一种水质采样无人机的智能化水质采样方法与流程

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种水质采样无人机的智能化水质采样方法。

背景技术：

随着中国政府对环境问题的日益重视，系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理的工作迫在眉睫，高效全面的获取水质信息是水污染防治工作的先决条件，水质采样工作则是获取水质信息的关键环节。为了提高这个关键环节的工作效率以及在应急情况和复杂环境下快速完成水样采集任务，发明一种能快速、高效、全智能的水样采集工具是十分有必要的。目前大部分的采样工作是由人来完成的，人工采样的缺点是：

1成本高、效率低、费时费力。

2无法适应复杂陌生环境。也有用无人机才完成采样的，例如专利cn203975222u提出了一种采用水泵和吸管高空抽取水样的采样无人机，这种方法的优点是采样机构设计相对简单，载荷相对较轻，但缺点是:

1采用泵抽取方式，当水体污染物较多时，采样管路容易堵塞，如果发生堵塞无法及时检测。

2采样管路长时间容易滋生各种微生物，需要定期清洗或更换软管。

3某些测量指标如溶解氧在抽取过程中会发生显著变化，造成测量误差。针对上述两种采样方式的不足，本发明设计的悬挂式无人机水质采样器系统可以远程操控无人机，自动导航到指定地点进行水样的采集，整个采样过程高效省时，无需人为干预，极大的提高了采样的效率和广度。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种水质采样无人机的智能化水质采样方法，该采样方法通过无人飞行器悬挂采样控制系统和采样器，无人飞行器通过采样控制系统的高度信号保持在水面上特定高度，采样控制系统再控制采样器下降和上升，水样采集完成后采样控制系统通知无人飞行器返航，整个过程简便迅速、全自动控制。

技术方案：本发明所述的一种水质采样无人机的智能化水质采样方法，其特征在于：包括如下步骤：

开始采样前，先在地图上或现场确定需要采样的具体地点，将整个无人机水质采样器系统放在采样点的航程内；

如果无人飞行器是自动导航，无人飞行器根据路线规划起飞前往采样地点；否则飞行人员在地面控制无人飞行器前往采样地点；

当无人飞行器到达采样点上空后，飞行人员在地面控制软件上点击“开始采样”，采样过程开始；

无人飞行器读取采样控制系统传来的水面高度信息，根据当前高度无人飞行器自动调整垂直高度直到稳定到预设高度；

采样控制系统控制自锁电机解除对自锁齿轮的锁定，然后启动采样电机，卷线轴开始放线，同时采样控制系统不断读取转速编码器的数值计算最新的放线长度，当计算到采样杯已经浸入到水下特定深度时，采样控制系统停止采样电机，并等待一段时间让采样杯充满水样，之后采样控制系统再次启动采样电机反向转动，卷线轴开始收线，当采样杯到达回位挡板，采样杯抵住回位缓冲器让回位开关闭合，采样控制系统停止采样电机，自锁电机启动对自锁齿轮进行锁定；

无人飞行器自动返航或者有飞行人员地面遥控返航。

进一步的，所述的水质采样无人机包括无人飞行器、采样控制系统和采样杯；其中采样控制系统包括定高子系统、收放绳子系统、电机圈数计算子系统、回位子系统、中央控制子系统以及装配子系统；收放绳子系统包括采样电机、联轴器、卷线轴和采样杯拉绳；电机圈数计算子系统包括转速编码器，转速编码器可以实时获取采样电机的转动圈数，转动圈数乘以卷线轴的卷线周长即可得到放线的长度，从而控制采样杯的下降高度；回位子系统包括回位缓冲器，回位开关，自锁齿轮和自锁电机；中央控制子系统包括中控板，所述中控板上设有单片机、ph复合玻璃电极、499ado溶氧量传感器、ca3140运算放大器、二个adc0832a/d转换器以及一个lcd液晶显示屏；其中所述ph复合玻璃电极和499ado溶氧量传感器的信号输入端分别连接至对应ca3140运算放大器的信号输入端，所述ca3140运算放大器输出的放大信号经过adc0832a/d转换器转换成数字信号后输入所述单片机的多个不同的水质采样信号输入端，所述单片机通过对应端口分别向所述lcd显示器、扫描驱动电路以及报警电路输出控制信号；装配子系统包括电机固定板和回位挡板；采样电机和自锁齿轮固定在电机固定板上，回位缓冲器、回位开关固定在回位挡板上。

