CN116296596A - 多点位自主水下取样设备及取样方法 - Google Patents

多点位自主水下取样设备及取样方法 Download PDF

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尹春胜
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Abstract

本发明提出多点位自主水下取样设备及取样方法。所述取样设备包括自主AUV，所述自主AUV拥有自带动力源，可实现自主行驶到各个取水点进行自动取样工作，并实时检测温度、含盐量、深度等水文信息。所述AUV的艏段包含螺杆泵式取水装置，所述柱塞泵式取水装置是利用柱塞泵形式，将水抽取到取样瓶内，所述取样瓶为活塞式结构，以此即保证了储存的液体密封，又不会破坏整体的重浮力。

Description

多点位自主水下取样设备及取样方法
技术领域
本发明属于淡海水的水质检测技术领域以及未开发水域的勘探技术领域，特别是涉及多点位自主水下取样设备及取样方法。
背景技术
随着社会经济发展、科学进步和人民生活水平提高，人们始终会关注水资源的情况，由于生产、生活对环境的污染，各个地区都需要不定期的水质监测等工作，还有一些为探索的海洋深处或未知海域，目前监测手段大多数为人工取样，很容易发生危险，无法保证人员安全，对于深水域来讲，人员下潜的不确定因素较多，危险系数较大，然而就算潜入设备的话，大多都是体积较大，移动困难，并且每次下潜只能取一次样品，费时费力，并且还不能保证取样的准确性。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了多点位自主水下取样设备及取样方法。所述设备及方法解决了现有水质取样难，人工取样的危险性和诸多不便。并解决了现有设备取样后的重浮心变化，带来的各种不便。并且可实现一次下水，多点取样的功能，期间无需人工操作，完全自主进行，省去了许多人力物力。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出多点位自主水下取样设备，所述取样设备包括全自主AUV，所述AUV的艏段1以导流和取水为目的，并配备了多个取样瓶14，用于实现不同取水点的分别采样；所述AUV的控制舱段2为整体设备的电源和控制的集成；所述AUV的过渡段3包含了DVL以及温度，含盐量和深度传感器；所述AUV的推进段5是在舱内配有舵机21，进行控制舵板4，掌握AUV的方向以及上浮下潜功能，同时还嵌有电机22，给尾部螺旋桨6提供动力；所述艏段1、控制舱段2、过渡段3和推进段5依次连接。
进一步地，给一次指令，AUV可自主下水根据DVL以及传感器，自主到达取样点，然后打开取水开关，进行逐一采样，并且在整个过程中，会在过渡段3记录下每个时段的温度、深度和含盐量水文信息，在取样结束后可自主上浮并返回至回收点。
进一步地，所述艏段1包括密封舱10、密封舱10里面镶嵌着的驱动电机11以及控制装置，驱动柱塞泵12使取水样经过分流盘13，进入到取样瓶14内进行密封储存，由于在取样瓶14处增加了电磁阀，能够自由开关取样瓶14，可实现多点位分别取水。
进一步地，所述控制舱段2是AUV的大脑，其外部是耐压舱，内部是整台AUV所有的动力电路和控制电路，其中由中央处理模块进行规划各个取水点，并记录水文信息。
进一步地，所述过渡段3是利用框架式支架进行连接前后舱，并配备有DVL、温度计、深度计和测盐量传感器用以实时记录各项数据。
进一步地，所述推进段5包含外部耐压舱、内部四个舵机21和电机22，内部四个舵机21用于控制上下左右方向，电机22是AUV前后的动力来源。
本发明提出一种根据所述的多点位自主水下取样设备的取样方法，所述方法具体为：多点位自主水下取样设备在选定取水的目标点后，向AUV下达各个坐标点，此时AUV会在控制舱内进行路径规划，随后会控制推进段5的舵机21和螺旋桨6，向第一个目标点出发，当各个传感器检测到达第一个取水点后，艏段1将自动开启电机，同时第一个取样瓶14的电磁阀给电，水会经过分流盘流进取样瓶内，在5秒左右瓶满关闭；AUV会继续走向下一目标点，重复上一动作，直至所有水样完成返回到回收点。
进一步地，所述艏段1利用驱动电机11控制柱塞泵12来抽水，打压到取样瓶14内，并且利用电磁阀的开合来密封取样瓶14内的水。
进一步地，所述推进段5采用1个电机22驱动螺旋桨6转动，来实现AUV的前进后退，4个舵机21控制4个舵板，控制AUV的上浮下潜以及方向。
本发明的有益效果为：
本发明通过AUV搭载在各种传感器，使AUV自主向目标点行进，并到达第一个目标点后自动开启取水装置进行采取水样，待第一个水样采取结束后，会根据设定的第二个目标点继续前进，进行第二个目标点的取样，以此类推，待所有的取样点都取完成后，AUV会自动上浮，并返回至回收点。即保证了人员安全，又实现了一次下水，多点位取样的功能，最终取完水样能够自主返回，本发明可适应淡水，海水等多种水域工作。
附图说明
图1为本发明所述取样设备整体结构示意图；
图2为本发明艏段示意图；
图3为本发明尾段即推进段示意图；
