一种水质分析及治理一体化无人船及其控制系统的制作方法

1.本发明属于遥控设备技术领域，涉及一种水质分析及治理一体化无人船，还涉及该无人船搭载的控制系统。


背景技术：

2.在环境监测工作中，要想取得具有代表性、准确性和完整性的水样监测数据，首先应当获取真实有效的水质样本。水样采集是一个重要的环节，并不是简单地将水样收集起来就行，因为供分析的水样要有代表性，要能准确反映所测水中所含污染因子的浓度。影响水样采集的因素有很多，如采样点、采样仪器和方法、采样频率、采样体积以及水样的保存方法等。任何一个因素的变化都可能导致分析结果的改变。所以如何使采集的水样真实准确地反映水质情况，是监测分析工作首先必须解决的间题。另外，一种小型的无人船渐渐进入人们的视野，无人船在水域测量领域有着巨大的优势，可以非常灵活地监测水质、探测水文。
3.现有的无人船都是以简单的遥控船作为主体，在遥控船上安装采样设备，但这种遥控船功能单一，是“一船一做”类型产品，它拆分重组实现多种用途，故而不能适用于更广阔的市场。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种水质分析及治理一体化无人船及其控制系统，以模块化装配式研发为设计理念，探索虎鲨无人船装配式研发制作新路径，避免“一船一做”，为后续研发的无人船的快速迭代、快速研发积累经验，即多个舱体/船体可以拆分重组实现多种用途，降低研发与制作成本。
5.本发明所采用的第一个技术方案是，一种水质分析及治理一体化无人船，包括有本体，本体两侧对称设置有两组电推杆，每组两个电推杆，每个电推杆倾斜设置，电推杆的输出轴连接有舱体；
6.本体的内部集成有监测单元，储水单元、取水单元及总控盒；
7.监测单元包括有水质监测舱，水质监测舱内设置有过滤网与水质传感器，水质监测舱通过取样管连接电磁分流器，取样管连接在靠近电磁分流器进口端的位置，夹杂杂质的水杨通过过滤网过滤后进入水质传感器分析；
8.取水单元包括有水泵舱，水泵舱内设置有隔膜泵，隔膜泵的出口端连接电磁分流器，隔膜泵的进口端连接有采样组件，采样组件沉入水中采集水样；
9.储水单元包括有储水舱，储水舱设置有若干个储水壶与电磁分流器，电磁分流器有若干个分流口，每一个分流口通过送样管对应连接有一个储水壶；每个储水壶设置有标号。
10.本发明所采用的另一个技术方案是，一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统，搭载于如权利要求的水质分析及治理一体化无人船，包括有：
11.控制平台，够将水质数据保存至本地，手动将数据导出进行分析研判，提出治理方案，最终生成一张水域水质情况报告单，在水域水质情况报告单基础上做视化显示，在保存水质数据的同时开发可视化界面，能够直观的看到水域中各参数的情况，以及污染物分布图；
12.通信单元，用于接收控制平台发出的信号，通信单元与舱体连接，本体两侧各设置有一个可拔插接口，通过可拔插接口实现本体和舱体的供电和通信连接，舱体连接本体后，本体首先发送信号给舱体，切换舱体工作模式。
13.本发明的特点还在于：
14.本体搭载取水单元、储水单元及监测单元三个功能模组，取水单元、储水单元及监测单元均电性连接有独立的小型控制模块与电源，并且使用标准化的接口与总控盒进行连接，实现模块替换而不影响总控盒的效果，总控盒最多可与项功能模组通过标准接口连接，项功能模组的接口顺序无具体要求，可自动识别。
15.采样组件包括有采样管，采样管的出口端连接隔膜泵的进口端，采样管的进口端设置有过滤罩，过滤罩的底部连接有砝码，本体内底壁固接有卷管器，采样管缠绕于卷管器上，采样管的出口端沉入水中采集水样。
16.舱体的内部设置有电池舱3-6和控制舱，电池舱3-6内设置有电源，控制舱内设置有独立主控盒与控制接收器，舱体的尾端设置有推进器与转向舵机，独立主控盒电性连接控制接收器、推进器及转向舵机，舱体的外壁沿边缘设置有防撞条。
17.舱体四周设置有连接结构，包括有两个连接端口及中间的连接件，舱体与本体外部均设计有通用的连接端口，通过连接件自由连接组合。
18.当多个舱体组合成一体进行工作，其中舱体当做控制主体，对其他舱体进行控制，舱体之间通过信号线串联。
19.本发明的有益效果是：
20.1、相比传统的水表水质监测，本发明设计的无人船将水质传感器装在船舱内，通过一根可调节下潜深度的管道将水抽入船舱内，以此实现多深度的水质实时监测，能够更加准确的反应水域的水质情况，
