一种取水管线定位装置的制作方法

本发明属于环境检测技术领域，更具体地，涉及一种取水管线定位装置。

背景技术：

水质检测的步骤之一便是采集水样，一般是人工到达取水目的地，将取样容器伸入水源中取水，这种人工作业方式不便取到水下具有深度的水样，而对于工作人员无法靠近的取水地则无法进行取样，给水质检测带来极大不便。随着无人机技术的发展，在水质检测的取样过程中，采用无人机作为载具进行水质采样可以克服人工取样的以上缺陷。采用无人机进行水质取样通常采用无人机携带的线缆将无人机携带的容器下放到取样点进行取水，或采用携带的水管将采集的水样抽取到无人机所携带的容器中以便带回实验室进行检测。

现有的技术中，常采用转盘或滚轮来收放无人机携带的线缆或水管，并通过检测转动的圈数来粗略获知线缆或水管放出的具体长度。随着转盘或滚轮上的线缆或水管的减少，转盘或滚轮的等效直径在发生变化，并且由于线缆或水管在转盘或滚轮上的卷绕排布具有随机性，导致直径始终在发生变化，并且该变化是起伏的、不单调的，因而测得的线缆或水管放出长度的精度差。另有方法通过检测转盘或滚轮转动的时间来粗略获知线缆或水管放出的长度。由于放出的线缆或管长的不同，以及外部风力、加减速、无人机或无人船的运动、取水杯或取水桶的负荷变化等因素，转动机构的负荷在发生变化，这将导致转速发生实时变化，因而得到的线缆或水管放出的长度精度不够。

一方面，因不能准确检测线缆或水管收、放到了哪一具体位置，导致不能实现采水杯、采水桶、水质探头等入水部件的入水深度自动、实时控制，导致水质采样和监测的灵活性下降，不能按需求定深取水或检测。另一方面导致不能准确自动检测水管或线缆的收、放是否到达极限位置，使得实际到达极限位置后，收放线机构仍尝试持续动作，导致收放线机构受损，或减短其使用寿命；或者，在水管或线缆收、放到达极限位置时，不能自动控制收放线机构停止动作，使得在收放线机构的控制器意外失效时，收放线机构仍尝试持续动作，降低了系统的可靠性。

另有采用齿轮、齿条、硬杆等刚性结构来实现线缆或水管收放长度的检测控制，这类方式能实现长度的准确测量控制，但难以实现较长长度管线的收放，而且重量大、面积大，不利于飞行安全。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种取水管线定位装置，其目的在于通过该装置准确检测所携带的管线是否到达收放的极限位置。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种取水管线定位装置，包括第一标记件、第二标记件、第一标记传感器、第二标记传感器、第一限位转轴、第二限位转轴、定滑轮、滑轮转轴和信号处理电路；

第一标记件用于标记管线收放的第一极限位置、第一标记件与管线之间无相对滑动；第二标记件用于标记线缆或水管收放的第二极限位置，第二标记件与管线之间无相对滑动；第一标记传感器用于探测第一标记件，第二标记传感器用于探测第二标记件；

定滑轮串于滑轮转轴上；第一限位转轴与第二限位转轴之间具有间隔，第一限位转轴与第二限位转轴协同用于约束管线的走向，使得管线走向定滑轮，管线的收放带动定滑轮转动；

第一标记传感器、第二标记传感器与信号处理电路之间均具有信号连接，将对第一标记件、第二标记件的探测结果发送到信号处理电路；所述信号处理电路用于根据探测结果判定管线的收、放是否到达极限位置；信号处理电路具有用于连接外部收放线机构的第一接口，通过第一接口向外部收放线机构发送管线收、放是否到达极限位置的判定结果。

