CN105242023A - 一种水域多功能监测无人船 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水域多功能监测无人船，包括船体及设置于船体上的动力装置、控制设备和应用设备，船体设置五个负载舱室；控制设备包括可编程控制器、导航装置、通讯装置，可编程控制器通过通讯接口连接动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备，可编程控制器用于接收动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备的监测数据和运行信息，并通过通讯接口向动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备发送控制指令；船体上还设有水质采样设备。无人船以可编程控制器为核心，采用内部总线和通讯板卡统一管理其他设备。本发明无人船性价比高，便于携带，易于操作，集环境监测、水质监测、水质采样、流速流量监测等功能于一体，极大提高水域监测作业效率。

Description

一种水域多功能监测无人船

技术领域

本发明涉及无人船自动控制领域，具体涉及一种水域多功能监测无人船。

背景技术

传统的水质监测需人工下水监测和手动采样，一般先租借船只，再划船到指定地点进行相关操作，当监测对象是大型水库或湖泊时，工作量大且难以保证每次能“定点、定时，定量、定深”规范操作。对于每年各水域既定的监测计划，往往需要投入大量的人力物力，而且工作人员常常置身于恶劣和危险环境中，尤其在应急水质监测时，灵活性不够，难以进行高效的监测工作。

在申请号为201010168446.7的中国发明专利申请中，所述水质采样机器人采样设备无法完成国家在《地表水和污水监测技术规范HJ/T91-2002》中的相关要求，当部分水域采样水深超过10m时，所述采样器中设置的蠕动泵是不能实现的，同时也没有实现定深采样；而且该船只设置尾部螺旋桨，在有风和水流情况下船易漂移，不能实现定点采样；该船不具备水下探测防撞功能，容易被渔网、树枝挂住；最后该船舱位为一体化设计，不适于装置隔离和功能拓展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种水域多功能监测无人船，集环境监测、水质监测、水质采样、流速流量监测等功能于一体，具备全自动导航、全自动采样、全自动气象监控等功能。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种水域多功能监测无人船，包括船体及设置于船体上的动力装置、控制设备和应用设备，所述船体设置五个负载舱室、在船体的船舷外侧设置有缓冲胶垫；所述控制设备包括可编程控制器、导航装置、通讯装置，所述可编程控制器通过通讯接口连接动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备，可编程控制器用于接收动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备的监测数据和运行信息，并通过通讯接口向动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备发送控制指令。

按上述方案，所述船体上还设有水质采样设备，水质采样设备包括调温箱、采样瓶、增压泵、采样管、排水管、采样电磁阀、排水电磁阀和排气孔，采样瓶放置在调温箱中，其中采样管经过增压泵、采样电磁阀与采样瓶相连，采样瓶底部设置排水管和排水电磁阀，采样瓶左上侧开有排气孔；所述采样电磁阀、排水电磁阀均与可编程控制器连接。

按上述方案，所述导航装置包括GNSS导航***和IMU惯性测量单元，所述IMU惯性测量单元包括三轴电子罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和信号处理芯片。

按上述方案，所述通讯装置包括北斗、LTE、数传电台、图传电台，其中北斗的北斗天线、数传电台的电台天线及图传电台的视频天线都安装在无人船顶部；可编程控制器通过北斗、LTE和数传电台与测控中心形成联动，实现数据存储、录波回放功能。

按上述方案，所述应用设备包括气象监测设备、水质采样监测探头、视频设备、语音设备、告警灯，所述水质采样监测探头包括水深仪、水质在线监测设备、污泥采样设备、采样管进水管头和ADCP测流设备。

按上述方案，所述船体上还设有全方位的壁障设备，所述壁障设备通过总线与可编程控制器相连，包括激光雷达、数字雷达和前视声纳。

按上述方案，所述动力装置包括电源、电机、螺旋桨、升降机和导线箱，所述电源包括电池组和燃料箱；所述电机包括尾部燃气发动机和侧翼电动机；所述螺旋桨包括尾部螺旋桨、侧翼螺旋桨、尾部舵机；所述升降机包括电动机和卷扬器，卷扬器卷绕水质采样监测探头尾部设置，具体为：卷扬器挂靠采样管进水管头、水深仪的探头、水质在线监测设备、污泥采样器、ADCP测流设备设置；所述导线箱包括导轨滑轮和挂钩。

按上述方案，所述气象监测设备包括气温传感器、气压传感器、湿度传感器和风速仪。

按上述方案，所述水质在线监测设备包括水温传感器、盐度和电导传感器、pH传感器、溶解氧传感器、浊度传感器。

本发明的有益效果是：

1、本发明无人船以可编程控制器为核心，采用内部总线和通讯接口板卡统一管理通讯装置、导航装置、动力装置、壁障设备和应用设备，集环境监测、水质监测、水质采样、流速流量监测等功能于一体，具备全自动导航、全自动采样、全自动气象监控等功能，极大提高水域监测作业自动化水平；无人船性价比高，便于携带，易于操作，能提供更加便捷、科学、高效的水质采样等服务，提高水域环境监测效率；