21.2、本发明设计的无人船采用将水质传感器安装到本体内部的方式，通过取水装置将目标深度的水抽到本体内部水质传感器位置进行实时监测。不仅降低了对水质传感器的水下耐压性能要求，使研发成本降低，并且有效的规避了水下环境复杂，水草、礁石、暗管等对水质传感器造成损坏，保护水质传感器。
22.3、本体通过搭载不同功能的传感器、测绘仪器、相关设备或模块单元实现不同应用场景的解决方案，搭载模块单元的方案有“取水单元+水质传感器单元”、“取水单元+储水壶单元”、“药物喷洒/倾倒单元”、“侧扫声呐单元”、“声学多普勒流速剖面仪单元”与“大功率照明灯单元”，实现功能有多点位多深度水质实时监测；多点位多深度水质采样；水域药物治理；水下地形地貌测绘；水下目标物搜寻定位；水文测绘；可移动式水面照明。
附图说明
23.图1是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的主视图；
24.图2是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的结构示意图；
25.图3是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的采样组件结构示意图；
26.图4是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的舱体结构示意图；
27.图5是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的连接结构结构示意图；
28.图6是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统的独立控制模式流程图；
29.图7是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统的组合控制模式流程图；
30.图8是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统的舱体合体连接示意图；
31.图9是本发明一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统的模块图；
32.图中，1、本体，2、电推杆，3、舱体，3-1、控制接收器，3-2、防撞条，3-4、视频记录仪，3-5、连接结构，3-5-1、连接端口，3-5-2、连接件，
33.3-6、电池舱，3-7、双定位天线，4、储水单元，4-1、储水壶，4-2、电磁分流器，4-3、送样管，5、取水单元，5-1、隔膜泵，5-2、采样组件，5-2-1、采样管，5-2-2、过滤罩，5-2-3、砝码，5-2-4、卷管器，6、监测单元，6-1、水质传感器，6-2、过滤网，6-3、取样管，。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
35.本发明一种水质分析及治理一体化无人船，如图1所示，包括有本体1，本体1两侧对称设置有两组电推杆2，每组两个电推杆2，每个电推杆2倾斜设置，电推杆2的输出轴连接有舱体3，本体稳定，抗风浪等级高。
36.本体1的内部集成有监测单元6，储水单元4、取水单元5及总控盒；
37.监测单元包括有水质监测舱，水质监测舱内设置有过滤网6-2与水质传感器6-1，水质传感器6-1的型号是hs-vn1000wq，水质监测舱通过取样管6-3连接电磁分流器4-2，取样管6-3连接在靠近电磁分流器4-2进口端的位置，夹杂杂质的水杨通过过滤网6-2过滤后进入水质传感器6-1分析，工作时，首先将无人船停留在某水域，将取水装置缓慢降至目标深度，开启隔膜泵5-1与水质传感器6-1，此时水质传感器6-1会进入初始化校准，数据可能会拨动较大，等待1-2分钟，会观察到传感器数据趋近于一个平稳值，则传感器校准成功，可以开始控制无人船进行监测作业
38.水质传感器6-1对17项水质数据进行实时监测，水质监测基础5参数：浊度、ph、溶解氧，温度、电导率，扩展12参数：化学需氧量、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、叶绿素、悬浮物、总有机碳、色度、亚硝酸盐、生化需氧量、综合营养化指数。
