CN111665086A - 一种水体淤泥监测取样装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水体淤泥监测取样装置及方法，包括存储桶、定位底座、取样机械手、采集节点，所述存储桶包括桶底座、桶壁，所述桶底座内设有电磁铁，所述桶壁上边缘设有外沿，所述桶底座通过电磁铁与定位底座可拆卸连接；所述取样机械手采用三爪体联动机械爪，取样机械爪包括机械爪架体、爪体、盖体，所述采集节点包括处理器、电池、温度传感器、压力传感器、定位模块、无线通信模块。本发明存储桶内沉积的淤泥层，方便取出，且取出过程中能够有效的保持其淤泥质地不受破坏，便于建立全周期的监测曲线，可随时监测其淤泥层状态，测量时间短、花费低，能有效的监控具体水体的淤泥污染情况，给出有效的报警和资料，用于环保疏浚工作。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种水体淤泥监测取样方法及系统。
背景技术
由于自然和人类活动的应先个，大量的泥沙、有机物质融入水体，造成湖泊、河流等水体营养化，威胁饮水安全，需要针对湖泊和河流等水体进行环保疏浚工作，环保疏浚工作要求首先测量水下地形与淤泥，获得准确的一手资料，然后依据测量结果，进行环保疏浚工作的具体计划。水下地形测量主要包括定位和测深两大部分，定位基本采用RTK、RTD、CORS等技术即可。深度测量中水深测量也是容易实现的，但是淤泥深度的测量则是个难题。目前，淤泥测量又包括淤泥深度、淤泥泥质测量。深度常用的测量方法有钻孔取样法、静力触探/测杆法、声呐探测法、放射线探测法、声波淤泥密度探测法等。淤泥的取样工作同样存在一定的难处，这种方法具有滞后性，且测量时间长、花费较高，不能有效的监控具体水体的淤泥污染情况。
不同的淤泥层面的划分标准因不同地区泥质而异，按照一般情况，可以大致按密度变化范围划分4个淤泥层面，细颗粒泥沙经絮凝沉落到水底后，需要经过长时间才能变的比较密实，在尚未密实之前具有很强的流动性，成为浮泥，浮泥的密度范围为1.0-1.2g/cm，浮泥进一步固结，流动性减小，当密度达到1.2-1.5g/cm时，便成为流泥，当孔隙水被排走，密度增加到1.5-1.8g/cm时，界面波不再发生，在水流作用下不会直接悬扬，已经属于淤泥的范畴，密度达到1.8g/cm，已成为淤泥质土。淤泥硬化后，不方便取样，需要动用钻等器械，而浮泥和和流泥又具有流动性，普通的抓取式取样设备，浮泥和流泥容易受到水的冲压力，流出抓取斗，不能有效取出所有泥质。
发明内容
为克服所述不足，本发明的目的在于提供一种水体淤泥监测取样装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种水体淤泥监测取样装置，包括存储桶、定位底座、取样机械手、采集节点，所述定位底座铺设在水体底部，定位底座采用铁磁材料制成，所述存储桶包括桶底座、桶壁，所述桶底座内设有电磁铁，所述桶壁上边缘设有外沿，所述桶底座通过电磁铁与定位底座可拆卸连接；
所述取样机械手采用三爪体联动机械爪，取样机械爪包括机械爪架体、爪体、盖体，所述机械爪架体的上端与机械臂相连接，所述机械爪架体的下端通过自动伸缩组件与盖体固定相连接；
所述采集节点包括处理器、电池、温度传感器、压力传感器、定位模块、无线通信模块，所述处理器通过电源管理模块与电池相连接，处理器分别与温度传感器、压力传感器、无线通信模块、定位模块相连接，处理器通过驱动芯片控制电磁铁通电，所述处理器通过无线通信模块与上位机相连接。
具体地，所述爪体的下端设为向内侧的弯钩，爪体的内侧设有两个平行的销轴，靠近下端的定位销轴与机械爪架体的侧边铰接在一起，位于上端的驱动销轴与机械爪架体上的第一伸缩杆铰接在一起，第一伸缩杆通过联动部件与驱动电机的输出端相连，由驱动电机205驱动第一伸缩杆的伸缩。
具体地，所述盖体包括横撑、两个对称设置的活动叶片，所述横撑与自动伸缩组件的第二伸缩杆固定连接，横撑的侧边与活动叶片铰接在一起，盖体外径大于存储桶开口处的外径。
具体地，所述定位底座下方设有土钉，所述定位底座均匀的固定在固定网上。
具体地，所述采集节点的处理器、电池、温度传感器、定位模块、无线通信模块封装在桶底座内，压力传感器设有多个，所述桶底座的上表面、桶底座的外壁均设有压力传感器，桶壁上自上到下依次设有多个传感器。
