一種水域污染源自動探測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種水域污染源自動探測裝置，包括：本體，以及安裝于本體上的控制單元、驅動單元、采樣單元和傳感單元；傳感單元用于采集方位、水質信息；驅動單元，用于驅動本體以及本體上搭載的各單元在水域上運送至目標方位；采樣單元，用于水質取樣；控制單元用于控制水質傳感器采集水質信息的時間間隔、比較分析水質傳感器采集的水質信息、儲存方位、水質信息、確定污染源位置、控制驅動單元的運動、控制采樣單元的采樣行為。本發明的裝置能夠在水域自動巡游、自動定位、無人操作，自動搜尋水域污染源的位置并帶回樣本；可到達人們難以到達或高危險的水域；可自動實時監控檢測大范圍水域水質的情況，給出具體的水域污染物濃度。
【專利說明】
一種水域污染源自動探測裝置
技術領域
[0001 ]本發明屬于水域水質探測領域，更具體地，涉及一種水域污染源自動探測裝置。【背景技術】
[0002]隨著工業化、城市化進程的不斷加快，水域污染事件日益增多，對人民群眾的日常生活和人類社會的可持續發展帶來了嚴重的損害。因此，加大對水源的保護力度和對水污染行為的處罰力度已是刻不容緩。目前，各地普遍存在私設暗管偷排，或用軟管直接排放或稀釋排放等嚴重違法行為。如果不能確定河水中污染物的方位，污染物泄漏無疑將隨著時間推移而變得愈發嚴重。
[0003]化工廢水里含有大量有毒有害物質，排放在水體里雖然不一定會造成水體黑臭、 富營養化，但很多無色無味物質造成的危害更大，例如，汞、鉛、砷、鎘、鉻等重元素具有持久性的毒害污染。此外，有機污染物也在威脅著水體質量，例如常用農藥中含有的敵敵畏，煉焦業中排出的多氯聯苯、多含芳烴。這些化工產品、副產品進入水體后，造成的危害比富營養化厲害得多，這些污染物卻難以憑肉眼觀察發現。
[0004]常規的水質監測方法是在水域范圍內布置大量的監測點，通過人工取樣進行實時實地監測，監測和分析過程復雜、周期長，需要耗費大量人力物力，還受到氣候和水文等自然條件的限制，并且這種方法只能了解監測斷面上的表面水質狀況，只具有局部和典型的代表意義。環境監測與環境管理工作“點多，面廣、量大”，而且具有“全方面、全天候、全時制”的特點，為了徹底解決環境執法人員不足的問題，節約執法成本，提高監察效能，亟需建設污染源自動查找系統，實現對水質參數進行連續自動監測、信號處理和傳輸。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是克服現有水域污染源監測中的缺陷，提供一種無人自動水域污染源探測裝置。探測裝置能夠在湖泊等水域自動巡游、自動定位、自動航行、無人操作，自動搜尋二維水域的污染源，實現水域污染源的位置檢測并帶回樣本;探測裝置小巧便捷，可攜帶儀器到達人們難以到達或高危險的水域;探測裝置可自動檢測大范圍水域水質的情況，監視和測定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢，記錄水域情況，給出具體的水域污染物濃度數據。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供了一種無人自動水域污染源探測裝置，包括:本體，以及安裝于本體上的控制單元、驅動單元、采樣單元和傳感單元;傳感單元包括方位傳感器、水質傳感器，分別用于采集方位、水質信息;驅動單元，用于驅動本體以及本體上搭載的各單元在水域上運送至目標方位;采樣單元，用于水質取樣;控制單元，包括計時模塊、數據處理模塊、存儲模塊;計時模塊用于控制水質傳感器采集水質信息的時間間隔;數據處理模塊用于比較分析水質傳感器采集的水質信息;存儲模塊用于儲存方位、水質信息;控制單元結合方位傳感器采集的位置信息以及數據處理模塊的水質信息處理結果確定污染源位置、控制驅動單元的運動、控制采樣單元的采樣行為。
