CN116448505B - 基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境监测技术领域，公开了一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，该方法是由船载重力仪持续获取途经的被监控河流区段内各水体坐标点的实测垂向重力数据，当重力仪采集的河流某坐标点的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比的变化率达到设定阈值时，初步判定该坐标点的水质存在异常，随机将该坐标点标记为随机采样点，自动触发无人船采样装置对该随机采样点进行深水采样、并记录组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息。本发明通过实时采集被监控河流水体的垂向重力数据，对动态检测到的水体重力数据变化率达到设定阈值的坐标点，自动定位、采样，并实现对不同深度水体的批量采样。

Description

基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统
技术领域
本发明涉及环境水体污染检测技术领域，尤其涉及一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统。
背景技术
随着现代工业技术的快速发展，污染问题越来越突出，环境保护问题受到了全社会的高度关注。水是自然环境的重要资源，但随着其污染问题逐渐严重、水生态环境恶化，对依法监管和治理提出了更高的要求。为了全面了解和评估流域环境水体受到污染的影响程度，同时也为了及时应对各类突发的水环境污染事件，需要专业机构及主管部门定期（定时）开展对辖区内的河流、湖泊等环境水体进行巡检和水样采集，以获得准确流域内的环境水体浓度，针对性的提出水体污染治理措施有着重要意义，及时发现和惩治违法违规排污事件，保障水体生态环境安全。
目前各种环境水体的水质（污染）检测、监测方法，以及各种水质检测方法都逐渐兴起并得到了广泛的应用，并且能够解决大多数的问题。但是，在自然河流、湖泊等自然水体中，部分经营主体未经许可而采用深层、暗管排放污水的方式，具有极强的隐蔽性，难以被及时的发现和验证、并进行处理。
现有技术的无人船水样采集装置通过在无人船设置取水管伸入到监测水域中进行水样的采集，无法在对应河道断面不同深度水域的水样进行采集，同时也无法实现在单个采样点不同深度的批量采样，从而对单个河道断面上的水体采样不够准确，影响对水污染情况的了解和评估。更为重要的是，现有的无人船水样采集装置，只能根据预审的路径和坐标进行采样，无法自行检测环境水体的水质变化、不能发现深水中是否存在暗管排放的情况，也不能自行对暗管排放点进行深水采样。
当水污染事件发生时，污染物溶入或者混入正常水体中，会直接改变正常水体的密度、色彩等，因此对于采用沟渠、明管排放的污水，监测人员通过对表层水体的观察、采样，即可发现和处置。但是，对于采用深水沉管（通常在水面下深度5-10米）、向流动水体（河流、湖泊）暗排的污水，由于其污染物多数是可溶于水、对受污染及其周边水体的密度影响较大、显著改变排污口的水体密度、流速和流向，但是由于深层水体的流动和稀释作用，监测人员难以通过表层水体上直观的观察到水体的变化，因而不能及时发现和处置深水沉管暗排事件；同时，现有采样设备也不支持不同深度的水体断面批量采样，不能准确的判断出排污口所处的深度，以及对于排污口附近不同深度水体的污染程度。
例如，现有技术，发明专利申请号为CN201821374895.5的文献公开了一种环境水体采集或应急的自动化无人船装置，其包括采样船、采样装置、动力装置、航行控制系统、岸边地面控制终端；采样装置包括按压式抽水泵，三通连接管，进水管，进水阀，接样阀门，样品保护罩，接样口，样品瓶，隔震抬升垫。该文献利用进水管伸入到监测水域中、进行常规采样点水样的采集，无法实现精准自动巡航，也不能自动发现存在水质异常情况的地点，并对该随机发现的水质异常位置作为随机采样点、自动触发采样。
因此，现有技术的无人船采样时，不能自动发现存在水质异常情况的地点，不能实现在单个河道（特别是可能存在暗管排放河道）断面上，对不同深度采样点的采样，也无法实现对单个采样点不同深度的批量采样；因而，不能实现在巡航过程中对环境水体水质的动态检测（以发现可疑排放点），对单个河道断面上的水体采样的坐标不够准确、不能兼顾不同的采样深度，影响对环境水体（河流、湖泊等）水污染情况的全面了解和评估，而且采样效率也不高。此外，现有技术对一次航行采集到的水样样品也缺乏有效的信息化管理，无法清楚的记录和区分各水样样品的采集位置，增加了后续的工作量。
因此，亟需开发一种基于重力测量检测深层水质变化、多模式触发采样的水体无人船自动采样方法及系统，其能基于组合导航和数据传感而进行全航程自动监测、自动发现可疑的暗管排放点，程序控制采样和自动触发采样相结合，实现一次航行、全河流（全流域）监测、全监测点自动批量采样，并能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，从而提高水体监测巡航和水样采集的效率，对环境监测和水污染违法事件处理提供强有力保证。
发明内容
本发明的目的在于针对上述的不足，提供一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，基于高精度船载重力仪机构对水体实测垂向重力数据的感知，全航程自动监测、自动发现可疑的暗管排放点并采样，能实现一次航行、全河流监测区段、全过程监测和自动化、批量采样，并对各采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，批量采样提高采样效率。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，其是在无人船上设置船载重力仪机构，由该船载重力仪机构内置的重力仪持续获取途经的被监控河流区段内水体各坐标点的实测垂向重力数据，当重力仪采集的河流某坐标点水体的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比的变化率达到设定阈值时，初步判定该坐标点水体的水质存在异常，随机将该坐标点标记为随机采样点，自动触发无人船采样装置对该随机采样点的水体进行深水采样、并记录组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息，其具体包括以下步骤：
S1、设置无人船：设置一基于GNSS/MEMS组合惯性导航的环境水体无人船，该船上设有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器、PLC控制器、采样装置及船载重力仪机构，该船载重力仪机构中设有重力仪；预先规划被监控河流区段的巡航路径，并预先设置多个常规采样点的信息；
S2、启动无人船巡航：启动无人船，通过岸边地面控制终端，控制无人船上的航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器，控制无人船按照预先规划的采样点航行路径，依次巡航、到达预设的各采样点；在此过程中，船载重力仪机构保持预先设置的固定间隔距离，依次获取途经的被监控河流区段内各坐标点的实测垂向重力数据，并自动进行比较计算；
S3、持续测量定位并启动采样：无人船航行中，无人船上的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器对无人船进行定位/测距，并且根据下列三种方式之一定位并采样：
方式一：程序自动控制常规采样点的采样：无人船在航行中，当GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置与预先指定的任一常规采样点位置重合时，PLC控制器内置的采样程序发出采样指令，自动控制采样装置进行采样；
方式二：船载重力仪机构触发随机采样点的自动采样：无人船在航行中，在任意坐标位置上，当船载重力仪机构采集途经的河流区段内某坐标点的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比变化率达到设定阈值时，随机即自动发送采样指令、触发PLC控制器启动采样装置对该随机采样点进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息；
方式三：人工发送指定采样点的自动采样：无人船在航行中，GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置发送至岸边地面控制终端，岸边地面控制终端的操作人员，人工向无人船的PLC控制器发送对指定采样点的坐标信息和采样指令，PLC控制器启动采样装置进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该指定采样点的坐标信息；
S4、进行采样：当无人船的PLC控制器接收到采样指令时，航行控制装置控制无人船停止行驶，PLC控制器控制采样装置的水样采集管投进指定待采样的环境水体中，水样采集管下沉至所需深度时，采样装置控制水样采集管停止下沉，并将水样采集管下沉到位信息反馈至PLC控制器；同时，所述PLC控制器控制搬运机器手将多个空的样品瓶搬至传送装置的始端，PLC控制器控制传送装置正转，传送装置将多个空的样品瓶传送至加液样机构的多个加液样端口下方；
S5、不同深度的批量采样：当PLC控制器控制水样采集管下沉到第一深度，接收到水样采集管下沉到第一深度的到位信息后，控制水样采集管中的第一批多个采液管进水孔同时采样、完成后关闭各采液管的进水孔；第一深度采样完成后，再使水样采集管下沉到第二深度、控制水样采集管中的第二批多个采液样进水孔同时采样；如此类推完成多个深度的采样，将水样采集管收回到船上；所述各批水样采集管分别将采集到的该采样点多个深度的液样，转存至设有对应深度标记的样品瓶中，当各样品瓶均完成液样转存后，采样装置将采集液样完成的信息反馈至所述PLC控制器；
S6、保存当前采样点的液样：当所述PLC控制器接收到采集液样完成的信息后，所述PLC控制器控制传送装置反转，所述传送装置将多个已装有液样的样品瓶传送至传送装置的始端，同时，所述PLC控制器控制标记扫码装置对该批次的多个已装有液样的样品瓶进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，完成当前采样点的液样采集；
