本發(fā)明涉及一種基于無(wú)人艇的自主水樣采集系統(tǒng)，屬于無(wú)人艇應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)今，由于資源的過(guò)度利用及污染對(duì)環(huán)境的破壞等原因，水質(zhì)惡化加劇，水質(zhì)監(jiān)測(cè)越來(lái)越重要。水質(zhì)監(jiān)測(cè)是監(jiān)視和測(cè)定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況的過(guò)程。監(jiān)測(cè)范圍十分廣泛，包括未被污染和已受污染的天然水、河、湖、海和地下水及各種各樣的工業(yè)排水等，而在水質(zhì)的檢測(cè)中水樣的獲取是至關(guān)重要的。

目前國(guó)家對(duì)水域資源的環(huán)境監(jiān)測(cè)大多還是停留在傳統(tǒng)人工采集的方式，即定期對(duì)湖泊和河流展開環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。這種方式的弊端是不夠靈活，需要耗費(fèi)大量的人力和物力，同時(shí)不能適用于復(fù)雜多變的水體環(huán)境，造成部分水域外業(yè)數(shù)據(jù)的空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

隨著自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)及無(wú)人技術(shù)的發(fā)展，一種小型化水面自主航行載體--無(wú)人艇進(jìn)入人們的視野，對(duì)于一種小型水面無(wú)人艇而言，其上一般搭載有g(shù)ps、北斗、慣導(dǎo)、激光雷達(dá)、攝像頭等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自主避障、路徑規(guī)劃等功能?？膳浜现|(zhì)采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式的自主采樣過(guò)程，并可實(shí)時(shí)在線記錄數(shù)據(jù)，大大的減輕了相關(guān)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及降低工作的危險(xiǎn)吸收，縮短了采樣的時(shí)間，提高了采樣效率。

本發(fā)明的目的是提供一種基于無(wú)人艇的自主水樣采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非定點(diǎn)式的自動(dòng)化采樣過(guò)程，解決了采樣水域的局限性、提高了整體采樣的效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于無(wú)人艇的自主水樣采集系統(tǒng)，主要包括信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊、無(wú)人艇自主定位系統(tǒng)、采水器系統(tǒng)、遠(yuǎn)程服務(wù)端以及供電系統(tǒng)；所述信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器端之間通過(guò)4g網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；所述無(wú)人艇自主定位系統(tǒng)與信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊之間采用rs232標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊，其之間的交互數(shù)據(jù)主要是無(wú)人艇所在水域的地理位置；所述信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊與采水器系統(tǒng)之間的通訊同樣采用的是rs232傳輸協(xié)議，其之間的數(shù)據(jù)交互主要是采集水樣的信息（如水樣的容量、采樣時(shí)間、采樣水深度等等）；所述供電系統(tǒng)是由蓄電池和升降壓模塊組成。

所述信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊由信息處理層和遠(yuǎn)程通訊層組成；其中，所述遠(yuǎn)程通訊層由網(wǎng)絡(luò)通訊模塊組成，在網(wǎng)絡(luò)通訊模塊中集成了gprs模塊，與遠(yuǎn)程服務(wù)器端的傳輸協(xié)議是4g網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程通訊層接收遠(yuǎn)程發(fā)來(lái)的控制指令和通過(guò)4g網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)回水樣及無(wú)人艇狀態(tài)信息；所述信息處理層由stm32單片機(jī)、兩個(gè)rs232轉(zhuǎn)ttl模塊和一個(gè)ttl轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊組成；其中stm32單片機(jī)為信息處理層中的核心處理器，分別與兩個(gè)rs232轉(zhuǎn)ttl模塊和一個(gè)ttl轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊連接，完成信息融合和信息的處理；信息融合是融合無(wú)人艇位置信息以及水樣采集狀態(tài)信息，另外，信息的處理是集中處理融合的信息和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊發(fā)來(lái)的控制指令。

所述遠(yuǎn)程服務(wù)端由數(shù)據(jù)交互界面、服務(wù)器，以及數(shù)據(jù)庫(kù)組成；由管理人員在數(shù)據(jù)交互界面發(fā)出執(zhí)行命令后，由遠(yuǎn)端的信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊接收命令，并執(zhí)行；同時(shí)，數(shù)據(jù)交互界面實(shí)時(shí)接收信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊返回的數(shù)據(jù)信息，并遠(yuǎn)程連接服務(wù)器；將最終的數(shù)據(jù)錄入到服務(wù)器后端的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)用戶獲取到對(duì)應(yīng)權(quán)限后，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