具体地，所述采集节点还包括USB接口、存储器，USB接口、存储器分别与处理器相连接。
具体地，所述取样机械手装配在机械臂上，机械臂装配在水下机器人或者作业船上。
一种水体淤泥监测取样方法，包括以下步骤：
D1.铺设定位底座
当一次清淤工作结束后，根据水体底部地形以及重点监控地，选取关键点，在关键点区域内铺设多个定位底座，定位底座通过土钉、固定网等方式固定在水体底部；
D2.放置取样桶
将取样桶放置在定位底座上，启动电磁铁，当电磁铁得电有磁性时，通过电磁铁与定位底座间的磁极引力固定在定位底座上，启动采集节点；
D3.采集节点零点标定
当准备工作完成后，采集节点输入传感器信息，添加载荷(对于水下安装的情况，直接采集数据，对于需要回灌水的区域，待回灌工作完成后)进行标定，采集各个压力传感器、温度传感器以及定位模块的信息，将初始结果保存或者写入采集节点中的存储器中，同时通过无线通信模块上传到上位机，上位机获取采集节点的数据，并存储；
D4.设置采集节点采样参数，并实时采样
设置采样频率、采样延时，并配置给采样节点的处理器，进行实时采样，将采样数据存储在存储器内，同时通过无线通信模块上传到上位机，其中采集节点最大采样频率为10-1000Hz，可调，1000Hz下可1一次采集2小时，或者5次连续采集，每次采集24分钟，当压力超出设定值之后，上传数据，上位机进行报警；
D5.首次监测
该区域内，首次监测，根据放置时间的长短，存储桶1内会依次有浮泥、流泥、淤泥、淤泥质土，最初的使用过程中，需要定期用取样机械爪取出存储桶，当需要取样时，机械爪抓住存储桶后，盖体盖到存储桶上时，电磁铁断电，失去磁性，存储桶与定位底座之间的磁极引力消失，便于机械爪取出存储桶，对存储桶内的土质进行测定，并与采集节点的采集数据相对比，直至存储桶内均为淤泥质土，且经过一年周期为止，制定压力值与淤泥质地关系曲线，设定该区域的监测阈值；
D6.正常监测
采集节点定期向上位机上传数据，当触发监测阈值时，上位机发出报警，如果未触发监测阈值，则继续监测，直至触发阈值，进行水体环保疏浚工作，中间也可以取样用于水质的监测工作，成本低。
本发明具有以下有益效果：存储桶内沉积的淤泥层，方便取出，且取出过程中能够有效的保持其淤泥质地不受破坏；足够多的存储桶布置后，能够有效的监测每个点的淤泥情况，初次布置本监测系统时，能够实时监测关键点的淤泥层压力动态，并方便取样监测，便于建立全周期的监测曲线；一旦监测曲线建立后，正常监测时，可随时知道其淤泥层状态，测量时间短、花费低，能有效的监控具体水体的淤泥污染情况，给出有效的报警和资料，用于环保疏浚工作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的取样机械手抓取存储桶时结构示意图。
图3为本发明的取样机械手结构示意图。
图4为本发明的爪体结构示意图。
图5为本发明的存储桶与盖体结构示意图。
图6为本发明的系统框图。
图7为本发明的监测流程示意图。
图中1存储桶，100桶壁，101定位底座，102土钉，103桶底座，104外沿，2机械爪，200机械爪架体，201爪体，201a弯钩，201b定位销轴，201c驱动销轴，202第一伸缩杆，203盖体，203a活动叶片，203b活动叶片，203c横撑，204自动伸缩装置，205驱动电机，206第二伸缩杆，3机械臂，4水下机器人，401履带底盘，402机器人架体，403涵道喷水推进器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图7所示的一种水体淤泥监测取样装置，包括存储桶1、定位底座101、取样机械手2、采集节点，所述定位底座101铺设在水体底部，定位底座101采用铁磁材料制成，所述存储桶1包括桶底座103、桶壁100，所述桶底座101内设有电磁铁，所述桶壁100上边缘设有外沿104，所述桶底座103通过电磁铁与定位底座101可拆卸连接；
所述取样机械手2采用三爪体联动机械爪，取样机械爪2包括机械爪架体200、爪体201、盖体203，所述机械爪架体200的上端与机械臂3相连接，所述机械爪架体200的下端通过自动伸缩组件204与盖体203固定相连接；
