本发明涉及无人船技术领域，具体涉及一种无人船取样系统及取样方法。
背景技术：
目前，环保监查部门为掌握所辖水域的水质情况,通常是对水质进行定期或不定期的取样检测分析,依水质的各项质量指标决定相应的环保措施。然而，现有水质自动监测站由于位置固定难以及时发现污染源，而移动监测手段多为有人驾驶的水质监测车或监测船，不仅成本高，而且受城市水体的复杂地形影响，部分水域人工监测船或监测车根本无法驶入，造成目前水质监测体系存在响应不及时、时间与空间分辨率较低等问题，因此出现了无人船取样。目前市场上无人船取样方式不能指定深度取样、取样结构复杂、易堵塞水管。例如：采用把水管缠绕在绞盘上，让后让电机带动绞盘进行向下放水管取样，该装置具有取样装置笨重不灵活、结构复杂、易折叠堵塞，由于水管较粗取样时容易造成计算取样深度的不精确，并且在取样、收回水管时容易造成水管堵塞并且不能指定取样深度和多次取样。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种无人船取样系统及取样方法，本无人船取样系统及取样方法成本低，结构简单，在取样的过程中不会造成水管堵塞、水管打结等问题，可以指定取样深度，可以多次取样，同时还可以避免多次取样之间的样本污染。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种无人船取样系统，包括船体、用于驱动船体移动的动力装置和电源装置，所述船体上安装有取样系统，所述取样系统包括取样瓶、水泵、绞盘、牵引线、位置步进电机、丝杆、取样步进电机、Z型固定支架、弹性水管和铅锤，所述船体上设有取样水槽，所述取样水槽内从左端至右端均匀分布有若干个取样瓶，所述丝杆通过轴承支座固定在所述船体上且丝杆位于取样水槽内的取样瓶的正上方，所述丝杆通过联轴器与位置步进电机连接，所述丝杆连接有丝杆螺母且丝杆螺母上固定有滑块，所述水泵的出水口通过出水管固定在所述滑块上，所述取样水槽内的左端设有取样排水口，所述取样排水口通过排水管延伸至船体的外侧，所述水泵的进水口连接有弹性水管的出水端，所述取样步进电机安装在所述船体的右端，所述取样步进电机连接有绞盘，所述绞盘上缠绕有牵引线，所述Z型固定支架的一端固定在所述船体的右端，所述弹性水管固定在所述Z型固定支架上，所述Z型固定支架的另一端的表面设有穿线孔且绞盘上的牵引线位于穿线孔的正上方，所述牵引线的另一端穿过穿线孔并与弹性水管的进水端和铅锤连接，所述动力装置、位置步进电机、取样步进电机和水泵均与电源装置电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述动力装置包括螺旋桨和驱动电机，所述驱动电机固定在所述船体上，所述驱动电机与所述螺旋桨连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述无人船上设有主控制器、定位系统、无线通信系统、动力电机驱动模块、水泵驱动模块、位置步进电机驱动模块和取样步进电机驱动模块，所述定位系统、无线通信系统、动力电机驱动模块、水泵驱动模块、位置步进电机驱动模块和取样步进电机驱动模块均与主控制器电连接，所述无线通信系统远程连接有上位机，所述动力电机驱动模块与所述驱动电机电连接，所述水泵驱动模块与所述水泵电连接，所述位置步进电机驱动模块与所述位置步进电机电连接，所述取样步进电机驱动模块与所述取样步进电机电连接，所述主控制器、定位系统、无线通信系统、动力电机驱动模块、水泵驱动模块、位置步进电机驱动模块和取样步进电机驱动模块均与电源装置电连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主控制器采用单片机STM32F103ZET6，所述定位系统采用北斗RTK定位系统，所述无线通信系统采用GPRS无线通信系统，所述动力电机驱动模块中的驱动电路采用L298N芯片，所述水泵驱动模块中的驱动电路采用L298N芯片，所述位置步进电机驱动模块采用TB6600步进电机驱动器，所述取样步进电机驱动模块采用TB6600步进电机驱动器。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述位置步进电机和取样步进电机均采用42BYGH47-401A两相四线混合式步进电机。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述取样瓶的底部固定在所述取样水槽的底壁上。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种无人船取样系统的取样方法，包括：
