CN110749473B - 一种无人船的水样自动采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船的水样自动采集装置，包括：采样瓶上料单元，包括储料斗、上料槽、转动块以及卸料板；瓶盖拧转单元，包括持料机械手、拧转机械手以及滑台，拧转机械手固定于滑台上，滑台设于船体上，持料机械手对卸料板上的采样瓶进行夹持、卸料操作；取水单元，包括蠕动泵与取水臂，取水臂设置于船体上，取水臂内设有通路,蠕动泵在取水臂转动至设定位置时将抽取的采样水经通路输出至采样瓶；采样瓶集料单元，设于船体的底部，用于收集装有采集水的采样瓶；控制驱动装置,控制转动块、持料机械手、拧转机械手、卸料板以及蠕动泵的运作。有益效果：不会对水体造成不利影响，极大地增强了管理水环境的连贯性，节省了管理水环境的总成本。

Description

一种无人船的水样自动采集装置

技术领域

本发明涉及无人船领域，尤其涉及一种无人船的水样自动采集装置。

背景技术

目前不论是水产养殖业还是环境保护产业链，都对一片水环境的实时水质有很高的要求。那么，如何做到实时监测水质显得尤为重要。

经过调研，目前水质监测主要依靠水质勘测浮标或取水泵船。对于取水泵船，取水泵船具有较大的灵活性和适应性，没有构造复杂的水下建筑结构，可作为固定式泵站的一种补充、应急抗旱措施，可提高灌溉和供水保证率。但也具有以下缺点：(1)基建投资高。(2)围堰费用高。(3)周期长。(4)取水水质差。(5)使用受限制。但是固定泵站受水位变化的影响很大，削弱了其取水能力。而本发明一种无人船的水样自动采集装置具有造价低，整套船体成本低，取水周期短，取得水质还原度高，取水地点灵活且精准的优点。

而对于水质勘测浮标，该浮标的优点是延长了灯浮标的维护更换周期，节省了维护成本，在冰冻港口四季通用，达到船舶安全航行所需的助航要求。但是钢制浮标透露出盐水这样的腐蚀环境，钢的氧化和腐蚀本就会带来水体污染。由于钢制浮标较为沉重，需要太多的维护成本。钢制浮标也具有极大的局限性，许多关于浮标的研究都希望找到轻便且环保的新材料。

现阶段的水质采样多以人工为主，而对于采样瓶的区分也以人工标记为主，效率低下,对于自动水体采样缺乏一种有效的样品区分方法。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种无人船的水样自动采集装置，具体由以下技术方案实现：

所述无人船的水样自动采集装置，包括：

采样瓶上料单元,包括储料斗、上料槽、转动块以及卸料板，所述储料斗储存有若干采样瓶，采样瓶经上料槽由设置于上料槽内的转动块转动推动后落于卸料板上；

瓶盖拧转单元，包括持料机械手、拧转机械手以及滑台，所述拧转机械手固定于所述滑台上，滑台可升降地设于船体上，持料机械手设于卸料板上方对卸料板上的采样瓶进行夹持、卸料操作；

取水单元，包括蠕动泵与取水臂，所述取水臂可转动地设置于船体上，取水臂内设有通路,蠕动泵在取水臂转动至设定位置时将抽取的采样水经所述通路输出至采样瓶；

采样瓶集料单元，设于船体的底部，用于收集装有采集水的采样瓶；

控制驱动装置,控制转动块、持料机械手、拧转机械手、卸料板、蠕动泵以及摄像头的运作。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述控制驱动装置包括步进电机，所述步进电机通过S型曲线加减速算法控制驱动滑台升降。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述步进电机根据式(1)进行S型曲线加速控制，根据式(2)进行S型曲线减速控制,采用length个点进行加速处理。

Fcurrent＝Fmin+(Fmax-Fmin)/(1+e^(-Flexible*(i-num)/num)) (1)