优选的，上述的取水管线定位装置，其信号处理电路具有用于连接外部收放线机构的第二接口，通过第二接口向外部收放线机构发送开关控制信号，以对外部收放线机构进行使能。

优选的，上述的取水管线定位装置，开关控制信号包括正向控制信号、反向控制信号；其中，正向控制信号用于使能外部收放线机构电机的正向动作，反向控制信号用于使能外部收放线机构电机的反向动作；在这两个控制信号的作用下，外部收放线机构运转状态包括：关闭正转但允许反转、关闭反转但允许正转、关闭正转和反转、允许正转和反转；在线缆或水管到达极限位置时，通过开关控制信号阻止外部收放线机构的电机继续向极限位置方向转动，但允许外部收放线机构的电机反向远离极限位置转动。

优选的，上述的取水管线定位装置，其信号处理电路具有对外的电源接口，用于接入外部电源为管线定位装置供电。

优选的，上述的取水管线定位装置，还包括滑轮转动标记件和用于检测滑轮转动标记件的检测电路；检测电路与信号处理电路之间具有信号连接；所述检测电路用于检测定滑轮转动圈数，并对定滑轮转动时长进行计数，信号处理电路根据定滑轮转动圈数和/或时长确定管线收放的长度。

优选的，上述的取水管线定位装置，还包括用于实现结构连接和支撑的侧板；滑轮转轴、第一限位转轴、第二限位转轴与侧板之间均为固定连接或可拆卸的连接。

优选的，上述的取水管线定位装置，第一标记件、第二标记件采用金属材料物体、磁吸性材料物体、标记颜色或明暗的物体、介电材料物体、或挡片、挡块。

优选的，上述的取水管线定位装置，第一标记传感器、第二标记传感器采用金属传感器、电感传感器、电容传感器、干簧管、磁传感器、霍尔传感器、红外对射传感器、红外反射传感器、颜色传感器、明暗传感器或光强传感器。

优选的，上述取水管线定位装置，使能外部收放线机构的方法为：

(1)判断管线是否到收放的达极限位置；若是，通过信号处理电路的第二信号接口向外部收放线机构发出控制信号，以使得收放线机构的一个动作方向被切断；若否，则进入步骤(2)；

(2)通过检测电路对滑轮转动标记件进行检测，确定定滑轮转动圈数，根据定滑轮转动圈数确定管线收放的具体长度；

(3)通过信号处理电路的第二接口向外部收放线机构发出控制信号，使能收放线机构的继续动作，并进入步骤(1)。

优选的，上述取水管线定位装置，判定管线的收、放是否到达极限位置的方法为：

(a)根据第一标记件和第二标记件确定管线是否收放到极限位置；如果是，则进入步骤(b)；如果否，则进入步骤(c)；

(b)向外部收放线机构发出已达到极限位置的信号；清空定滑轮转动圈数计量值与定滑轮转动时长计量值，并进入步骤(a)

(c)根据定滑轮转动圈数计量值判断管线是否收放到极限位置；如果是，则进入步骤(b)；如果否，则进入步骤(d)；

(d)根据定滑轮转动时长计量值判断管线是否收放到极限位置；如果是，则进入步骤(b)；如果否，则进入步骤(a)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的取水管线定位装置，准确检测所收放的线缆或水管的是否到达收放线的极限位置；检测信息以数字方式给出，并通过检测结果控制外部收放线机构的动作，可确保管线及收放线机构不被损坏。

(2)本发明提供的取水管线定位装置，在线缆或水管的收放到达收放极限位置时，不仅通过第二信号接口对外部收放线机构给出正、反向控制信号，同时也通过第一接口给出二值化的控制信号用于切断收放线机构的动作，以在外部收放线机构的控制器意外失效的情况下，收放线机构的过度动作也能被切断，保障管线及收放线机构的安全，延长组件使用寿命，且提高了系统可靠性。

(3)本发明提供的取水管线定位装置，以数字通信的方式传输转动状态信息和位置状态信息，根据这些转动状态信息和位置状态信息控制外部收放线机构进行动作调整；不仅使得电机在管线到达极限位置、管线卡死等机端情况下能够急停，还能通过数字信号与开关控制信号相结合，使外部收放线机构能够灵活进行电机的加减速控制的复杂控制。

(4)本发明提供的取水管线定位装置，其优选方案根据定滑轮转动圈数与时长计数准确检测线缆或水管的放出长度，外部收放线机构可根据该长度信息连续地、灵活地对放出的线缆或水管长度进行控制，利于实现自动定深采样。

