一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统技术方案

本发明专利技术涉及一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，包括艇载系统与岸基系统；所述艇载系统包括第一中央控制模块以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；本发明专利技术能够在有风浪流干扰的采样点精确动态定位。

A water sampling unmanned boat system with dynamic positioning function

【技术实现步骤摘要】
一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统
本专利技术涉及无人艇动态定位技术和水质采样
，特别是一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统。
技术介绍
根据中国全国水利普查结果，中国流域面积50平方公里以上河流共45203条，总长度达150.85万公里。常年水面面积1平方公里及以上天然湖泊2865个，湖泊水面总面积7.80万平方公里。其中，淡水湖1594个，咸水湖945个，盐湖166个，其他160个。随着经济社会快速发展，中国河湖管理保护出现了一些新问题，如河道干涸湖泊萎缩，水环境状况恶化，河湖功能退化等，对保障水安全带来严峻挑战。并且一些湖泊、河流是居民生活用水的水源，根据我国环保部与水力资源部现行规定，不同等级内河湖泊需按时定点采集水样作水质分析，以保障居民生活用水。为了更好地保护居民生活用水水源，减少水体环境恶化，维持内河湖泊的健康，人们迫切需要提升水质采样设备，尤其是水质采样无人艇及其相关的设施设备。传统的人工采样艇，体积大，机动性能差，在狭窄的水域中难以操纵，而且费时费力。现有的采样无人艇大多仅配备了推进装置和舵装置，用于推进和操纵无人艇。推进装置主要包括推进电机和推进器，只能够控制船舶的纵向运动。舵装置主要用于控制无人艇的方向。现有技术中的无人艇属于欠驱动系统，无法在有风浪流的水面上实现动态定位。因此只能停船进行采样或者在无人艇运行的过程中进行采样，无法做到精准定点采样。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，能够在有风浪流干扰的采样点精确动态定位。本专利技术采用以下方案实现：一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，包括艇载系统与岸基系统；所述艇载系统包括第一中央控制模块以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；所述岸基系统通过无线通信的方式将采样信息传输至艇载系统，艇载系统根据GPS北斗导航模块的定位信息抵达采样点，第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位，然后控制水质采样模块执行采样动作。进一步地，所述艇推进与动态定位驱动模块包括两个横向推进器、两个全回转纵向推进器；两个横向推进器均位于船底中纵剖面上，沿艏艉方向分布，靠近船艏位置且在距离船艏0～0.5倍船长的范围内。两个纵向推进器都位于船尾，关于中纵剖面对称；四个推进器的中心在同一平面。进一步地，所述风浪流检测模块包括风速仪以及波浪和水流检测装置；风速仪位于艇的顶部，用以检测当前风力；波浪和水流检测装置位于艇的底部，用以检测无人艇所受的波浪力以及水动力。进一步地，所述第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位具体包括以下步骤：步骤S1：风浪流检测模块检测出风浪流对无人艇产生的沿x轴的力X，沿y轴的力Y，以及沿z轴的转动力矩N；然后通过式(1)计算出无人艇沿x轴的线速度u，沿y轴的线速度v，以及沿z轴的转动角速度r：式中，m表示无人艇的质量，u表示沿x轴的线速度，v表示沿y轴的线速度，r表示沿z轴的转动角速度；xG表示沿x轴距重心的距离；JZ表示无人艇沿z轴的转动惯量；XP表示各个螺旋桨力沿x轴的合力，YP表示各个螺旋桨力沿y轴的合力，NP表示各个螺旋桨力沿z轴的转动合力矩；步骤S2：根据姿态检测模块的实时数据，使无人艇以一定的姿态精确定位在采样点；为了节约电量，以各个推进器的总功率G最小为控制目标，通过下式计算出艇推进与动态定位驱动模块中各个推进器应该提供的推力大小,以及各个推进器的转速和回转角度：式中，Txi表示各个推进器在x轴上产生的力，Tyi表示各个推进器在y轴上产生的力，Tni表示各个推进器在z轴上产生力矩，li表示各个推进器距z轴的距离，Ti表示各个推进器在无人艇上产生合力，Qi为各个推进器的转矩，ρ为水的密度，ni为各个推进器的转速，Di为各个推进器的直径，KTi为各个推进器的推力系数，KQi为各个推进器的转矩系数，Pi为各个推进器的功率，Qi为各个推进器的回转角度；其中i＝1与i＝2分别代表两个纵向推进器，i＝3与i＝4分别代表两个横向推进器。进一步地，所述艇载系统还包括与中央控制模块电性相连的激光雷达模块，用以在前往采样点过程中自动避障。进一步地，所述岸基系统还包括有遥控操作手柄模块，用以供用户通过手柄手动操作无人艇的行进方向。进一步地，所述水质采样模块包括采样水泵、可升降的采样管和样品储存器；所述采样管能够根据采样需要在距水面0-2米的深度范围内自由升降，且能固定在某一指定深度。进一步地，所述样品储存器位于无人艇的左右两舷，且在左右两舷均匀分布并关于中纵剖面对称。每个样品储存器上分别均设置有排水阀和排气阀，排水阀设置于样品储存器的底部，排气阀设置于样品储存器的顶部，排水阀和排气阀均与大气接通。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术通过设有艇推进与动态定位驱动模块以及具有可升降采样管的水质采样模块，并配备了岸基系统与无线通信模块，能达到在岸基系统上选取采样点，采样无人艇自主规划航线到达采样点，并在有风浪流干扰的采样点精确动态定位，采样管降至设定深度，对内河湖泊进行定点、定深精准采样的效果。附图说明图1为本专利技术实施例的采样无人艇的基本结构示意图。图中，1：艇推进与动态定位模块，2：姿态检测模块，3：激光雷达模块，4：第一中央控制模块(核心ARM控制模块)，5：水质采样模块，6：船载GPS_北斗导航模块，7：无线通讯模块，8：风浪流检测模块。图2为本专利技术实施例的推进与动态定位模块各部件结构图。其中(1)为纵向全回转推进器，(2)为横向推进器。图3为本专利技术实施例的样品储存器的结构示意。其中，左图为侧视图，右图为俯视图，YV1：进水阀；YV2：排气阀；YV3：排水阀。图4为本专利技术实施例的采样无人艇系统岸基系统上的控制界面示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。如图1所示，本实施例提供了一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，包括艇载系统与岸基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，包括艇载系统与岸基系统；/n所述艇载系统包括第一中央控制模块以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；/n所述岸基系统通过无线通信的方式将采样信息传输至艇载系统，艇载系统根据GPS北斗导航模块的定位信息抵达采样点，第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位，然后控制水质采样模块执行采样动作。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，包括艇载系统与岸基系统；
所述艇载系统包括第一中央控制模块以及与其电性相连的GPS北斗导航模块、姿态检测模块、第一无线通信模块、艇推进与动态定位驱动模块、锂电池电源模块、风浪流检测模块以及水质采样模块；所述岸基系统包括第二中央控制模块以及与其电性相连的第二无线通信模块；
所述岸基系统通过无线通信的方式将采样信息传输至艇载系统，艇载系统根据GPS北斗导航模块的定位信息抵达采样点，第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位，然后控制水质采样模块执行采样动作。


