CN112595551A - 一种无人驾驶全自动智能取样船 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人驾驶全自动智能取样船，属于智能采样技术领域，包括采用前后两段设计的智能船体、贯穿于所述智能船体船身并铆接于所述智能船体中上部的传输控制系统、安装于所述智能船体前后船舱空腔内的样品储存系统以及分别安装于智能船体中部U型空腔内的水样采集系统和底泥采集系统。本发明通过智能船体中的中央处理器智能管控，设定拟取样点地理坐标后，无人驾驶全自动智能取样船可实现自动识别河道地形、自动避障、自动取样和自动返航，为科研人员艰苦的野外取样工作提供技术支撑。

Description

一种无人驾驶全自动智能取样船
技术领域
本发明属于智能采样技术领域，尤其涉及一种无人驾驶全自动智能取样船。
背景技术
社会经济的高速发展伴随着自然资源的过度开发利用，加之生产和生活污水等的乱排乱放，造成河流水环境、生态环境和底泥等的严重污染，为实时监测河流水生态环境，为河流管理提供数据支撑，环保部门安排专人进行定期定点的水质和底泥监测。截止到目前，取样工作多是由相关技术人员乘坐取样船(监测船)赴野外开展，费时费力，同时，基于野外环境的复杂性，取样工作艰苦且可能威胁取样人员的生命健康。一些科研人员设计了无人驾驶取样船，但现有的取样船多需要人工现场遥控，并未真实解放劳动力；多数取样船只考虑水样的获取，而忽视了河流底泥的采集；同时，现有的取样船续航能力差、不具备样品储纳和自动避障功能。基于上述不足，设计一种兼顾水样和底泥获取、续航能力强、可根据坐标自动定位、自动识别河道地形、自动避障、自动取样和自动返航的无人驾驶智能取样船，成为发明人拟解决的科学问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种无人驾驶全自动智能取样船，兼顾水样和底泥的采集，续航能力强，可通过采样点坐标的设定自动定位、自动识别河道地形、自动避障、自动取样和储纳以及自动返航。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种无人驾驶全自动智能取样船，包括采用前后两段设计的智能船体、贯穿于所述智能船体船身并铆接于所述智能船体中上部的传输控制系统、安装于所述智能船体前后船舱空腔内的样品储存系统以及分别安装于智能船体中部U型空腔内的水样采集系统和底泥采集系统；所述智能船体分别与所述传输控制系统、样品储存系统、水样采集系统以及底泥采集系统连接；所述传输控制系统分别与所述样品储存系统、水样采集系统以及底泥采集系统连接；所述样品储存系统与所述水样采集系统连接。
进一步地，所述智能船体包括分别安装于甲板上的视觉导航单元、太阳能电板以及喷气单元、分别搭载于甲板至船舱隔层内的中央处理器、可充电锂电池以及GPS定位单元、安装于智能船体前部的红外避障单元、安装于智能船体内部的声呐测距单元以及安装于智能船体尾部的螺旋浆以及船舵；所述智能船体中部的U型空腔两侧均设置有感应门；
所述太阳能电板通过导线与所述充电锂电池连接；所述中央处理器分别与所述视觉导航单元、喷气单元、充电锂电池、GPS定位单元、红外避障单元、声呐测距单元、螺旋浆、船舵、传输控制系统、样品储存系统、水样采集系统以及底泥采集系统连接；所述充电锂电池分别为视觉导航单元、GPS定位单元、红外避障单元、声呐测距单元、传输控制系统、样品储存系统以及底泥采集系统供电。
再进一步地，所述传输控制系统包括通过集成电路受控于中央处理器的微型控制器、与所述微型控制器连接的动力单元以及传送杆；
所述动力单元通过铆钉连接于智能船体的前后两侧，所述动力单元通过齿轮控制传送杆的前后移动，所述传送杆分别与水样采集系统以及底泥采集系统连接；所述充电锂电池分别为所述微型控制器、动力单元以及传送杆供电；所述微型控制器分别与所述样品储存系统、水样采集系统以及底泥采集系统连接。
再进一步地，所述样品储存系统包括铆接底盘、可旋转储样盘、支撑杆、隔板以及安装于样品储存系统侧壁的温控单元；
所述铆接底盘通过铆钉与智能船体底部连接；所述隔板插接在所述支撑杆上；所述可旋转储样盘分别与微型控制器以及支撑杆连接，所述温控单元与所述微型控制器连接，所述可旋转储样盘与所述水样采集系统连接；所述充电锂电池为可旋转储样盘供电。
再进一步地，所述水样采集系统包括移动传送单元、卷扬轴、铆接动力单元、机械爪以及采样瓶；
所述移动传送单元内部设置有与所述传送杆连接的第一齿轮；所述采样瓶放置于所述可旋转储样盘上；所述机械爪通过卷扬轴与铆接动力单元连接，所述机械爪与所述微型控制器连接；所述采样瓶包括抓起凸出、进水口、排气孔、吸附膜以及配重底座；所述排气孔内设置有单透膜。