进一步的，回位缓冲器包括弹簧以及弹簧两边的圆盘，当采样杯上升碰到回位缓冲期的下圆盘，下圆盘挤压弹簧，弹簧挤压上圆盘，上圆盘最后挤压限位开关，当弹簧的压力达到一定程度时，限位开关闭合，闭合信号传到中央控制子系统，中央控制子系统知道采样杯已经回位，停止采样杯的上升。

进一步的，在采样电机停止运行后，中央控制子系统会控制自锁电机推动自锁头和自锁齿轮进行咬合，使自锁齿轮无法旋转，由于自锁齿轮固定在采样电机的转轴上，采样电机的转轴因此被锁死，再下次采样开始前中央控制子系统会控制自锁电机远离自锁齿轮，自锁头与自锁齿轮松开，自锁电机的转轴可以自由转动。

进一步的，采样杯通过采样杯拉绳上升和下降，采样杯拉绳缠绕在卷线轴上，卷线轴通过联轴器和采样电机连接在一起，卷线轴通过采样电机进行收线和放线。

进一步的，无人飞行器通过水位定高探头进行定高，通过转速编码器确定采样电机的转动圈数从而控制采样杯拉绳放线的长度，通过回位缓冲器和回位开关确保采样杯平稳的回到原位，通过自锁电机和自锁齿轮使卷线轴保持静止锁定状态，自锁齿轮固定在采样电机的转轴上。

进一步的，中控板采集所有传感器和开关的状态，控制所有行动器件的执行时序，在采样的开始和结束阶段和无人飞行器进行通信，中控板和无人飞行器的数据通信接口为rs232或rs485。

进一步的，电机固定板固定在无人机的底盘，回位挡板固定在无人机的支脚上；采样杯回位时的底部应该高于无人机的支脚底部。

进一步的，当采样杯采样完成卷线轴收线时，通过回位缓冲器使采样杯在将碰到回位挡板时速度减慢，减少对无人飞行器的冲击，当采样杯回位后回位开关闭合，中控板收到回位开关闭合信号后停止卷线轴收线动作。

进一步的，无人飞行器是无人直升机或无人旋翼机。

有益效果：

1和人工采样方式基本一样，符合现有的标准水质采样流程；

2整个采样过程操作简单、高效智能；

3与无人船采样方式相比，无人飞行器可以从离河岸更远的地方起飞和降落，无需人工将无人船放下水和拉上岸，节省了人力，并且更能适应复杂环境。

4不存在采样管路，采样管路不会滋生微生物对水样造成污染，采样过程不会发生堵塞。

5采样过程不引入误差，所有测量指标在采样完成后和在水体中保持一致。

附图说明

图1是本发明整体组成示意图；

图2是采样控制系统组成示意图；

图3是采样控制系统回位开关示意图；

图4为本发明中控板电路原理示意图；

图5为本发明的运算放大器电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1到图3所示的一种水质采样无人机，该系统由无人飞行器1、采样控制系统2和采样杯3三部分组成。采样控制系统2通过电机固定板4固定到无人飞行器1的底部安装板，通过回位挡板11固定到无人飞行器1的支脚上，采样杯3通过采样杯拉绳15悬挂在卷线轴5上。其中对于采样控制系统2，卷线轴5、自锁电机7、联轴器8、转速编码器9、采样电机10和自锁齿轮14固定在电机固定板4上，中控板6、回位缓冲器12、水位定高探头13、采样杯拉绳15和回位开关16固定在回位挡板11上。

本发明的动力系统是无人飞行器1，基本要求是能够悬停，载荷在5kg以上，续航在15分钟以上。本系统采用北京天途航空的m8a农业植保机，在原机型的基础上机型改装，加装我们的采样控制系统和采样器，采样控制系统和采样器空瓶的总重量小于1.5kg。当载荷为10kg时，m8a悬停可以达到15分钟以上，整个续航时间在30分钟以上，飞行状况良好。

采样控制系统2为本系统的核心组件，该系统主要由定高子系统、收放绳子系统、电机圈数计算子系统、回位子系统、中央控制子系统以及装配子系统六个部分组成。定高子系统负责收集无人机离水面的高度信息，收放绳子系统负责采样杯拉绳15的放出和收回，电机圈数计算子系统负责计算采样电机的转动圈数进而计算采样杯拉绳15的放出长度，回位子系统负责采样杯3准确的回到出发前的位置，中央控制子系统负责前面四个子系统的协调统一工作以及与无人飞行器的通信，装配子系统将所有器件合理安排和无人飞行器结合在一起。