图4为本发明控制舱段示意图；
图中：1-艏段，取水装置；2-控制舱段；3-过渡段；4-舵板；5-推进段；6-螺旋桨；10-取水装置密封舱；11-取水电机；12-柱塞泵；13-分流盘；14-取样瓶；15-取水瓶底；21-舵机；22-电机；23-螺旋桨轴；31-耐压舱；32-主控制板；33-惯性导航；34-电压转换模块；35-电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-图4，本发明提出多点位自主水下取样设备，所述取样设备包括全自主AUV，所述AUV的艏段1以导流和取水为目的，并配备了多个取样瓶14，用于实现不同取水点的分别采样；所述AUV的控制舱段2为整体设备的电源和控制的集成；所述AUV的过渡段3包含了DVL以及温度，含盐量和深度传感器；所述AUV的推进段5是在舱内配有舵机21，进行控制舵板4，掌握AUV的方向以及上浮下潜功能，同时还嵌有电机22，给尾部螺旋桨6提供动力；所述艏段1、控制舱段2、过渡段3和推进段5依次连接。
给一次指令，AUV可自主下水根据DVL以及传感器，自主到达取样点，然后打开取水开关，进行逐一采样，并且在整个过程中，会在过渡段3记录下每个时段的温度、深度和含盐量水文信息，在取样结束后可自主上浮并返回至回收点。
所述艏段1包括密封舱10、密封舱10里面镶嵌着的驱动电机11以及控制装置，驱动柱塞泵12使取水样经过分流盘13，进入到取样瓶14内进行密封储存，由于在取样瓶14处增加了电磁阀，能够自由开关取样瓶14，可实现多点位分别取水。
所述控制舱段2是AUV的大脑，其外部是耐压舱，内部是整台AUV所有的动力电路和控制电路，其中由中央处理模块进行规划各个取水点，并记录水文信息。所述控制舱段包括耐压舱31、主控制板32、惯性导航33、电压转换模块34和电池35。
所述过渡段3是利用框架式支架进行连接前后舱，并配备有DVL、温度计、深度计和测盐量传感器用以实时记录各项数据。
所述推进段5包含外部耐压舱、内部四个舵机21和电机22，内部四个舵机21用于控制上下左右方向，电机22是AUV前后的动力来源。
本发明提出一种根据所述的多点位自主水下取样设备的取样方法，所述方法具体为：多点位自主水下取样设备在选定取水的目标点后，向AUV下达各个坐标点，此时AUV会在控制舱内进行路径规划，随后会控制推进段5的舵机21和螺旋桨6，向第一个目标点出发，当各个传感器检测到达第一个取水点后，艏段1将自动开启电机，同时第一个取样瓶14的电磁阀给电，水会经过分流盘流进取样瓶内，在5秒左右瓶满关闭；AUV会继续走向下一目标点，重复上一动作，直至所有水样完成返回到回收点。一次下水不仅可以拿到不同位置、深度的水质水样，并且还能知道路径上每个位置的温度、深度、含盐量等水文信息。
所述艏段1利用驱动电机11控制柱塞泵12来抽水，打压到取样瓶14内，并且利用电磁阀的开合来密封取样瓶14内的水。
所述控制舱，是优选了各个传感器以及CPU和GPU对数据分析计算以及优化路径等，控制推进器的旋转速度、舵机的方向以及艏部取水装置的一系列动作，并存储过程中的所有数据，包括水文信息等。
所述过渡段均采用高精度的传感器如深度计、温度计、测盐量、DVL等设备，可以实时检测当前状态下的各种水文信息，并传送给控制舱进行记录。
所述推进段5采用1个电机22驱动螺旋桨6转动，来实现AUV的前进后退，4个舵机21控制4个舵板，控制AUV的上浮下潜以及方向。
所述取样方法的工作原理具体为：
请参阅图1-3，本发明提供了一台全自主式多点位取水样AUV，包括艏段1，其中包含螺杆泵式取水装置、抛载等设备，主要负责取水质水样和突发状况时抛重物，让AUV能够上浮。后面连接的是控制舱段2，主要负责本台设备的所有电源与控制等电器装备，并记录全过程数据信息。过渡段3负责实时记录当前水域的温度、深度、含盐量等信息，并且对行进速度与姿态进行分析，传送给控制舱段2。最后是由尾段即推进段5进行控制舵板4来掌握整体AUV的姿态和行进方向等，并在尾段配有电机22来给螺旋桨6一个稳定的动力输出，让AUV能够平稳行进。
工作时，需要先在船上，通过无线电将目标点的坐标下达给AUV，然后AUV将根据自身位置与姿态开始给推进段下达命令，进行控制舵板和螺旋桨向第一目标点前进，当各种传感器计算到达第一个目标点后，控制舱给艏段下达命令，艏段的螺杆泵式取水装置内电机开始工作，同时1号取样瓶的电磁阀开启，在5秒左右瓶内冲满水样后，电机与电磁阀关闭，以上为一个目标点取样过程，结束后，AUV将行驶向下一目标点循环上述步骤，进行下一目标点的取样工作，待所有目标点全部取样完成后，AUV让尾段控制舵板上浮到水面，在水面行驶回到回收点，此时可将AUV吊到安全地方，将取回来的水质水样收集，并且还可以将AUV在水下行进路线与路线上所有数据(温度、深度、含盐量等)，导出来进行分析。
需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述来本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围有所附权利要求及其同物限定。

