表示各个螺旋桨力沿x轴的合力，YP表示各个螺旋桨力沿y轴的合力，NP表示各个螺旋桨力沿z轴的转动合力矩；
步骤S2：根据姿态检测模块的实时数据，使无人艇以一定的姿态精确定位在采样点；为了节约电量，以各个推进器的总功率G最小为控制目标，通过下式计算出艇推进与动态定位驱动模块中各个推进器应该提供的推力大小,以及各个推进器的转速和回转角度：
Figure RE-GDA0002481724940000081
Figure RE-GDA0002481724940000082
式中，Txi表示各个推进器在x轴上产生的力，Tyi表示各个推进器在y轴上产生的力，Tni表示各个推进器在z轴上产生力矩，li表示各个推进器距z轴的距离， Ti表示各个推进器在无人艇上产生合力，Qi为各个推进器的转矩，ρ为水的密度， ni为各个推进器的转速，Di为各个推进器的直径，KTi为各个推进器的推力系数， KQi为各个推进器的转矩系数，Pi为各个推进器的功率，Qi为各个推进器的回转角度；其中i＝1与i＝2分别代表两个纵向推进器，i＝3与i＝4分别代表两个横向推进器。
在本实施例中地，所述岸基系统还遥控操作手柄模块，用以供用户通过手柄手动操作无人艇的行进方向。
在本实施例中，所述水质采样模块包括采样水泵、可升降的采样管和样品储存器；所述采样管能够根据采样需要在距水面0-2米的深度范围内自由升降，且能固定在某一指定深度，采样水泵进水口与采样管相连，出水口与样品储存器相连，在采样水泵与样品储存器连接管上设置有进水阀。
在本实施例中，所述样品储存器位于无人艇的左右两舷，且在左右两舷均匀分布并关于中纵剖面对称。每个样品储存器上分别均设置有排水阀和排气阀，排水阀设置于样品储存器的底部，排气阀设置于样品储存器的顶部，排水阀和排气阀均与大气接通，具体结构如图3所示。
较佳的，本实施例中，采用上述无人艇系统的水质采样实际操作可以包括以下步骤：
步骤1：检查艇载系统的各个部件，然后打开总电源开关。
步骤2：开启岸基控制系统的控制电脑，连接好无线通讯模块，并确保艇载系统与岸基系统能正常通讯。
步骤3：操作人员在岸基控制系统的第二中央控制模块(可以为控制电脑端或控制平板或者触控显示屏等，本实施例以电脑为例)根据需要选择自动单点采样或者自动多点采样模式并设定默认采样深度。
步骤4：在岸基控制系统的控制电脑端高德地图上选择采样点(最多10个) 并确认发送采样点位置，或者直接输入采样点的经纬度坐标并确认发送采样点位置。反复同样过程直到采样点选择完毕。其中，控制界面如图4所示。
步骤5：当在岸基控制系统的控制电脑端显示“请输入采样深度”字样时，点击默认采样深度或者输入采样深度(0-200CM)。
艇载系统接收到定位指令后，结合GPS_北斗导航模块及姿态检测模块数据自行生成到达指定采样目标点的期望路径，在距离目标位置5米范围内时航行速度降至怠速，自动切换为动态定位模式，无人艇进入初步定位状态。
其中，在无人艇进入初步定位状态时，核心ARM控制模块通过GPS_北斗导航模块，姿态检测模块，风浪流检测模块获取的数据信息，对横向推进器和纵向推进器的推力和力矩进行分配，根据动态定位各推进器总功率最小算法计算出各个推进器需要提供的转速，转换为推进电机的相应占空比的大小，并发送指令，横向推进器纵向推进器按照指令产生相应的推力，使无人艇进入精确定位状态；
在无人艇处于精确定位状态时，核心ARM控制模块实时获取GPS_北斗导航模块，姿态检测模块，风浪流检测模块数据信息，根据动态定位各推进器总功率最小算法计算出各个推进器需要提供的转速，对各个推进器推力和力矩进行重新分配，转换为推进电机的相应PWM波占空比的大小，并发送指令，横向推进器纵向推进器按照指令产生相应的推力。调整无人艇的状态，使纵荡、横荡以及艏摇维持在相对稳定的状态，保持无人艇的稳定。
当无人艇处于精确定位的稳定状态时，核心ARM控制模块接收到采样指令后，核心ARM控制模块发送指令给水质采样模块，控制采样管达到指定深度(1m)，开启进水阀、排水阀以及排气阀，采样水泵开始工作，向指定样品存储器中泵送水样冲洗采样管路，冲洗完成后，关闭排水阀，正式进入采样过程。采样完成后，采样水泵停止工作，关闭进水阀和排气阀，收起采样管。
采样管收起后，当接到起航到下一个采样点采样的指令时，无人艇的核心ARM控制模块发送指令给艇推进与动态定位驱动模块，无人艇由动态定位模式转化为运动模式，横向推进器停止工作，纵向推进器重新调整为推进模式，使无人艇迅速恢复到运动状态，前往下一采样点进行采样。
