技术领域：
本发明涉及一种无人船水质取样装置。
背景技术：
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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。目前市场上无人船取样方式不能指定深度取样、取样结构复杂繁重、易堵塞水管。因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
技术实现要素：
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针对上述问题，本发明设计开发了一种无人船水质取样装置，该装置可在指定水域获取指定深度的水质样本，在取样的过程中不会造成水管堵塞、水管打结和取样结构过于繁重等问题，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。
本发明所采用的技术方案有：一种无人船水质取样装置，包括船体、船体电机、螺旋桨和船体电池，所述船体电机和船体电池均设于船体上，且船体电机与船体电池之间通过导线相连，螺旋桨与船体电机的转轴相连，还包括牵引电机、牵引绳、铅锤、硬管、软管、输水管、水泵和样品存储单元，若干根所述硬管分层设置在船体上，且相邻地两根硬管之间通过软管密封连接，牵引绳由上至下依次穿设于所述硬管上，且牵引绳的顶端与牵引电机相连，底端与铅锤相连，最顶层的硬管与最底层的硬管均与牵引绳之间固定连接；输水管的一端与最顶层的硬管密封连接，另一端置于样品存储单元的上方，样品存储单元连接在船体上，水泵连接在输水管上。
进一步地，所述样品存储单元包括驱动电机、排污桶、取样瓶和安装架，所述排污桶固定于船体上，安装架转动连接在排污桶内，且安装架与排污桶同轴设置，安装架的圆周方向上均布有若干安装环，每个安装环内插接一个取样瓶，驱动电机固定于船体上，且驱动电机的输出轴与安装架固定连接。
进一步地，所述排污桶的侧壁上设有排污口。
进一步地，所述硬管的外壁上焊接有限位环，牵引绳穿设于限位环内。
进一步地，所述相邻的两硬管之间设有铰链，硬管固定连接在铰链的自由端。
进一步地，所述船体的底面设有安装槽，该安装槽沿着船体的高度方向设置，硬管和软管置于安装槽内。
进一步地，所述牵引电机的转轴上固定连接有绞线盘，牵引绳绕设于绞线盘上。
进一步地，所述牵引电机和驱动电机均为步进电机。
本发明具有如下有益效果：
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取样水管和取样瓶，更换简单易于操作。
2）本发明设计巧妙，能更加精确到达指定深度位置获取的水质样本，并确保取样过程中不会造成水管堵塞、水管打结等的情况。
3）该装置可以多次取样，同时避免取样样本污染等问题，确保取样的多样性。
附图说明：
图 1 为本发明结构图。
图 2 为本发明中硬管与软管之间的安装结构图。
图 3 为本发明中硬管展开后的示意图。
图 4 为本发明中样品存储单元的三维图。
图 5 为本发明中样品存储单元的俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图5，本发明一种无人船水质取样装置，包括船体11、船体电机12、螺旋桨13、船体电池14、牵引电机21、牵引绳22、铅锤23、硬管24、软管25、输水管26、水泵27和样品存储单元4，船体电机12和船体电池14均设于船体11内，且船体电机12与船体电池14之间通过导线相连。螺旋桨13设于船体11外，并与船体电机12的转轴相连。若干根硬管24分层设置在船体11上，且相邻地两根硬管24之间通过一个软管25密封连接，牵引绳22由上至下依次穿设于分层设置的硬管24上，且牵引绳22的顶端与牵引电机21的相连，牵引绳22的底端与铅锤23相连。最顶层的硬管24与最底层的硬管24均与牵引绳22之间固定连接。输水管26的一端与最顶层的硬管24密封连接，另一端置于样品存储单元4的上方。样品存储单元4连接在船体11上，水泵27连接在输水管26上。
下放牵引绳22，铅锤23使最底端的硬管24沉到所需位置。软管25将相邻两个硬管24连接起来，保证节点处的可折叠性。牵引绳22从硬管24上穿过，可以促使每个硬管24都保持在同一平面。牵引绳22牵引硬管24下放和收回。
本发明中的样品存储单元4包括驱动电机40、排污桶41、取样瓶42和安装架43，排污桶41固定于船体11上，安装架43通过轴与轴承转动连接在排污桶41内，且安装架43与排污桶41同轴设置。在安装架43的圆周方向上均布有8个安装环44，每个安装环44内插接一个取样瓶42。驱动电机40固定于船体11上，且驱动电机40的输出轴与安装架43固定连接。
在排污桶41的侧壁上设有排污口411。
采用可旋转的安装架43，安装架43上均匀分布着8个取样瓶42，相邻两个取样瓶42之间的夹角为45°。使用时，一个取样瓶42置于输水管26出水口的正下方，然后下放最底端的硬管24至所需位置，水泵27将该位置处的水抽至输水管26正下方的取样瓶42内，完成一个深度的采样。在对下一位置或深度采样时，为避免上一位置处残留在输水管26的水质进入到下一取样瓶42，造成采样不准确。因此在下一不同深度或位置处采样时，先下放最底端的硬管24至所需位置，然后通过驱动电机40驱动安装架43旋转22.5°，此时输水管26的出水口位于两个取样瓶的中间，然后水泵27抽水，并将输水管26内上一位置处的残留的水质完全排空，然后驱动电机40驱动安装架43再次旋转22.5°，使得下一位置处的取样瓶42位于输水管26出水口的正下方。