[0007]進一步地，驅動單元包括左葉輪、右葉輪、彈性聯軸器和電機，左、右葉輪布置于本體的兩側，電機通過彈性聯軸器連接葉輪，葉輪的槳葉全部或者部分浸入水中。
[0008]進一步地，葉輪的外面有保護罩，保護罩固定在本體上，保護罩對應葉輪的下方留有開口。
[0009]進一步地，水質檢測傳感器可根據檢測內容更換，檢測內容包括水溫、pH值、電導率、溶解氧、銨離子、氰離子、硝酸根、C0D、T0C、濁度、葉綠素a及藍綠藻中的一項或多項。
[0010]進一步地，采樣單元包括電磁鐵、閥門、樣品槽;控制單元控制電磁鐵的通斷，電磁鐵用于控制閥門的開合，閥門打開后樣品槽浸于水中采集水樣，閥門閉合后，樣品槽與水域隔離。[〇〇11]進一步地，控制單元還包括電量監控模塊，當電量較低時，發出報警信號并通過控制單元控制驅動單元返程。
[0012]進一步地，控制單元還包括通訊模塊，用于實時與遠程控制系統進行數據交換，并接收遠程控制系統的指令。
[0013]進一步地，本體還搭載有障礙檢測傳感器，實時向控制單元上傳障礙檢測信息，控制單元根據接收的障礙檢測信息，控制驅動單元改變方向。
[0014]進一步地，障礙檢測傳感器的檢測區域為扇形區域，扇形區域能夠敏感檢測到障礙物的那部分的寬度不小于探測裝置的最大寬度。
[0015]進一步地，本體搭載太陽能電池板，用于電力續航。
[0016]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0017]1)可自動定位至水域污染源，用于水域的環境保護；
[0018]2)增加港口管理部門監視船舶污染、其他類型有害污染物和來自水下管道排放污染物質的靈活性和適應性；
[0019]3)掌握水域水質分布情況，掌握污染物的來源、擴撒、迀移、反應、轉化，了解污染物對環境質量的影響程度；
[0020]4)實施準確可靠的污染監測，為環境執法部門提供執法依據；
[0021]5)能夠自動巡游工作和監測水域水質，為水質監測提供一種快捷、省力的新型裝備。【附圖說明】
[0022]圖1是系統組成框圖示意圖；
[0023]圖2是第一實施例外部結構立體俯視示意圖；
[0024]圖3是圖2的仰視不意圖；[〇〇25]圖4是圖2的內部布局俯視圖；
[0026]圖5是圖2的立體分解示意圖；[〇〇27]圖6是探測裝置搜索總體流程示意圖；
[0028]圖7是污染物濃度測量傳感器布置和編號示意圖；[〇〇29]圖8是探測裝置范圍搜索示意圖；
[0030]圖9是探測裝置精確搜索流程圖。
[0031]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:[〇〇32] 控制單元1驅動單元2左、右葉輪21、22[〇〇33]彈性聯軸器23電機24采樣單元3[〇〇34]閥門31樣品槽32電磁鐵33[〇〇35] 方位傳感器4定位模塊41電子羅盤42
[0036] 水質傳感器5障礙檢測傳感器6本體7[〇〇37]電源模塊8【具體實施方式】[〇〇38]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。在附圖當中，為表達簡明，對各部件之間的常規線路連接進行了省略。
[0039]圖1是本發明無人自動水域污染源探測裝置的系統組成框圖示意圖，圖2至圖5分別顯示了本發明第一實施例的無人自動水域污染源探測裝置的外部和內部結構。本發明第一實施例包括:本體，以及安裝于本體上的控制單元、驅動單元、采樣單元和傳感單元;傳感單元包括方位傳感器、水質傳感器、障礙檢測傳感器，分別用于采集方位、水質、障礙信息；驅動單元，用于驅動本體以及本體上搭載的各單元在水域上運送至目標方位；采樣單元，用于水質取樣;控制單元，包括計時模塊、數據處理模塊、存儲模塊;計時模塊用于控制水質傳感器采集水質信息的時間間隔;數據處理模塊用于比較分析水質傳感器采集的水質信息;存儲模塊用于儲存方位、水質信息;控制單元結合方位傳感器采集的位置信息以及數據處理模塊的水質信息處理結果確定污染源位置、控制驅動單元的運動、控制采樣單元的米樣行為。