（1）上位机通过无线通信系统发送初始化信号到主控制器，主控制器通过位置步进电机驱动模块控制位置步进电机，位置步进电机通过滑块带动水泵的出水口移动到取样排水口；
（2）上位机通过无线通信系统发送取样指令到主控制器，主控制器分析取样指令从而获得取样参数，所述取样参数包括取样深度、取样瓶的编号和取样地点的坐标点；
（3）主控制器根据取样地点的坐标点以及定位系统定位的坐标点控制动力装置，动力装置带动船体巡航至取样地点的坐标点；
（4）主控制器根据取样深度计算出取样步进电机转动的角度从而控制取样步进电机，取样步进电机带动绞盘旋转从而将弹性水管的进水端下放到与取样深度一致的位置；
（5）主控制器通过水泵驱动模块控制水泵，水泵在第一预设时间段内进行抽水，水泵达到第一预设时间段后停止抽水，主控制器根据取样瓶的编号控制位置步进电机，位置步进电机通过滑块带动水泵的出水口移动到与该编号相同的取样瓶的入水口处；
（6）主控制器通过水泵驱动模块再次控制水泵，水泵在第二预设时间段内进行抽水，水泵达到第二预设时间段后停止抽水；
（7）主控制器通过无线通信系统将本次取样的取样地点的坐标点、取样深度、取样瓶的编号和第二预设时间段发送至上位机；
（8）主控制器通过位置步进电机驱动模块控制位置步进电机，位置步进电机通过滑块带动水泵的出水口移动到取样排水口；
（9）主控制器根据步骤（4）计算出的取样步进电机转动的角度控制取样步进电机，取样步进电机带动绞盘旋转从而收回牵引线，弹性水管收回从而保持自然形状。
本发明的有益效果为：
（1）本发明结构简单，能够根据不同的水域状况以及取样深度来更换不同的弹性水管和取样瓶，更换简单易于操作。
（2）本发明通过上位机与无人船上的主控制器进行交互的方式，只需要在上位机设置取样参数，即可实现全自动取样。
（3）本发明采用无线通信系统，实时上传无人船本次取样的位置信息（坐标点）、取样深度、保存取样样本的取样瓶的编号和取样时间，确保无人船在取样过程中的可靠性。
（4）本发明可以在上位机上根据实际需要设置取样深度位置以及保存样本的取样瓶的编号以便于适应不同的水域状况。
（5）本发明设计巧妙，能够通过主控制器控制采样步进电机从而实现更加精确到达指定深度位置获取的水质样本，另弹性水管、绞盘、牵引线和铅锤的结构设置确保了取样过程中不会造成水管堵塞、水管打结等的情况。
（6）本发明设置多个取样瓶，可以多次取样，同时可以避免取样样本污染等问题，确保取样的多样性。即在取样前，位置步进电机通过滑块带动水泵的出水口移动到取样排水口，防止无人船在行驶过程中水泵或弹性水管残留的水污染下次取样。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的取样水槽的结构示意图。
图3为本发明的电路原理示意图。
图4为本发明的流程图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
针对上述问题，本发明设计开发了一种无人船取样系统可在指定水域获取指定深度的水质样本，该无人船取样系统在取样的过程中不会造成水管堵塞、水管打结等问题，并且可以多次取样，同时还采取了措施避免多次取样之间的样本污染。
参见图1和图2，一种无人船取样系统，包括船体1、用于驱动船体1移动的动力装置3和电源装置2，所述船体1上安装有取样系统，所述取样系统包括取样瓶5、水泵10、绞盘14、牵引线15、位置步进电机7、丝杆6、取样步进电机13、Z型固定支架16、弹性水管17和铅锤18，所述船体1上设有取样水槽4，所述取样水槽4内从左端至右端均匀分布有若干个取样瓶5，每个取样瓶5之间的距离为8 cm，所述丝杆6通过轴承支座8固定在所述船体1上且丝杆6位于取样水槽4内的取样瓶5的正上方，所述丝杆6通过联轴器与位置步进电机7连接，所述丝杆6连接有丝杆螺母且丝杆螺母上固定有滑块9，所述水泵10的出水口通过出水管11固定在所述滑块9上，所述取样水槽4内的左端设有取样排水口12，取样排水口12位于取样瓶5的左侧，取样排水口12与最左边的取样瓶5的距离为8 