S7、依次完成巡航和采样：当前采样点的液样采集完成后，航行控制装置控制无人船恢复行驶，航行至被监控河流区段内的下一个采集点，重复步骤S3至S6，直至完成整个被监控河流区段的巡航和采样；
S8、自动返航：无人船完成取样后，根据最后采样点的经纬度坐标，与无人船出发点间自动生成返航路线，自动返航。
一种实施前述方法的基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，包括无人船与岸边地面控制终端，所述的无人船的船体包括船仓、甲板，该无人船体上设有采样装置、标记扫码装置、传送装置、搬运机器手、PLC控制器、GNSS定位装置、船载重力仪机构、航行控制装置；所述航行控制装置安装有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航装置，所述传送装置传送穿过所述加液样机构的下方，所述标记扫码装置位于所述传送装置的一侧，所述采样装置包括加液样机构、水样采集管、多个样品瓶，所述加液样机构包括多个加液样端口，所述水样采集管的前端侧壁上设有多个采液样进水孔，多个采液样进水孔沿所述水样采集管的长度方向均匀分布；多个样品瓶通过搬运机器手搬至传送装置，并通过传送装置传送至加液样机构的加液样端口下方，各所述加液样端口分别通过各所述采液样进水孔采集多个深度的水样至各所述样品瓶；所述采样装置、标记扫码装置、传送装置、搬运机器手、GNSS定位装置、航行控制装置分别与所述PLC控制器电性连接，所述PLC控制器与所述岸边地面控制终端无线通讯连接。
下面对本发明的优点进行说明：
1、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，能够基于高精度船载重力仪机构对水体实测垂向重力数据的感知、实时检测深层水质变化（感知暗排出口附近深层水体由于其密度、流速、流向等影响因素引起的垂向重力数据的变化），基于组合导航和数据传感实现全航程自动监测、自动发现可疑的暗管排放点并采样，能实现一次航行、全河流监测区段、全过程监测和自动化、批量采样，并对各采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，从而提高水体监测巡航和水样采集的效率，对环境监测和水污染违法事件处理提供强有力保证。
2、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，针对被监控河流区段的水体污染监控需求，同步改进了导航、采样的方法和船体的结构，无人船采用GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航，自动定位+定向+测速；其中的GNSS/MEMS为松组合，使无人船在穿过隧道、涵洞等无卫星信号的场所能够继续前行；无人船采用多模式混合控制，包括人工控制、程序控制和船载重力仪机构数据传感自动触发控制的三种采样控制模式，能自动发现存在异常情况的随机采样点、并对该随机采样点的自动触发采样，因而能实现一次航行、全河流监测区段、全过程监测和自动化、批量采样，并对各常规采样点、随机采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现对单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，批量采样提高采样效率。
3、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，能够针对被监控河流区段的水体污染监控需求，兼顾常规监测采样和应急监测采样的需求，定时巡航预设的多个常规采样点（针对固定的排污口等处、常规监测情况下），也可以巡航非预设的采样点（特别是在应急监测情况下），由无人船自动感知采样点的环境水体、实测垂向重力数据变化率、密度（浮力）等，自行确定随机采样点，根据预设的巡航路径或者自动进行的航线规划，完成对被监控河流区段的可能的水体污染点进行采样，而且采样参数可以灵活调节，支持不同深度的批量采样。
4、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，其常规采样点可以根据常规监测需求预先设定，而随机采样点则无需事先设定，直接由船载重力仪机构的数据比较（如变化率等），在达到设定阈值的位置（随机采样点）自动触发采样作业，因此能避免人工控制模式、程序控制模式进行采样时，不能动态感知水体变化、容易遗漏受污染水体采样点的缺陷，或者由程序控制的定点采样，不能对暗排管道出水口附近水体变化（包括水体密度、流速、流向等）准确做出响应的不足。
5、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，其无人船的结构设计合理，导航控制、数据传感、采样装置及水样等总体的有效载荷能控制在1000Kg以内，使船体的体积适中，以锂电池为单一能源时，续航能力大于500km，能够有效监控长度200km的全河流监测区段（左侧近岸和右侧近岸），实现一次航行完成对全河流监测区段的过程监测和自动采样，并将水样运回，中途可以由工作人员远程控制，也可以自行巡航，批量采样提高采样效率。
6、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，其采用GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航，能够自动定位+定向+测速，可实现对常规采样点和随机采样点控制模式的自由切换；其中的GNSS/MEMS的松组合为位置与速度的组合式控制，GNSS、INS、MEMS均保持独立工作，其组合是以卡尔曼滤波为数据融合方式，以位置／速度信息作为系统外部观测量，可靠性高，控制方式灵活、切换简便。
7、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，对于航线规划、航速控制及其采样选点、定位，可以采用多种方案，以满足不同的监测、采样需求。例如，可以根据日常监测、监管需要，对排污口、排污管所在地进行重点监测、设置多个常规采样点，并且使各常规采样点均分布在巡航线路上；然后再综合无人船的动力、续航和被监测河流的水文、气象等数据，采用线性规划等方式获得航速的最优解，以兼顾各种环境条件，以及无人船采样作业时本身的其他限制，使其覆盖全部的常规采样点，或者使其经过可能发生污染的水体所在位置。
8、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，可以预先在岸边地面控制终端上规划好采样点的航行路径，并设置常规采样点的坐标信息；接着通过岸边地面控制终端控制无人船上的航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器进行组合导航，控制无人船与河岸的距离、避免搁浅；无人船按照预先规划的采样点航行路径依次到达各指定常规采样点（或者发现随机采样点）；无人船到达采样点附近时，无人船利用安装在其上的GNSS定位装置对无人船进行定位纠偏，使其采样点位置更为准确；完成采样位置纠偏后，则岸边地面控制终端向无人船的PLC控制器发送采样指令；接着PLC控制器控制采样装置的水样采集管投进指定采样点的水体中，水样采集管下沉至所需深度时，采样装置控制水样采集管停止下沉，由于多个采液样进水孔沿水样采集管的长度方向均匀分布，从水样采集管前端的入水深度，可以反算出各采液样进水孔所处的水深深度，在实际应用中，单个采样点一般需采集三个不同深度的水样，各深度模数一般按水深间距1米、2米或3米三个深度间距进行采集的，因此，多个采液样进水孔可沿水样采集管的长度方向1米的间距进行设置，从而使多个采液样进水孔组合出不同的深度间距模数；当完成水样采集管沉入水体的动作后，搬运机器手将多个样品瓶搬至传送装置的始端，PLC控制器控制传送装置正转，传送装置将多个样品瓶传送至加液样机构的加液样端口下方，加液样机构的各加液样端口分别通过水样采集管的各采液样进水孔采集多个深度的液样至各样品瓶中，当各样品瓶完成液样采集后，PLC控制器控制传送装置反转，传送装置将装有液样的各样品瓶传送回传送装置的始端；然后PLC控制器控制标记扫码装置对装有液样的各样品瓶进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，当该装有液样的各样品瓶完成扫码标记后，搬运机器手将装有液样的多个样品瓶搬离传送装置，岸边地面控制终端通过航行控制装置控制无人船航行至下一个采集点，重复上述操作步骤。该方法及系统能实现对被监测河流区段的一次航行、全程批量采样，并对各采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，批量采样提高采样效率。
9、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其结构设计合理，其包括无人船、采样装置、标记扫码装置、传送装置、搬运机器手、PLC控制器、GNSS定位装置、航行控制装置、岸边地面控制终端等，采样装置包括加液样机构、水样采集管、多个样品瓶，航行控制装置安装有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航装置，使用时，岸边地面控制终端控制航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航，航行控制装置控制无人船航行至采集点，GNSS定位装置对无人船进行定位纠偏，并反馈至岸边地面控制终端，岸边地面控制终端控制采样装置先将水样采集管投进采集点的水体中，水样采集管下沉至所需深度时，采样装置控制水样采集管停止下沉，由于多个采液样进水孔沿水样采集管的长度方向均匀分布，从水样采集管前端的入水深度，可以反算出各采液样进水孔所处的水深深度，在实际应用中，单个采样点一般需采集三个不同深度的水样，各深度模数一般按水深间距1米、2米或3米三个深度间距进行采集的，因此，多个采液样进水孔可沿水样采集管的长度方向1米的间距进行设置，从而使多个采液样进水孔组合出不同的深度间距模数；当完成水样采集管沉入水体的动作后，搬运机器手将多个样品瓶搬至传送装置的始端，PLC控制器控制传送装置正转，传送装置将多个样品瓶传送至加液样机构的加液样端口下方，加液样机构的各加液样端口分别通过水样采集管的各采液样进水孔采集多个深度的液样至各样品瓶中，当各样品瓶完成液样采集后，PLC控制器控制传送装置反转，传送装置将装有液样的各样品瓶传送回传送装置的始端，PLC控制器控制标记扫码装置对装有液样的各样品瓶进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，当该装有液样的各样品瓶完成扫码标记后，搬运机器手将装有液样的多个样品瓶搬离传送装置，岸边地面控制终端通过航行控制装置控制无人船航行至下一个采集点，重复上述操作步骤；该自动采样系统能实现一次航行批量采样，并对各采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，批量采样提高采样效率。