再进一步地，所述底泥采集系统包括传送单元、液压伸缩杆、机械手臂以及与所述机械手臂连接且位于机械手臂上部的液压杆；所述传送单元内部设置有与所述传送杆连接的第二齿轮；所述充电锂电池为机械手臂供电；所述机械手臂与所述微型控制器连接；所述机械手臂为椭圆形抓取铲，并由液压杆控制其闭合。
再进一步地，所述太阳能电板为3片。
再进一步地，所述视觉导航单元设置有166°环境采集摄像头。
再进一步地，位于所述智能船体前舱的可旋转储样盘上通过磁吸放置6个采样瓶，位于所述智能船体后舱的旋转储样盘通过磁吸放置6个开口储纳罐。
再进一步地，所述卷扬轴和铆接动力单元为八角卡接方式，且能自动分离。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的无人驾驶全自动智能取样船，设计有水样采集单元、底泥采集单元和样品储纳单元，通过微型控制器和中央处理器的信号处理与反馈，可实现水样和底泥的自动采集与储存。
(2)本发明提供的无人驾驶全自动智能取样船，通过河道地形图和拟采样点坐标位置的输入，由中央处理器形成初始优化航行路径；通过视觉导航系统自动识别河道地形，通过红外避障系统自动识别行驶路径上的障碍物，并通过与中央处理器的信号传输与反馈，控制螺旋桨、喷气装置和船舵，自动行驶并规避障碍物。通过中央处理器智能管控，设定拟取样点地理坐标后，所述无人驾驶全自动智能取样船可实现自动识别河道地形、自动避障、自动取样和自动返航。为科研人员艰苦的野外取样工作提供技术支撑。
(3)本发明提供的无人驾驶全自动智能取样船，通过GPS定位系统与中央处理器的信号传输与反馈，自动定位采样坐标；通过声呐系统测量采样点水位，并传输给中央处理器，控制机械爪和机械臂的伸展和抓取。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明传输控制系统的结构示意图。
图3为本发明样品储纳系统的结构示意图。
图4为本发明的水样采集系统以及底泥采集系统的结构示意图。
图5为本发明各子系统与中央处理器信号传输与反馈的结构原理示意图。
图6为本发明现场应用的概念图。
其中，1-智能船体，2-传输控制系统，3-样品储存系统，4-水样采集系统，5-底泥采集系统，101-视觉导航单元，102-太阳能电板，103-喷气单元，104-中央处理器，105-充电锂电池，106-GPS定位单元，107-红外避障单元，108-声呐测距单元，109-螺旋浆，1010-船舵，201-微型控制器，202-动力单元，203-传送杆，301-铆接底盘，302-可旋转储样盘，303-支撑杆，304-隔板，305-温控单元，401-传送单元，4011-第一齿轮，402-卷扬轴，403-铆接动力单元，404-机械爪，405-采样瓶，4051-抓起凸出，4052-进水口，4053-排气孔，4054-吸附膜，4055-配重底座，501-配重底座，5011-第二齿轮，502-液压伸缩杆，503-机械手臂，5031-液压杆。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种无人驾驶全自动智能取样船，包括采用前后两段设计的智能船体1、贯穿于所述智能船体1船身并铆接于所述智能船体1中上部的传输控制系统2、安装于所述智能船体1前后船舱空腔内的样品储存系统3以及分别安装于智能船体1中部U型空腔内的水样采集系统4和底泥采集系统5；所述智能船体1分别与所述传输控制系统2、样品储存系统3、水样采集系统4以及底泥采集系统5连接；所述传输控制系统2分别与所述样品储存系统3、水样采集系统4以及底泥采集系统5连接；所述样品储存系统3与所述水样采集系统4连接。
如图1所示，所述智能船体1包括分别安装于甲板上的视觉导航单元101、太阳能电板102以及喷气单元103、分别搭载于甲板至船舱隔层内的中央处理器104、充电锂电池105以及GPS定位单元106、安装于智能船体1前部的红外避障单元107、安装于智能船体1内部的声呐测距单元108以及安装于智能船体1尾部的螺旋浆109以及船舵1010；所述智能船体1中部的U型空腔两侧均设置有感应门；所述太阳能电板102通过导线与所述充电锂电池105连接；所述中央处理器104分别与所述视觉导航单元101、喷气单元103、充电锂电池105、GPS定位单元106、红外避障单元107、声呐测距单元108、螺旋浆109、船舵1010、传输控制系统2、样品储存系统3、水样采集系统4以及底泥采集系统5连接；所述充电锂电池105分别为视觉导航单元101、GPS定位单元106、红外避障单元107、声呐测距单元108、传输控制系统2、样品储存系统3以及底泥采集系统5供电。所述视觉导航单元101设置有166°环境采集摄像头。所述太阳能电板102为3片，通过导线与两块充电锂电池105连接，为各系统提供动力。所述各子系统通过集成电路受控于中央处理器104。
