水質(zhì)采樣無人機的自動采樣器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水質(zhì)采樣設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到水質(zhì)采樣無人機用的一種自動采樣器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，水資源污染情況越來越嚴(yán)重，水資源的防治和保護也越來越受到重視，如何高效獲得水質(zhì)信息是水污染防治的前提，水質(zhì)采樣則是獲取水質(zhì)信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。利用無人機進行水質(zhì)采樣，相對于傳統(tǒng)的人工采樣和自動采樣的方式，不僅具有效率高、人員安全性高等優(yōu)點，而且可在復(fù)雜環(huán)境或者人船難以到達(dá)的地方采樣。由于多旋翼無人機技術(shù)基本成熟，實現(xiàn)水質(zhì)采樣無人機的關(guān)鍵是掛載在無人機上的水質(zhì)自動采樣器，在實現(xiàn)功能的同時盡量減輕本身的重量，提高水質(zhì)采樣無人機的工作時間；為了保證采樣無人機的安全，自動采樣裝置的取水部件應(yīng)具備升降功能。
[0003]在申請?zhí)枮?01420430386.5的中國實用新型/發(fā)明專利申請中，在取水部件吸水管的末端需要增加額外的重錘保證吸水管能下沉到水面以下，增加了整個采樣裝置的重量;雖然整個采樣無人機裝配有定高傳感器，能測量無人機距離水面的高度，但是沒有測量吸水管的下放長度，無法獲知采樣水質(zhì)的深度及定深度采樣的功能;另外，由于其沒有設(shè)計吸水管的收管裝置，在采樣完成后，吸水管不能收起，會給無人機飛行帶來較大的安全隱患，從而不能進行超視距采樣。
[0004]因此，本發(fā)明針對水質(zhì)采樣無人機的自動采樣器的重量、無法定深采樣和吸水管精確收放等問題，首次采用潛水栗和自適應(yīng)負(fù)反饋控制應(yīng)用于采樣無人機的自動采樣器，使其具有較輕的重量、定深采樣和吸水管精確收放，提高水質(zhì)采樣無人機的整體性能，應(yīng)用更廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種應(yīng)水質(zhì)采樣無人機的自動采樣器，能夠減輕機載水質(zhì)采樣器的重量、進行定深采樣和提高無人機載機安全性?？墒顾|(zhì)采樣無人機性能更優(yōu)，適應(yīng)范圍更廣，安全性更高，可以實現(xiàn)超視距采樣。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種水質(zhì)采樣無人機的自動采樣器，
[0008]包括主體支架、控制電路板、水樣采集裝置、升降裝置和樣品儲存裝置；
[0009]所述升降裝置中的減速齒輪從動部分通過軸承與主體支架相連;減速齒輪從動部分驅(qū)動樣品儲存裝置旋轉(zhuǎn)；
[0010]所述水樣采集裝置包括潛水栗、壓力液位傳感器和軟管，其中潛水栗和壓力液位傳感器安裝在一起，能夠?qū)崟r獲知潛水栗處于液面以下的深度，實現(xiàn)定深采樣;用于水樣傳輸?shù)能浌芤欢撕蜐撍醯某鏊诉B接，軟管的中間部分纏繞在樣品儲存裝置的外壁。
[0011 ]還包括分樣裝置，分樣裝置的進樣口和軟管聯(lián)接，分樣裝置多個出樣口分別和樣品儲存裝置的各層的進樣口連接，實現(xiàn)將水樣存儲到樣品儲存裝置的不同層。
[0012]樣品儲存裝置包括多層可拆卸塑料瓶，每一層和上一層之間通過螺紋相連。
[0013]當(dāng)旋轉(zhuǎn)樣品儲存時，在潛水栗的重力下，潛水栗會自動下降，同時伸縮桿會同步的收縮，實現(xiàn)水樣采集裝置下放；當(dāng)反向旋轉(zhuǎn)樣品儲存時，軟管會在樣品儲存裝置的外壁纏繞，同時伸縮桿會同步的伸長，實現(xiàn)了水樣采集裝置的收取。