所述采集节点包括处理器、电池、温度传感器、压力传感器、定位模块、无线通信模块，所述处理器通过电源管理模块与电池相连接，处理器分别与温度传感器、压力传感器、无线通信模块、定位模块相连接，处理器通过驱动芯片控制电磁铁通电，所述处理器通过无线通信模块与上位机相连接，所述上位机为手持终端设备或者电脑。
具体地，所述爪体201的下端设为向内侧的弯钩201a，爪体201的内侧设有两个平行的销轴，靠近下端的定位销轴201b与机械爪架体200的侧边铰接在一起，位于上端的驱动销轴201c与机械爪架体200上的第一伸缩杆202铰接在一起，第一伸缩杆202通过联动部件与驱动电机205的输出端相连，由驱动电机205驱动第一伸缩杆202的伸缩。
具体地，所述盖体203包括横撑203c、两个对称设置的活动叶片203a、203b，所述横撑203c与自动伸缩组件204的第二伸缩杆206固定连接，横撑203c的侧边与活动叶片203a、203b铰接在一起，横撑203c、两个活动叶片203a、203b组成盖体203，盖体203外径大于存储桶1开口处的外径，当机械爪2抓取住存储桶1后，自动伸缩组件204的第二伸缩杆206伸出，盖体203向下移动，盖在存储桶1上口，此时由于水的作用力，盖体203的活动叶片203a、203b是向向张开的，尽量避免产生压力影响存储桶1内物质的稳定，保证存储桶1内层次不受影响，当机械爪2向上取出存储桶1时，活动叶片203a、203b在水体压力下闭合盖在存储桶1上，起到有效的密封作用，保存存储桶1内淤泥、流泥和浮泥。
具体地，所述定位底座101下方设有土钉，用于固定在水体底部。
具体地，所述定位底座101均匀的固定在固定网上，固定网定在水体底部。
具体地，所述采集节点的处理器、电池、温度传感器、定位模块、无线通信模块封装在桶底座103内，压力传感器设有多个，所述桶底座103的上表面、桶底座103的外壁均设有压力传感器，桶壁100上自上到下依次设有多个传感器，用于采集多部位的压力状态。
具体地，所述采集节点还包括USB接口、存储器，USB接口、存储器分别与处理器相连接，处理器把温度传感器、压力传感器的模拟电压信号放大并转换成数字信号，上传或者存储到本身的存储器中；存储器用于保存采集节点实时采集的数据，USB接口用于导出存储器内的数据。
具体地，所述取样机械手2装配在机械臂3上，机械臂3装配在水下机器人4或者作业船上，所述水下机器人4采用履带式机器人，包括履带底盘401、机器人架体402，履带底盘的上方安装有机器人架体402、蓄电池405，机器人架体402上安装有视频发生器404、定位模块，机器人架体402的两侧均安装有涵道喷水推进器403，用于水下作业，如图1所示。
一种水体淤泥监测取样方法，包括以下步骤：
D1.铺设定位底座
当一次清淤工作结束后，根据水体底部地形以及重点监控地，选取关键点，在关键点区域内铺设多个定位底座，定位底座通过土钉、固定网等方式固定在水体底部；
D2.放置取样桶
将取样桶1放置在定位底座101上，启动电磁铁，当电磁铁得电有磁性时，通过电磁铁与定位底座101间的磁极引力固定在定位底座101上，启动采集节点；
D3.采集节点零点标定
当准备工作完成后，采集节点输入传感器信息，添加载荷(对于水下安装的情况，直接采集数据，对于需要回灌水的区域，待回灌工作完成后)进行标定，采集各个压力传感器、温度传感器以及定位模块的信息，将初始结果保存或者写入采集节点中的存储器中，同时通过无线通信模块上传到上位机，上位机获取采集节点的数据，并存储；
D4.设置采集节点采样参数，并实时采样
设置采样频率、采样延时，并配置给采样节点的处理器，进行实时采样，将采样数据存储在存储器内，同时通过无线通信模块上传到上位机，其中采集节点最大采样频率为10-1000Hz，可调，1000Hz下可1一次采集2小时，或者5次连续采集，每次采集24分钟，当压力超出设定值之后，上传数据，上位机进行报警；
D5.首次监测
该区域内，首次监测，根据放置时间的长短，存储桶1内会依次有浮泥、流泥、淤泥、淤泥质土，最初的使用过程中，需要定期用取样机械爪取出存储桶，当需要取样时，机械爪2抓住存储桶1后，盖体203盖到存储桶1上时，电磁铁断电，失去磁性，存储桶1与定位底座101之间的磁极引力消失，便于机械爪2取出存储桶，对存储桶1内的土质进行测定，并与采集节点的采集数据相对比，直至存储桶1内均为淤泥质土，且经过一年周期为止，制定压力值与淤泥质地关系曲线，设定该区域的监测阈值；