Claims (9)

1.多点位自主水下取样设备，其特征在于：所述取样设备包括全自主AUV，所述AUV的艏段(1)以导流和取水为目的，并配备了多个取样瓶(14)，用于实现不同取水点的分别采样；所述AUV的控制舱段(2)为整体设备的电源和控制的集成；所述AUV的过渡段(3)包含了DVL以及温度，含盐量和深度传感器；所述AUV的推进段(5)是在舱内配有舵机(21)，进行控制舵板(4)，掌握AUV的方向以及上浮下潜功能，同时还嵌有电机(22)，给尾部螺旋桨(6)提供动力；所述艏段(1)、控制舱段(2)、过渡段(3)和推进段(5)依次连接。
2.根据权利要求1所述的取样设备，其特征在于，给一次指令，AUV可自主下水根据DVL以及传感器，自主到达取样点，然后打开取水开关，进行逐一采样，并且在整个过程中，会在过渡段(3)记录下每个时段的温度、深度和含盐量水文信息，在取样结束后可自主上浮并返回至回收点。
3.根据权利要求1所述的取样设备，其特征在于，所述艏段(1)包括密封舱(10)、密封舱(10)里面镶嵌着的驱动电机(11)以及控制装置，驱动柱塞泵(12)使取水样经过分流盘(13)，进入到取样瓶(14)内进行密封储存，由于在取样瓶(14)处增加了电磁阀，能够自由开关取样瓶(14)，可实现多点位分别取水。
4.根据权利要求1所述的取样设备，其特征在于，所述控制舱段(2)是AUV的大脑，其外部是耐压舱，内部是整台AUV所有的动力电路和控制电路，其中由中央处理模块进行规划各个取水点，并记录水文信息。
5.根据权利要求1所述的取样设备，其特征在于，所述过渡段(3)是利用框架式支架进行连接前后舱，并配备有DVL、温度计、深度计和测盐量传感器用以实时记录各项数据。
6.根据权利要求1所述的取样设备，其特征在于，所述推进段(5)包含外部耐压舱、内部四个舵机(21)和电机(22)，内部四个舵机(21)用于控制上下左右方向，电机(22)是AUV前后的动力来源。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的多点位自主水下取样设备的取样方法，其特征在于，所述方法具体为：多点位自主水下取样设备在选定取水的目标点后，向AUV下达各个坐标点，此时AUV会在控制舱内进行路径规划，随后会控制推进段(5)的舵机(21)和螺旋桨(6)，向第一个目标点出发，当各个传感器检测到达第一个取水点后，艏段(1)将自动开启电机，同时第一个取样瓶(14)的电磁阀给电，水会经过分流盘流进取样瓶内，在5秒左右瓶满关闭；AUV会继续走向下一目标点，重复上一动作，直至所有水样完成返回到回收点。
8.根据权利要求7所述的取样方法，其特征在于，所述艏段(1)利用驱动电机(11)控制柱塞泵(12)来抽水，打压到取样瓶(14)内，并且利用电磁阀的开合来密封取样瓶(14)内的水。
9.根据权利要求7所述的取样方法，其特征在于，所述推进段(5)采用1个电机(22)驱动螺旋桨(6)转动，来实现AUV的前进后退，4个舵机(21)控制4个舵板，控制AUV的上浮下潜以及方向。
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