39.如图2、3所示，取水单元5包括有水泵舱，水泵舱内设置有隔膜泵5-1，隔膜泵5-1的出口端连接电磁分流器4-2，隔膜泵5-1的进口端连接有采样组件5-2，采样组件5-2包括有采样管5-2-1，采样管11-1的出口端连接隔膜泵5-1的进口端，采样管5-2-1的进口端设置有过滤罩5-2-2，过滤罩5-2-2的底部连接有砝码5-2-3，本体1内底壁固接有卷管器5-2-4，采样管5-2-1缠绕于卷管器5-2-4上，采样管11-1的出口端沉入水中采集水样。
40.卷管器5-2-4收放采样管5-2-1，调节采样管5-2-1的下潜深度，实现多深度取水，采样组件5-2不仅能将水样导入到水质传感器舱内进行实时监测，还可导入到储水壶4-1中
保存，进行多深度、多点位的水质采样，隔膜泵5-1的取水时间长于实际需要装满储水壶4-1所需的时间，能够确保将壶装满。
41.储水单元4包括有储水舱，储水舱设置有若干个储水壶4-1与电磁分流器4-2，电磁分流器4-2有若干个分流口，每一个分流口通过送样管4-3对应连接有一个储水壶4-1；每个储水壶4-1设置有标号。
42.储水壶4-1与储水舱均设置有溢流孔，储水舱的溢流孔连接有溢流管直通本体1的外部，储水壶的溢流口在取水时不仅可以排出内部空气，便于储水，且在水装满后可以溢出，冲洗出管道与水壶中的可能会对水质产生影响的杂质。
43.取样管6-3上设置有电磁阀，采样时会存储对应的采样信息，采样信息包含深度、经纬度、时间信息等，采样信息与储水壶的位置编号一一对应，在遥控器上显示；电磁分流器4-2一端设置有溢流口，溢流口连接有导管直通本体1的外部，送样管4-3及溢流管上设置有电磁阀。
44.本体1搭载取水单元5、储水单元4及监测单元6三个功能模组，取水单元5、储水单元4及监测单元6均电性连接有独立的小型控制模块与电源，并且使用标准化的接口与总控盒进行连接，实现模块替换而不影响总控盒的效果，总控盒最多可与4项功能模组通过标准接口连接，4项功能模组的接口顺序无具体要求，可自动识别。
45.本体1通过搭载不同功能的传感器、测绘仪器、相关设备或模块单元实现不同应用场景的解决方案，如表1所示：
46.表1
[0047][0048]
具体地，本体搭载侧扫声呐时，对船体的运行速度与航迹有极高的要求，所以需要同时搭载imu惯导单元与双定位天线3-7，实现精确的航向控制，两者的功能表2所示：
[0049]
表2
[0050]
[0051][0052]
如图4所示，舱体3的内部设置有电池舱3-6和控制舱，电池舱3-6内设置有电源，控制舱内设置有独立主控盒与控制接收器3-1，舱体3的尾端设置有推进器与转向舵机，独立主控盒电性连接控制接收器、推进器及转向舵机，舱体3的外壁沿边缘设置有防撞条3-2。
[0053]
舱体的核心功能是供电和动力，单个舱体可以实现独立作业，也可以配合使用。如图5所示，舱体3四周设置有连接结构3-5，包括有两个连接端口3-5-1及中间的连接件3-5-2，舱体3与本体11外部均设计有通用的连接端口3-5-1，通过连接件3-5-2自由连接组合。
[0054]
如图8所示，多个舱体3通过连接结构3-5固定连接成一个整体，当多个舱体3组合成一体进行工作，其中舱体3当做控制主体，对其他舱体3进行控制，舱体3之间通过信号线串联，如表3所示：
[0055]
表3
[0056]
组合方式实现功能单舱体狭窄水域搜查+视频回传n个舱体组合货物运输n个舱体集群集群作战或水面表演
[0057]
通过n个舱体与任意本体进行连接组装，将无人船“变形”为满足其它应用场景解决方案的多型号无人船，如表4所示：
[0058]
表4
[0059][0060][0061]
具体地，由于舱体3可以独立运行，所以与本体1进行组合作业时，两个舱体的电量有可能不是相等的，直接并联使用会严重影响电池性能。所以在电能分配方面，分为两个步
骤进行，第一步：手动切换通过判断舱体的电压，将电压高的一边接入到本体进行供电；第二步：智能均衡，研发48v直流智能电池均衡器，通过智能控制多组电池的放电速度来均衡的利用每组电池。
[0062]
一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统，搭载于上述的水质分析及治理一体化无人船，包括有：
[0063]
控制平台，够将水质数据保存至本地，手动将数据导出进行分析研判，提出治理方案，最终生成一张水域水质情况报告单，在水域水质情况报告单基础上做视化显示，在保存水质数据的同时开发可视化界面，能够直观的看到水域中各参数的情况，以及污染物分布图；