[0014]分樣裝置與減速齒輪從動部分固定連接;樣品儲存裝置和分樣裝置固定連接;伺服電機帶動減速齒輪主動輪轉(zhuǎn)動，減速齒輪主動輪帶動減速齒輪從動部分轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動分樣裝置和樣品儲存裝置旋轉(zhuǎn)。
[0015]所述升降裝置還包括伸縮桿，軟管通過伸縮桿伸縮部分的末端圓孔。
[0016]分樣裝置的進樣口和軟管一端通過流量傳感器連接。
[0017]在伸縮桿圓孔的一邊安裝有接近開關(guān)，當(dāng)潛水栗接近接近開關(guān)時，其輸出歸零信號給控制電路板的控制器。
[0018]控制電路板對自動采樣器的定高傳感器、水樣采集裝置、升降裝置、分樣裝置、樣品儲存裝置進行控制和采樣，并接收無人機系統(tǒng)發(fā)送過來的控制信號，完成無人機懸停高度、潛水栗采樣深度、采樣流量、樣品采樣體積和/或儲存位置的控制。
[0019]—種使用自動采樣器進行無人機水樣采集的方法，其特征在于:包括如下步驟:
[0020]系統(tǒng)自檢，自檢通過后收取潛水栗，進入歸零狀態(tài)，并將自檢結(jié)果發(fā)送給無人機系統(tǒng)；
[0021]設(shè)定采樣點坐標(biāo)位置、水質(zhì)采樣無人機的飛行軌跡、采樣深度和采樣水量參數(shù)；
[0022]無人機根據(jù)軌跡飛行到采樣點的位置，并通過自動采樣器反饋的高度信息懸停在距離液面一定高度的地方；
[0023]自動采樣器根據(jù)懸停高度、采樣深度參數(shù)控制升降裝置下放潛水栗，并實時根據(jù)壓力液位傳感器檢測潛水栗的深度，當(dāng)潛水栗的深度滿足采樣要求后，停止下發(fā)潛水栗；
[0024]根據(jù)采樣水量的參數(shù)確定樣品在樣品儲存裝置中的位置，完成后給潛水栗通電開始采樣；
[0025]在采樣過程中，根據(jù)流量傳感器反饋的流量進行采樣流量控制，根據(jù)流量計算采集水量，當(dāng)采集水量滿足要求后，停止采樣，收取潛水栗，進入歸零狀態(tài)；
[0026]此時根據(jù)控制指令進行下一個采樣點采樣或者返航。
[0027]—種水質(zhì)采樣無人機的自動采樣裝置，包含主體支架、定高傳感器、壓力液位傳感器、水樣采集裝置、升降裝置、分樣裝置、樣品儲存裝置和控制電路板;其中定高傳感器、采樣攝像頭、水樣采集裝置、升降裝置、分樣裝置、樣品儲存裝置和電路板均安裝在主體支架上，主體支架通過接口安裝到無人機機身上，為了保證采樣無人機的高效，整個系統(tǒng)需要進行合理放置，保證采樣系統(tǒng)的重心在無人機允許范圍內(nèi)；控制電路板負(fù)責(zé)水樣采集、升降裝置、分水裝置的實時控制，并且負(fù)責(zé)定高傳感器、壓力液位傳感器的數(shù)據(jù)采集和與無人機控制系統(tǒng)的通信。
[0028]所述水樣采集裝置包括潛水栗、壓力液位傳感器、柔性水管、流量傳感器，其中潛水栗和壓力液位傳感器安裝在一起，可以實時獲知潛水栗處于液面以下的深度，進而可以完成定深采樣;潛水栗為水質(zhì)采樣的動力部件，通過自身的重量即可消除水流浮力對采樣造成的影響。潛水栗與柔性水管一端相連，中間水管可通過升降裝置進行收放，另外一端與流量傳感器連接，流量傳感器再和分水裝置連接，分水裝置將水樣分配到樣品儲存裝置的不同容器。
[0029]所述升降裝置有支架結(jié)構(gòu)、伺服電機、磁編碼器、減速齒輪、滑環(huán)、軸承、接近開關(guān)、伸縮桿、陶瓷眼部件。伺服電機末端裝有磁編碼器，其通過減速齒輪驅(qū)動分樣裝置、樣品儲存裝置旋轉(zhuǎn)，以樣品儲存裝置的外壁為柔性水管纏繞的基體，通過順時針(從上向下看)旋轉(zhuǎn)樣品儲存裝置，柔性水管在樣品儲存裝置的外壁逐步纏繞，實現(xiàn)水樣采集裝置的收取。柔性水管通過伸縮桿的末端圓口，圓口內(nèi)壁套用陶瓷眼，減少對軟管的摩擦和磨損;在圓口的右側(cè)裝有接近開關(guān)，作為水樣采集裝置收取到位反饋;升降裝置通過軸承和滑環(huán)和采樣裝置相連。