Fcurrent＝Fmin-(Fmax-Fmin)/(1+e^(-Flexible*(i-num)/num)) (2)

式中，Fcurrent为length个点中的单个频率值，Fmin为起始频率，Fmax为最大频率，Flexible*(i-num)/num是对S型曲线进行拉伸变化，Flexible表示S曲线区间取值为4-6，i是在循环计算过程中的索引，从0开始，num为length/2大小

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述控制驱动装置包括舵机，所述舵机通过PID算法控制持料机械手、拧转机械手的夹持操作以及取水臂的转动。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述舵机根据式(1)进行PID算法控制,并根据u_k调节舵机PWM值

式(3)中，Kp表示P,Ki表示I,Kd表示D，ek表示本次误差、ek-1表示上次误差。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述采样瓶的瓶盖上设有用于对采样瓶进行区别的二维码。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，还包括二维码识别扫描装置，所述二维码识别扫描装置设置于拧转机械手上,对瓶盖处的二维码进行识别扫描,使用opencv库识别QR二维码，框出图片中的二维码，并使用开源库Zxing解码，配合Zbar算法对二维码信息进行识别，记录包含取水地点、时间、深度的信息，并上传至远程数据库。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述储料斗为倒置的三角状的棱柱体，储料斗下端的出料口通过弯曲的迂回槽与上料槽连接，采样瓶经迂回槽的出料口推出落入转动块的转动面上。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述转动块为一扇形块体，转动块在将转动面上的采样瓶推送至卸料板上的同时对迂回槽内的采样瓶进行阻隔，转动块复位后下一个采样瓶经储料斗进入上料槽。

所述无人船的水样自动采集装置的进一步设计在于，所述取水臂的一端通过一转轴可转动地与一电机的输出轴连接，另一端在所述通路的下设有导流管用于将采集水引入采集瓶。

本发明的优点如下：

本发明的无人船的水样自动采集装置只在发出取水指令后才会到达指定水域进行一次水体采集，行动本身并不会对水体造成不利影响。此外，本发明的主体为无人船，而无人船集众多功能于一身，极大地增强了管理水环境的连贯性，节省了管理水环境的总成本。采用二维码识别采样瓶相较于以往人工记录区分的方法，有着更高的效率以及准确率。

本发明的无人船的水样自动采集装置采用二维码识对采样瓶进行区分，同时在对应的数据库中记录采样瓶内水样的采集地点，时间，以及深度,可以大大的提高对水样瓶的区分以及对水样的信息进行记录的效率。

附图说明

图1是无人船的水样自动采集装置的结构示意图。

图2是采样瓶上料单元的结构示意图(倒置)。

图3是取水单元的结构示意图。

图4是S型曲线方程图。

图5是加速曲线方程图。

图6是减速曲线方程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1，本实施例采用的无人船的水样自动采集装置，主要由采样瓶上料单元1、瓶盖拧转单元3、取水单元4、采样瓶集料单元2以及控制驱动装置。

如图2，本实施例采用的采样瓶上料单元1，主要由储料斗11、上料槽13、转动块14以及卸料板15组成。储料斗11储存有若干采样瓶6，采样瓶6经上料槽13由设置于上料槽13内的转动块14转动推动后落于卸料板15上。卸料板15可滑动地设置于上料槽13内，卸料板15的一侧通过两连杆151与一电机152的输出轴连接，当电机152输出轴转动通过两连杆151传动将卸料板15抽离，卸料板15上的采样瓶6自由坠落进入采样瓶集料单元2完成卸料操作。储料斗11为倒置的三角状的棱柱体，储料斗11下端的出料口通过弯曲的迂回槽12与上料槽13连接，采样瓶6经迂回槽12的出料口推出落入转动块14的转动面上。转动块14为一扇形块体，转动块14在将转动面上的采样瓶6推送至卸料板15上的同时对迂回槽12内的采样瓶进行阻隔，转动块14复位后下一个采样瓶经储料斗11进入上料槽13。