[0064]
通信单元，用于接收控制平台发出的信号，通信单元与舱体3连接，本体1两侧各设置有一个可拔插接口，通过可拔插接口实现本体和舱体3的供电和通信连接，舱体连接本体1后，本体1首先发送信号给舱体，切换舱体工作模式。
[0065]
控制平台检测到某点位水质参数的数值超出阈值，将会在地图上进行标记预警，待人工确定标记点确实存在污染后，系统将通过分析水质数据、流速、扩散速度、污染程度相关因素，直接针对异常点位提出治理方案。
[0066]
无人船结束作业后，通过控制平台上的“一键生成报告”按钮即可快速生成一份完整的水质报告，记录本次作业的时间、地点、水质信息、水质问题以及推荐的治理方案等，同时将水质报告一键发送到工作人员的手机上。
[0067]
具体地，记录时用到录像存储功能分为两个步骤进行，第一步：外置存储，使用外置的视频记录3-4仪进行记录。第二步：系统集成，将数据存储模块集成到控制平台中，将视频数据与水质数据等一同存储。
[0068]
舱体3的两种工作模式为独立控制模式和组合控制模式。
[0069]
如图6所示，独立控制模式是控制接收器3-1直接获取控制平台发来的信号，把信号传输个给独立主控盒，独立主控盒控制推进器前进和后退，以及控制舵机进行转向；
[0070]
如图7所示，组合控制模式是本体接收控制平台发来的信号，然后控制对应舱体的推进器工作，不使用舵机。
[0071]
本发明一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统，其工作过程如下：
[0072]
第一阶段，无人船能够将水质数据保存至本地，可手动将数据导出进行分析研判，提出治理方案，最终生成一张水域水质情况报告单。
[0073]
第二阶段在之前的基础上做可视化显示，在保存水质数据的同时开发可视化界面，能够直观的看到水域中各参数的情况，以及污染物分布图。
[0074]
系统检测到某点位水质参数的数值超出阈值，将会在地图上进行标记预警，待人工确定标记点确实存在污染后，系统将通过分析水质数据、流速、扩散速度、污染程度等各因素，直接针对异常点位提出治理方案，
[0075]
无人船结束作业后，通过控制平台上的“一键生成报告”按钮即可快速生成一份完整的水质报告，记录本次作业的时间、地点、水质信息、水质问题以及推荐的治理方案等，同时将水质报告一键发送到工作人员的手机上。
[0076]
本发明一种水质分析及治理一体化无人船，其优点在于：
[0077]
如图9所示，本体搭载取水单元、储水单元等模块，均包含有独立的小型控制系统，
并且使用标准化的接口与总控盒进行连接，实现模块替换而不影响总控盒的效果。例如储水单元在后期增加储水壶数量或者更改储水壶容量的改动不涉及核心通信的修改，就无需对主控盒内的主板进行改动，避免每次功能升级或改进后都需要重新设计和测试主控盒。
[0078]
每个功能模组都包含有独立的小型控制系统与电源系统。总控制系统最多可与4项功能模组通过标准接口连接，这4项功能模组的接口顺序无具体要求，可自动识别，
[0079]
接口统一采用48v供电，由功能模组根据自身设备需求对电源进行降压或升压处理，通信协议统一采用can总线协议，在尽可能使用少量线缆的前提下满足功能需求。

技术特征：
1.一种水质分析及治理一体化无人船，其特征在于，包括有本体(1)，所述本体(1)两侧对称设置有两组电推杆(2)，每组两个电推杆(2)，每个所述电推杆(2)倾斜设置，电推杆(2)的输出轴连接有舱体(3)；本体(1)的内部集成有监测单元(6)，储水单元(4)、取水单元(5)及总控盒；所述监测单元包括有水质监测舱，水质监测舱内设置有过滤网(6-2)与水质传感器(6-1)，水质监测舱通过取样管(6-3)连接电磁分流器(4-2)，所述取样管(6-3)连接在靠近电磁分流器(4-2)进口端的位置，夹杂杂质的水杨通过所述过滤网(6)过滤后进入水质传感器(7)分析；所述取水单元(5)包括有水泵舱，所述水泵舱内设置有隔膜泵(5-1)，所述隔膜泵(5-1)的出口端连接电磁分流器(4-2)，隔膜泵(6)的进口端连接有采样组件(5-2)，所述采样组件(5-2)沉入水中采集水样；所述储水单元(4)包括有储水舱，所述储水舱设置有若干个储水壶(4-1)与电磁分流器(4-2)，所述电磁分流器(4-2)有若干个分流口，每一个分流口通过送样管(4-3)对应连接有一个储水壶(4-1)；每个储水壶(4-1)设置有标号。2.