(5)本发明提供的取水管线定位装置，采用多重逻辑判断的复合方式检测线缆或水管收放是否到达极限位置；由于不完全依赖某一种检测方式，因而在部分检测方式失效的情况下，系统仍能正确检测长度，从而提高了稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的取水管线定位装置示意图之一；

图2是本发明实施例提供的取水管线定位装置示意图之二；

图3是本发明实施例提供的取水管线定位装置的工作流程示意图；

图4是本发明实施例提供的取水管线定位装置极限位置判断方法流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一标记件、2-第二标记件、3-第一标记传感器、4-第二标记传感器、5-线缆或水管、6-左侧板、7-右侧板、8-第一限位转轴、9-第二限位转轴、10-定滑轮、11-滑轮转动标记件、12-滑轮转轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～2，实施例提供的取水管线定位装置，包括第一标记件1，第二标记件2，第一标记传感器3，第二标记传感器4，第一限位转轴8，第二限位转轴9，定滑轮10，滑轮转动标记件11，滑轮转轴12；线缆或水管5是待检测、控制收放长度的对象。在一个优选实施例中，该取水管线定位装置还包括左侧板6和右侧板7；滑轮转轴12、第一限位转轴8、第二限位转轴9与侧板之间均为固定连接或可拆卸的连接。

第一标记件1与线缆或水管5(简称管线)无相对滑动，第一标记件1用于标记线缆或水管收放的第一极限位置；第二标记件2与线缆或水管5无相对滑动，第二标记件2用于标记线缆或水管收放的第二极限位置。第一标记传感器3用于探测第一标记件1是否到达，从而探测线缆或水管5的在收线方向是否到达极限位置；第二标记传感器4用于探测第二标记件2是否到达，从而探测线缆或水管5在放线方向是否到达极限位置。

左侧板6和右侧板7用于实现结构连接和支撑；左侧板或右侧板上设置有用于检测滑轮转动标记件11的检测电路和有信号处理电路；第一标记传感器3、第二标记传感器4与信号处理电路之间均具有信号连接，将对第一标记件1、第二标记件2的探测结果发送到信号处理电路；信号处理电路用于根据探测结果判定管线的收、放是否到达极限位置。检测电路用于检测定滑轮转动方向、转动圈数，并自定滑轮开始转动起进行转动时长计数。在实际应用场景的管线收放过程的某一段，可能对管线会收一段、再放一段，收与放交替对放出管长进行调整，对管线所悬吊的探头、取水容器的入水深度进行调整，通过定滑轮的转动方向与转动圈数结合来准确得到管线末端所到达的高度。

在优选的实施例中，信号处理电路具有对外的电源接口、传送信号的第一接口和第二接口；其中，第一接口为数字通信接口，第二接口为用于控制外部收放线机构通断的开关信号接口。通过数字通信接口传输的数字信号包括管线收、放是否到达极限位置、管线收放具体长度；数字信号类型包括但不限于串口通信信号，spi通信信号，iic通信信号，can通信信号，smbus通信信号，modbus通信信号或lin通信信号。通过第一接口能够在管线收与放到极限位置直接锁死相应的转动方向。

通过开关信号接口传输的开关控制信号包括正向控制信号、反向控制信号；其中正向控制信号用于控制外部收放线机构的电机正转，反向控制信号用于控制外部收放线机构的电机反转；在这两个控制信号的作用下，外部收放线机构的电机运转状态包括：关闭正转但允许反转、关闭反转但允许正转、关闭正转和反转、允许正转和反转。在线缆或水管到达极限位置时，通过开关控制信号阻止外部收放线机构的电机继续向极限位置方向转动，但允许外部收放线机构的电机反向远离极限位置转动。