10、本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，其船载重力仪机构，通过设置纵向垂直状态保持机构配合横向垂直状态保持机构，能够对任何方向的水体浪涌给船体带来的上下震动或者左右摆动均进行消除，使得重力仪（船载河流基础测绘用重力仪）始终处于垂直状态，进而保证重力仪测量得到的垂向重力数据的准确性；该船载重力仪机构设置在船仓内，不需要另外设置各种传感器及电机进行感应以及传动，总体成本较低；由该船载河流基础测绘用船载重力仪采集特定采样点的前后日期（或者相邻位置）的数据变化率，达到预设的阈值时直接触发采样作业、对该随机采样点进行采用，能避免人工控制采样，或者由程序控制的采样，不能对水体变化（水质、水体比重）及时、准确做出响应的不足。由于重力仪灵敏度较高，能够通过垂向重力数据对采样点水质的变化做出准确的感知，并进一步确定随机采样点，进行不同深度断面水体进行采样（可采用水深大于5米） ，能够较好的满足突发水体应急污染监测采样需要，并且也能兼顾日常监测采样需求。
附图说明
图1是本发明实施例无人船自动采样系统整体结构的侧视图；
图2是本发明实施例无人船自动采样系统的整体结构的俯视图；
图3是本发明实施例中采样装置的俯视图；
图4是本发明实施例中水样采集管的立体示意图；
图5是本发明实施例中某地龙须带水库水质监测卫星示意图；
图6是本发明实施例避碰规则示意图；
图7为本发明实施例船载重力仪机构的整体结构示意图；
图8为本发明实施例船载重力仪机构的横向垂直状态保持机构及滑动机构的连接结构示意图；
图9为本发明实施例船载重力仪机构的安装机构的结构示意图；
图10为本发明实施例船载重力仪机构的夹持部的结构示意图；
图11为本发明实施例船载重力仪机构的转动机构的结构示意图；
图12为本发明实施例船载重力仪机构的锁止机构的结构示意图；
图13为本发明实施例船载重力仪机构的滑动机构结构示意图；
图14是本发明实施例某地滨江飞水桥水质监测卫星示意图。
附图标记说明：
10、无人船；20、采样装置；21、加液样机构；211、加液样端口，212、电动水阀，213、加液泵，22、水样采集管，221、采液样进水孔，222、端头铁饼，223、外管，224、内管，23、样品瓶，24、储管转盘，241、出水端口，25、导向支架，26、导向滑轮，27、红外测距仪，30、标记扫码装置，40、传送装置，50、搬运机器手，60、液样冷藏室，70、水样提箱，80、提箱定位块；
1、船载重力仪机构；102、重力仪；12、支撑架；2、重垂块；3、连接架；4、纵向外环体；5、内环体滑槽；6、滑动机构；61、一号滑块；62、安装槽；63、滚珠；7、横向垂直状态保持机构；71、横向内环体；72、保持架；73、内滑槽；74、二号滑块；75、安装机构；751、托板；752、夹持部；7521、橡胶耐磨层；7522、弹性记忆合金板；7523、柔性基板；753、一号弹簧；754、安装环；755、连接块；756、限位柱；8、垂块滑槽；9、转动机构；91、转动壳体；92、转动槽；93、转动块；94、锁止机构；941、固定槽；942、插槽；943、插杆；944、二号弹簧；945、安装架；946、旋转手柄；947、螺纹环；948、压板；101、一号杆；111、二号杆；90、重力仪舱室。
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，主要是针对被监控河流区段的水体污染监控需求，兼顾常规监测采样和应急监测采样的需求，由无人船自动定时巡航预设的多个常规采样点（针对固定的排污口等处、常规监测情况下），并且也可以巡航非预设的采样点（特别是对应急污染事件监测情况下），由无人船自动感知采样点的环境水体、实测垂向重力数据变化率、密度、流速等，自行确定随机采样点，根据预设的巡航路径或者自动进行的航线规划，完成对被监控河流区段的可能的水体污染点进行采样，而且采样参数可以灵活调节，支持不同深度的批量采样；本实施例的无人船采用船载重力仪机构内置的重力仪，对可能存在深层暗管排放污水的河流区段进行自动排查。在存在深层暗管排放污水的河流区段，由于暗管排出的污水的密度、流速、流向等因素对正常水体造成对应的影响，而该影响可以导致暗管排污口附近水体的垂向重力数据发生异常变化，该变化能够被高精度的重力仪感知和记录，配合组合导航器对异常区域的坐标进行登记，并且自动触发无人船停驶和采样，从而克服了现有技术无法及时发现、定位和采样处置深管暗排的技术困难，能够实现对监控河流区段的有效巡检和采样。
具体的，本实施例提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其是在小型无人船（有效载荷1000KG）上设置船载重力仪机构，由该船载重力仪机构内置的重力仪持续获取途经的被监控河流区段内水体各坐标点的实测垂向重力数据，当重力仪采集的河流某坐标点水体的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比的变化率达到设定阈值时，控制端（PLC控制器或地面控制终端）则可以初步判定该坐标点水体的水质存在异常，随机将该坐标点标记为随机采样点，自动触发无人船采样装置对该随机采样点的水体进行深水采样、并记录组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息，然后将相关的数据、采样进行后续分析、验证，以最终确定是否存在深管暗排的情况，以及深管暗排污染水体所在的区域，及时进行处置，其具体包括以下步骤：
S1、设置无人船：设置一基于GNSS/MEMS组合惯性导航的环境水体无人船，该船上设有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器、PLC控制器、采样装置及船载重力仪机构，该船载重力仪机构中设有重力仪；预先规划被监控河流区段的巡航路径，并预先设置多个常规采样点的信息；
S2、启动无人船巡航：启动无人船，通过岸边地面控制终端，控制无人船上的航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器，控制无人船按照预先规划的采样点航行路径，依次巡航、到达预设的各采样点；在此过程中，船载重力仪机构保持预先设置的固定间隔距离（例如20-50米），依次获取途经的被监控河流区段内各坐标点的实测垂向重力数据，并由其配套的数据处理与分析软件自动进行比较计算，将得到的数据或计算结果发送给控制端；
S3、持续测量定位并启动采样：无人船航行中，无人船上的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器对无人船进行定位/测距，并且根据下列三种方式之一定位并采样：
方式一：程序自动控制常规采样点的采样：无人船在航行中，当GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置与预先指定的任一常规采样点位置重合时，PLC控制器内置的采样程序发出采样指令，自动控制采样装置进行采样；
方式二：船载重力仪机构触发随机采样点的自动采样：无人船在航行中，在任意坐标位置上，当船载重力仪机构采集途经的河流区段内某坐标点的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比变化率达到设定阈值时，随机即自动发送采样指令、触发PLC控制器启动采样装置对该随机采样点进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息；
方式三：人工发送指定采样点的自动采样：无人船在航行中，GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置发送至岸边地面控制终端，岸边地面控制终端的操作人员，人工向无人船的PLC控制器发送对指定采样点的坐标信息和采样指令，PLC控制器启动采样装置进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该指定采样点的坐标信息；
S4、进行采样：当无人船的PLC控制器接收到采样指令时，航行控制装置控制无人船停止行驶，PLC控制器控制采样装置的水样采集管投进指定待采样的环境水体中，水样采集管下沉至所需深度时，采样装置控制水样采集管停止下沉，并将水样采集管下沉到位信息反馈至PLC控制器；同时，所述PLC控制器控制搬运机器手将多个空的样品瓶搬至传送装置的始端，PLC控制器控制传送装置正转，传送装置将多个空的样品瓶传送至加液样机构的多个加液样端口下方；
S5、不同深度的批量采样：当PLC控制器控制水样采集管下沉到第一深度，接收到水样采集管下沉到第一深度的到位信息后，控制水样采集管中的第一批多个采液管进水孔同时采样、完成后关闭各采液管的进水孔；第一深度采样完成后，再使水样采集管下沉到第二深度、控制水样采集管中的第二批多个采液样进水孔同时采样；如此类推完成多个深度的采样，将水样采集管收回到船上；所述各批水样采集管分别将采集到的该采样点多个深度的液样，转存至设有对应深度标记的样品瓶中，当各样品瓶均完成液样转存后，采样装置将采集液样完成的信息反馈至所述PLC控制器；
S6、保存当前采样点的液样：当所述PLC控制器接收到采集液样完成的信息后，所述PLC控制器控制传送装置反转，所述传送装置将多个已装有液样的样品瓶传送至传送装置的始端，同时，所述PLC控制器控制标记扫码装置对该批次的多个已装有液样的样品瓶进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，完成当前采样点的液样采集；