[0040]驅動單元包括左右葉輪、彈性聯軸器和電機，左右葉輪布置于本體的兩側。電機通過彈性聯軸器連接葉輪，將轉動輸出至葉輪，葉輪的槳葉全部或者部分浸入水中。探測裝置的前進、后退和轉向依靠兩個葉輪的轉動方向來實現。當兩葉輪分別正反轉，則實現探測裝置的轉向，兩葉輪同時正轉或者反轉，則實現探測裝置的前進或后退。可以理解，當探測裝置需要180°轉向(或者反向前進)時，直接兩葉輪同時反轉即可，比轉動180°再前進更加的便捷。轉向操作也可以由兩葉輪轉動的速度差異來實現。
[0041]葉輪的外面有保護罩(未圖示)，保護罩固定在本體上，保護罩位于葉輪的外面，在葉輪的下方留有開口以使葉輪與水正常接觸實現驅動。保護罩是防止葉輪碰觸到岸邊、障礙物等。[〇〇42]采樣單元與水質傳感器的數量一致且位置一一對應，保證采樣的水質數據與水質傳感器讀取的數據一致。在本實施例中，采樣單元作為水質傳感器的附件。采樣單元包括閥門、樣品槽、電磁鐵，電磁鐵根據控制單元的指令控制閥門的開合，閥門打開時，水樣進入樣品槽；閥門關閉后，停止采樣。在閥門上有橡膠圈(未圖示)，能防止因探測裝置周圍的水滲透而影響采樣水質。根據需要，采樣單元可以設置多個，同時采集多個位置的水質樣本。本實施例的樣品槽是直接設置在閥門上，在其他實施例中(未圖示)，樣品槽也可以設在本體內，閥門僅作為水質樣品進入樣品槽的入口。
[0043]傳感單元、采樣單元和驅動單元均設置了密封結構(未圖示)，避免水進入本體內部;控制單元和電源模塊固定于本體的內部，電源模塊為控制單元提供能量，從而驅動其他部件進行工作。
[0044]探測裝置用到的傳感單元主要包括水質檢測傳感器、方位傳感器、障礙檢測傳感器。水質傳感器布置在本體的前、后、左、右邊緣處。方位傳感器布置在本體的上部中心處， 包括定位模塊和電子羅盤，障礙檢測傳感器布置在本體前進和后退的方位上。使用以上傳感器，可以完成探測裝置所需要的檢測、定位，以及在運動過程中要實現運行方向的精確控制與避障功能。
[0045]水質傳感器對經過的水域進行水質檢測并將檢測數據上傳至控制單元的數據處理模塊，進行污染物濃度的分析。水質傳感器可根據需要更換，選擇測量的內容包括水溫、 pH值、電導率、溶解氧、銨離子、氰離子、硝酸根、C0D、T0C、濁度、葉綠素a及藍綠藻等水污染因素中的一項或多項。
[0046]方位傳感器實現探測裝置運行軌跡的跟蹤及污染源位置的確定，并在檢測到污染源之后，利用當前檢測到的位置信息返回初始出發點，定位模塊在本實施例中采用的是GPS 傳感器。方位傳感器的電子羅盤檢測探測裝置的方向，在控制單元的調控下，與驅動單元一起控制探測裝置的轉角。[〇〇47]本體還搭載有障礙檢測傳感器，檢測與障礙物的距離并實時向控制單元上傳障礙檢測信息，檢測到靠近障礙物一定距離后，控制單元根據接收的障礙檢測信息，控制驅動單元改變方向，實現探測裝置的避障。障礙檢測傳感器可以使用激光測距儀，也可基于超聲波測距的方法進行障礙距離測量。