2.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述艇推进与动态定位驱动模块包括两个横向推进器、两个全回转纵向推进器；两个横向推进器均位于船底中纵剖面上，沿艏艉方向分布，靠近船艏位置且在距离船艏0～0.5倍船长的范围内。两个纵向推进器都位于船尾，关于中纵剖面对称；四个推进器的中心在同一平面。


3.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述风浪流检测模块包括风速仪以及波浪和水流检测装置；风速仪位于艇的顶部，用以检测当前风力；波浪和水流检测装置位于艇的底部，用以检测无人艇所受的波浪力以及水动力。


4.根据权利要求1所述的一种具有动态定位功能的水质采样无人艇系统，其特征在于，所述第一中央控制模块根据姿态检测模块与风浪流检测模块采集的实时数据计算出推进器的转速及回转角度，使采样无人艇在采样点精准定位具体包括以下步骤：
步骤S1：风浪流检测模块检测出风浪流对无人艇产生的沿x轴的力X，沿y轴的力Y，以及沿z轴的转动力矩N；然后通过式(1)计算出无人艇沿x轴的线速度u，沿y轴的线速度v，以及沿z轴的转动角速度r：



式中，m表示无人艇的质量，u表示沿x轴的线速度，v表示沿y轴的线速度，r表示沿z轴的转动角速度；xG表示沿x轴距重心的距离；JZ表示无...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德烽，黄友强，杨荣峰，俞万能，尹自斌，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：福建;35