所述無(wú)人艇自主定位系統(tǒng)由無(wú)人艇中央處理器、定位模塊、電源模塊、控制模塊、路徑規(guī)劃模塊組成；所述的定位模塊由gps、北斗、慣導(dǎo)的傳感器組成；所述的電源模塊由電源監(jiān)控模塊和電源管理模塊組成；所述的控制模塊是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成；無(wú)人艇中央處理器從信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊上接收?qǐng)?zhí)行命令后，經(jīng)過(guò)路徑規(guī)劃模塊基于離線式的海圖規(guī)劃出相應(yīng)的最優(yōu)路徑，規(guī)劃完的路徑就是無(wú)人艇的巡航軌跡；基于定位模塊的位置信息和巡航軌跡的偏差作為控制模塊的輸入量，通過(guò)pid算法輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；當(dāng)無(wú)人艇到達(dá)指定采水地點(diǎn)后，反饋位置信息來(lái)通知信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊開始采水作業(yè)；采水完成后，由信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊發(fā)回返回指令，無(wú)人艇自主的根據(jù)前面規(guī)劃的路徑返回回收點(diǎn)。

所述采水器系統(tǒng)由stm32中央處理器、水量反饋裝置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、取水裝置、水樣存儲(chǔ)器以及條形碼掃描器組成；所述的水量反饋裝置由紅外對(duì)射管、容量標(biāo)尺桿組成，通過(guò)紅外對(duì)射管實(shí)時(shí)檢測(cè)水量是否到達(dá)所指定的采集容量，紅外對(duì)射管固定在容量標(biāo)尺桿上，通過(guò)調(diào)節(jié)紅外對(duì)射管高度位置，來(lái)設(shè)定取水的容量；所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用來(lái)存儲(chǔ)取水時(shí)水樣的相關(guān)信息；所述的取水裝置是由轉(zhuǎn)盤、水泵、導(dǎo)流管組成；轉(zhuǎn)盤是固定水樣存儲(chǔ)器的裝置，取水過(guò)程是通過(guò)水泵抽取河水中的水，再由導(dǎo)流管輸出到制定的容量瓶中；所述水樣存儲(chǔ)器是由容量瓶和條形碼組成，每個(gè)容量瓶上都貼有唯一識(shí)別的信息的條形碼號(hào)；所述條形碼掃描器是用來(lái)掃描水樣存儲(chǔ)器上的條形碼標(biāo)識(shí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)自主的采水過(guò)程，并可應(yīng)用于江、河、湖、海等不同水域進(jìn)行采水作業(yè)，采水過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。大大降低了人工成本，提高了整個(gè)采水效率。另外增加了信息交互平臺(tái)，用戶可非常方便的從網(wǎng)絡(luò)中獲取對(duì)應(yīng)水樣的參數(shù)信息，廢棄了人工記錄的傳統(tǒng)方式。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于無(wú)人艇的自主水樣采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的遠(yuǎn)程服務(wù)器端示意圖。

圖4為本發(fā)明的無(wú)人艇自主定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明的采水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于無(wú)人艇的自主水樣采集系統(tǒng)，主要包括信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊、無(wú)人艇自主定位系統(tǒng)、采水器系統(tǒng)、遠(yuǎn)程服務(wù)端以及供電系統(tǒng)；所述信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器端之間通過(guò)4g網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通訊交互數(shù)據(jù)為兩類，分別是數(shù)據(jù)信息和命令信息；所述無(wú)人艇自主定位系統(tǒng)與信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊之間采用rs232標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊，其之間的交互數(shù)據(jù)主要是無(wú)人艇所在水域的地理位置；所述信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊與采水器系統(tǒng)之間的通訊同樣采用的是rs232傳輸協(xié)議，其之間的數(shù)據(jù)交互主要是采集水樣的信息；所述供電系統(tǒng)由2塊容量12v45ah的蓄電池和升降壓模塊組成。升降壓模塊的輸入是蓄電池的12v電壓，經(jīng)過(guò)主要升降壓后可輸出5v、3.3v和12v這三種不同的電壓，供給不同驅(qū)動(dòng)電壓的器件使用。

如圖2所示，所述信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊由信息處理層和遠(yuǎn)程通訊層組成；其中，所述遠(yuǎn)程通訊層由網(wǎng)絡(luò)通訊模塊組成，在網(wǎng)絡(luò)通訊模塊中集成了gprs模塊，與遠(yuǎn)程服務(wù)器端的傳輸協(xié)議是4g網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程通訊層接收遠(yuǎn)程發(fā)來(lái)的控制指令和通過(guò)4g網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)回水樣及無(wú)人艇狀態(tài)信息；所述信息處理層由stm32單片機(jī)、兩個(gè)rs232轉(zhuǎn)ttl模塊和一個(gè)ttl轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊組成；其中stm32單片機(jī)為信息處理層中的核心處理器，分別與兩個(gè)rs232轉(zhuǎn)ttl模塊和一個(gè)ttl轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊連接，完成信息融合和信息的處理；信息融合是融合無(wú)人艇位置信息以及水樣采集狀態(tài)信息，另外，信息的處理是集中處理融合的信息和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊發(fā)來(lái)的控制指令。處理完的信息產(chǎn)生兩個(gè)包，分別是數(shù)據(jù)包和控制包，然后再把對(duì)應(yīng)的信息分發(fā)給遠(yuǎn)程和底層。其整個(gè)工作方式為：在遠(yuǎn)程通訊層接收到由遠(yuǎn)程通過(guò)4g網(wǎng)絡(luò)發(fā)回的控制命令后，在這層中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊數(shù)據(jù)解析成tcp/ip的協(xié)議傳輸?shù)叫畔⑻幚韺?。在信息處理層中，由stm32中央處理器處理，將指令進(jìn)行解析，解析完的指令數(shù)據(jù)通過(guò)rs232轉(zhuǎn)ttl模塊，轉(zhuǎn)發(fā)給下面的執(zhí)行器件。反之亦然。