cm，所述取样排水口12通过排水管19延伸至船体1的外侧，所述水泵10的进水口连接有弹性水管17的出水端，所述取样步进电机13安装在所述船体1的右端，所述取样步进电机13连接有绞盘14，所述绞盘14上缠绕有牵引线15，所述Z型固定支架16的一端固定在所述船体1的右端，所述弹性水管17固定在所述Z型固定支架16上，所述Z型固定支架16的另一端的表面设有穿线孔且绞盘14上的牵引线15位于穿线孔的正上方，所述牵引线15的另一端穿过穿线孔并与弹性水管17的进水端和铅锤18连接，所述动力装置3、位置步进电机7、取样步进电机13和水泵10均与电源装置2电连接。所述弹性水管17为弹性可伸缩的水管。
由于弹性水管17在水中具有一定的浮力，所以铅锤18主要用于牵引弹性水管17，使弹性水管17下沉时保持垂直状态。Z型固定支架16的作用为固定弹性水管17并且将弹性水管17的出水口与水泵10相连，另一方面为了固定牵引线15，牵引线15从该Z型固定支架16中间的圆形孔（穿线孔）中穿过，这样可以保证在收回牵引线15时不会堵塞、打结。牵引线15，其作用是牵引弹性水管17的下放和收回，牵引线15的一端固定在绞盘14上，另外一段固定在弹性水管17的进水口和铅锤18上，由于铅锤18的重力作用，当牵引线15下放时，会带动弹性水管17的下沉。绞盘14作用是缠绕牵引线15。弹性水管17采用具有弹性的伸缩水管，该水管具备质量轻、具有弹性、自动收缩、具有一定的韧性不会造成折叠堵塞。从而避免了在水管收回时水管折叠、绞盘卡住水管等意外情况。
参见图3，所述无人船上还设有主控制器20、定位系统24、无线通信系统23、动力电机驱动模块、水泵驱动模块、位置步进电机驱动模块和取样步进电机驱动模块，所述定位系统24、无线通信系统23、动力电机驱动模块、水泵驱动模块、位置步进电机驱动模块和取样步进电机驱动模块均与主控制器20电连接，所述无线通信系统23远程连接有上位机，所述动力电机驱动模块与所述驱动电机21电连接，所述水泵驱动模块与所述水泵10电连接，所述位置步进电机驱动模块与所述位置步进电机7电连接，所述取样步进电机驱动模块与所述取样步进电机13电连接，所述主控制器20、定位系统24、无线通信系统23、动力电机驱动模块、水泵驱动模块、位置步进电机驱动模块和取样步进电机驱动模块均与电源装置2电连接。
目前，市场上的水面自主航行器多采用GPS单点定位，但是定位精度不高，并且在部分区域不能无获取位置信息。本实施例的定位系统24采用北斗RTK定位系统（北斗RTK定位技术），将几米的定位误差缩小到厘米级，有效提高了取样位置的精确性。
无线通信系统23采用GPRS无线通信系统，通过AT指令实时上传无人船本次取样的位置信息、取样深度、保存取样样本的取样瓶5的编号、取样时间以及无人船和上位机之间的控制指令，确保无人船在取样过程中的可靠性。
所述动力装置3包括螺旋桨22和驱动电机21，所述驱动电机21固定在所述船体1上，所述驱动电机21与所述螺旋桨22连接。本实施例的无人船取样系统的驱动电机21采用两个直流电机为无人船提供动力，由于电机的功率较大，所以动力电机驱动模块采用L298N芯片设计了电机驱动电路。
本实施例的水泵10的工作电压为12V， 最大流量为：3.5L/min，水泵10采用L298N控制器，主要控制水泵10的启动和停止。（即所述水泵驱动模块中的驱动电路采用L298N芯片）。
取样步进电机13的作用为控制取样的弹性水管17的下放和收起。取样步进电机13采用42步进电机（42BYGH47-401A两相四线混合式），取样步进电机驱动模块采用TB6600步进电机驱动器，该步进电机的最大静力矩：0.55N.m，步矩角为1.8°。为了使取样深度位置更加精确，所以步进电机驱动器设置为4细分下步距角为1.8/4=0.45°，即该取样步进电机13转动一周需要800步。经过测量可得绞盘14绕线轴的周长为12cm,进一步说取样步进电机13每转动一步0.015cm，而脉冲的频率采用600Hz，即取样步进电机13的转速为：45转/分。例如：当工作人员通过上位机设定取样深度位置为3米时，主控制器20根据接收到的取样深度来设置取样步进电机13转动的（300/12）*800=20000步才能达到指定深度，也就是需要34s能将水管下放到指定深度3米位置。当取样的结束时反向转动20000步即可把弹性水管17收回。