本实施例采用的瓶盖拧转单元3，主要由持料机械手33、拧转机械手31以及滑台32组成。拧转机械手31固定于滑台32上，滑台32可升降地设于船体(图中未示出)上，持料机械手33设于卸料板15上方对卸料板15上的采样瓶6进行夹持、卸料操作。当拧转机械手31工作时，由滑台32驱动带动下降至采样瓶6的瓶盖处夹紧后旋转完成瓶盖的拧转动作使采样瓶6的瓶盖与瓶体脱离；接着，滑台32上升带动夹有瓶盖的瓶盖上升，等待取水单元4将采样水注入采样瓶6中；当采样水采集完毕后，拧转机械手31下降将瓶盖拧回至瓶体上完成采样瓶6的采集动作。

本实施例采用的取水单元4，主要由蠕动泵41与取水臂42组成。取水臂42可转动地设置于船体上，取水臂42内设有可供采样水流通的通路，蠕动泵41在取水臂42转动至设定位置时，此时采样瓶6的瓶盖已被拧转机械手31拧开，蠕动泵41将抽取的采样水经取水臂42的通路输出至经过拧转瓶盖后的采样瓶6。取水臂42的一端通过一转轴可转动地与一电机422的输出轴连接，另一端在通路的下设有导流管421用于将采集水引入采集6。本实施例中，在蠕动泵41输出口与取水臂42之间增设一软管(图中未示出)。

本实施例采用的采样瓶集料单元2，设于船体的底部，用于收集装有采集水的采样瓶6。本实施例的集料单元2为一矩形的半封闭腔体，参加图1。

本实施例采用的控制驱动装置,控制转动块14、持料机械手33、拧转机械手31、卸料板15以及蠕动泵41的运作。本实施例中，控制驱动装置以STM32F4为核心自主设计的控制核心板，配有步进电机，步进电机通过S型曲线加减速算法控制驱动滑台升降，步进电机进行S型曲线加减速算法控制，参见图4，加速曲线方程如式(1)，参见图5，

Fcurrent＝Fmin+(Fmax-Fmin)/(1+e^(-Flexible*(i-num)/num)) (1)

式(1)中的Fcurrent为(length，本实施例中length赋值为1000)1000个点中的单个频率值，Fmin为起始频率，Fmax为最大频率，Flexible*(i-num)/num是对S型曲线进行拉伸变化，Flexible表示S曲线区间取值为4-6，i是在循环计算过程中的索引，从0开始，num为length/2大小。最后可以估算加速过程的时间和角位移，CalculateSModelLine(Freq，Period，1000，64000，500，8)为例(假设在中断中没有if(CountForAcc++》2)条件限制)：时间：Period第一个点的值为10000000/500＝20000，最后也点的值10000000/64000＝156，平均值为10000左右，timer中断的平均时间Tn＝10000/10000000＝1ms，1000个点，总时间为1s，当然，起始频率大加速时间就越短，比如Fmin＝16000Hz，Fmax＝64000，则40ms左右即可完成加速过程。角位移：1.8(单步)*1000(步数)/4(细分)＝450°减速曲线方程，其计算过程同上，参见图6，如下：

Fcurrent＝Fmin-(Fmax-Fmin)/(1+e^(-Flexible*(i-num)/num))

进一步的，控制驱动装置还包括舵机，舵机通过PID算法控制持料机械手、拧转机械手的夹持操作以及取水臂的转动。舵机根据式(1)进行PID算法控制,并根据u_k调节舵机PWM值

式(3)中，Kp表示P,Ki表示I,Kd表示D，ek表示本次误差、ek-1表示上次误差。

本实施例的采样瓶的瓶盖上设有用于对瓶子进行区别的二维码。通过瓶盖处的二维码对瓶子进行区别，以及在数据库中记录该二维码标签的瓶子所取水样的时间，位置坐标，取水深度等信息。