如圖3所示，所述遠(yuǎn)程服務(wù)端由數(shù)據(jù)交互界面、服務(wù)器，以及數(shù)據(jù)庫(kù)組成；由管理人員在數(shù)據(jù)交互界面發(fā)出執(zhí)行命令后，由遠(yuǎn)端的信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊接收命令，并執(zhí)行；同時(shí)，數(shù)據(jù)交互界面實(shí)時(shí)接收信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊返回的數(shù)據(jù)信息，并遠(yuǎn)程連接服務(wù)器；將最終的數(shù)據(jù)錄入到服務(wù)器后端的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)用戶獲取到對(duì)應(yīng)權(quán)限后，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

如圖4所示，所述無(wú)人艇自主定位系統(tǒng)由無(wú)人艇中央處理器、定位模塊、電源模塊、控制模塊、路徑規(guī)劃模塊組成；所述的定位模塊由gps、北斗、慣導(dǎo)的傳感器組成；所述的電源模塊由電源監(jiān)控模塊和電源管理模塊組成；所述的控制模塊是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成；無(wú)人艇中央處理器從信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊上接收?qǐng)?zhí)行命令后，經(jīng)過(guò)路徑規(guī)劃模塊基于離線式的海圖規(guī)劃出相應(yīng)的最優(yōu)路徑，規(guī)劃完的路徑就是無(wú)人艇的巡航軌跡；基于定位模塊的位置信息和巡航軌跡的偏差作為控制模塊的輸入量，通過(guò)pid算法輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；當(dāng)無(wú)人艇到達(dá)指定采水地點(diǎn)后，反饋位置信息來(lái)通知信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊開始采水作業(yè)；采水完成后，由信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊發(fā)回返回指令，無(wú)人艇自主的根據(jù)前面規(guī)劃的路徑返回回收點(diǎn)。

如圖5所示，所述采水器系統(tǒng)由stm32中央處理器、水量反饋裝置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、取水裝置、水樣存儲(chǔ)器以及條形碼掃描器組成；所述的水量反饋裝置由紅外對(duì)射管、容量標(biāo)尺桿組成，通過(guò)紅外對(duì)射管實(shí)時(shí)檢測(cè)水量是否到達(dá)所指定的采集容量，紅外對(duì)射管固定在容量標(biāo)尺桿上，通過(guò)調(diào)節(jié)紅外對(duì)射管高度位置，來(lái)設(shè)定取水的容量；所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用來(lái)存儲(chǔ)取水時(shí)水樣的相關(guān)信息；所述的取水裝置是由轉(zhuǎn)盤、水泵、導(dǎo)流管組成；轉(zhuǎn)盤是固定水樣存儲(chǔ)器的裝置，取水過(guò)程是通過(guò)水泵抽取河水中的水，再由導(dǎo)流管輸出到制定的容量瓶中；所述水樣存儲(chǔ)器是由容量瓶和條形碼組成，每個(gè)容量瓶上都貼有唯一識(shí)別的信息的條形碼號(hào)；所述條形碼掃描器是用來(lái)掃描水樣存儲(chǔ)器上的條形碼標(biāo)識(shí)。

所述的采集器系統(tǒng)與信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊之間的信息交互是水樣的狀態(tài)信息。由stm32中央處理器接收到采樣指令后，啟動(dòng)取水裝置，通過(guò)轉(zhuǎn)盤將空的容量瓶轉(zhuǎn)制到待采水區(qū)，在容量瓶轉(zhuǎn)至待取水區(qū)域的同時(shí)，由條形碼掃描器掃描出容量瓶上的條形碼，方便對(duì)容量瓶信息的識(shí)別，啟動(dòng)水泵將水從待取水區(qū)域抽取上來(lái)，并通過(guò)導(dǎo)流管將水灌入容量瓶?jī)?nèi)。在整個(gè)取水的過(guò)程中，由紅外對(duì)射管實(shí)時(shí)反饋水量信息。當(dāng)水量達(dá)到事先標(biāo)好的水位時(shí)，水量反饋裝置會(huì)發(fā)出一個(gè)標(biāo)志位給stm32中央處理器，即采水完成。然后將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)，并由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的信息反饋給stm32中央處理器，再由stm32中央處理器分發(fā)給信息處理及遠(yuǎn)程通訊模塊。