S7、依次完成巡航和采样：当前采样点的液样采集完成后，航行控制装置控制无人船恢复行驶，航行至被监控河流区段内的下一个采集点，重复步骤S3至S6，直至完成整个被监控河流区段的巡航和采样；
S8、自动返航：无人船完成取样后，根据最后采样点的经纬度坐标，与无人船出发点间自动生成返航路线，自动返航。
一种实施前述方法的基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其包括无人船与岸边地面控制终端，所述的无人船的船体包括船仓、甲板，该无人船体上设有采样装置、标记扫码装置、传送装置、搬运机器手、PLC控制器、GNSS定位装置、船载重力仪机构、航行控制装置；所述航行控制装置安装有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航装置，所述传送装置传送穿过所述加液样机构的下方，所述标记扫码装置位于所述传送装置的一侧，所述采样装置包括加液样机构、水样采集管、多个样品瓶，所述加液样机构包括多个加液样端口，所述水样采集管的前端侧壁上设有多个采液样进水孔，多个采液样进水孔沿所述水样采集管的长度方向均匀分布；多个样品瓶通过搬运机器手搬至传送装置，并通过传送装置传送至加液样机构的加液样端口下方，各所述加液样端口分别通过各所述采液样进水孔采集多个深度的水样至各所述样品瓶；所述采样装置、标记扫码装置、传送装置、搬运机器手、GNSS定位装置、航行控制装置分别与所述PLC控制器电性连接，所述PLC控制器与所述岸边地面控制终端无线通讯连接。
实施例2
参见图1至图13，本实施例在实施例1的基础上，进一步提供更为具体基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，其具体应用于珠三角某地龙须带水库水质监控（图5），其中被监控河流（水域）区段总长度约100km，无人船单次航行总巡航路径约200km，并且能够兼顾日常监测采样与突发水体应急污染监测采样的需要。
本发明基于高精度重力仪（船载海洋重力仪，具体型号为Microg LaCoste SⅢ型海洋重力仪），对环境水体因为密度变化、径流流速的变化等在地球引力中产生的重力异常进行监测，采用高精度、高灵敏的重力变化异常数据，发现和采集较小的密度异常体(深水暗管排放点、高浓度污水汇流区等处的水质异常的环境水体)，并对其采集的不同深度的水样进行后期检测、分析，从而得到环境水体中存在深水暗管排放的坐标点，初步判断出其形态、分布、结构等，为下一步人工确认和执法活动提供依据。
在其他实施例中，高精度重力仪也可以采用陆地型便携式CG-6相对重力仪、或者gPhoneX相对重力仪等。这些高精度重力仪均可以采集河流实测垂向重力数据并计算得到数据的变化率（导数），通过动态检测到特定坐标点上水体垂直重力数据的变化率，来初步确定水质异常、可能存在深水暗管排放的区域。
本实施例提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其包括以下步骤：
S1、设置无人船10：设置一基于GNSS/MEMS组合惯性导航的环境水体采样用小型无人船（有效载荷1000kg），该船上设有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器、PLC控制器、采样装置及船载重力仪机构；在岸边地面控制终端上规划被监控河流区段的巡航路径，并预先设置多个常规采样点的信息；
S2、启动无人船巡航：启动无人船，通过岸边地面控制终端，控制无人船上的航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器，控制无人船按照预先规划的采样点航行路径，依次巡航、到达预设的各常规采样点；具体包括：
S2-1、信息获取，无人船的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器与岸边地面控制终端通过频道建立网络连接，获得各预设采样点（常规采样点）与出发点之间的地理卫星图数据，输入无人船出发点与各预设固定采集点的经纬度信息；
参见图5，获取被监控河流（水域）区段、某地龙须带水库的水质监测信息、GIS信息等；
使无人船10与岸边地面控制终端通过无线信号频道建立无线网络连接，建立并保持指令信息之间的传输信道；将水库采集点的坐标信息（112.686466,24.088708），无人船10出发点（112.674836,24.083890）经纬度信息输入岸边地面控制终端；
S2-2、路线规划，所述岸边地面控制终端采用最短路径算法（也可以采用蚁群算法等）规划无人船10出发点至各预设常规采样点的航线路径（巡航路径），结合避障规则，规避障碍物，生成较为平滑的行驶路线；
本实施例采用的最短路径算法，是搜索从起始点出发，沿图中水库岸线的边线，依次到达目标点中各边权值和最小的路径。另外要结合国际海上避碰规则(COLREGs)，其中三条主要避碰规则（参见图6所示）， 规则1：追越，船舶追越其他船只时，均应给被追越船让路；规则2：正面相遇，两船在相反或接近相反航向上相遇致有碰撞危险时，各应向右转向，从他船左舷驶过； 规则3：交叉相遇。两船交叉相遇致有碰撞危险时，有它船在本船右舷 的船舶应给它船让路，若环境允许，还应避免横越他船前方。
S2-3、GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器与航行控制装置控制无人船自动航行，在航行过程中随机定位，获取航行中无人船的航向、航速、姿态数据，并反馈至岸边地面控制终端，同时，水流流速传感器将收集到的无人船航速数据，船载重力仪机构将采集到的实测重力数据，实时传输回岸边地面控制终端；
S3、持续测量定位并启动采样：无人船基于GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器的组合导航控制而行驶，航行中，无人船上的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器对无人船进行定位/测距（测量无人船体与河流岸线的距离、保持最小安全距离、避免搁浅），并且根据下列三种方式之一定位并采样：
方式一：常规采样点的程序自动控制采样：无人船在航行中，当GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置与预先指定的任一常规采样点位置重合时，PLC控制器内置的采样程序自动控制采样装置进行采样；
方式二：船载重力仪机构触发随机采样点的自动采样：无人船在航行中，在任意坐标位置上，当船载重力仪机构采集河流实测垂向重力数据变化率达到设定阈值时，随机即自动触发PLC控制器，启动采样装置对该随机采样点进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息；
方式三：人工发送指定采样点坐标的自动采样：无人船在航行中，GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置发送至岸边地面控制终端，岸边地面控制终端的操作人员，人工向无人船的PLC控制器发送对指定随机采样点的采样指令和随机采样点的坐标信息，PLC控制器，启动采样装置进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该采样点的坐标信息；
S4、进行采样：
当无人船到达指定的常规采样点（或者发现随机采样点）后，无人船10自主作业，自动完成一系列的水质采样，样品编码，水质保存。
当无人船的PLC控制器接收到采样指令时，航行控制装置控制无人船停止行驶；
无人船先测定库心深度、水温、溶解氧、电导率、PH、透明度、浊度等现场常规指标；
PLC控制器控制采样装置的水样采集管投进指定待采样的环境水体中，水样采集管下沉至所需深度时，采样装置控制水样采集管停止下沉，并将水样采集管下沉到位信息反馈至PLC控制器；同时，所述PLC控制器控制搬运机器手将多个空的样品瓶搬至传送装置的始端，PLC控制器控制传送装置正转，传送装置将多个空的样品瓶传送至加液样机构的多个加液样端口下方；
具体的，采样装置20先将水样采集管22投进采集点的水体中，水样采集管22下沉至所需深度时，采样装置20控制水样采集管22停止下沉，由于多个采液样进水孔221沿水样采集管22的长度方向均匀分布，从水样采集管22前端的入水深度，可以反算出各采液样进水孔221所处的水深深度；
S5、不同深度的批量采样：当PLC控制器接收到水样采集管下沉到位信息后，所述PLC控制器控制水样采集管的多个采液样进水孔同时采样，所述水样采集管一次性采集该采样点多个深度的液样至各样品瓶中，当各样品瓶完成液样采集后，采样装置将采集液样完成的信息反馈至所述PLC控制器；
在实际应用中，单个采样点一般需采集三个不同深度的水样，各深度模数一般按水深间距1米、2米、3米及5米四个深度间距进行采集的，因此，多个采液样进水孔221可沿水样采集管22的长度方向1米的间距进行设置，从而使多个采液样进水孔221组合出不同的深度间距模数；
当完成水样采集管22沉入水体的动作后，搬运机器手50将多个样品瓶23搬至传送装置40的始端，PLC控制器控制传送装置40正转，传送装置40将多个样品瓶23传送至加液样机构21的加液样端口211下方，加液样机构21的各加液样端口211分别通过水样采集管22的各采液样进水孔221采集多个深度的水样至各样品瓶23中，
S6、保存当前采样点的液样：当所述PLC控制器接收到采集液样完成的信息，即当各样品瓶23完成液样采集后，PLC控制器控制传送装置40反转，传送装置40将装有液样的各样品瓶23传送回传送装置40的始端；同时，所述PLC控制器控制标记扫码装置对该批次的多个已装有液样的样品瓶进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，完成当前采样点的液样采集；
