一種基於旋翼無人機的水質自動採樣系統與方法與流程

2023-05-16 06:59:22 1

本發明涉及水質採樣與檢測技術領域，尤其適用於遠距離、大型地表水體的樣品採集。

背景技術：

水是人類賴以生存的物質基礎，然而，由於經濟迅猛發展，加之汙染防治不力，水汙染嚴重威脅著我國的眾多水體。為了掌握水質現狀及其變化趨勢，需要對江、河、湖、庫、渠、海等水體進行採樣分析。

傳統的水質採樣通常是由人工現場操作，對於大型地表水體，常需乘坐船舶等交通工具駛入指定地點進行採樣。這種人工採樣的方法效率低，對於野外水體，周圍可僱傭船員及基礎設施匱乏，且人工乘船採樣的方法成本較高；特別對於汙染嚴重、突發洩漏位置，以及環境複雜的水域，如地形險要偏僻、沼澤、有害動植物聚集區等，人工採樣還較為危險。

為了解決傳統人工採樣存在的不便，人們研究了多種無人採樣設備。如無人船採樣，使得水體採樣的便捷性和效率大幅提高，但仍存在複雜環境下人員難以到達水體邊界，投放和回收船隻不便的問題，且流速較高的水體中很難做到定點採樣。另有人員研究了無人機採樣設備，無人機作業覆蓋範圍廣、機動性強，能夠在複雜環境下接觸水體實施採樣。如中國專利公開號CN 104458329 A，發明了一種無人機水面定點自動取樣系統，用於水體表面的水質採樣，一次飛行採集一個水樣；中國專利公開號CN 105510082 A，發明了一種海洋環境監測用無人機採樣裝置，通過設置多個升降裝置和採水筒實現多點的水質採樣，這種方式需要設置多個電機，增加了無人機的負載；又如中國專利公開號CN 105842009 A，發明了一種水質監測無人機水樣採集裝置，通過驅動電機帶動布置在環形支架上的儲樣器轉動，實現一次升空採集多個水樣，但這種方式需要儲樣器保持敞開狀態，易造成水樣汙染或晃蕩濺灑。

無人機雖然機動性強，但其負載有限，並且普遍採用的旋翼無人機是一種欠驅動系統，其水平移動需要依靠無人機發生傾斜實現。而現有的無人機採樣設備只是無人機和採樣裝置簡單的組合相連，未很好的考慮採樣對無人機飛行的平衡問題、續航問題、負載問題，且自動化程度低，沒有充分發揮基於無人機採樣的優勢。

技術實現要素：

鑑於已有技術的不足，本發明提供一種基於旋翼無人機的水質自動採樣系統與方法，能夠有效實現水質自動採樣，一次飛行採集多個水樣，保持採樣系統平衡性，有效節省無人機的動力。

本發明是通過以下技術方案實現的。

本發明所述的一種基於旋翼無人機的水質自動採樣系統，包括轉盤電機（1）、測深傳感器（9）、採樣泵（12）、採樣瓶（16）、電磁閥（17）、無人機（19）、搖臂（20）、控制器（21）。

所述的轉盤電機（1）通過同步帶（2）牽引轉盤（11），轉盤（11）通過滾動軸承（3）固定在平臺座（5）上，電纜（8）和採樣管（10）並排纏繞在轉盤（11）上；電纜（8）的一端連接測深傳感器（9），另一端連接導電滑環（4）；採樣管（10）的入口端布置在靠近測深傳感器（9）位置並與電纜（8）相固定，出口端連接旋轉接頭（13）。

旋轉接頭（13）通過進液管（14）連接採樣泵（12），採樣泵（12）出口通過進液管（14）分支連接至少一路採樣瓶（16），採樣瓶（16）豎直放置，採樣瓶（16）入口處設有電磁閥（17），進液管（14）伸入採樣瓶（16）底部位置，排液管（15）伸入採樣瓶（16）瓶塞位置；進液管（14）分支直接通過電磁閥（17）連接至少有一路排液管（15）。

採樣泵（12）和採樣瓶（16）均固定在平臺座（5）上；採樣瓶（16）布置在平臺座（5）中部，轉盤電機（1）、滾動軸承（3）、電源（18）布置在平臺座（5）上採樣瓶（16）的周圍。

平臺座（5）底部設置有浮球（6），浮球（6）下設置有腳墊（7），平臺座（5）頂部通過搖臂（20）連接無人機（19）。

轉盤電機（1）、導電滑環（4）、採樣泵（12）、電磁閥（17）、電源（18）、搖臂（20）、測斜儀（22）均與控制器（21）連接。

進一步的，所述的測深傳感器（9）為非接觸式傳感器。

進一步的，所述的測深傳感器（9）為超聲波測深儀。

進一步的，所述的搖臂（20）可發生彎曲，彎曲角度範圍為0-90°。

本發明所述的一種基於旋翼無人機的水質自動採樣方法，包括以下步驟。

（一）遙控無人機（19）使其攜水質採樣系統飛行並降落至設定採樣點，並停留在水體表面。

（二）通過測深傳感器（9）測試水體深度，根據水深確定需要採樣的深度，通過轉盤電機（1）釋放電纜（8）和採樣管（10），使得採樣管（10）入口到達設定水深位置。

（三）同步啟動採樣泵（12）和與排液管（15）相連的電磁閥（17），使水樣排空一段時間；然後關閉與排液管（15）相連的電磁閥（17），同時啟動與空採樣瓶進液管（14）相連的電磁閥（17），實施水質採樣，完成後關閉該電磁閥（17）和採樣泵（12）。