[0048]在本實施例中，兩個超聲波傳感器分別位于左、右葉輪連線的中垂線兩端。超聲傳感器具有大散射角度，超聲波檢測區域為扇形，扇形區域能夠敏感檢測到障礙物的那部分的寬度不小于探測裝置的最大寬度，以保證探測裝置運行的前方區域內能夠通行。由于障礙物具體形狀的不確定性，障礙物也有可能是出現在前進方向兩側，此時障礙物之間的空隙有可能允許探測裝置直接通過而不需要轉向，扇形區域能夠敏感檢測到障礙物的那部分的寬度不小于探測裝置的最大寬度，則可以保證在障礙物的空隙允許通過的時候不轉向就直接通過，提高探測效率，節約能源。[〇〇49]上述方式也可以通過在探測裝置上布置多個散射角度較小超聲傳感器或者多個激光測距儀來實現探測裝置前進區域內障礙物的判斷。進一步地，根據檢測水域的環境、水情特點需要，可在探測裝置的上部、中部和底部分別同時安裝障礙檢測傳感器，更加準確全面地判斷探測裝置前進方向的障礙物情況。
[0050]控制單元還包括:電量監控模塊，當電量較低時，發出報警信號并通過控制單元控制驅動單元返程;通訊模塊，用于實時與遠程控制系統進行數據交換，并接收遠程控制系統的指令。控制單元的數據處理模塊通過通訊模塊實時與遠程控制系統交換數據，可以實時在遠程控制系統上監控水質信息或實時繪制水質分布圖。控制單元的存儲模塊實時記錄水質信息和位置信息，上述信息也可通過控制單元的外部直接導出，用來繪制水域水質分布圖。[0051 ]本體搭載太陽能電池板，用于電力續航，增加工作時間。
[0052]在搜尋污染源時，探測裝置以水中污染物的濃度為依據，越靠近污染源污染物的濃度越大。探測裝置根據采集的污染物濃度自動規劃路徑，自動尋找污染源。總體搜索過程如圖6所示，進一步說明如下:[〇〇53](1)在數據處理模塊中設定污染物檢測閾值So作為標準值，探測裝置按照初始方向前進;So的值根據所檢測的污染物和污染標準進行設定。[〇〇54](2)在控制單元的計時模塊調控下，多個水質傳感器每隔AT同時采集一次污染物濃度并上傳至數據處理模塊，存儲模塊實時記錄經過路徑的水質和位置信息；
[0055]當多個水質傳感器同時采集的污染物濃度相近或相同時，探測裝置沿原方向運動；相近是指，按照本領域的一般標準，由于水是流動的，污染物濃度一般不會完全均勻一致，因此通常會將一定數值范圍內的濃度波動視為正常現象，將該范圍內的數值視為近似值；[〇〇56]當多個水質傳感器同時采集的污染物濃度存在一個最大值S時，數據處理模塊取S 與So進行比較，
[0057]當SSSo時，探測裝置采用范圍搜索模式進行搜索；[〇〇58]當S>So時，探測裝置采用精確搜索模式進行搜索，直至到達污染源所在區域，確認污染源位置。
[0059]更具體的探測過程，如圖7?圖9所示。在本實施例中，在探測裝置四個方向分別布置了水質傳感器，分別命名為A、B、C、D，其中A為前進的方向，如圖7所示。
[0060]當探測裝置為范圍搜索模式時，始終向前運動，直到遇見障礙物或者檢測到S>So， 其所示過程如圖8所示。外面的實線圈表示檢測水域，如水庫。探測裝置從起點出發，向預設定的初始方向前進。在搜索開始時，設定污染物檢測閾值So。進行搜索時，每隔AT記錄一次數據(濃度、溫度、pH值等)，取當前位置記錄的數據的最大值為S，當SSSo時，說明離污染源較遠，此時探測裝置處于巡航模式，繼續沿原方向前進，如虛線箭頭a所示；當檢測到靠近障礙物一定距離后，探測裝置自動轉向，如虛線箭頭b所示；當運行到水域邊界時也自動轉向 (因為水域邊界也是阻擋探測裝置運行的“障礙”)，如虛線箭頭c、d所示;直到檢測到S>So。 當S>So時，進入精確搜索模式。
[0061]精索搜索模式可以有兩種，第一種如下。
[0062]探測裝置始終向著最大值S所對應的水質傳感器所在的方向前進，直到進入靠近污染源的核心區域，如圖8中虛線圓圈區域，此時探測裝置會表現為在一定時間內，在該區域往返，如果只需粗略估計污染源位置，此時即可預估污染源在此區域內(即圖8中虛線區域)。如需精確探測污染源位置，當探測裝置在某一區域多次往返(例如圖8中虛線區域)，則利用存儲模塊記錄下的數據，以檢測到該區域內污染物濃度的最大值Smax所在位置為污染源位置。確定污染源位置后，探測裝置到達污染源位置進行采樣，隨后根據方位傳感器以及存儲模塊記錄的方位信息找到原始位置，直線返回。[〇〇63]精確搜索模式的第二種搜索過程如圖9所示。在這種搜索模式下，探測裝置始終向著污染物濃度最大的方向前進，具體可以有如下幾種判斷規則，