具体的，PLC控制器控制标记扫码装置30对装有液样的各样品瓶23进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，当该装有液样的各样品瓶23完成扫码标记后，搬运机器手50将装有液样的多个样品瓶23搬离传送装置40，岸边地面控制终端通过航行控制装置控制无人船10航行至下一个采集点，重复上述操作步骤；该自动化无人船10自动采样系统能实现一次航行批量采样，并对各采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，批量采样提高采样效率；
S7、依次完成巡航和采样：当前采样点的液样采集完成后，航行控制装置控制无人船恢复行驶，航行至被监控河流区段内的下一个采集点，重复步骤S3至S6，直至完成整个被监控河流区段的巡航和采样；
S8、自动返航：无人船依次完成全部常规采样点的取样后，根据最后采样点的经纬度坐标，与无人船出发点间自动生成返航路线，在GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器的组合导航控制下，自动返航，返回到出发点。
本发明实施例提供的实施前述方法的基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其包括环境水体采样用无人船10与岸边地面控制终端（内置控制与运算软件），所述的无人船10的船体包括船仓、甲板，该无人船10的船体上设有采样装置20、标记扫码装置30、传送装置40、搬运机器手50、PLC控制器、GNSS定位装置、船载重力仪机构1、航行控制装置；所述航行控制装置安装有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航装置；所述标记扫码装置30位于所述传送装置40的一侧；所述采样装置20包括加液样机构21、水样采集管22、多个样品瓶23；所述传送装置40穿过所述加液样机构21的下方；所述加液样机构21包括多个加液样端口211，所述水样采集管22的前端侧壁上设有多个采液样进水孔221，多个采液样进水孔221沿所述水样采集管22的长度方向均匀分布；多个样品瓶23通过搬运机器手50搬至传送装置40，并通过传送装置40传送至加液样机构21的加液样端口211下方，各所述加液样端口211分别通过各所述采液样进水孔221采集多个深度的水样至各所述样品瓶23；所述采样装置20、标记扫码装置30、传送装置40、搬运机器手50、GNSS定位装置、航行控制装置分别与所述PLC控制器电性连接，所述PLC控制器与所述岸边地面控制终端无线通讯连接。
本实施例的无人船10工作时，工作人员通过岸边地面控制终端控制航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/INS+红外测距传感器组合导航，航行控制装置控制无人船10航行至常规采样点（人工指令或者由船载重力仪机构1触发随机采样点）；GNSS定位装置对无人船10进行定位校验、如果存在偏离在进行纠偏，并反馈至岸边地面控制终端；岸边地面控制终端控制采样装置20先将水样采集管22投进采集点的水体中，水样采集管22下沉至所需深度时，采样装置20控制水样采集管22停止下沉，由于多个采液样进水孔221沿水样采集管22的长度方向均匀分布，从水样采集管22前端的入水深度，可以反算出各采液样进水孔221所处的水深深度。在实际应用中，单个采样点一般需采集三个不同深度的水样，各深度模数一般按水深间距1米、2米或3米三个深度间距进行采集的，因此，多个采液样进水孔221可沿水样采集管22的长度方向1米的间距进行设置，从而使多个采液样进水孔221组合出不同的深度间距模数；当完成水样采集管22沉入水体的动作后，搬运机器手50将多个样品瓶23搬至传送装置40的始端，PLC控制器控制传送装置40正转，传送装置40将多个样品瓶23传送至加液样机构21的加液样端口211下方，加液样机构21的各加液样端口211分别通过水样采集管22的各采液样进水孔221采集多个深度的液样至各样品瓶23中，当各样品瓶23完成液样采集后，PLC控制器控制传送装置40反转，传送装置40将装有液样的各样品瓶23传送回传送装置40的始端，PLC控制器控制标记扫码装置30对装有液样的各样品瓶23进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，当该装有液样的各样品瓶23完成扫码标记后，搬运机器手50将装有液样的多个样品瓶23搬离传送装置40，岸边地面控制终端通过航行控制装置控制无人船10航行至下一个采集点，重复上述操作步骤；该自动采样系统能实现一次航行批量采样，并对各采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，批量采样提高采样效率。
其中，水样采集管22包括端头铁饼222、外管223、多个内管224，端头铁饼222与外管223的前端端头连接，多个采液样进水孔221设在外管223前端的侧壁上，多个内管224位于外管223内，各内管224的前端分别与各采液样进水孔221连通，各内管224的后端分别与各加液样端口211连通。端头铁饼222可通过自身的重量带动水样采集管22下沉至水样采集点所需的采集深度，各内管224的前端分别与各采液样进水孔221连通，用于分别采集各采液样进水孔221所处深度的水体液样。
采样装置20还包括储管转盘24、导向支架25、导向滑轮26、红外测距仪27，储管转盘24上设有多个出水端口241，水样采集管22的后端与储管转盘24连接，并盘绕在储管转盘24上，各内管224的后端通过各出水端口241与各加液样端口211连通。储管转盘24用于将水样采集管22后端盘圈收纳，在储管转盘24上设有多个出水端口241，多个出水端口241方便与各加液样端口211连通。
导向滑轮26安装在导向支架25的顶端，水样采集管22的前端缠绕在导向滑轮26上。导向支架25和导向滑轮26方便水样采集管22前端沉入水体，以及水样采集管22后端的盘圈收纳。
红外测距仪27安装在导向支架25的顶端，并且位于导向滑轮26的一侧。红外测距仪27方便测定水样采集管22的入水深度。
加液样机构21还包括多个电动水阀212，多个加液泵213，出水端口241通过电动水阀212与加液样端口211连通。各电动水阀212分别用于控制各加液样端口211的出水。
进一步的，电动水阀212通过加液泵213与加液样端口211连通。各加液泵213分别用于从各采液样进水孔221抽取水样。
进一步的，本自动化无人船装置还包括液样冷藏室60、水样提箱70、水流流速传感器，无人船10包括船仓、甲板，液样冷藏室设在船仓内，甲板上设有电动密闭门，液样冷藏室通过电动密闭门与甲板连通，传送装置40、液样冷藏室分别位于搬运机器手50的工作半径内。液样冷藏室60用于保存液样。
搬运机器手50通过水样提箱70将多个样品瓶23搬至传送装置40，或搬运至液样冷藏室60内。使用时，将多个空的样品瓶23预先摆放在水样提箱70内，在搬动时，通过搬运机器手50夹提水样提箱70，从而实现一次性可搬运多个样品瓶23。
传送装置40包括提箱定位块80，提箱定位块80与水样提箱70的底部相匹配，搬运机器手50通过水样提箱70将多个样品瓶23搬至传送装置40的提箱定位块80上。提箱定位块80用于实现水样提箱70在传送装置40上的定位，方便水样提箱70在传送装置40上的摆放。
水流流速传感器安装在无人船10的船底上，并与PLC控制器电性连接。水流流速传感器用于测定无人船10所在采集点处的水流流速。
参见附图7-13，本发明实施例采用的船载重力仪机构1，是设置在无人船10船体底部的重力仪舱室90内，其包括河流基础测绘用船载重力仪102及两个对称设置的支撑架12，两个支撑架12的下端采用连接架3进行固连；两个支撑架12的上端共同固连纵向垂直状态保持机构；纵向垂直状态保持机构内表面滑动连接横向垂直状态保持机构7；横向垂直状态保持机构7内部固连重力仪102。
本发明实施例采用的船载重力仪机构1中的重力仪具体是垂向原子重力梯度仪，该重力梯度仪可以高精度、连续的采集数据，该垂向原子重力梯度仪精度为7.5E。该重力梯度仪的优点是测量精度稳定，造型小巧；该重力仪能够通过多次对同一地点的重力测量数据，和对同一地点的相邻地点的重力测量数据，进行比较、分析，而得到被测量地点的水体比重变化率（导数），并且按照事先设定的阈值，自动触发岸边地面控制终端（或者PLC控制器）、对该重力变化异常的地点进行采样。
其中，纵向垂直状态保持机构包括与两个支撑架12上端共同固连的纵向外环体4；纵向外环体4的内圆面开设有内环体滑槽5；内环体滑槽5内部上下两端均设有滑动机构6；两个滑动机构6相对的一端均固连一号杆101；两个一号杆101相对的一端均设有转动机构9；两个转动机构9的相对端共同与横向垂直状态保持机构7固连；纵向外环体4的外圆面开设有垂块滑槽8，且垂块滑槽8与内环体滑槽5相互连通；位于下端的滑动机构6的下表面固连二号杆111；二号杆111的下端贯穿垂块滑槽8与内环体滑槽5并固连重垂块2。
横向垂直状态保持机构7包括与两个转动机构9相对端共同固连的横向内环体71；横向内环体71的内圆面开设有内滑槽73；内滑槽73的内部上下两端对称滑动连接两个二号滑块74；两个二号滑块74的相对端共同固连保持架72；保持架72的一侧外表面固连安装机构75，用于对重力仪102进行固定。
所述安装机构75设于保持架72一侧外表面下端位置，利用重力仪102本身的重量作为垂块进行垂直状态保持，不需要另设垂块。
本发明针对现有技术手段无法解决的无人船10在行驶及停驶采样作业中的水体浪涌、起伏等对重力仪102的垂直姿态、数据采集等带来的不利影响，采用纯机械的船载重力仪机构1加以对冲。在无人船10的船体受到浪涌等影响产生摆动、带动支撑架12及连接架3摆动时，纵向垂直状态保持机构及横向垂直状态保持机构7开始工作，其具体工作流程为：若纵向浪涌推动船体摆动，此时，纵向垂直状态保持机构工作，横向垂直状态保持机构7不工作，支撑架12、连接架3及纵向外环体4呈纵向的摆动，而在重垂块2的重力作用下，滑动机构6带动横向垂直状态保持机构7、重力仪102及安装机构75整体在内环体滑槽5内部滑动，同时，重垂块2与滑动机构6底部连接的二号杆111也会在垂块滑槽8内滑动，最终使得在重垂块2的重力作用下，重力仪102保持垂直向下的状态，而不会随船体的摆动而进行摆动；若横向浪涌推动船体摆动，支撑架12、纵向垂直状态保持机构等其他构件随船体呈现横向摆动，此时，纵向垂直状态保持机构不工作，横向垂直状态保持机构7开始工作，由于安装机构75设于保持架72一侧外表面下端位置，此时重力仪102本身即相当于垂块，在重力仪102本身的重力作用下，利用二号滑块74带动安装机构75、重力仪102及保持架72在内滑槽73内滑动，最终使得重力仪102调整至呈现垂直状态；根据力的分解相关知识分析可知，在任何情况（方向）的浪涌作用下，其推动无人船10船体的运动均可分解为纵向摆动及横向摆动，通过纵向垂直状态保持机构配合横向垂直状态保持机构7的分别作用，可以对任何方向的浪涌影响进行消除，始终使得重力仪102处于垂直状态；