通过第二接口以数字通信方式控制外部收放线机的动作，将当前定滑轮状态及管线收放状态反馈到外部电机，包括定滑轮是否在转、转动方向，管线收放到哪个位置。譬如，外部收放线机构驱动了定滑轮转动，但定滑轮并没有转动，表明定滑轮被卡死，将该状态反馈到外部收放线机构，使外部收放线机构得到滑轮被卡死的状态反馈，进而关闭电机，防止电机烧毁。通过第二接口可向外部收放线机构反馈管线收放位置，可在管线即将到达极限位置时提前减速，避免急刹。通过第二接口传输的状态反馈信息及控制信息，使得外部收放线机构对管线的收放更灵活，可实现譬如“停在管子放出来1.1m的地方”、“慢慢减速直到停止”的动作。

通过上述数字信号与开关控制信号相结合，使外部收放线机构能够灵活进行电机的加减速控制的复杂控制；并且，通过这种硬件开关控制而不依赖微处理器的方式来实现动外部收放线机构电机的通断和转向控制，即使外部控制电机动作的微处理器意外失效，也能确外部收放线机构安全不受损，为处理器的失效提供了保护，增强了装置的可靠性。另一方面，开关控制信号包含正向控制、反向控制两个独立的信号，因此对外部收放线机构电机转动的切断不是完全切断，而是自动按是否到达管线收方向极限位置或放方向极限位置切断某一个方向的转动，从而确保作业流程的完整性。

第一限位转轴8与第二限位转轴9之间具有间隔，两者协同用于约束线缆或水管的走向，使得线缆或水管能够正确走向定滑轮10；线缆或水管的5的收放使得串于滑轮转轴12上的定滑轮10转动，通过检测电路对定滑轮转动的圈数与时间进行计数确定线缆或水管5放出的长度与末端所在位置。

滑轮转动标记件有一个或多个，各滑轮转动标记件与定滑轮的10的相对位置固定，通过检测电路对滑轮转动标记件的检测来探测定滑轮是否转动，以及转动的方向和转速；滑轮转轴12使得定滑轮10平滑转动。

在实施例提供的这种管线定位装置中，第一标记件1、第二标记件2，滑轮转动标记件11是被探测的对象；第一标记传感器3、第二标记传感器4、以及用于对滑轮转动标记件11进行检测的检测电路用于探测上述被探测的对象。通过第一标记传感器3对第一标记件1进行检测、第二标记传感器4对第二标记件2进行检测，来确定线缆或水管的收放是否到达极限位置。通过检测电路对滑轮转动标记件11的检测，可以确定定滑轮转动的方向、速度和圈数，从而确定线缆或水管收放的具体长度与末端所在位置。通过设置于侧板上的信号处理电路根据定滑轮转动时长的计量，基于定滑轮转动的方向和速度，确定管线收放的具体长度及末端所在位置。

在该装置的一个实施例中，通过第一标记件、第二标记件以及滑轮转动标记件这几个标记件对管线或定滑轮进行信号阻挡或物理阻挡、并对这种阻挡进行探测来实现标记。在优选实施例中采用金属环、金属块、金属片、金属棒等金属材料物体作为标记件；或采用磁铁(包括磁钢)环、磁铁(包括磁钢)块、磁铁(包括磁钢)片、磁铁(包括磁钢)棒等磁吸性材料物体作为标记件；或采用磁性材料环、磁性材料块、磁性材料片、磁性材料棒等磁性材料物体作为标记件；或采用颜色环、颜色块、颜色片、颜色棒等用来标记颜色或明暗的物体作为标记件；或采用介电材料环、介电材料块、介电材料片、介电材料棒等介电材料物体作为标记件；或采用挡片、挡块作为标记件。

实施例中，第一标记传感器3、第二标记传感器4、以及用于对滑轮转动标记件11进行检测的检测电路采用金属传感器、电感传感器、电容传感器、干簧管、磁传感器、霍尔传感器、红外对射传感器、红外反射传感器、颜色传感器、明暗传感器或光强传感器。