2、通过控制船体侧翼电动机和尾部燃气发动机协同工作，使船体在监测和采样过程中具备抵抗风和水流干扰能力，实现定点采样；水质采样设备完全响应国家现行水质采样全部技术要求，实现“定点、定时、定深、定量”的准确采样；

3、装有数字雷达、激光雷达和前视声纳的壁障设备，不仅能在复杂水面交通状况下壁障，而且能有效规避水下障碍，实现全方位壁障；

4、水质采样监测探头中设置水深仪，通过水柱垂向各点的水深和水质监测，生成单点立体采样方案，并通过增压泵使水质采样设备具备超深采样功能(超过10m)；

5、可编程控制器还具备数据存储、录波回放功能，不仅能保存采样的数据，而且能记录作业过程各项数据，通过北斗、LTE和数传电台与测控中心形成联动；

6、船体设置五个舱室，适于装置隔离和功能拓展，能友好响应用户定制需求。

附图说明

图1是本发明的结果示意图；

图2是气象监测设备；

图3是本发明水质采样设备的结构示意图；

图4本发明中采样监测设备；

图中：1-船体，2-缓冲胶垫，3-可编程控制器，4-导航装置，5-通讯装置，6-气象监测设备，7-水质采样设备，8-水质采样监测探头，9-视频设备，10-语音设备，11-告警灯，12-激光雷达，13-数字雷达，14-前视声纳，15-电池组，16-燃料箱，17-卷扬器，18导线箱，19-尾部燃气发动机，20-尾部螺旋桨，21-尾部舵机，22-侧翼电动机，23-侧翼螺旋桨，24-北斗天线，25-电台天线，26-视频天线，61-气温传感器，62-气压传感器，63-湿度传感器，64-风速仪，71-调温箱，72-采样瓶，73-增压泵，74-采样管，75-排水管，76-采样电磁阀，77-排水电磁阀，78-排气孔，81-水深仪，82-水质在线监测设备，83-污泥采样设备，84-采样管进水管头，85-ADCP测流设备。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明所述的水域多功能监测无人船，包括船体1及设置于船体1上的动力装置、控制设备和应用设备，所述船体1设置1#～5#五个负载舱室、在船体1的船舷外侧设置有缓冲胶垫2；所述控制设备包括可编程控制器3、导航装置4、通讯装置5，所述可编程控制器3通过通讯接口连接动力装置、导航装置4、通讯装置5和应用设备，可编程控制器3用于接收动力装置、导航装置4、通讯装置5和应用设备的监测数据和运行信息，并通过通讯接口向动力装置、导航装置4、通讯装置5和应用设备发送控制指令。

所述船体1上还设有水质采样设备7，如图3所示，水质采样设备7包括调温箱71、采样瓶72、增压泵73、采样管74、排水管75、采样电磁阀76、排水电磁阀77和排气孔78，采样瓶72放置在调温箱71中，其中采样管74经过增压泵73、采样电磁阀76与采样瓶72相连，采样瓶72底部设置排水管75和排水电磁阀77，采样瓶72左上侧开有排气孔78；所述采样电磁阀76、排水电磁阀77均与可编程控制器3连接(通过可编程控制器3控制其通断)。

所述导航装置4包括GNSS导航***和IMU惯性测量单元，所述IMU惯性测量单元包括三轴电子罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和信号处理芯片。

所述通讯装置5包括北斗、LTE、数传电台、图传电台，其中北斗的北斗天线24、数传电台的电台天线25及图传电台的视频天线26都安装在无人船顶部；所述可编程控制器3通过北斗、LTE和数传电台与测控中心形成联动，实现数据存储、录波回放功能。

所述应用设备包括气象监测设备6、水质采样监测探头8、视频设备9、语音设备10、告警灯11，如图4所示，所述水质采样监测探头8包括水深仪81、水质在线监测设备82、污泥采样设备83、采样管进水管头84和ADCP测流设备85。

本实施例中，所述船体1上还设有全方位的壁障设备，所述壁障设备通过总线与可编程控制器相连，包括激光雷达12、数字雷达13和前视声纳14，组成水面上下多维壁障***，不仅能在复杂水面交通状况下壁障，而且能有效规避水下障碍。

