一种基于无人艇的自主水样采集系统的制作方法

本发明涉及一种基于无人艇的自主水样采集系统，属于无人艇应用技术领域。

背景技术：

当今，由于资源的过度利用及污染对环境的破坏等原因，水质恶化加剧，水质监测越来越重要。水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水、河、湖、海和地下水及各种各样的工业排水等，而在水质的检测中水样的获取是至关重要的。

目前国家对水域资源的环境监测大多还是停留在传统人工采集的方式，即定期对湖泊和河流展开环境监测工作。这种方式的弊端是不够灵活，需要耗费大量的人力和物力，同时不能适用于复杂多变的水体环境，造成部分水域外业数据的空白。

技术实现要素：

随着自动化产业及无人技术的发展，一种小型化水面自主航行载体--无人艇进入人们的视野，对于一种小型水面无人艇而言，其上一般搭载有gps、北斗、惯导、激光雷达、摄像头等设备，可实现自主导航、自主避障、路径规划等功能。可配合着水质采样系统实现移动式的自主采样过程，并可实时在线记录数据，大大的减轻了相关工作人员的劳动强度及降低工作的危险吸收，缩短了采样的时间，提高了采样效率。

本发明的目的是提供一种基于无人艇的自主水样采集系统，实现非定点式的自动化采样过程，解决了采样水域的局限性、提高了整体采样的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于无人艇的自主水样采集系统，主要包括信息处理及远程通讯模块、无人艇自主定位系统、采水器系统、远程服务端以及供电系统；所述信息处理及远程通讯模块与远程服务器端之间通过4g网络进行数据交互；所述无人艇自主定位系统与信息处理及远程通讯模块之间采用rs232标准协议进行通讯，其之间的交互数据主要是无人艇所在水域的地理位置；所述信息处理及远程通讯模块与采水器系统之间的通讯同样采用的是rs232传输协议，其之间的数据交互主要是采集水样的信息（如水样的容量、采样时间、采样水深度等等）；所述供电系统是由蓄电池和升降压模块组成。

所述信息处理及远程通讯模块由信息处理层和远程通讯层组成；其中，所述远程通讯层由网络通讯模块组成，在网络通讯模块中集成了gprs模块，与远程服务器端的传输协议是4g网络；远程通讯层接收远程发来的控制指令和通过4g网络远程发回水样及无人艇状态信息；所述信息处理层由stm32单片机、两个rs232转ttl模块和一个ttl转以太网模块组成；其中stm32单片机为信息处理层中的核心处理器，分别与两个rs232转ttl模块和一个ttl转以太网模块连接，完成信息融合和信息的处理；信息融合是融合无人艇位置信息以及水样采集状态信息，另外，信息的处理是集中处理融合的信息和网络通讯模块发来的控制指令。

所述远程服务端由数据交互界面、服务器，以及数据库组成；由管理人员在数据交互界面发出执行命令后，由远端的信息处理及远程通讯模块接收命令，并执行；同时，数据交互界面实时接收信息处理及远程通讯模块返回的数据信息，并远程连接服务器；将最终的数据录入到服务器后端的数据库，当用户获取到对应权限后，即通过网络访问后台的数据库获得相应的数据信息。

所述无人艇自主定位系统由无人艇中央处理器、定位模块、电源模块、控制模块、路径规划模块组成；所述的定位模块由gps、北斗、惯导的传感器组成；所述的电源模块由电源监控模块和电源管理模块组成；所述的控制模块是由电机驱动模块组成；无人艇中央处理器从信息处理及远程通讯模块上接收执行命令后，经过路径规划模块基于离线式的海图规划出相应的最优路径，规划完的路径就是无人艇的巡航轨迹；基于定位模块的位置信息和巡航轨迹的偏差作为控制模块的输入量，通过pid算法输出给电机驱动模块以驱动电机；当无人艇到达指定采水地点后，反馈位置信息来通知信息处理及远程通讯模块开始采水作业；采水完成后，由信息处理及远程通讯模块发回返回指令，无人艇自主的根据前面规划的路径返回回收点。

所述采水器系统由stm32中央处理器、水量反馈装置、数据存储区、取水装置、水样存储器以及条形码扫描器组成；所述的水量反馈装置由红外对射管、容量标尺杆组成，通过红外对射管实时检测水量是否到达所指定的采集容量，红外对射管固定在容量标尺杆上，通过调节红外对射管高度位置，来设定取水的容量；所述的数据存储单元用来存储取水时水样的相关信息；所述的取水装置是由转盘、水泵、导流管组成；转盘是固定水样存储器的装置，取水过程是通过水泵抽取河水中的水，再由导流管输出到制定的容量瓶中；所述水样存储器是由容量瓶和条形码组成，每个容量瓶上都贴有唯一识别的信息的条形码号；所述条形码扫描器是用来扫描水样存储器上的条形码标识。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明装置可实现自主的采水过程，并可应用于江、河、湖、海等不同水域进行采水作业，采水过程实现了自动化。大大降低了人工成本，提高了整个采水效率。另外增加了信息交互平台，用户可非常方便的从网络中获取对应水样的参数信息，废弃了人工记录的传统方式。