[0030]所述分樣裝置包括進樣口、一個三通閥、一個四通閥和五個夾管閥，有三個出樣口，通過水管將水樣分配到樣品儲存裝置的不同存儲瓶，分樣裝置上部與升降裝置連接，下部與樣品儲存裝置連接。分樣裝置通過夾管閥的不同開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)水樣分配。
[0031]所述樣品儲存裝置由三層可拆卸塑料瓶組成，每層塑料瓶均有進樣口和出樣口，出樣口常規(guī)采樣塞子堵住，每一層和上一層之間通過螺紋相連，可以根據(jù)采樣點的個數(shù)及采樣量的大小靈活選擇樣品儲存裝置的層數(shù)。采集完成后，可將樣品儲存裝置拆下直接保存，并更換另外的樣品儲存裝置。樣品儲存裝置通過螺紋和分樣裝置連接。
[0032]控制電路板包含32位微處理器、伺服電機驅(qū)動模塊、編碼器接口、伸縮桿驅(qū)動模塊、液體流量計接口、壓力液位傳感器接口、超聲波定高傳感器接口、潛水栗控制接口、夾管閥控制接口和攝像頭電源控制接口 ；控制電路板與無人機之間為電源接口和通信接口，電源接口為整個自動采樣器的電源輸入，通信接口負(fù)責(zé)接收地面站發(fā)送的采樣指令，并實時反饋自動采樣器的狀態(tài)、定高傳感器的高度、采樣器水深等數(shù)據(jù)。
[0033]本發(fā)明的有益效果為:不僅通過潛水栗作為采樣的動力裝置，有效的減輕了整個自動采樣裝置的重量，提高了整個水質(zhì)采樣無人機的性能；同時通過升降裝置和在取樣口增加壓力液位傳感器，可實時獲知采樣口的深度，并通過升降裝置實時負(fù)反饋調(diào)節(jié)采樣口的深度，進而實現(xiàn)定深采樣;而且通過升降裝置，可靈活實現(xiàn)水樣采集裝置的升降，在無人機飛行過程中將水樣采集裝置收起，提高無人機飛行過程的安全性。此外，采用靈活分層的樣品儲存裝置，可根據(jù)采樣需求靈活選擇樣品儲存的層數(shù)，提高整個采樣裝置的性能。經(jīng)過上述功能的實現(xiàn)，水質(zhì)采樣無人機具備更廣泛的應(yīng)用，可實現(xiàn)超視距自動采樣。
[0034]本發(fā)明發(fā)明點還在于:采用潛水栗作為最終端深入水中，由于潛水栗揚程比較大，對無人機懸停水面的高度限制不高;且潛水栗自身重量可作為采樣頭在水中下沉的重量，不需要額外增加質(zhì)量保證采樣頭下沉，從而減小整個無人機采樣載荷的重量;同時，與一般管狀或盒裝采樣裝置相比，潛水栗栗口容易增加過濾裝置。
[0035]本發(fā)明發(fā)明點還在于:在潛水栗與壓力傳感器配合使用，可實時知道采集的水質(zhì)樣品的深度，深度信息為水質(zhì)樣品中比較重要的參數(shù);可實現(xiàn)可控的定深采樣，當(dāng)采樣頭達(dá)到采樣要求的水深后，在開始采樣。
[0036]本發(fā)明發(fā)明點還在于:采用軟管纏繞的方式，可有效收納軟管，解決超視距無人機飛行的安全問題，同時解決降落時采樣頭落地被污染的問題。配合分液裝置和儲液裝置旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)軟管的下放，解決定深采樣中采樣頭深度穩(wěn)定的問題。而以分液裝置和儲液裝置旋轉(zhuǎn)作為軟管纏繞的基體，不需要增加額外的結(jié)構(gòu)作為軟管纏繞的基體，減輕了載荷的重量；且儲液裝置的外徑尺寸比較合適作為纏繞軟管；由于軟管需要纏繞，儲液裝置旋轉(zhuǎn)與另外一端相連，一起旋轉(zhuǎn)使相連接口結(jié)構(gòu)比較簡單。而采用伸縮桿可解決軟管均勻纏繞在儲液管的問題。
【附圖說明】
[0037]下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0038]圖1為本發(fā)明實