本实施例中，所述动力装置包括电源、电机、螺旋桨、升降机和导线箱18，所述电源包括电池组15和燃料箱16；所述电机包括尾部燃气发动机19和侧翼电动机22(无刷直流电机)；所述螺旋桨包括尾部螺旋桨20、侧翼螺旋桨23、尾部舵机21；所述升降机包括电动机和卷扬器17，卷扬器17卷绕水质采样监测探头8尾部设置，具体为：卷扬器17挂靠采样管进水管头84、水深仪81的探头、水质在线监测设备82、污泥采样器83、ADCP测流设备85设置；所述导线箱18包括导轨滑轮和挂钩。

本实施例中，如图2所示，所述气象监测设备6包括气温传感器61、气压传感器62、湿度传感器63和风速仪64。

本实施例中，所述水质在线监测设备82包括水温传感器、盐度和电导传感器、pH传感器、溶解氧传感器、浊度传感器。

本发明水质采样设备7完全响应国家现行水质采样全部技术要求，实现“定点、定时、定深、定量”的准确采样，采样过程如下：

1)无人船通过控制设备的导航装置4自动导航运行到指定采样点，并启动动力装置的侧翼电动机22控制侧翼螺旋桨23动作，保持船体无横向飘移；

2)控制伺服电机将水质采样监测探头8放入水中，得到采样点总水深，生成单点采样方案；

3)控制伺服电机将水质采样监测探头8下放至上一步计算出来的水深点，通过监控水深仪可以得到水质采样监测探头8所处位置(水质采样监测探头8能自然沉入水中)；

4)可编程控制器3控制水质采样设备7的采样电磁阀76导通，启动增压泵73向采样瓶72中灌满水样，然后控制排水电磁阀77导通，保证水质采样设备7过水部件被采样点的水冲洗3-4遍后，先关闭增压泵73、再关闭采样电磁阀76和排水电磁阀77，其中增压泵73中有流量传感器，能实现采样量的控制；可编程控制器3可以控制采样电磁阀76和排水电磁阀77的通断，将水样采入不同类型及容量的采样瓶72，并能协调控制各设备工作；无人船自主返航后，可编程控制器3控制排水电磁阀77把水样导入采样管74。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水域多功能监测无人船，其特征在于：包括船体及设置于船体上的动力装置、控制设备和应用设备，所述船体设置五个负载舱室、在船体的船舷外侧设置有缓冲胶垫；所述控制设备包括可编程控制器、导航装置、通讯装置，所述可编程控制器通过通讯接口连接动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备，可编程控制器用于接收动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备的监测数据和运行信息，并通过通讯接口向动力装置、导航装置、通讯装置和应用设备发送控制指令。

2.根据权利要求1所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述船体上还设有水质采样设备，水质采样设备包括调温箱、采样瓶、增压泵、采样管、排水管、采样电磁阀、排水电磁阀和排气孔，采样瓶放置在调温箱中，其中采样管经过增压泵、采样电磁阀与采样瓶相连，采样瓶底部设置排水管和排水电磁阀，采样瓶左上侧开有排气孔；所述采样电磁阀、排水电磁阀均与可编程控制器连接。

3.根据权利要求1所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述导航装置包括GNSS导航***和IMU惯性测量单元，所述IMU惯性测量单元包括三轴电子罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和信号处理芯片。

4.根据权利要求1所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述通讯装置包括北斗、LTE、数传电台、图传电台，其中北斗的北斗天线、数传电台的电台天线及图传电台的视频天线都安装在无人船顶部；可编程控制器通过北斗、LTE和数传电台与测控中心形成联动，实现数据存储、录波回放功能。

5.根据权利要求1所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述应用设备包括气象监测设备、水质采样监测探头、视频设备、语音设备、告警灯，所述水质采样监测探头包括水深仪、水质在线监测设备、污泥采样设备、采样管进水管头和ADCP测流设备。

6.根据权利要求1所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述船体上还设有全方位的壁障设备，所述壁障设备通过总线与可编程控制器相连，包括激光雷达、数字雷达和前视声纳。

7.根据权利要求5所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述动力装置包括电源、电机、螺旋桨、升降机和导线箱，所述电源包括电池组和燃料箱；所述电机包括尾部燃气发动机和侧翼电动机；所述螺旋桨包括尾部螺旋桨、侧翼螺旋桨、尾部舵机；所述升降机包括电动机和卷扬器，卷扬器卷绕水质采样监测探头尾部设置，具体为：卷扬器挂靠采样管进水管头、水深仪的探头、水质在线监测设备、污泥采样器、ADCP测流设备设置；所述导线箱包括导轨滑轮和挂钩。

8.根据权利要求5所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述气象监测设备包括气温传感器、气压传感器、湿度传感器和风速仪。

9.根据权利要求5所述的水域多功能监测无人船，其特征在于：所述水质在线监测设备包括水温传感器、盐度和电导传感器、pH传感器、溶解氧传感器、浊度传感器。