本实施例中，中央处理器104可根据使用者输入的河道地形图等，结合拟采样点坐标位置，形成初始优化路径。各系统均通过集成电路由充电锂电池105提供动力，同时，受制于中央处理器104进行信号的接收、处理和反馈，传输控制系统2、水样采集系统4和底泥采集系统5以及样本储纳系统3由微型控制器201统一调控，并接受中央处理器104的信号反馈。
本实施例中，所述太阳能电板102为3片，通过导线与两块充电锂电池105连接，为各系统提供动力。各系统通过集成电路受控于中央处理器104，视觉导航系统101搭载166°环境采集摄像头，实时监测河道地形信息并反馈给中央处理器104，进行地图的绘制和更新；红外避障系统107通过红外发射二极管不断发射红外线，探查河道障碍物，并将信号传输至中央处理器104，中央处理器104通过控制喷气单元103和船舵1010规避障碍；GPS定位系统106实时监测智能取样船坐标位置，并将坐标信息传输至中央处理器104，中央处理器104根据设定采样点坐标，通过螺旋桨109和船舵1010控制船体移动，并根据障碍物的远近控制喷气单元103加快取样船移动速度。所述声呐测距单元108通过脉冲信号的发射和接收识别取样船与河底距离，并将信号传输给中央处理器104，由其控制传输控制系统2、水样采样系统4和底泥采样系统5运转取样。
本实施例中，所述智能船体1中部U型空腔两侧装有感应门，允许水样采集系统4和底泥采集系统5的进出。
本实施例中，中央处理器104可根据使用者输入的河道地形图等，结合拟采样点坐标位置，形成初始优化路径，优化路径以河道地形为边界，以航行距离最短为优化目标，采用单目标空间优化，具体为：
Figure BDA0002794290960000071
式中，L为智能取样船从拟采样点P1至Pn的可选择形式路径；S为初始优化路径。
如图2所示，所述传输控制系统2包括通过集成电路受控于中央处理器104的微型控制器201、与所述微型控制器201连接的动力单元202以及传送杆203；所述动力单元202通过铆钉连接于智能船体1的前后两侧，所述动力单元202通过齿轮控制传送杆203的前后移动，所述传送杆203分别与水样采集系统4以及底泥采集系统5连接；所述充电锂电池105分别为所述微型控制器201、动力单元202以及传送杆203供电；所述微型控制器201分别与所述样品储存系统3、水样采集系统4以及底泥采集系统5连接。
本实施例中，动力单元202通过铆钉连接于船体前后两侧，并通过齿轮控制传送杆203的前后移动；所述传送杆203通过齿轮分别与可移动传送单元401和配重底座501连接，控制样品的传输。
如图3所示，所述样品储存系统3包括铆接底盘301、可旋转储样盘302、支撑杆303、隔板304以及安装于样品储存系统3侧壁的温控单元305；所述铆接底盘301通过铆钉与智能船体1底部连接；所述隔板304插接在所述支撑杆303上；所述可旋转储样盘302分别与微型控制器201以及支撑杆303连接，所述温控单元305与所述微型控制器201连接，所述可旋转储样盘302与所述水样采集系统4连接；所述充电锂电池105为可旋转储样盘302供电。
本实施例中，所述温控单元305由微型控制器201操纵，使样品储纳单元维持在设定温度。
本实施例中，可旋转储样盘302设计有磁吸卡座，固定采样瓶，防止其倾倒。
本实施例中，可旋转储样盘302与支撑杆303连接，受控于微型控制器201，随着样品的放置和抓取自动旋转，支撑杆303上插接隔板304。其中，船体前舱样品储纳系统3旋转储样盘302上通过磁吸放置6个采样瓶405；后舱样品储纳系统3旋转储样盘302上则通过磁吸放置6个开口储纳罐；温控单元305安装于样品储纳系统3侧壁，受制于微型控制器201，使样品储纳系统3维持在设定温度。
如图4所示，所述水样采集系统4包括移动传送单元401、卷扬轴402、铆接动力单元403、机械爪404以及采样瓶405；所述移动传送单元401内部设置有与所述传送杆203连接的第一齿轮4011；所述采样瓶405放置于所述可旋转储样盘302上；所述机械爪404通过卷扬轴402与铆接动力单元403连接，所述机械爪404与所述微型控制器201连接；所述采样瓶405包括抓起凸出4051、进水口4052、排气孔4053、吸附膜4054以及配重底座4055；所述排气孔4053内设置有单透膜。所述可旋转储样盘302上设置有磁吸卡座固定采样瓶405，且所述旋转储样盘302通过磁吸放置6个采样瓶405。所述卷扬轴402和铆接动力单元403为八角卡接方式，且能自动分离。