本发明采用的船载重力仪机构1，通过设置纵向垂直状态保持机构配合横向垂直状态保持机构7，能够对任何方向的浪涌给船体带来的摆动效果进行消除，使得重力仪102始终处于垂直状态，进而保证重力仪102测量数据的精确性。同时，其整体体积和重量较小，能减小占有的船体空间和载荷。
本发明采用的船载重力仪机构1，其工作原理是：当水体中的污染物分布在超过0.5米的深度以上的河涌（或者其他水域）水体中时，由于其带来的水体密度等理化特征的变化，导致受污染面积范围内的重力测量数据异常，特别是垂向重力梯度数量产生相应的变化，并且污染越严重（污染物浓度、流速或者流向等增大）时，测量得到的数据的变化率（导数）越大。因此，采用重力仪检测水体各位置的重力数据变化率，可以较好的解决安装在航行的无人船上的重力仪在航行中或者停驶时进行连续进行数据采集而受到的多种外部干扰问题，使其能够应用于随机采样点的发现和定位。现有研究表明，重力仪除受重力作用外，还受到船只航行时多种外部干扰力的影响。如：径向加速度、航行加速度、周期性水平加速度、周期性垂直加速度、旋转影响以及厄缶效应的影响。但是，本发明通过设置船载重力仪机构1，能够降低重力仪检测数据的误差，并且根据可比的数据变化率而得到相应的随机采样点，最大程度的克服了干扰因素。本发明根据高精度的垂向重力数据变化率，能够及时发现深管暗排的区域并采样，以便人工进一步进行核查和核实。
作为一种优化设计，所述安装机构75包括固连于保持架72一侧外表面的托板751；保持架72一侧外表面靠近托板751的上方位置固连连接块755；连接块755的一端固连安装环754；安装环754的内圆面呈环形设有均匀分布的挤压机构；挤压机构包括与安装环754内圆面固连的一号弹簧753；一号弹簧753的一端固连夹持部752；一号弹簧753内部设有两根限位柱756；其中一根限位柱756与安装环754固连，另一根限位柱756与夹持部752固连。
作为一种优化设计，夹持部752包括与一号弹簧753一端固连的柔性基板7523；柔性基板7523的内部设有弹性记忆合金板7522；柔性基板7523的一侧外表面粘接橡胶耐磨层7521。
在纵向垂直状态保持机构、横向垂直状态保持机构7工作时，重力仪102需要与保持架72进行固定，而不同的重力仪102的形状、直径都会有差异，而现有技术的固定方式适用性都不高，且不方便操作，本发明采用的船载重力仪机构1，通过设置安装机构75，在进行固定时，只需要将重力仪102放置在托板751上即可，而挤压机构上的一号弹簧753此时处于压缩态，带动夹持部752对重力仪102进行进一步固定，利用一号弹簧753进行挤压固定的方式，可以适应不同直径大小的重力仪102，进而提高安装机构75的适用范围，而针对形状不一的重力仪102，如圆形及方形的重力仪102，夹持部752不能都较为完整的贴合两个不同形状的重力仪102外表面，进而会导致固定效果的下降，故在本发明实施例中，夹持部752内部设有弹性记忆合金板7522，利用弹性记忆合金板7522能自动恢复形变且具有弹性的特性，在一号弹簧753的作用下，弹性记忆合金板7522可以改变形状，使得夹持部752可以较好的贴合不同形状的重力仪102外表面，进而进一步提高了安装机构75的适用性，另外，橡胶耐磨层7521的设置，不仅提高了夹持部752的摩擦系数，增强了对重力仪102固定效果，还延长了安装机构75的使用寿命。
作为本发明的一种优化设计，转动机构9包括与横向内环体71固连的转动壳体91；转动壳体91的内部开设转动槽92；一号杆101的一端延伸至转动槽92并固连转动块93；转动壳体91的上表面一侧设有锁止机构94。
所述的锁止机构94包括呈环形均匀开设于转动块93上表面的固定槽941，以及开设于转动壳体91上表面的插槽942，且插槽942处于若干固定槽941所组成的圆环正上方；转动壳体91的上表面对应插槽942的位置固连安装架945；安装架945的中间位置固连螺纹环947；安装架945通过螺纹环947螺纹连接插杆943；插杆943的上端固连旋转手柄946；旋转手柄946的外圆面中间位置固连压板948；转动壳体91的上表面靠近插槽942的位置固连二号弹簧944。
当重力仪102出现故障，需要拆卸下来进行检修或者更换时，由于纵向垂直状态保持机构及横向垂直状态保持机构7两者相互交叉设置，可供操作的空间较小，进而会给拆卸检修工作提高操作难度，降低拆卸检修效率。本发明采用的船载重力仪机构1通过设置转动机构9，在需要对重力仪102进行拆卸时，首先向外旋松旋转手柄946，由于此时二号弹簧944处于压缩态，故在二号弹簧944的弹力作用下，插杆943会从固定槽941内部提升离开，此时，可以旋转横向垂直状态保持机构7及重力仪102，使得旋转横向垂直状态保持机构7及重力仪102从与纵向垂直状态保持机构垂直较叉的位置，转动至与纵向垂直状态保持机构平行的位置，进而扩大操作空间，降低拆卸检修难度，提高效率；检修完毕后，利用安装机构75重新对重力仪102进行固定，而后反向转动横向垂直状态保持机构7及重力仪102，使得横向垂直状态保持机构7及重力仪102与纵向垂直状态保持机构保持垂直较叉后，旋紧旋转手柄946，在螺纹连接作用下，插杆943下移，带动压板948对二号弹簧944进行挤压，同时，插杆943延伸至固定槽941内部，对横向垂直状态保持机构7及重力仪102进行固定。
所述滑动机构6包括与一号杆101一端固连的一号滑块61；一号滑块61对应纵向外环体4的一侧外表面开设有安装槽62；安装槽62内部转动连接有滚珠63。
所述垂块滑槽8的槽宽小于内环体滑槽5的槽宽。
所述滚珠63的直径大于二号杆111横截面圆的直径。
在纵向垂直状态保持机构工作时，一号滑块61会在内环体滑槽5内滑动，长期使用后，两者之间产生摩擦损耗，进而使得两者之间的配合出现间隙，导致在后续工作过程中，纵向垂直状态保持机构发出较大噪音，影响测量环境，同时也会纵向垂直状态保持机构的使用寿命，本发明采用的船载重力仪机构1通过在一号滑块61内部设置滚珠63，能够将滑动摩擦转化为滚动摩擦，进而减小摩擦损耗，延长纵向垂直状态保持机构的使用寿命；同时，在本实施例中，垂块滑槽8的槽宽小于内环体滑槽5的槽宽，滚珠63的直径大于二号杆111横截面圆的直径，可以保证一号滑块61能够在内环体滑槽5内利用滚珠63进行滑动，同时二号杆111又可以带动重垂块2在垂块滑槽8内滑动，保证滑动机构6的正常工作。
本发明采用的船载重力仪机构1，在无人船10受到浪涌影响产生摆动带动支撑架12及连接架3摆动时，纵向垂直状态保持机构及横向垂直状态保持机构7开始工作，其具体工作流程为：若纵向浪涌推动船体摆动，此时，纵向垂直状态保持机构工作，横向垂直状态保持机构7不工作，支撑架12、连接架3及纵向外环体4呈纵向的摆动，而在重垂块2的重力作用下，滑动机构6带动横向垂直状态保持机构7、重力仪102及安装机构75整体在内环体滑槽5内部滑动，同时，重垂块2与滑动机构6底部连接的二号杆111也会在垂块滑槽8内滑动，最终使得在重垂块2的重力作用下，重力仪102保持垂直向下的状态，而不会随船体的摆动而进行摆动；若横向浪涌推动船体摆动，支撑架12、纵向垂直状态保持机构等其他构件随船体呈现横向摆动，此时，纵向垂直状态保持机构不工作，横向垂直状态保持机构7开始工作，由于安装机构75设于保持架72一侧外表面下端位置，此时重力仪102本身即相当于垂块，在重力仪102本身的重力作用下，利用二号滑块74带动安装机构75、重力仪102及保持架72在内滑槽73内滑动，最终使得重力仪102调整至呈现垂直状态；根据力的分解相关知识分析可知，在任何情况（方向）的浪涌作用下，其推动船体的运动均可分解为纵向摆动及横向摆动，通过纵向垂直状态保持机构配合横向垂直状态保持机构7的分别作用，可以对任何方向的浪涌影响进行消除，始终使得重力仪102处于垂直状态。
本实施例在重力仪102出现故障，需要拆卸下来进行检修时，由于纵向垂直状态保持机构及横向垂直状态保持机构7两者相互交叉设置，可供操作的空间较小，进而会给拆卸检修工作提高操作难度，降低拆卸检修效率，本发明通过设置转动机构9，在需要对重力仪102进行拆卸时，首先向外旋松旋转手柄946，由于此时二号弹簧944处于压缩态，故在二号弹簧944的弹力作用下，插杆943会从固定槽941内部提升离开，此时，可以旋转横向垂直状态保持机构7及重力仪102，使得旋转横向垂直状态保持机构7及重力仪102从与纵向垂直状态保持机构垂直较叉的位置，转动至与纵向垂直状态保持机构平行的位置，进而扩大操作空间，降低拆卸检修难度，提高效率；检修完毕后，利用安装机构75重新对重力仪102进行固定，而后反向转动横向垂直状态保持机构7及重力仪102，使得横向垂直状态保持机构7及重力仪102与纵向垂直状态保持机构保持垂直较叉后，旋紧旋转手柄946，在螺纹连接作用下，插杆943下移，带动压板948对二号弹簧944进行挤压，同时，插杆943延伸至固定槽941内部，对横向垂直状态保持机构7及重力仪102进行固定。
本发明实施例提供的船载重力仪机构1，通过设置安装机构，可以适应不同直径大小的重力仪102，进而提高安装机构的适用范围，而针对形状不一的重力仪本体，如圆形及方形的重力仪本体，夹持部利用弹性记忆合金板能自动恢复形变且具有弹性的特性，在一号弹簧的作用下，使得夹持部可以较好的贴合不同形状的重力仪本体外表面，进而进一步提高了安装机构的适用性，另外，橡胶耐磨层的设置，不仅提高了夹持部的摩擦系数，增强了对重力仪本体固定效果，还延长了安装机构的使用寿命。
本发明实施例提供的船载重力仪机构1，通过设置转动机构，可以旋转横向垂直状态保持机构及重力仪本体，使得旋转横向垂直状态保持机构及重力仪本体从与纵向垂直状态保持机构垂直较叉的位置，转动至与纵向垂直状态保持机构平行的位置，进而扩大操作空间，降低拆卸检修难度，提高效率。