附图说明

图1为本发明的基于无人艇的自主水样采集系统整体结构示意图。

图2为本发明的信息处理及远程通讯模块结构示意图。

图3为本发明的远程服务器端示意图。

图4为本发明的无人艇自主定位系统结构示意图。

图5为本发明的采水器系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1所示，一种基于无人艇的自主水样采集系统，主要包括信息处理及远程通讯模块、无人艇自主定位系统、采水器系统、远程服务端以及供电系统；所述信息处理及远程通讯模块与远程服务器端之间通过4g网络进行数据交互，通讯交互数据为两类，分别是数据信息和命令信息；所述无人艇自主定位系统与信息处理及远程通讯模块之间采用rs232标准协议进行通讯，其之间的交互数据主要是无人艇所在水域的地理位置；所述信息处理及远程通讯模块与采水器系统之间的通讯同样采用的是rs232传输协议，其之间的数据交互主要是采集水样的信息；所述供电系统由2块容量12v45ah的蓄电池和升降压模块组成。升降压模块的输入是蓄电池的12v电压，经过主要升降压后可输出5v、3.3v和12v这三种不同的电压，供给不同驱动电压的器件使用。

如图2所示，所述信息处理及远程通讯模块由信息处理层和远程通讯层组成；其中，所述远程通讯层由网络通讯模块组成，在网络通讯模块中集成了gprs模块，与远程服务器端的传输协议是4g网络；远程通讯层接收远程发来的控制指令和通过4g网络远程发回水样及无人艇状态信息；所述信息处理层由stm32单片机、两个rs232转ttl模块和一个ttl转以太网模块组成；其中stm32单片机为信息处理层中的核心处理器，分别与两个rs232转ttl模块和一个ttl转以太网模块连接，完成信息融合和信息的处理；信息融合是融合无人艇位置信息以及水样采集状态信息，另外，信息的处理是集中处理融合的信息和网络通讯模块发来的控制指令。处理完的信息产生两个包，分别是数据包和控制包，然后再把对应的信息分发给远程和底层。其整个工作方式为：在远程通讯层接收到由远程通过4g网络发回的控制命令后，在这层中，通过网络通讯模块数据解析成tcp/ip的协议传输到信息处理层。在信息处理层中，由stm32中央处理器处理，将指令进行解析，解析完的指令数据通过rs232转ttl模块，转发给下面的执行器件。反之亦然。

如图3所示，所述远程服务端由数据交互界面、服务器，以及数据库组成；由管理人员在数据交互界面发出执行命令后，由远端的信息处理及远程通讯模块接收命令，并执行；同时，数据交互界面实时接收信息处理及远程通讯模块返回的数据信息，并远程连接服务器；将最终的数据录入到服务器后端的数据库，当用户获取到对应权限后，即通过网络访问后台的数据库获得相应的数据信息。

如图4所示，所述无人艇自主定位系统由无人艇中央处理器、定位模块、电源模块、控制模块、路径规划模块组成；所述的定位模块由gps、北斗、惯导的传感器组成；所述的电源模块由电源监控模块和电源管理模块组成；所述的控制模块是由电机驱动模块组成；无人艇中央处理器从信息处理及远程通讯模块上接收执行命令后，经过路径规划模块基于离线式的海图规划出相应的最优路径，规划完的路径就是无人艇的巡航轨迹；基于定位模块的位置信息和巡航轨迹的偏差作为控制模块的输入量，通过pid算法输出给电机驱动模块以驱动电机；当无人艇到达指定采水地点后，反馈位置信息来通知信息处理及远程通讯模块开始采水作业；采水完成后，由信息处理及远程通讯模块发回返回指令，无人艇自主的根据前面规划的路径返回回收点。

如图5所示，所述采水器系统由stm32中央处理器、水量反馈装置、数据存储区、取水装置、水样存储器以及条形码扫描器组成；所述的水量反馈装置由红外对射管、容量标尺杆组成，通过红外对射管实时检测水量是否到达所指定的采集容量，红外对射管固定在容量标尺杆上，通过调节红外对射管高度位置，来设定取水的容量；所述的数据存储单元用来存储取水时水样的相关信息；所述的取水装置是由转盘、水泵、导流管组成；转盘是固定水样存储器的装置，取水过程是通过水泵抽取河水中的水，再由导流管输出到制定的容量瓶中；所述水样存储器是由容量瓶和条形码组成，每个容量瓶上都贴有唯一识别的信息的条形码号；所述条形码扫描器是用来扫描水样存储器上的条形码标识。

所述的采集器系统与信息处理及远程通讯模块之间的信息交互是水样的状态信息。由stm32中央处理器接收到采样指令后，启动取水装置，通过转盘将空的容量瓶转制到待采水区，在容量瓶转至待取水区域的同时，由条形码扫描器扫描出容量瓶上的条形码，方便对容量瓶信息的识别，启动水泵将水从待取水区域抽取上来，并通过导流管将水灌入容量瓶内。在整个取水的过程中，由红外对射管实时反馈水量信息。当水量达到事先标好的水位时，水量反馈装置会发出一个标志位给stm32中央处理器，即采水完成。然后将对应的数据存储到数据存储器内，并由数据存储器的信息反馈给stm32中央处理器，再由stm32中央处理器分发给信息处理及远程通讯模块。