本实施例中，排气孔4053内装有单透膜，防止水样溢出。
本实施例中，采样瓶405由抓起凸出4051、进水口4052、排气孔4053、吸附膜4054和以及配重底座4055组成，经杀菌处理后，放置于智能取样船前舱样品储纳系统3的可旋转储样盘302上；机械爪404通过卷扬轴402和铆接动力单元403控制升降，同时受控于微型控制器201抓取和放置采样瓶。
如图4所示，所述底泥采集系统5包括传送单元501、液压伸缩杆502、机械手臂503以及与所述机械手臂503连接且位于机械手臂503上部的液压杆5031；所述传送单元501内部设置有与所述传送杆203连接的第二齿轮5011；所述充电锂电池105为机械手臂503供电；所述机械手臂503与所述微型控制器201连接；所述机械手臂503为椭圆形抓取铲，并由液压杆5031控制其闭合。
本实施例中，如图5和图6所示，首先由工作人员根据需要通过控制终端为智能取样船中央处理器104输入河，道地形并设定河道内拟采样点经纬度坐标，同时开启取样船动力系统。中央处理器104以河道地形为边界结合拟采样点坐标，计算获得初始航行优化路径，并根据GPS定位单元106传输的取样船位置信息结合拟采样点位置信息确定取样船航行方向，通过螺旋桨109控制取样船移动；智能取样船航行过程中，视觉导航单元101实时监测河道地形信息并反馈给中央处理器104，进行地图的绘制和更新；结合红外避障系统107探查河道障碍物，并将信号传输至中央处理器104；中央处理器104通过船舵1010和喷气单元103控制智能取样船转向和移动速度。根据GPS定位单元106传输的位置信号，到达指定采样点后，中央处理器104控制取样船螺旋桨109关闭。声呐测距单元108测量取样船与河底距离，并将信号传输给中央处理器104。中央处理器104将距离信息反馈给微型控制器201。微型控制器201首先启动水样采集单元4通过机械爪404抓取采样瓶405；其次，启动传输控制系统2将水样采集系统4和底泥采集系统5分别传送出样品储纳系统3；第三，分别控制卷扬轴402和铆接动力单元403的转动以及液压伸缩杆502和机械手臂503的伸展和抓取。最后，微型控制器201操控传输控制系统2将采集水样和底泥送回样品收纳系统3的旋转储样盘302上，并操控旋转储样盘302轮转至下一格位，完成一次水样和底泥的采集与储纳。待所有拟采样点取样完成后，智能取样船通过GPS定位单元106，由中央处理器104控制返航至设定坐标位置。另外需要指出的是，控制终端通过无线信号与智能取样船中央处理器104进行信号的传输与交互。相关人员可通过控制终端删减或添加采样点信息，并实时监测取样船外部环境。同时，为了保证智能取样船的续航能力，可沿河安装无线充电桩，智能取样船通过充电桩位置信息，通过中央处理器104控制，待电量不足时至充电桩补充电量。

Claims (10)

1.一种无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，包括采用前后两段设计的智能船体(1)、贯穿于所述智能船体(1)船身并铆接于所述智能船体(1)中上部的传输控制系统(2)、安装于所述智能船体(1)前后船舱空腔内的样品储存系统(3)以及分别安装于智能船体(1)中部U型空腔内的水样采集系统(4)和底泥采集系统(5)；所述智能船体(1)分别与所述传输控制系统(2)、样品储存系统(3)、水样采集系统(4)以及底泥采集系统(5)连接；所述传输控制系统(2)分别与所述样品储存系统(3)、水样采集系统(4)以及底泥采集系统(5)连接；所述样品储存系统(3)与所述水样采集系统(4)连接。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述智能船体(1)包括分别安装于甲板上的视觉导航单元(101)、太阳能电板(102)以及喷气单元(103)、分别搭载于甲板至船舱隔层内的中央处理器(104)、充电锂电池(105)以及GPS定位单元(106)、安装于智能船体(1)前部的红外避障单元(107)、安装于智能船体(1)内部的声呐测距单元(108)以及安装于智能船体(1)尾部的螺旋浆(109)以及船舵(1010)；所述智能船体(1)中部的U型空腔两侧均设置有感应门；