位置步进电机7的作用为控制水泵10出水口的位置，位置步进电机7也采用42步进电机（42BYGH47-401A两相四线混合式），位置步进电机驱动模块也采用TB6600步进电机驱动器，并且丝杆6采用CBX1605滚珠丝杠，即位置步进电机7转动一圈滑块9走5mm，而脉冲的频率采用500Hz，即位置步进电机7的转速为：150转/分。步进电机驱动器设置为细分下步距角为1.8/1=1.8°，即该位置步进电机7转动一周需要200步。例如需要保存样本至编号为1号的取样瓶5，进一步说，当无人船启动时先初始化取样系统，位置步进电机7将水泵10出水口左移动至取样排水口12。当获取取样瓶5编号为1时，即将水质样品存放在第1个取样瓶5中，此时据水泵10的排水口的距离为8cm，即位置步进电机7需要转动16周，3200步即可到达第1个取样瓶5处，依次类推，到达第2个取样瓶5处需要位置步进电机7转动32周，即6400步。本实施例中的编号1为最左端的第1个取样瓶5，编号从左至右依次类推。
所述主控制器20采用STM32核心控制板，具体为单片机STM32F103ZET6，所述取样瓶5的底部固定在所述取样水槽4的底壁上。
无人船取样系统的工作原理为：首先，当船体1启动时先初始化取样系统，位置步进电机7将水泵10出水口左移动至取样排水口12，防止船体1在行驶过程中水泵10或弹性水管17残留的水污染下次取样。然后当需要船体1进行取样时，使用者可以在上位机上设置取样参数，例如：水质采样深度（取样深度）为3米、取样瓶5的编号为第3个、取样地点的坐标点为(118.716231,32.207317)。当取样参数设置完成后，点击确认按钮，将取样指令远程发送至无人船上的主控制器20。当主控制器20接收到取样指令后，提取出水质采样深度位置（取样深度）为3米、取样瓶5的编号为第3个和取样地点的坐标点。主控制器20通过动力装置3和定位系统24先将船体1自主巡航至该坐标点（取样地点的坐标点），再然后主控制器20根据获得的取样深度计算出取样步进电机13转动的角度，进而控制取样步进电机13将弹性水管17下放至取样深度的位置，随后主控制器20将根据获得的取样参数中取样瓶5的编号控制位置步进电机7将水泵10出水口滑动到第3个取样瓶5处（与该取样瓶5的编号相同的取样瓶5的入水口处）。再然后主控制器20启动水泵10将采集的水质样本放到取样瓶5中，同时主控制器20开始计时，当时间到达10秒后，关闭水泵10停止水质取样。当停止取样时，主控制器20将本次取样的位置信息（取样地点的坐标点）、取样深度、保存取样样本的取样瓶5的编号和取样时间（10秒）发送至上位机进行保存。最后控制位置步进电机7将水泵10的出水口左移至取样排水口12处，防止回收弹性水管17的过程中，水泵10中的水流入取样瓶5。主控制器20再控制取样步进电机13带动绞盘14的转动收回牵引线15，进而收回弹性水管17，当弹性水管17完全收回时仍然保持原来的形状为下次取样做好准备。
综上所述，当需要实体取样时，使用者可以通过上位机界面来来设定取样深度，然后无人船接收到取样指令后执行取样操作并将自己的位置信息上报的上位机，并且可以多次取样，提高的取样样本的多样性和可靠性，同时采取一定的措施确保样本之间不被污染。
本实施例还提供一种无人船取样系统的取样方法，使用者可以提前确定本次取样的水域、取样地点的坐标点以及取样深度，然后将无人船运到该水域附近，此时使用者可以通过上位机设置多组取样参数，例如：水质取样深度为3米、取样瓶5（用于保存水质样本）的编号为第3个和取样地点的坐标点，发送取样指令为：#SAMPLE#3#3#118.716231#32.207317，然后点击确认按钮远程发送至船体1上的主控制器20。当主控制器20接收到取样指令(如：#SAMPLE#3#3#118.716231#32.207317)时，先从指令分割出控制段SAMPLE，即：该指令为取样指令，然后分割出取样深度的数据为3米、取样瓶5的编号为第3个以及取样地点的坐标点(118.716231,32.207317)，然后无人船将根据北斗RTK定位系统24自主巡航至该坐标点进行取样。取样系统的整个工作流程如图4所示，下面结合取样流程图和取样机械结构详细说明取样方法。