本实施例的无人船的水样自动采集装置还包括二维码识别扫描装置，二维码识别扫描装置设置于拧转机械手上,通过对瓶盖处的二维码进行识别扫描,使用opencv库识别QR二维码，框出图片中的二维码，并使用开源库Zxing解码，配合Zbar算法对二维码信息进行识别。对算法进行初始化，构造一个扫描器ImageScanner对象，并使用其set_config()方法对扫描器进行初始化，载入图像，使用ImageMagick和OpenCV读取图片文件，并将其转换为灰度图像，构造一个图像Image对象，调用其构造函数对其进行初始化，调用图像扫描器对象的scan()，对图像进行处理。图像扫描，扫描器对象公有方法scan()主要为zbar_scan_image()函数，函数首先对传入的图像进行配置校验，然后对传入图像先进行逐行扫描，扫描路径为Z字型。扫描的主要函数为zbar_scan_y()，在函数内部，以一个像素点为增量在一行内一点一点扫描过去，并且完成滤波，求取边缘梯度，梯度阈值自适应，确定边缘，转化成明暗宽度流；其中确定边缘之后调用process_edge()函数。在process_edge()函数内部，使用当前边缘跟上一次保存下来的边缘相减得到一个宽度，并将其保存到扫描器结构变量scn中并将本次边缘信息保存下来。对扫描器结构变量scn中保存下来的明暗宽度流进行处理，处理函数为zbar_decode_width(scn->decoder,scn->width)，该函数内部处理对象为当前行目前保存下来的宽度流，通过计算各宽度之间的宽度信息提取扫码特征，依次通过几种一维码二维码的检测标准，寻找到符合标准的扫码种类时更新扫描器结构变量scn中的type成员，并且更新lock成员以增加当前种类判断的置信度(可以通过设置关掉其他种类的条码识别)。符合当前特征的即判断其不为QR码，如果不符合，将当前宽度流描述为一个自定义的线段结构，包含两端端点及长度等信息，并将满足条件的横向线段结构变量存入一个容器lines的横向线段集合中。对整幅图像的逐列扫描同逐行扫描一样，扫描路径为N字型，同样通过函数zbar_scan_y()和process_edge()进行处理找边缘最后求取出纵向的明暗高度流，通过zbar_decode_width(scn->decoder,scn->width)函数进行处理，将符合QR码的纵向线段存入lines的纵向线段集合中。QR码解析，QR码解析模块的入口为函数_zbar_qr_decode(iscn->qr,iscn,img)。求出QR码的三个定位图案的中心，对之前求出的横向，纵向线段集合进行筛选，聚类和求取交叉点。函数返回的是共找到多少个交叉点，如果小于三个则此图像无法进行QR码解析。之后对图像进行自适应二值化处理，解码的主要组成部分，对QR码进行码字读取。函数首先对找到的交叉点按时针顺序进行排序，三个点进行仿射变化求出QR码模块宽度(所占像素个数)。函数返回值为QR码的版本数，并且求出了QR码的版本码字和模块宽度(根据三个交叉点处于同边的两个点来计算，仿射变化有单应性仿射affine homography和全矩阵仿射full homography)，将所求得的所有结果进行计算和比对，最终的出QR码的版本结果，还需要判断求出结果数是否大于等于7。如果是，求得的版本信息是经过编码后的信息，版本号还需要解码；如果小于7，求出来的结果即是QR码的版本号。求QR码的格式信息，格式信息求出来之后就是QR码的功能区到目前为止已全部识别并解码出结果，之后对QR码的数据区进行解析。对对图像进行消除掩模处理，并且识别出图像中的定位图案，将QR码除去功能区之外的区域转换为0和1的比特流。使用Reed-Solomon纠错算法对提取出来的比特流进行校验和纠错，最后输出最终的识别比特流。函数nqrdata＝qr_code_data_list_extract_text(&qrlist,iscn,img)；对求出的比特流进行分析判断，判断当前QR码属于什么编码模式，找到相应的编码模式后对比特流进行解码输出，最终求得QR码的解码结果。识别出二维码后，记录该二维码的取水的地点,时间,深度等信息，并远程上传至数据库。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种无人船的水样自动采集装置，其特征在于包括：