所述太阳能电板(102)通过导线与所述充电锂电池(105)连接；所述中央处理器(104)分别与所述视觉导航单元(101)、喷气单元(103)、充电锂电池(105)、GPS定位单元(106)、红外避障单元(107)、声呐测距单元(108)、螺旋浆(109)、船舵(1010)、传输控制系统(2)、样品储存系统(3)、水样采集系统(4)以及底泥采集系统(5)连接；所述充电锂电池(105)分别为视觉导航单元(101)、GPS定位单元(106)、红外避障单元(107)、声呐测距单元(108)、传输控制系统(2)、样品储存系统(3)以及底泥采集系统(5)供电。
3.根据权利要求2所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述传输控制系统(2)包括通过集成电路受控于中央处理器(104)的微型控制器(201)、与所述微型控制器(201)连接的动力单元(202)以及传送杆(203)；
所述动力单元(202)通过铆钉连接于智能船体(1)的前后两侧，所述动力单元(202)通过齿轮控制传送杆(203)的前后移动，所述传送杆(203)分别与水样采集系统(4)以及底泥采集系统(5)连接；所述充电锂电池(105)分别为所述微型控制器(201)、动力单元(202)以及传送杆(203)供电；所述微型控制器(201)分别与所述样品储存系统(3)、水样采集系统(4)以及底泥采集系统(5)连接。
4.根据权利要求3所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述样品储存系统(3)包括铆接底盘(301)、可旋转储样盘(302)、支撑杆(303)、隔板(304)以及安装于样品储存系统(3)侧壁的温控单元(305)；
所述铆接底盘(301)通过铆钉与智能船体(1)底部连接；所述隔板(304)插接在所述支撑杆(303)上；所述可旋转储样盘(302)分别与微型控制器(201)以及支撑杆(303)连接，所述温控单元(305)与所述微型控制器(201)连接，所述可旋转储样盘(302)与所述水样采集系统(4)连接；所述充电锂电池(105)为可旋转储样盘(302)供电。
5.根据权利要求4所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述水样采集系统(4)包括移动传送单元(401)、卷扬轴(402)、铆接动力单元(403)、机械爪(404)以及采样瓶(405)；
所述移动传送单元(401)内部设置有与所述传送杆(203)连接的第一齿轮(4011)；所述采样瓶(405)放置于所述可旋转储样盘(302)上；所述机械爪(404)通过卷扬轴(402)与铆接动力单元(403)连接，所述机械爪(404)与所述微型控制器(201)连接；所述采样瓶(405)包括抓起凸出(4051)、进水口(4052)、排气孔(4053)、吸附膜(4054)以及配重底座(4055)；所述排气孔(4053)内设置有单透膜。
6.根据权利要求5所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述底泥采集系统(5)包括传送单元(501)、液压伸缩杆(502)、机械手臂(503)以及与所述机械手臂(503)连接且位于机械手臂(503)上部的液压杆(5031)；所述传送单元(501)内部设置有与所述传送杆(203)连接的第二齿轮(5011)；所述充电锂电池(105)为机械手臂(503)供电；所述机械手臂(503)与所述微型控制器(201)连接；所述机械手臂(503)为椭圆形抓取铲，并由液压杆(5031)控制其闭合。
7.根据权利要求6所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述太阳能电板(102)为3片。
8.根据权利要求7所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述视觉导航单元(101)设置有166°环境采集摄像头。
9.根据权利要求8所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，位于所述智能船体(1)前舱的可旋转储样盘(302)上通过磁吸放置6个采样瓶(405)，位于所述智能船体(1)后舱的旋转储样盘(302)通过磁吸放置6个开口储纳罐。
10.根据权利要求9所述的无人驾驶全自动智能取样船，其特征在于，所述卷扬轴(402)和铆接动力单元(403)为八角卡接方式，且能自动分离。
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