（四）通過轉盤電機（1）調整採樣管（10）入口至下一個水深位置，重複步驟（三）；若在更深的多個位置需要採樣，則每採集完某一深度的位置後調整採樣管（10）入口至下一個水深位置並重複步驟（三）直至最深處樣品採集完畢。

（五）該採樣點水質採樣結束後，通過搖臂（20）彎曲將無人機（19）置成傾斜狀態，啟動無人機（19）牽引，攜水質採樣系統在水面上被拖動至下一處採樣點，重複步驟（二）、（三）、（四）。

（六）採樣結束後，啟動無人機（19）牽引並將水質採樣系統在水面上拖動至與操作人員較接近的位置，通過搖臂（20）彎曲將無人機（19）從傾斜歸為水平狀態；啟動無人機（19）進入飛行模式並將採樣系統帶回至地面。

進一步的，步驟（六）無人機（19）的飛行模式中，控制器（21）通過測斜儀（22）監測平臺座（5）的傾斜角度，並以閉環負反饋方式控制搖臂（20）發生彎曲以保持平臺座（5）水平。

有益效果：本發明充分利用無人機作業範圍廣、機動性強，能夠在複雜環境下接觸水體實施採樣的特點，具有採樣便捷、安全、高效的優勢。通過採樣瓶設置在採樣系統中部、其他單元設置在四周，有利於減小採樣前後系統重心偏移，提高系統的穩定和平衡性。通過傾角監控實施對搖臂的彎曲進行反饋控制，進而保證飛行過程採樣瓶和採樣系統的水平，進一步提高了系統的平衡性，實現採樣與無人機的有機組合。通過搖臂彎曲，實現無人機飛行模式和牽引模式的切換，合理採用水空兩種移動模式，有效提高了採樣系統的負載和續航能力。通過採樣管分支和電磁閥的設置，實現採樣系統一次下水、多個水樣採集，具有節能、快捷、高效的特點。

作為本發明的一個拓展功能和優勢：當在流速較高的水體中採樣時，一般的無人船採樣系統因漂浮在水面上或需要將採樣瓶放入水體內部的無人機採樣系統會被水流衝擊而很難做到定點採樣，本發明可以操控無人機浮空停留在水體上面，僅將與測深傳感器探頭（兼有重錘作用）捆綁一起的採樣管入口端放入水體中，有效避免流速過高水流引起的衝擊，保持定點採樣。

附圖說明

圖1是本發明的一個實施例的整體結構示意圖。

圖2是本發明採樣部分控制系統結構圖。

圖3是本發明配套遙控部分控制系統結構圖。

圖中：1.轉盤電機，2.同步帶，3.滾動軸承，4.導電滑環，5.平臺座，6.浮球，7.腳墊，8.電纜，9.測深傳感器，10.採樣管，11.轉盤，12.採樣泵，13.旋轉接頭，14.進液管，15.排液管，16.採樣瓶，17.電磁閥，18.電源，19.無人機，20.搖臂，21.控制器，22.測斜儀，23.旋翼。

具體實施方式

如圖1所示，本發明一種基於旋翼無人機的水質自動採樣系統，包括轉盤電機1、測深傳感器9、採樣泵12、採樣瓶16、電磁閥17、無人機19、搖臂20、控制器21。

所述的轉盤電機1通過同步帶2牽引轉盤11，轉盤11通過滾動軸承3固定在平臺座5上，電纜8和採樣管10並排纏繞在轉盤11上；電纜8的一端連接測深傳感器9，另一端連接導電滑環4；採樣管10的入口端布置在靠近測深傳感器9位置並與電纜8相固定，出口端連接旋轉接頭13。

旋轉接頭13通過進液管14連接採樣泵12，採樣泵12出口通過進液管14分支連接至少一路採樣瓶16，如圖1顯示連接有四路採樣瓶，可標號1~4#，採樣瓶16豎直放置，採樣瓶16入口處設有電磁閥17，進液管14伸入採樣瓶16底部位置，排液管15伸入採樣瓶16瓶塞位置；進液管14分支直接通過電磁閥17連接至少有一路排液管15。