[0064]當檢測的污染物濃度值中只有一個最大值:
[0065](a)最大值為B傳感器，則采集B傳感器位置的樣本并返回初始位置；
[0066](b)A傳感器仍為最大值，則可繼續前進；
[0067](c) C或者D傳感器為最大值，探測裝置轉向至最大污染物濃度所在方位。
[0068]當傳感器中有兩個或者兩個以上位置檢測的污染物濃度值為最大值且相等:
[0069]((1)4 = 8或者4 = 8 =(:或4 = 8 = 0 = 0，采集4或8傳感器位置的樣本并返回初始位置；
[0070](e)C = D或者A = C = D或B = C = D，采集C或者D傳感器位置的樣本并返回初始位置；
[0071](f)A = C，則由A向C偏轉45°后前進，經AT之后重新判定A、B、C、D檢測的污染物濃度最大值；[〇〇72](g)如果A = D，則由A向D偏轉45°后前進，經AT之后重新判定A、B、C、D檢測的污染物濃度最大值。
[0073]可以看出，上述規則的核心在于，找準污染物濃度最大的方向并朝該方向前進，直到在前進方向上不再發生污染物濃度變化，即可準確定位污染源位置。
[0074]在上述過程中，探測裝置每次的轉向角度，可以是預設的固定值，也可以是預設一個隨機范圍，也可以直接在遠程控制系統中人工干預。
[0075]本發明的探測裝置也可用于水域的水質分布測量，可事先規劃探測裝置的運行路徑，探測裝置按預設的運行路徑由水質傳感器和方位傳感器實時采集污染物濃度和坐標數據，直接上傳至遠程控制系統上，自動或人工繪制水質分布圖，或存儲進存儲模塊，環境監測工作人員再根據存儲的信息繪制水質分布圖。如果在該水域有多個污染源，則還可以通過水質分布圖確認各個污染源的位置。
[0076]在其他實施例中(未圖示)，采樣單元也可以獨立設置，不與水質傳感器有直接的位置對應關系，對污染物濃度穩定的區域的采樣準確性沒有影響。
[0077]在其他實施例中(未圖示)，障礙檢測傳感器也可以位于本體上部中心位置，向四周或僅向運行方向的前后方向發射和接收探測信號。
[0078]在其他實施例中(未圖示)，水質傳感器的數量不限于四個，只要均勻分布在本體周圍，能對應不同方位，有利于根據污染物濃度比較、確認最大值S所在的方位即可。
[0079]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0080] 1)可自動定位至水域污染源，由于是自動探測定位，可以到達人類無法直接到達的、或雖能直接到達但環境危險的地帶；
[0081]2)水質傳感器可集成、可更換，增加港口管理部門監視船舶污染、其他類型有害污染物和來自水下管道排放污染物質的靈活性和適應性；[〇〇82]3)通過通訊模塊與遠程控制系統的交互，可以實時掌握水域水質分布情況，掌握污染物的來源、擴撒、迀移、反應、轉化，了解污染物對環境質量的影響程度;通過存儲模塊存儲的信息，也能掌握指定時間段的上述情況。
[0083]4)由于能夠實時檢測或進行數據存儲，且能進行采樣，可以實施準確可靠的污染監測，為環境執法部門提供有力的執法依據；
[0084]5)搭載障礙檢測傳感器，實時向控制單元上傳障礙檢測信息，控制單元根據接收的障礙檢測信息，控制驅動單元改變方向，可以有效避障，保證探測過程的穩定性及連續性；
[0085]6)能夠自動巡游工作和監測水域水質，為水質監測提供一種快捷、省力的新型裝備。