定高子系统的器件包括超声波液位探头，本系统选用的是4-20sc--wrtm系列探头，最大量程5米，最小量程50cm，分辨率1.6mm，数据刷新率0.6hz，10～32v区间供电，数据接口为4～20ma电流信号。

收放绳子系统的器件包括采样电机10、联轴器8、卷线轴5和采样杯拉绳15。采样电机10采用faulhaber2342l012直流减速电机，工作电压12v，空载转速：8100rpm，减速后转速120rpm，输出功率：17w。采样电机10的轴通过联轴器8和卷线轴5的中轴连接在一起，采样杯拉绳15缠绕在卷线轴5上，采样杯拉绳15采用鱼线。采样电机10工作带动卷线轴5转动，采样开始时卷线轴5放线，采样杯3从高空下降到水面之下，采样完成后采样电机10反向转动，卷线轴5收线，采样杯3从水面之下上升回到无人飞行器1。

电机圈数计算子系统包括转速编码器9，转速编码器9由磁角度传感器as5600和两极圆形磁铁组成，磁编码器体积小价格便宜精度高，可配置模拟电压输出或位置角度pwm输出，适合计算电机转数的需求。安装时as5600与磁铁中心对称，as5600便可根据磁铁位置，输出磁铁所处角度对应的电压值。通过转速编码器9可以实时获取采样电机的转动圈数，转动圈数乘以卷线轴的卷线周长即可得到放线的长度，从而控制采样杯3的下降高度。

回位子系统包括回位缓冲器12，回位开关16，自锁齿轮14和自锁电机7。回位缓冲器12是由弹簧以及弹簧两边的圆盘构成的，回位开关16是限位开关。当采样杯3上升碰到回位缓冲器12的下圆盘，下圆盘挤压弹簧，弹簧挤压上圆盘，上圆盘最后挤压限位开关，当弹簧的压力达到一定程度时，限位开关闭合，闭合信号传到中央控制子系统，中央控制子系统知道采样杯3已经回位，停止采样杯3的上升。通过回位缓冲器12，能够减少采样杯3上升对无人飞行器1底部的压力冲击，也能使限位开关的闭合更加可靠弹片不会来回碰撞。在采样电机10停止运行后，为防止采样电机10的自锁扭矩不够，中央控制子系统会控制自锁电机7推动自锁头和自锁齿轮进行咬合，使自锁齿轮无法旋转，由于自锁齿轮固定在采样电机的转轴上，采样电机10的转轴因此被锁死，再下次采样开始前中央控制子系统会控制自锁电机7远离自锁齿轮14，自锁头与自锁齿轮14松开，自锁电机7的转轴可以自由转动。

中央控制子系统包括中控板6。中控板6上有和定高子系统、收放绳子系统、电机圈数计算子系统以及回位子系统的电气控制接口。中控板上的mcu选用意法半导体的stm32f1系列芯片，该系列cpu频率最高到72mhz，flash最高1m容量，ram最高96k，功耗低，有大量的常见外设，能够满足系统控制的需要。

装配子系统包括电机固定板4和回位挡板11，装配子系统是采样控制系统2和无人飞行器1连接的纽带。卷线轴5、自锁电机7、联轴器8、转速编码器9、采样电机10和自锁齿轮14等电机相关器件固定在电机固定板4上，电机固定板4通过顶部安装板和无人机的底板连接在一起，中控板6、回位缓冲器12、水位定高探头13、采样杯拉绳15和回位开关16固定在回位挡板11上，回位挡板11通过侧面两块安装板和无人飞行器1的支脚连接在一起。回位挡板11还有一个功能就是限制采样杯3和无人飞行器1之间的距离，采样杯3不会直接接触到无人飞行器1，采样杯3回位时的底部应该高于无人飞行器1的支脚底部，这样无人飞行器1降落时才不受采样杯3的影响。

