[发明专利]基于无人机的自主定点定深式水体采样系统及其方法

权利要求书

1.一种基于无人机的自主定点定深式水体采样系统，其特征在于：包括搭载在无人机平台上，用于控制采水设备的任务设备控制器；用于测量水深和采样的抽水管线；用于施放抽水管线的释放机构；用于管路清洗与疏通、水体采样与排放的水流控制装置；用于存储水体样本的多个储水袋及紧急情况下用于抛弃抽水管线、保证飞行安全的抛管机构；

所述抽水管线包括过滤器、压力变送器、管路和线缆；过滤器用于滤除水中的杂质，防止管路被堵塞；压力变送器测量抽水口处的压力值，经线缆传送至任务设备控制器，所述的管路与线缆使用胶带或扎带固定在一起；

所述水流控制装置包括第一并联单元和第二并联单元，所述的第一并联单元包括相互并联的支路一和支路二，第二并联单元包括相互并联的一条排水/进气管和N条采样管，N为储水袋的个数，每条采样管上均设有一个阀门和一个储水袋；其中支路一和支路二上均至少设有一个阀门，一个流量计和一个水泵，第一并联单元一端与抽水管相连，另一端与第二并联单元相连，任务设备控制器控制水泵转速和水阀开关；其中并联的支路一和支路二的流向相反，支路一的流向为从抽水管流至第二并联单元；

所述抛管机构由自脱落式连接器、抛管舵机及吊挂绳索组成；抽水管线与水流控制装置通过自脱落式连接器连接，在重力作用下，连接器可自行脱落；吊挂绳索一端固定在抽水管线靠近连接器处，另一端连接一个吊环，吊环吊挂在抛管舵机的销轴上；正常情况下，抽水管线的重力通过绳索和吊环，传递到抛管舵机的销轴上；当任务设备控制器检测到抽水管线发生缠绕，威胁到无人机飞行安全时，控制器通过PWM信号控制抛管舵机发生动作，带动销轴移动，吊环从销轴上脱落，重力施加在自脱落式连接器上，使连接器脱落，抽水管线与无人机分离，落入水中或地面。

2.如权利要求1所述的基于无人机的自主定点定深式水体采样系统，其特征在于：

所述任务设备控制器用于接收操作员指定的采水点位置与深度；按照指定的采水任务控制无人机逐一飞至采样点，进行采水作业；释放抽水管线，并实时采集深度信息，通过调节无人机的飞行高度来实现抽水口的深度控制；实时采集水体流速和流量信息，监控采样过程；根据采样需求对各个水泵和水阀进行控制，先后完成管路清洗、水体采样，并在管路堵塞时进行反向疏通，在必要时进行排水；在紧急情况下发送抛管信号，将抽水管线抛弃，保证无人机的飞行安全。

3.如权利要求1所述的基于无人机的自主定点定深式水体采样系统，其特征在于：

所述释放机构包括放管舵机和吊挂绳索；抽水管线绕成环状，吊挂绳索一端固定在抽水管线的固定点上，另一端绕过环状抽水管线将其束缚住后连接一个吊环，吊环吊挂在放管舵机的销轴上；放管舵机与任务设备控制器相连。

4.一种权利要求1所述系统的基于无人机的自主定点定深式水体采样方法，其特征在于包括如下步骤：

1）、任务指定：操作员通过地面站依次设定各个采样点的坐标与深度，或直接在地图上选择采样点并指定采样深度；作业任务指定后，任务设备控制器获知作业目标和要求，并按照采样点的位置坐标规划飞行路径；

2）、位置控制：采水作业开始后，任务设备控制器控制无人机按照采水顺序依次飞向采水点的位置，并调整到规定高度，准备释放抽水管线；通过无人机的位置控制，实现高精度的自主定点采水；

3）、管线释放：当无人机飞至第一个采样点，且位置和高度控制稳定后，按照控制程序，自动释放抽水管线，抽水管线只需在第一个采样点释放一次，后续不再收起；

4）、深度控制：抽水口处的压力变送器采集水压并传送至任务设备控制器，控制器将压力测量信号转换为深度测量信号，进而将目标采样深度与深度测量值之间的偏差信号转换为无人机高度控制器设定值的增量信号，通过调整无人机高度，消除深度偏差；深度控制器采用PID控制结构，深度控制器应包含积分作用；

5）、管路清洗：对于每个新的采水点，在做水样采集之前，先对管路进行清洗，首先将流量数据清零；任务设备控制器打开支路一和排水/进气管路，水样从抽水口进入管路，从排水口排出；支路一的流量计实时测量流速，经积分后得到冲水量，冲水量达到指定流量后，任务设备控制器关闭支路一和排水/进气管，流量数据清零，管路清洗过程结束；

6）、水样采集：管路清洗完成后，自动进入水样采集过程；将流量数据清零，任务设备控制器打开支路一和其中一条采样管路，水样从抽水口进入管路，充入对应的储水袋；支路一的流量计实时测量流速，经积分后得到抽水量，抽水量接近储水袋容量且流速小于设定值时，储水袋充满水，任务设备控制器依次关闭支路一和该采样管路，该采样点的水样采集过程结束，流量数据清零；

7）、管路疏通：当某个采样点的水样采集完成后，或任务设备控制器检测到管路被堵塞时，自动进入管路疏通过程；任务设备控制器打开支路二和排水/进气管路，空气从排水口进入管路，从抽水口流出；持续规定时间后，任务设备控制器关闭支路二和排水/进气管路，管路疏通过程结束，继续进入水样采集过程或结束该采样点的采样任务；

8）、依次完成多点采样：某个采样点的采样任务完成后，若后续仍有其他采样点，则顺序进入下个采样点的任务，即回跳至步骤2），控制无人机飞向下个采样点，继续采样；

9）、返航：所有采样点的任务都完成后，任务设备控制器控制无人机返航，在降落时，当抽水管线的下端触地后，可视情况发送抛管指令，使管线与无人机分离。