D6.正常监测
采集节点定期向上位机上传数据，当触发监测阈值时，上位机发出报警，如果未触发监测阈值，则继续监测，直至触发阈值，进行水体环保疏浚工作，中间也可以取样用于水质的监测工作，成本低。
本发明不局限于所述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (9)
1.一种水体淤泥监测取样装置，其特征在于：包括存储桶、定位底座、取样机械手、采集节点，所述定位底座铺设在水体底部，定位底座采用铁磁材料制成，所述存储桶包括桶底座、桶壁，所述桶底座内设有电磁铁，所述桶壁上边缘设有外沿，所述桶底座通过电磁铁与定位底座可拆卸连接；
所述取样机械手采用三爪体联动机械爪，取样机械爪包括机械爪架体、爪体、盖体，所述机械爪架体的上端与机械臂相连接，所述机械爪架体的下端通过自动伸缩组件与盖体固定相连接；
所述采集节点包括处理器、电池、温度传感器、压力传感器、定位模块、无线通信模块，所述处理器通过电源管理模块与电池相连接，处理器通过驱动芯片控制电磁铁通电，所述处理器通过无线通信模块与上位机相连接。
2.根据权利要求1所述的一种水体淤泥监测取样装置，其特征在于：所述盖体包括横撑、两个对称设置的活动叶片，所述横撑与自动伸缩组件的第二伸缩杆固定连接，横撑的侧边与活动叶片铰接在一起，盖体外径大于存储桶开口处的外径。
3.根据权利要求1所述的一种水体淤泥监测取样装置，其特征在于：所述定位底座下方设有土钉，所述定位底座均匀的固定在固定网上。
4.根据权利要求1所述的一种水体淤泥监测取样装置，其特征在于：所述采集节点的处理器、电池、温度传感器、定位模块、无线通信模块封装在桶底座内，压力传感器设有多个，所述桶底座的上表面、桶底座的外壁均设有压力传感器，桶壁上自上到下依次设有多个传感器。
5.根据权利要求1所述的一种水体淤泥监测取样装置，其特征在于：所述采集节点还包括USB接口、存储器，USB接口、存储器分别与处理器相连接。
6.根据权利要求1所述的一种水体淤泥监测取样装置，其特征在于：所述取样机械手装配在机械臂上，机械臂装配在水下机器人或者作业船上。
7.一种水体淤泥监测取样方法，其特征在于：包括以下步骤：
D1.铺设定位底座
在关键点区域内铺设多个定位底座，定位底座通过土钉、固定网等方式固定在水体底部；
D2.放置取样桶
将取样桶放置在定位底座上，启动电磁铁，当电磁铁得电有磁性时，通过电磁铁与定位底座间的磁极引力固定在定位底座上，启动采集节点；
D3.采集节点零点标定
当准备工作完成后，采集节点输入传感器信息，添加载荷(进行标定，采集各个压力传感器、温度传感器以及定位模块的信息，将初始结果保存或者写入采集节点中的存储器中，同时通过无线通信模块上传到上位机，上位机获取采集节点的数据，并存储；
D4.设置采集节点采样参数，并实时采样
设置采样频率、采样延时，并配置给采样节点的处理器，进行实时采样，将采样数据存储在存储器内，同时通过无线通信模块上传到上位机；
D5.首次监测
该区域内，首次监测，根据放置时间的长短，存储桶1内会依次有浮泥、流泥、淤泥、淤泥质土，最初的使用过程中，需要定期取出存储桶，对存储桶内的土质进行测定，并与采集节点的采集数据相对比，直至存储桶内均为淤泥质土，且经过一年周期为止，制定压力值与淤泥质地关系曲线，设定该区域的监测阈值；
D6.正常监测
采集节点定期向上位机上传数据，当触发监测阈值时，上位机发出报警，如果未触发监测阈值，则继续监测，直至触发阈值，进行水体环保疏浚工作，检测过程中需要取出存储桶时，取出取样桶用于淤泥化验、监测工作。
8.根据权利要求7所述的一种水体淤泥监测取样方法，其特征在于：其中采集节点最大采样频率为10-1000Hz，可调，1000Hz下可1一次采集2小时，或者5次连续采集，每次采集24分钟。
9.根据权利要求7所述的一种水体淤泥监测取样方法，其特征在于：步骤D5、D6中取出存储桶的方法为，当需要取样时，机械爪抓住存储桶后，盖体盖到存储桶上时，电磁铁断电，失去磁性，存储桶与定位底座之间的磁极引力消失，便于机械爪取出存储桶。
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