步骤6：当在岸基控制系统的控制电脑端显示“采样已经完成”字样时，切换为自动航行模式，直接在控制电脑端高德地图点击出发点的位置并确认或者直接输入出发点的经纬度坐标，无人艇将自动回到出发点。也可以选择手动模式直接遥控使无人艇回到岸边。
步骤7：关闭无人艇的总电源开关。
步骤8：取回无人艇水质采样模块采回来的水样。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，包括艇载系统与岸基系统；
所述艇载系统包括第一中央控制模块以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；
所述岸基系统通过无线通信的方式将采样信息传输至艇载系统，艇载系统根据GPS北斗导航模块的定位信息抵达采样点，第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位，然后控制水质采样模块执行采样动作。
2.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述艇推进与动态定位驱动模块包括两个横向推进器、两个全回转纵向推进器；两个横向推进器均位于船底中纵剖面上，沿艏艉方向分布，靠近船艏位置且在距离船艏0～0.5倍船长的范围内。两个纵向推进器都位于船尾，关于中纵剖面对称；四个推进器的中心在同一平面。
3.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述风浪流检测模块包括风速仪以及波浪和水流检测装置；风速仪位于艇的顶部，用以检测当前风力；波浪和水流检测装置位于艇的底部，用以检测无人艇所受的波浪力以及水动力。
4.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位具体包括以下步骤：
步骤S1：风浪流检测模块检测出风浪流对无人艇产生的沿x轴的力X，沿y轴的力Y，以及沿z轴的转动力矩N；然后通过式(1)计算出无人艇沿x轴的线速度u，沿y轴的线速度v，以及沿z轴的转动角速度r：
Figure FDA0002400526290000021
式中，m表示无人艇的质量，u表示沿x轴的线速度，v表示沿y轴的线速度，r表示沿z轴的转动角速度；xG表示沿x轴距重心的距离；JZ表示无人艇沿z轴的转动惯量；XP表示各个螺旋桨力沿x轴的合力，YP表示各个螺旋桨力沿y轴的合力，NP表示各个螺旋桨力沿z轴的转动合力矩；
步骤S2：根据姿态检测模块的实时数据，使无人艇以一定的姿态精确定位在采样点；为了节约电量，以各个推进器的总功率G最小为控制目标，通过下式计算出艇推进与动态定位驱动模块中各个推进器应该提供的推力大小,以及各个推进器的转速和回转角度：
Figure FDA0002400526290000031
Figure FDA0002400526290000032
式中，Txi表示各个推进器在x轴上产生的力，Tyi表示各个推进器在y轴上产生的力，Tni表示各个推进器在z轴上产生力矩，li表示各个推进器距z轴的距离，Ti表示各个推进器在无人艇上产生合力，Qi为各个推进器的转矩，ρ为水的密度，ni为各个推进器的转速，Di为各个推进器的直径，KTi为各个推进器的推力系数，KQi为各个推进器的转矩系数，Pi为各个推进器的功率，Qi为各个推进器的回转角度；其中i＝1与i＝2分别代表两个纵向推进器，i＝3与i＝4分别代表两个横向推进器。
5.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述艇载系统还包括与中央控制模块电性相连的激光雷达模块，用以在前往采样点过程中自动避障。
6.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述岸基系统还包括有遥控操作手柄模块，用以供用户通过手柄手动操作无人艇的行进方向。
7.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述水质采样模块包括采样水泵、可升降的采样管和样品储存器；所述采样管能够根据采样需要在距水面0-2米的深度范围内自由升降，且能固定在某一指定深度。
8.根据权利要求7所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述样品储存器位于无人艇的左右两舷，且在左右两舷均匀分布并关于中纵剖面对称。每个样品储存器上分别均设置有排水阀和排气阀，排水阀设置于样品储存器的底部，排气阀设置于样品储存器的顶部，排水阀和排气阀均与大气接通。
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