在一个典型的实施例中，第一标记件1和第二标记件2采用钢环，滑轮转动标记件11采用圆形钢片；第一标记传感器3、第二标记传感器4和检测电路采用金属探测传感器。通过第一标记传感器3、第二标记传感器4探测第一标记件1或第二标记件2是否靠近来确定管线是否到达极限位置，通过检测电路及滑轮转动标记件11检测定滑轮的转动方向与圈数、转动的时间，得到具体管线位置。参照图3通过位置判定结果对收放线机构进行控制的方法具体如下。

(1)进行管线收放极限位置判断，若管线收到达第一极限，或放到达第二极限位置，则通过信号处理电路的数字通信接口向外给出到达极限位置的数字信息，并通过信号处理电路的开关控制信号接口向外部收放线机构发出控制信号，以使得收放线机构的一个动作方向被切断，从而避免收放线机构继续向极限位置动作而损坏收放线机构或管线；否则进入步骤(2)；

(2)通过检测电路对滑轮转动标记件11进行检测，确定定滑轮转动圈数，进而确定管线收放的具体长度；并通过信号处理电路的开关控制信号接口向外部收放线机构发出控制信号，以使得收放线机构的继续动作，并进入步骤(1)。

参照图4，在一个优选实施例中，将通过第一标记件、第二标记件对管线收线、放线是否到达极限位置的判定结果、信号处理电路通过圈数计量对管线收线、放线是否到达极限位置的判定结果、以及信号处理电路基于时间和定滑轮转速所确定的管线收线、放线是否到达极限位置的判定结果进行逻辑处理，从而得到最终极限位置判断结果。具体包括如下步骤：

(a)根据对第一标记件和第二标记件确定线缆或水管是否收或放到极限位置；如果是，则进入步骤(b)；如果否，则进入步骤(c)；

(b)向外部收放线机构发出已经达到极限位置的数字信号；并清空定滑轮转动圈数计量值与定滑轮转动时长计量值，并进入步骤(a)

(c)根据定滑轮转动圈数计量值判断线缆或水管是否收放到极限位置；如果是，则进入步骤(b)；如果否，则进入步骤(d)；

(d)根据定滑轮转动时长计量值判断线缆或水管是否收放到极限位置；如果是，则进入步骤(b)；如果否，则进入步骤(a)。

上述方法，通过多重判断提高了可靠性。譬如对于采用磁铁作为第一标记件、第二标记件的实施例；若作为放线极限位置标记的磁铁失效，那么从管线离开作为收线极限标记的磁铁开始，通过计量定滑轮圈数或者计时间，也能准确检测到管线放线到达极限位置。在另一种可能的情况下，若外部收放线机构卡死，则无法通过对第一、第二标记件的检测或者通过定滑轮的转动圈数来确定管线收放是否到达极限位置，但能定滑轮转动时长的计数值来确定管线收放是否到达极限位置。而另一方面，将第一、第二标记件的检测结果作为第一重判定，在这两个标记件均正常、定滑轮转动时间和圈数都正常记数的正常情况下，仅由第一标记件和第二标记件确定管线收放是否到达极限位置、且确定后即清空定滑轮转动圈数计量值与定滑轮转动时长计量值，以提高数据处理速度。

实施例提供的取水管线定位装置，具有以下有益效果：

(1)准确检测管线是否到达收放的极限位置，并向外部收放线机构给出相应的数字信息，确保收放线机构不被损坏；并给出相应的控制信号，使得即使在外部收放线机构控制器意外损坏的情况下，收放线机构仍能被切断工作，从而提高了应用的灵活性和系统可靠性。

(2)可准确检测、调整所收放的线缆或水管的放出长度，检测信息以数字方式给出，进而便于管线所携带的探测采集装置能够实现自动定深采样。

(3)根据标记件以及定滑轮转动圈数、转动时长的多重判断确定线缆或水管收放是否到达极限位置，以及收放的具体长度与位置；避免在外部收放线机构卡死、或者第一标记件、第二标记件中的任意一个或两个失效的情况下无法正确得到管线放线长度以及是否收放到极限位置；不易失效，具有可靠性高、寿命长、抗干扰能力好的优点。本发明提供的这种取水管道定位装置，适用于无人机、无人船等无人检测装置，也适用于有人操控的飞行器、船等水质检测装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。