採樣泵12和採樣瓶16均固定在平臺座5上；採樣瓶16布置在平臺座5中部，轉盤電機1、滾動軸承3、電源18布置在平臺座5上採樣瓶16的周圍。

平臺座5底部設置有浮球6，浮球6下設置有腳墊7，平臺座5頂部通過搖臂20連接無人機19。

轉盤電機1、導電滑環4、採樣泵12、電磁閥17、電源18、搖臂20、測斜儀22均與控制器21連接。

進一步的，所述的測深傳感器9為非接觸式傳感器。

進一步的，所述的測深傳感器9為超聲波測深儀。

進一步的，所述的搖臂20可發生彎曲，彎曲角度範圍為0-90°。

結合附圖1、圖2和圖3，一種基於旋翼無人機的水質自動採樣方法，包括以下步驟。

（一）遙控無人機19使其攜水質採樣系統飛行並降落至設定採樣點，並停留在水體表面。

（二）通過測深傳感器9測試水體深度，根據水深確定需要採樣的深度，通過轉盤電機1釋放電纜8和採樣管10，使得採樣管10入口到達設定水深位置。

（三）同步啟動採樣泵12和與排液管15相連的電磁閥17，使水樣排空一段時間。然後關閉與排液管15相連的電磁閥17，同時啟動與空採樣瓶進液管14相連的電磁閥17，實施水質採樣，完成後關閉該電磁閥17和採樣泵12。

（四）通過轉盤電機1調整採樣管10入口至下一個水深位置，重複步驟三；若在更深的多個位置需要採樣，則每採集完某一深度的位置後調整採樣管10入口至下一個水深位置並重複步驟（三）直至最深處樣品採集完畢。

（五）該採樣點水質採樣結束後，通過搖臂20彎曲將無人機19置成傾斜狀態，啟動無人機19牽引，攜水質採樣系統在水面上被拖動至下一處採樣點，重複步驟（二）、（三）、（四）。

（六）採樣結束後，啟動無人機19牽引並將水質採樣系統在水面上拖動至與操作人員較接近的位置，通過搖臂20彎曲將無人機19從傾斜歸為水平狀態；啟動無人機19進入飛行模式並將採樣系統帶回至地面。

進一步的，步驟（六）無人機19的飛行模式中，控制器21通過測斜儀22監測平臺座5的傾斜角度，並以閉環負反饋方式控制搖臂20發生彎曲以保持平臺座5水平。

進行水質採樣時，通過遙控器輸入指令，指令通過無線傳輸至控制器21，控制器21啟動無人機19，使得水質採樣系統飛行並降落至設定採樣點。在浮球6的浮力作用下，整個水質採樣系統可漂浮在水面上方，關閉無人機19旋翼23，隨後通過遙控發送指令至控制器21進行採樣作業。

通過測深傳感器9測試水體深度，如檢測的水體深度為30m，根據水深確定需要採樣的深度，按照環境行業標準《地表水和汙水監測技術規範》，水深30m條件下採樣水深設定為0.5、15.0、29.5m，通過轉盤電機1釋放電纜8和採樣管10，在測深傳感器9的重力作用下，採樣管10可保持豎直向下，使得採樣管10入口到達設定水深位置，如0.5m。

同步啟動採樣泵12和與排液管15相連的電磁閥17，實施水樣排空一段時間，如20s；然後關閉與排液管15相連的電磁閥17，同時啟動與空採樣瓶如編號為1#進液管14相連的電磁閥17，實施水質採樣，完成後關閉電磁閥17和採樣泵12。由於採樣瓶16設置在採樣系統中部、其他單元設置在周圍，有利於減小採樣前後系統重心偏移，提高系統在水面和飛行過程中的穩定和平衡性。

通過轉盤電機1調整採樣管10入口至下一個水深位置，如15.0m。啟動採樣泵12和與排液管15相連的電磁閥17，實施水樣排空一段時間，如20s；然後關閉與排液管15相連的電磁閥17，同時啟動與空採樣瓶如編號為2#的採樣瓶進液管14相連的電磁閥17，實施水質採樣，完成後關閉電磁閥17和採樣泵12。

該採樣點所有深度的水質採樣結束後，通過搖臂20彎曲將無人機19置成傾斜狀態，如傾斜80°。啟動無人機19，在旋翼23的牽引作用下，採樣系統在水面上被拖動，並行駛至下一處採樣點繼續實施採樣。本發明通過採樣管多分支和電磁閥的設置，實現採樣系統一次下水、多個水樣採集，具有節能、快捷、高效的特點。

採樣結束後，啟動無人機19牽引作用，將水質採樣系統從水面上拖動至與操作人員較接近的位置，通過搖臂20彎曲將無人機19從傾斜歸為水平狀態；啟動無人機19進入飛行模式並將採樣系統帶回至地面。在此過程中，監控採樣瓶16所在平臺座5的傾角，並通過閉環負反饋的方式對搖臂20實施補償性彎曲，以保證平臺座5的水平，防止採樣瓶16晃蕩或傾倒，提高系統的平衡性，實現了水質採樣與無人機19的有機組合。並且，通過搖臂23彎曲，實現無人機飛行模式和牽引模式的切換，使得系統具有兩種移動方式，並充分利用採樣系統在水面上的漂浮移動，有效節省了採樣系統的負載任務，提高了續航能力。

作為本發明的一個特殊實施例：當在流速較高的水體中採樣時，操控無人機19攜帶水質採樣系統懸空停留在水體上方，僅將與測深傳感器9的探頭兼有重錘作用捆綁一起的採樣管10入口端放入水體中，有效避免流速過高水流引起的衝擊，保持定點採樣。