[0086]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于，包括:本體，以及安裝于本體上的控制 單元、驅動單元、采樣單元和傳感單元；傳感單元包括方位傳感器、水質傳感器，分別用于采集方位、水質信息；驅動單元，用于驅動本體以及本體上搭載的各單元在水域上運送至目標方位；采樣單元，用于水質取樣；控制單元，包括計時模塊、數據處理模塊、存儲模塊;計時模塊用于控制水質傳感器采 集水質信息的時間間隔;數據處理模塊用于比較分析水質傳感器采集的水質信息;存儲模 塊用于儲存方位、水質信息；控制單元結合方位傳感器采集的位置信息以及數據處理模塊 的水質信息處理結果確定污染源位置、控制驅動單元的運動、控制采樣單元的采樣行為。2.如權利要求1所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:驅動單元包括左葉 輪、右葉輪、彈性聯軸器和電機，左、右葉輪布置于本體的兩側，電機通過彈性聯軸器連接葉 輪，葉輪的槳葉全部或者部分浸入水中。3.如權利要求2所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:葉輪的外面有保護 罩，保護罩固定在本體上，保護罩對應葉輪的下方留有開口。4.如權利要求1所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:水質檢測傳感器可 根據檢測內容更換，檢測內容包括水溫、pH值、電導率、溶解氧、銨離子、氰離子、硝酸根、 COD、TOC、濁度、葉綠素a及藍綠藻中的一項或多項。5.如權利要求1所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:采樣單元包括電磁 鐵、閥門、樣品槽;控制單元控制電磁鐵的通斷，電磁鐵用于控制閥門的開合，閥門打開后樣 品槽浸于水中采集水樣，閥門閉合后，樣品槽與水域隔離。6.如權利要求1所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:控制單元還包括電 量監控模塊，當電量較低時，發出報警信號并通過控制單元控制驅動單元返程。7.如權利要求1所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:控制單元還包括通 訊模塊，用于實時與遠程控制系統進行數據交換，并接收遠程控制系統的指令。8.如權利要求1所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:本體還搭載有障礙 檢測傳感器，實時向控制單元上傳障礙檢測信息，控制單元根據接收的障礙檢測信息，控制 驅動單元改變方向。9.如權利要求8所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:障礙檢測傳感器的 檢測區域為扇形區域，扇形區域能夠敏感檢測到障礙物的那部分的寬度不小于探測裝置的最大寬度。10.如權利要求1所述的一種水域污染源自動探測裝置，其特征在于:本體搭載太陽能 電池板，用于電力續航。
【文檔編號】G01C1/00GK106093333SQ201610616204
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月29日 公開號201610616204.7, CN 106093333 A, CN 106093333A, CN 201610616204, CN-A-106093333, CN106093333 A, CN106093333A, CN201610616204, CN201610616204.7
【發明人】詹小斌, 梁建, 李錫文, 楊屹立, 何宇, 沈寶君, 孫志斌, 史鐵林
【申請人】華中科技大學