为便于牵引绳22穿接于硬管24上，在硬管24的外壁上焊接有限位环241，牵引绳22穿设于限位环241内。且牵引绳22扣设在最顶层和最底层的硬管24上的限位环241上。
在相邻的两硬管24之间设有铰链5，硬管24固定连接在铰链5的自由端。铰链5可以保证硬管24下放和收回的稳定性。
在船体11的底面设有安装槽110，该安装槽110沿着船体11的高度方向设置，硬管24和软管25置于安装槽110内。安装槽110进一步保证硬管24下放和收回的稳定性。
在牵引电机21的转轴上固定连接有绞线盘211，牵引绳22绕设于绞线盘211上。
为便于控制牵引电机21和驱动电机40的转动角度，牵引电机21和驱动电机40均为步进电机。
水泵27的工作电压为12V， 最大流量为：2L/min，水泵27采用L298N控制器，主要控制水泵的启动和停止。
牵引电机21作用为控制取样硬管24的下放和收起，采用42步进电机（42BYGH47-401A两相四线混合式）和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，所以驱动器设置为4细分下步距角为1.8/4=0.45°，即该步进电机转动一周需要800步。经过测量可得绞线盘211绕线轴的周长为8cm，进一步说该步进电机每转动一步0.01cm，而脉冲的频率采用600Hz，即步进电机的转速为：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，控制器根据接收到的取样深度来设置取样步进电机转动的（300/8）*800=30000步才能达到指定深度。当取样的结束时反向转动30000步即可把水管收回。
驱动电机40作用为控制取样瓶42的位置，驱动电机40采用42步进电机（42BYGH47-401A两相四线混合式）和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°。相邻两个取样瓶之间的夹角为45°，为了使输水管26出水口能精确对准相应的取样瓶，所以驱动器设置为4细分下步距角为1.8/4=0.45°，即该步进电机转动一周需要800步。例如当无人船启动时先初始化取样装置，驱动电机40转动样品存储单元4，并将取样瓶42置于输水管26出水口的正下方。当获取取样瓶编号为1时，即将水质样品存放再第1个取样瓶中，此时据水泵的排水口距离下一个取样瓶的夹角为45°，即位置步进电机需要转动100步即可到达第1个取样瓶处，依次类推，到达第2个取样瓶处需要位置步进电机转动200步。
在船体11上采用北斗RTK定位技术进行定位，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。
船体11采用GPRS无线系统，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。
本发明的使用步骤如下：
第一步：取样装置初始化，驱动电机40转动并使得输水管26出水口置于两取样瓶42之间，防止无人船在行驶过程中水泵或水管残留的水污染下次取样。
第二步：当无人船接收的取样指令，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位置、本次保存样本的取样瓶编号、以及取样坐标点。
第三步：无人船控制器获取的取样参数后，首先根据获得的取样深度位置计算出牵引电机21电机转动的角度，然后控制牵引电机21将硬管24下放至取样深度位置。
第四步：当硬管24到达指定深度位置后，为了避免输水管26残留的水质污染取样样本，此时输水管26的出水口位于两个取样瓶42的中间；无人船控制器控制水泵27，
先抽水30秒通过排污口411进行排出船体，目的是为了输水管26中残留的水质，防止污染取样样品。当排出污水完成后，无人船控制器将根据获得的取样参数中取样瓶的编号，转动安装架43并将相应编号取样瓶处与输水管26的出水口对应。当一切工作准备完成后，无人船控制器再控制水泵进行取样。
根据大量不同深度取样实验获得当启动水泵抽水15秒时，既不会使抽取的水质样品溢出取样瓶又不会使水质样品过少。无人船控制器首先启动水泵将采集的水质样本放到取样瓶中，当到达15秒时间后，关闭水泵停止水质取样。
第五步：当停止取样时，无人船控制器将本次取样的位置信息、取样深度、保存取样样本的取样瓶编号和取样时间发送至PC上位机进行保存，然后收回硬管24。
无人船控制器通过无线通信的方式将本次取样的位置信息、取样深度、保存取样样本的取样瓶编号和取样时间发送至PC上位机进行保存。然后控制驱动电机40顺时针转动取样瓶将其下一个排污处（两取样瓶之间位置）与输水管26的出水口对应，防止硬管24的过程中，水泵中的水流入取样瓶。最后取样步进电机带动绞盘的转动收回牵引绳22，进而收硬管24。
第六步：本次取样完成后，无人船获取下一组取样坐标点，根据北斗RTK定位系统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，无人船控制器先控制水泵抽水30秒,目的是为了排出水管中残留的水质，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，无人船控制器根据取样设置参数进行取样操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。