根据权利要求1所述的一种水质分析及治理一体化无人船，本体(1)搭载取水单元(5)、储水单元(4)及监测单元(6)三个功能模组，其特征在于，取水单元(5)、储水单元(4)及监测单元(6)均电性连接有独立的小型控制模块与电源，并且使用标准化的接口与总控盒进行连接，实现模块替换而不影响总控盒的效果，总控盒最多可与4项功能模组通过标准接口连接，4项所述功能模组的接口顺序无具体要求，可自动识别。3.根据权利要求1所述的一种水质分析及治理一体化无人船，其特征在于，所述采样组件(5-2)包括有采样管(5-2-1)，所述采样管(11-1)的出口端连接隔膜泵(6)的进口端，采样管(5-2-1)的进口端设置有过滤罩(5-2-2)，所述过滤罩(5-2-2)的底部连接有砝码(5-2-3)，本体(1)内底壁固接有卷管器(5-2-4)，采样管(5-2-1)缠绕于所述卷管器(5-2-4)上，采样管(11-1)的出口端沉入水中采集水样。4.根据权利要求1所述的一种水质分析及治理一体化无人船，其特征在于，所述舱体(3)的内部设置有电池舱(3-6)和控制舱，电池舱(3-6)内设置有电源，控制舱内设置有独立主控盒与控制接收器(3-1)，舱体(3)的尾端设置有推进器与转向舵机，独立主控盒电性连接控制接收器、推进器及转向舵机，舱体(3)的外壁沿边缘设置有防撞条(3-2)。5.根据权利要求4所述的一种水质分析及治理一体化无人船，其特征在于，所述舱体(3)四周设置有连接结构(3-5)，包括有两个连接端口(3-5-1)及中间的连接件(3-5-2)，舱体(3)与本体(1)(1)外部均设计有通用的连接端口(3-5-1)，通过连接件(3-5-2)自由连接组合。6.根据权利要求5所述的一种水质分析及治理一体化无人船，当多个舱体(3)组合成一体进行工作，其特征在于，其中舱体(3)当做控制主体，对其他舱体(3)进行控制，舱体(3)之间通过信号线串联。7.一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统，其特征在于，搭载于如权利要求所述的水质分析及治理一体化无人船，包括有：控制平台，够将水质数据保存至本地，手动将数据导出进行分析研判，提出治理方案，最终生成一张水域水质情况报告单，在所述水域水质情况报告单基础上做视化显示，在保
存水质数据的同时开发可视化界面，能够直观的看到水域中各参数的情况，以及污染物分布图；通信单元，用于接收控制平台发出的信号，所述通信单元与舱体(3)连接，本体(1)两侧各设置有一个可拔插接口，通过所述可拔插接口实现本体和舱体(3)的供电和通信连接，舱体连接本体(1)后，本体(1)首先发送信号给舱体，切换舱体工作模式。8.根据权利要求7所述的一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统，其特征在于，控制平台检测到某点位水质参数的数值超出阈值，将会在地图上进行标记预警，待人工确定标记点确实存在污染后，系统将通过分析水质数据、流速、扩散速度、污染程度相关因素，直接针对异常点位提出治理方案。9.根据权利要求8所述的一种水质分析及治理一体化无人船的控制系统，其特征在于，舱体(3)的两种工作模式为独立控制模式和组合控制模式；所述独立控制模式是控制接收器(3-1)直接获取控制平台发来的信号，把信号传输个给独立主控盒，独立主控盒控制推进器前进和后退，以及控制舵机进行转向；所述组合控制模式是本体接收控制平台发来的信号，然后控制对应舱体的推进器工作，不使用舵机。

技术总结
本发明公开一种水质分析及治理一体化无人船及其控制系统，包括有本体，本体两侧对称设置有两组电推杆，电推杆的输出轴连接有舱体；本体的内部集成有监测单元，储水单元、取水单元及总控盒；监测单元包括有水质传感器，水质监测舱通过取样管连接电磁分流器，夹杂杂质的水杨通过过滤网过滤后进入水质传感器分析；取水单元包括有水泵舱，水泵舱内设置有隔膜泵，隔膜泵的进口端连接有采样组件，采样组件沉入水中采集水样；控制系统够将水质数据保存至本地，手动将数据导出进行分析研判，提出治理方案，生成一张水域水质情况报告单，在水域水质情况报告单基础上做视化显示，能够直观的看到水域中各参数的情况，以及污染物分布图。以及污染物分布图。以及污染物分布图。


技术研发人员：纪峰 王清艺 王俊东 刘莹 赵菲 雷一帆
受保护的技术使用者：西安虎鲨无人船有限公司
技术研发日：2023.02.02
技术公布日：2023/5/4