本发明实施例采用的导航系统，具体为姿态定位定向型GNSS导航系统，型号为司南M600，其是一款为中小型无人船打造的高性价比的MEMS惯性/GNSS卫星组合导航系统，产品内置了高精度GNSS接收机、INS及MEMS惯性器件。配合原始数据存储功能和导航后处理软件，能为用户提供更高精度的定位姿态数据，可实时解算无人船的载体位置、速度和姿态等信息。
实施例3
参见图14，本发明提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，是在实施例2的基础上，具体应用于珠三角某地滨江河道（含飞水桥）水质监控，其中被监控河流区段总长度约150km，无人船单次航行总巡航路径约300km，并且能够兼顾日常监测采样与突发水体应急污染监测采样的需要。
本实施例提供的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，穷与实施例1基本上相同，其不同之处在于：
在突发水体应急污染监测采样时，所述的无人船自动采样方法选择控制方式一+方式二，由船载重力仪机构触发随机采样点的自动采样。无人船在航行中，在任意坐标位置上，当船载重力仪机构采集河流实测垂向重力数据变化率达到设定阈值时，随机即自动触发PLC控制器，启动采样装置对该随机采样点进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息。
本实施例中，无人船10从滨江河道的北江汇入口出发，自动导航、向上游航行至0.5-2公里的河段，根据该区域内的水体污染情况，根据控制方式一，在指定坐标范围内的河宽断面上，设置左、中、右3条采样垂线、每条采样垂线上设置3个常规采样点、分3层水深（1米、3米、5米）采样（其他实施例中可以增大到10米），由程序控制采样，其他区域为由船载重力仪机构1（具体为重力仪102）触发随机采样点的自动采样。
当无人船10启动后，自动到达预定的监测区域，分别在控制方式一+方式二的控制下，对各常规采样点和符合条件的随机采样点进行采样；采样时运行采样装置20，一次性完成单个采样点的分层采样后，采样装置自动将水样记录编码，并推送至液样冷藏室60保存，待左垂线上的常规采样点、随机采样点的采样流程全部结束后，无人船10再驶入第二个指定点，再次重复以上的采样作业流程；直至设定的左、中、右3条采样垂线，和设定的水体污染区域内的随机采样点（两个随机采样点相互之间至少间隔100米），均完成取样后，无人船10根据最后采样点的经纬度坐标，与初始出发点间生成返航路线，程序确认或者人工确认后自动返航。
在方式二中，本实施例设定的阈值为：同坐标位置采样点的隔日实测垂向重力数据变化率（第一天与第二天采集的两组数据对比的导数）大于0.5，分别对其进行标记和采样；或相邻坐标位置随机采样点的同日实测垂向重力数据变化率（相邻100米的两组数据对比的导数）大于0.1，大于该阈值中的一项，则自动触发无人船对该随机采样点进行采样。其他实施例中，该阈值也可以根据实际需要增大或者缩小；本实施例中实际发现2处隔日实测垂向重力数据变化率大于0.5的采样点，4处相邻坐标位置随机采样点的同日实测垂向重力数据变化率大于0.1的采样点，均自动触发无人船对该随机采样点进行采样和标记，这些采样点属于突发应急水污染事件（危化品泄露）导致，区域分布为飞水桥的下游500-1000米的水体（含水面、1-5米深度的水体）。
上述各实施例及其他实施例中，均可以采用常规技术根据被监测水域的GIS信息标定各采样点位置、出发和返回位置；基于GNSS+INS进行航路规划、采样参数设置（采样点坐标、深度、采样容量等）；采用常规技术进行GNSS/MENS导航，按照航路规划自动行驶，回避障碍物等，本发明不再详细介绍。
以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，其是在无人船上设置船载重力仪机构，由该船载重力仪机构内置的重力仪持续获取途经的被监控河流区段内水体各坐标点的实测垂向重力数据，当重力仪采集的河流某坐标点水体的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比的变化率达到设定阈值时，初步判定该坐标点水体的水质存在异常，随机将该坐标点标记为随机采样点，自动触发无人船采样装置对该随机采样点的水体进行深水采样、并记录组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息；包括以下步骤：
S1、设置无人船：设置一基于GNSS/MEMS组合惯性导航的环境水体无人船，该船上设有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器、PLC控制器、采样装置及船载重力仪机构，该船载重力仪机构中设有重力仪；预先规划被监控河流区段的巡航路径，并预先设置多个常规采样点的信息；
S2、启动无人船巡航：启动无人船，通过岸边地面控制终端，控制无人船上的航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器，控制无人船按照预先规划的采样点航行路径，依次巡航、到达预设的各采样点；在此过程中，船载重力仪机构保持预先设置的固定间隔距离，依次获取途经的被监控河流区段内各坐标点的实测垂向重力数据，并自动进行比较计算；
S3、持续测量定位并启动采样：无人船航行中，无人船上的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器对无人船进行定位/测距，并且根据下列三种方式之一定位并采样：
方式一：程序自动控制常规采样点的采样：无人船在航行中，当GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置与预先指定的任一常规采样点位置重合时，PLC控制器内置的采样程序发出采样指令，自动控制采样装置进行采样；
方式二：船载重力仪机构触发随机采样点的自动采样：无人船在航行中，在任意坐标位置上，当船载重力仪机构采集途经的河流区段内某坐标点的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比变化率达到设定阈值时，随机即自动发送采样指令、触发PLC控制器启动采样装置对该随机采样点进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息；
方式三：人工发送指定采样点的自动采样：无人船在航行中，GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置发送至岸边地面控制终端，岸边地面控制终端的操作人员，人工向无人船的PLC控制器发送对指定采样点的坐标信息和采样指令，PLC控制器启动采样装置进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该指定采样点的坐标信息；
S4、进行采样：当无人船的PLC控制器接收到采样指令时，航行控制装置控制无人船停止行驶，PLC控制器控制采样装置的水样采集管投进指定待采样的环境水体中，水样采集管下沉至所需深度时，采样装置控制水样采集管停止下沉，并将水样采集管下沉到位信息反馈至PLC控制器；同时，所述PLC控制器控制搬运机器手将多个空的样品瓶搬至传送装置的始端，PLC控制器控制传送装置正转，传送装置将多个空的样品瓶传送至加液样机构的多个加液样端口下方；
S5、不同深度的批量采样：当PLC控制器控制水样采集管下沉到第一深度，接收到水样采集管下沉到第一深度的到位信息后，控制水样采集管中的第一批多个采液管进水孔同时采样、完成后关闭各采液管的进水孔；第一深度采样完成后，再使水样采集管下沉到第二深度、控制水样采集管中的第二批多个采液样进水孔同时采样；如此类推完成多个深度的采样，将水样采集管收回到船上；各批水样采集管分别将采集到的该采样点多个深度的液样，转存至设有对应深度标记的样品瓶中，当各样品瓶均完成液样转存后，采样装置将采集液样完成的信息反馈至所述PLC控制器；
S6、保存当前采样点的液样：当所述PLC控制器接收到采集液样完成的信息后，所述PLC控制器控制传送装置反转，所述传送装置将多个已装有液样的样品瓶传送至传送装置的始端，同时，所述PLC控制器控制标记扫码装置对该批次的多个已装有液样的样品瓶进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，完成当前采样点的液样采集；
S7、依次完成巡航和采样：当前采样点的液样采集完成后，航行控制装置控制无人船恢复行驶，航行至被监控河流区段内的下一个采集点，重复步骤S3至S6，直至完成整个被监控河流区段的巡航和采样；
S8、自动返航：无人船完成取样后，根据最后采样点的经纬度坐标，与无人船出发点间自动生成返航路线，自动返航。
2.如权利要求1所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：
S2-1、信息获取，无人船的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器与岸边地面控制终端通过频道建立网络连接，获得各预设采样点与出发点之间的地理卫星图数据，输入无人船出发点与各预设常规采样点的经纬度信息；
S2-2、路线规划，所述岸边地面控制终端按照最短路径算法规划无人船出发点至各预设常规采样点的航线路径，结合避障规则，规避障碍物，生成较为平滑的行驶路线；
S2-3、GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器与航行控制装置控制无人船自动航行，在航行过程中随机定位，获取航行中无人船的航向、航速、姿态数据，并反馈至岸边地面控制终端，同时，水流流速传感器将收集到的无人船航速数据，船载重力仪机构将采集到的实测重力数据，实时传输回岸边地面控制终端。
3.如权利要求1所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤：
步骤S3-1：方式一与方式三中，若无人船当前位置坐标信息与对应预设常规采样点的坐标位置信息超过预设的采样点最大半径，则航行控制装置控制无人船进行位置纠正，然后再执行由程序自动触发的采样，或者执行岸边地面控制终端向无人船的PLC控制器发送采样指令的采样；
步骤S3-2：方式二中，设定的阈值为：同坐标位置采样点的隔日实测垂向重力数据变化率大于0.5或相邻坐标位置采样点的同日实测垂向重力数据变化率大于0.1；大于该阈值则自动触发无人船停驶、进行采样。