采样瓶上料单元，包括储料斗、上料槽、转动块以及卸料板，所述储料斗储存有若干采样瓶，采样瓶经上料槽由设置于上料槽内的转动块转动推动后落于卸料板上；

瓶盖拧转单元，包括持料机械手、拧转机械手以及滑台，所述拧转机械手固定于所述滑台上，所述滑台可升降地设于船体上，持料机械手设于卸料板上方对卸料板上的采样瓶进行夹持、卸料操作；

取水单元，包括蠕动泵与取水臂，所述取水臂可转动地设置于船体上，取水臂内设有通路,蠕动泵在取水臂转动至设定位置时将抽取的采样水经所述通路输出至采样瓶；

采样瓶集料单元，设于船体的底部，用于收集装有采集水的采样瓶；

控制驱动装置,控制转动块、持料机械手、拧转机械手、卸料板以及蠕动泵的运作；所述控制驱动装置包括步进电机，所述步进电机通过S型曲线加减速算法控制驱动滑台升降；所述步进电机根据式(1)进行S型曲线加速控制，根据式(2)进行S型曲线减速控制,采用length个点进行加速处理；

Fcurrent＝Fmin+(Fmax-Fmin)/(1+e^(-Flexible*(i-num)/num)) (1)

Fcurrent＝Fmin-(Fmax-Fmin)/(1+e^(-Flexible*(i-num)/num)) (2)

式中，Fcurrent为length个点中的单个频率值，Fmin为起始频率，Fmax为最大频率，Flexible*(i-num)/num是对S型曲线进行拉伸变化，Flexible表示S曲线区间取值为4-6，i是在循环计算过程中的索引，从0开始，num为length/2大小；所述控制驱动装置包括舵机，所述舵机通过PID算法控制持料机械手、拧转机械手的夹持操作以及取水臂的转动；所述舵机根据式(1)进行PID算法控制,并根据u_k调节舵机PWM值

式(3)中，Kp表示P,Ki表示I,Kd表示D，ek表示本次误差、ek-1表示上次误差。

2.根据权利要求1所述的无人船的水样自动采集装置，其特征在于所述采样瓶的瓶盖上设有用于对采样瓶进行区别的二维码。

3.根据权利要求1所述的无人船的水样自动采集装置，其特征在于还包括二维码识别扫描装置，所述二维码识别扫描装置设置于拧转机械手上,对瓶盖处的二维码进行识别扫描,使用opencv库识别QR二维码，框出图片中的二维码，并使用开源库Zxing解码，采用Zbar算法对二维码信息进行识别，记录包含取水地点、时间、深度的信息，并上传至远程数据库。

4.根据权利要求1所述的无人船的水样自动采集装置，其特征在于所述储料斗为倒置的三角状的棱柱体，储料斗下端的出料口通过弯曲的迂回槽与上料槽连接，采样瓶经迂回槽的出料口推出落入转动块的转动面上。

5.根据权利要求4所述的无人船的水样自动采集装置，其特征在于所述转动块为一扇形块体，转动块在将转动面上的采样瓶推送至卸料板上的同时对迂回槽内的采样瓶进行阻隔，转动块复位后下一个采样瓶经储料斗进入上料槽。

6.根据权利要求1所述的无人船的水样自动采集装置，其特征在于所述取水臂的一端通过一转轴可转动地与一电机的输出轴连接，另一端在所述通路的下设有导流管用于将采集水引入采集瓶。

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