第一步：取样系统初始化，上位机通过无线通信系统23发送初始化信号到主控制器20，主控制器20通过位置步进电机驱动模块控制位置步进电机7，位置步进电机7通过滑块9带动水泵10的出水口移动到取样排水口12；防止无人船在行驶过程中水泵10或弹性水管17残留的水污染下次取样。
第二步：上位机通过无线通信系统23发送取样指令到主控制器20，无人船实时判断是否接收到取样指令，当无人船接收的取样指令(如：#SAMPLE#3#3#118.716231#32.207317)，主控制器20从取样指令分割出控制段SAMPLE，从而获得取样参数，即：该指令为取样指令，然后分割出取样深度为3米、取样瓶5的编号为第3个以及取样地点的坐标点(118.716231,32.207317)。所述取样参数包括取样深度、取样瓶5的编号和取样地点的坐标点。
第三步：主控制器20获取取样参数后，根据取样地点的坐标点以及定位系统24定位的坐标点控制动力装置3，动力装置3带动船体1巡航至取样地点的坐标点；
第四步：主控制器20根据取样深度计算出取样步进电机13转动的角度，然后控制取样步进电机13，取样步进电机13带动绞盘14旋转从而将弹性水管17的进水端下放到与取样深度3米一致的位置；进一步说明，当取样步进电机13转动时会不停释放绞盘14上的牵引线15，从而使铅锤18带动牵引线15下端的弹性水管17会随牵引线15一起释放，然而通过控制绞盘14上的牵引线15来控制弹性水管17到达指定深度位置；
第五步：当弹性水管17到达指定深度位置（3米）后，为了避免弹性水管17中残留的水质污染取样样本，此时水泵10的出水口位于取样排水口12处。首先主控制器20通过水泵驱动模块控制水泵10，水泵10在第一预设时间段（第一预设时间段为20秒）内进行抽水，目的是为了排出弹性水管17中残留的水质，防止污染取样样品。水泵10达到20秒后停止抽水，即排出污水完成后，主控制器20根据获取的取样瓶5的编号控制位置步进电机7，位置步进电机7通过滑块9带动水泵10的出水口移动到第3个取样瓶5处（与该编号相同的取样瓶5的入水口处）；
第六步：当上述所有工作准备完成后，主控制器20通过水泵驱动模块再次控制水泵10，水泵10在第二预设时间段内进行抽水从而进行取样，水泵10达到第二预设时间段后停止抽水；进一步说明，根据大量不同深度取样实验获得当启动水泵10抽水10秒（第二预设时间段为10秒）时，既不会使抽取的水质样品溢出第3个取样瓶5又不会使水质样品过少。主控制器20首先启动水泵10将采集的水质样本放到第3个取样瓶5中，当到达10秒时间后，关闭水泵10停止水质取样；
第七步：当停止取样时，主控制器20通过无线通信系统23将本次取样的取样地点的坐标点、取样深度、取样瓶5的编号和第二预设时间段发送至上位机进行保存；
第八步：主控制器20通过位置步进电机驱动模块控制位置步进电机7，位置步进电机7通过滑块9带动水泵10的出水口移动到取样排水口12；防止收回弹性水管17的过程中，水泵10中的水流入取样瓶5。
第九步：主控制器20根据步骤（4）计算出的取样步进电机13转动的角度控制取样步进电机13，取样步进电机13带动绞盘14旋转从而收回牵引线15，弹性水管17收回从而保持自然形状；
第十步：本次取样完成后，无人船的主控制器20获取下一组取样地点的坐标点，根据北斗RTK定位系统24自主巡航至该坐标点进行取样进行再次取样时，重复以上操作（即第四步至第九步），主控制器20先控制水泵10抽水20秒,目的是为了排出水管11中残留的水质，防止上次取样时残留的水质污染本次取样样品。当排水完成后，主控制器20根据取样设置参数进行取样操作。
本实施例中的取样系统结构简单、可以指定取样深度和多次取样等，可以根据实际需要设定取样深度、取样地点，这样可以有效的解决取样的多样性。可以精确计算取样深度的位置，依据取样步进电机13转动的角度然后准确确定取样深度的位置。在取样过程中可以确保取样深度的可靠性以及取样过程中的稳定性。可以多次取样，取样水槽4内有9只取样瓶5，可以根据需要在同一地点取不同深度的水质样本或者多个不同地方的水质样本。有效的解决取样的多样性。还能解决多次取样的过程中取样样本之间污染的问题。控制简单，便于更换不同长度的弹性水管17以适应各种状况的水域。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。