如图3和图4所示的中控板电路原理图。包括单片机、一个ph复合玻璃电极、一个499ado溶氧量传感器、二个ca3140运算放大器、二个adc0832a/d转换器以及一个lcd液晶显示屏；其中所述ph复合玻璃电极和499ado溶氧量传感器的信号输入端分别连接至对应ca3140运算放大器的信号输入端，所述ca3140运算放大器输出的放大信号经过adc0832a/d转换器转换成数字信号后输入所述单片机的2个不同的水质采样信号输入端；所述单片机通过对应端口分别向所述lcd显示器、扫描驱动电路以及报警电路输出控制信号。所述单片机选用at89c52控制器。

具体实施时，ph复合玻璃电极传感器用玻璃电极作为指示电极，氯化银电极作为参比电极，将两种电极封装在一起构成复合玻璃电极。将电极插入待测溶液，复合玻璃电极和待测溶液组成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别为原电池的正极和负极。

选用的499ado传感器主要用于连续检测液体中溶解氧的含量，测量范围是0-20ppm，主要应用在市政污水和工业污水处理厂的曝气池中，也可以用于检测养殖水池中溶解氧的含量。499ado传感器由金质阴电极、银秩阳电极和电解液构成，阴电极上覆盖着一层允许氧气渗透的隔膜。传感器工作期间，被测液体中的氧分子通过隔膜扩散至阴电极上，施加在阴电极上的极化电压将氧分子还原成氢氧根离子，进而在阴、阳电极之间产生电流。由于氧分子通过隔膜的扩散速率取决于被测液体的温度，所以，传感器的响应时间一定要校正温度对隔膜渗透性的影响。溶解氧传感器中可以内置pt100温度探头，因此，标定时，将传感器暴露于饱和空气中，按分析仪器上的相关按钮，此时，分析仪器测量大气压力，并计算在当前温度、压力下，大气中氧气的平衡浓度。该传感器的维护也十分方便、快捷。隔膜的更换不需要使用专用工具或其它固定设备，只需在隔膜组件内点几滴电解液，然后将其放在阴极上，拧旋固定器到位即可。填充电解液时，将传感器位置倒置，隔膜部位向上，旋开位於传感器侧面偏下方的阻液塞，然后挤压装有电介质的塑料瓶，从加液口慢慢地滴加电解液，直止液面低达加液口下方，再将阻液塞复位旋紧，然后，将传感器位置恢复正常，即隔膜朝下，并用右手手指捏住它的上部，用力将其向外侧甩动几次，使充入电介液完全与溶氧隔膜组件相连，清除中间可能存在气泡。传感器的安装方式有多种选择，对于嚗气池或水池测量应用，选择沉浸式安装方式；对于管道测量应用，选择流通式安装方式。499ado传感器也可以配vp电缆接头和一根专用电缆，即分体结构。与传感器相接的vp雄性接头，可与装有vp雌性接口的电缆快速安装、拆卸。一旦电缆与分析仪器的接线完成，则以后更换传感器时，无需更换电缆，无需重新接线，且安装传感器时，电缆也不会出现扭绞现象。

stc89c52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚xtal1和xtal2外接晶体振荡器或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。当51单片机的复位引脚rst出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果rst持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器pc＝0000h，这表明程序从0000h地址单元开始执行。

其动态工作过程是：开始采样前，先在地图上或现场确定需要采样的具体地点，将整个装置放在采样点的航程内。如果无人飞行器1是自动导航，无人飞行器根据路线规划起飞前往采样地点；否则飞行人员在地面控制无人飞行器1前往采样地点。当无人飞行器1到达采样点上空后，飞行人员在地面控制软件上点击“开始采样”，采样过程开始。首先，无人飞行器1读取采样控制系统2传来的水面高度信息，根据当前高度无人飞行器1自动调整垂直高度直到稳定到预设高度，然后无人机飞行器1通知采样控制系统2定高完成，采样控制系统2首先控制自锁电机7解除对自锁齿轮14的锁定，然后启动采样电机10，卷线轴5开始放线，同时采样控制系统2不断读取转速编码器9的数值计算最新的放线长度，当计算到采样杯3已经浸入到水下特定深度时，采样控制系统2停止采样电机10，并等待一段时间让采样杯3充满水样，之后采样控制系统2再次启动采样电机10反向转动，卷线轴5开始收线，当采样杯3到达回位挡板11，采样杯3抵住回位缓冲器11让回位开关16闭合，闭合信号传到采样控制系统2，采样控制系统2停止采样电机10，自锁电机7启动对自锁齿轮14进行锁定，并通知无人飞行器1返航，无人飞行器1自动返航或者有飞行人员地面遥控返航。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。