4.一种实施权利要求1至3任一项所述方法的基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，其包括无人船与岸边地面控制终端；所述的无人船的船体包括船仓、甲板，该无人船的船体上设有采样装置、标记扫码装置、传送装置、搬运机器手、PLC控制器、GNSS定位装置、船载重力仪机构、航行控制装置；所述航行控制装置安装有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航装置；所述采样装置包括加液样机构、水样采集管、多个样品瓶；所述传送装置传送穿过加液样机构的下方；所述标记扫码装置位于所述传送装置的一侧；所述加液样机构包括多个加液样端口，所述水样采集管的前端侧壁上设有多个采液样进水孔，多个采液样进水孔沿所述水样采集管的长度方向均匀分布；多个样品瓶通过搬运机器手搬至传送装置，并通过传送装置传送至加液样机构的加液样端口下方，各所述加液样端口分别通过各所述采液样进水孔采集多个深度的水样至各所述样品瓶；所述采样装置、标记扫码装置、传送装置、搬运机器手、GNSS定位装置、航行控制装置分别与所述PLC控制器电性连接，所述PLC控制器与所述岸边地面控制终端无线通讯连接。
5.如权利要求4所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，所述水样采集管包括端头铁饼、外管、多个内管，所述端头铁饼与所述外管的前端端头连接，多个所述采液样进水孔设在所述外管前端的侧壁上，多个所述内管位于所述外管内，各所述内管的前端分别与各所述采液样进水孔连通，各所述内管的后端分别与各所述加液样端口连通；
所述采样装置还包括储管转盘，所述储管转盘上设有多个出水端口，所述水样采集管的后端与所述储管转盘连接，并盘绕在所述储管转盘上，各所述内管的后端通过各所述出水端口与各所述加液样端口连通；
所述采样装置还包括导向支架、导向滑轮，所述导向滑轮安装在所述导向支架的顶端，所述水样采集管的前端缠绕在所述导向滑轮上；所述采样装置还包括红外测距仪，所述红外测距仪安装在所述导向支架的顶端，并且位于所述导向滑轮的一侧。
6.如权利要求5所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，所述加液样机构还包括多个电动水阀，所述出水端口通过所述电动水阀与所述加液样端口连通；所述加液样机构还包括多个加液泵，所述电动水阀通过所述加液泵与所述加液样端口连通。
7.如权利要求4所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，所述无人船还设有液样冷藏室，所述液样冷藏室设在船仓内，所述甲板上设有电动密闭门，所述液样冷藏室通过所述电动密闭门与所述甲板连通，所述传送装置、液样冷藏室分别位于所述搬运机器手的工作半径内；其还包括水样提箱，所述搬运机器手通过所述水样提箱将多个所述样品瓶搬至所述传送装置，或搬运至所述液样冷藏室内；所述传送装置包括提箱定位块，所述提箱定位块与所述水样提箱的底部相匹配，所述搬运机器手通过所述水样提箱将多个所述样品瓶搬至所述传送装置的提箱定位块上。
8.如权利要求4所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，所述的船载重力仪机构（1）设置在船仓内；该船载重力仪机构（1）包括两个对称设置的支撑架（12），两个所述支撑架（12）的下端采用连接架（3）进行固连；两个所述支撑架（12）的上端共同固连纵向垂直状态保持机构；所述纵向垂直状态保持机构内表面滑动连接横向垂直状态保持机构（7）；所述横向垂直状态保持机构（7）内部固连重力仪（102）；
其中，所述纵向垂直状态保持机构包括与两个所述支撑架（12）上端共同固连的纵向外环体（4）；所述纵向外环体（4）的内圆面开设有内环体滑槽（5）；所述内环体滑槽（5）内部上下两端均设有滑动机构（6）；两个所述滑动机构（6）相对的一端均固连一号杆（101）；两个所述一号杆（101）相对的一端均设有转动机构（9）；两个所述转动机构（9）的相对端共同与横向垂直状态保持机构（7）固连；所述纵向外环体（4）的外圆面开设有垂块滑槽（8），且垂块滑槽（8）与内环体滑槽（5）相互连通；位于下端的所述滑动机构（6）的下表面固连二号杆（111）；所述二号杆（111）的下端贯穿垂块滑槽（8）与内环体滑槽（5）并固连重垂块（2）。
9.如权利要求8所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，所述的船载重力仪机构（1），其设置在重力仪舱室（90）内，其横向垂直状态保持机构（7）包括与两个所述转动机构（9）相对端共同固连的横向内环体（71）；所述横向内环体（71）的内圆面开设有内滑槽（73）；所述内滑槽（73）的内部上下两端对称滑动连接两个二号滑块（74）；两个所述二号滑块（74）的相对端共同固连保持架（72）；所述保持架（72）的一侧外表面固连安装机构（75），用于对重力仪（102）进行固定。
10.如权利要求8所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样系统，其特征在于，所述的船载重力仪机构（1），其安装机构（75）包括固连于保持架（72）一侧外表面的托板（751）；所述保持架（72）一侧外表面靠近托板（751）的上方位置固连连接块（755）；所述连接块（755）的一端固连安装环（754）；所述安装环（754）的内圆面呈环形设有均匀分布的挤压机构；
所述挤压机构包括与安装环（754）内圆面固连的一号弹簧（753）；所述一号弹簧（753）的一端固连夹持部（752）；所述一号弹簧（753）内部设有两根限位柱（756）；其中一根所述限位柱（756）与安装环（754）固连，另一根所述限位柱（756）与夹持部（752）固连；
所述夹持部（752）包括与一号弹簧（753）一端固连的柔性基板（7523）；所述柔性基板（7523）的内部设有弹性记忆合金板（7522）；所述柔性基板（7523）的一侧外表面粘接橡胶耐磨层（7521）；
所述安装机构（75）设于保持架（72）一侧外表面下端位置，利用重力仪（102）本身的重量作为垂块进行垂直状态保持。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117268672A (zh) * 2023-11-15 2023-12-22 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种无人平台重力仪有限空间低频减振方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002040155A (ja) * 2000-07-26 2002-02-06 Tokimec Inc 重力測定装置及び方法
CN101806811A (zh) * 2010-05-10 2010-08-18 珠海云洲智能科技有限公司 全自动地表水水质采样机器人
CN109931926A (zh) * 2019-04-04 2019-06-25 山东智翼航空科技有限公司 一种基于站心坐标系的小型无人机无缝自主式导航算法
CN210175087U (zh) * 2019-06-11 2020-03-24 四川万江一泓环境科技有限责任公司 一种排污暗管检测无人船
CN112987751A (zh) * 2021-03-18 2021-06-18 南京理工大学 自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法
CN114018317A (zh) * 2021-09-30 2022-02-08 北京航天华腾科技有限公司 一种用于海洋环境的数据采集装置及方法
CN114217091A (zh) * 2021-12-24 2022-03-22 青岛镭测创芯科技有限公司 一种测风装置
CN115166856A (zh) * 2022-07-12 2022-10-11 中国自然资源航空物探遥感中心 一种无人船重磁测量方法、系统、设备及计算机可读存储介质

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002040155A (ja) * 2000-07-26 2002-02-06 Tokimec Inc 重力測定装置及び方法
CN101806811A (zh) * 2010-05-10 2010-08-18 珠海云洲智能科技有限公司 全自动地表水水质采样机器人
CN109931926A (zh) * 2019-04-04 2019-06-25 山东智翼航空科技有限公司 一种基于站心坐标系的小型无人机无缝自主式导航算法
CN210175087U (zh) * 2019-06-11 2020-03-24 四川万江一泓环境科技有限责任公司 一种排污暗管检测无人船
CN112987751A (zh) * 2021-03-18 2021-06-18 南京理工大学 自动巡航的隐藏排污口快速检测系统及方法
CN114018317A (zh) * 2021-09-30 2022-02-08 北京航天华腾科技有限公司 一种用于海洋环境的数据采集装置及方法
CN114217091A (zh) * 2021-12-24 2022-03-22 青岛镭测创芯科技有限公司 一种测风装置
CN115166856A (zh) * 2022-07-12 2022-10-11 中国自然资源航空物探遥感中心 一种无人船重磁测量方法、系统、设备及计算机可读存储介质

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Uncrewed aerial systems in water resource management and monitoring: a review of sensors, applications, software, and issues》;Vishal Mishra et al.;《Advances in Civil Engineering》;第2023卷;第3544724-1~28页 *

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