一種自動巡航檢測水質指標的機器人設計研究

毛奧迪　顧凱　鄧文　李楊

摘 要：本文主要研究了一種用于檢測水質指標的自動巡航機器人。該機器人結合了無人機的機動性以及多種水質監測傳感器，對各種水域目標進行檢測和取樣，極大地減少了人力和物力，提高了水樣檢測的效率和及時性。

關鍵詞：水質監測;無人機;自動;設計

Abstract： This paper proposed a design of cruise control robot for detecting water quality index. The robot combined the maneuverability of unmanned aerial vehicles and various water quality monitoring sensors to detect and sample various water targets， greatly reduced manpower and material resources， and improved the efficiency and timeliness of water sample detection.

Keywords： water quality monitoring;UAV;automatic;design

水資源的合理利用和保護一直人們關注的焦點?，F階段，我國水資源總量為2.8萬億m3，其中，地表水2.7萬億m3，地下水0.83萬億m3，存在總量緊缺、人均占有量低、地區分布不均、水土資源不相匹配、水體污染日益加重、城市缺水情況凸顯等問題[1]。水資源污染隨著人類工業化的發展日趨嚴重，致使人們對水質檢測要求不斷提高。目前，水質檢測主要依靠室內實驗分析，需要昂貴的實驗儀器，且分析時間較長，不能滿足現如今對水資源檢測的迫切需求[2]。

為提高水質監測效率、減少人力勞動和能源浪費，有關單位提出了基于無人機技術的水樣采集、水質監測裝置，將現場水泵采樣的數據通過無人機上搭微處理器，處理后利用GPRS網絡發送至服務器端，地面控制端通過PC機上的上位機接收數據、控制無人機。該方式較好地彌補了水質檢測存在的不足，有助于水質監理的高效化和精確化，提高了水質檢測的信息化水平，并最終達到水質監理監測自動化、信息化和現代化的目的。

1 設計方案

本文研究的裝置機器人以四翼無人機為基礎，搭載自動檢測系統，通過程序在設定在水域沿“S”字形路線自動巡航，每隔10min停止前行。由機器人自身攜帶的傳感器將檢測到的水質狀況傳送到控制芯片。若水質超出每個指標設定值后，則判斷此處該項水質指標不合格，通過GPS定位系統記錄當前位置坐標，并在顯示屏上用不同顏色點代表超標數量，機器將自動抽取水樣，存放在內部試管中;若水質狀況未超出設定值，機器判斷該處水質合格，無需抽取水樣，繼續前進。巡航完畢后，機器人將自動返航，工作人員將內部存放的水樣取出，做進一步分析。采用的傳感器測量范圍包括水的溶解度、電導率、水濁度、水壓力、pH值、水位監測、TDS、液體懸浮顆粒、色標和溫度等方面的內容。

1.1 機體結構

檢測水質機體要求搭載水質監測儀器。該儀器必須穩定飛行且具有一定馬力，綜合所需檢測內容以及經濟情況，本文設計的機器人機體要求如下：①機體直徑<0.8m;②旋翼直徑<0.3m;③有效載重1kg以上;④空載飛行20min以上，滿載飛行8min以上;⑤無人機飛行可靠、穩定，懸停飛行時角速度變化（±3）rad/s以內，角度變化（±0.3）rad以內，遙控器變化范圍小于量程10%。

1.2 取樣系統

為避免回收的垃圾影響水質檢測的準確性，相關檢測人員將水質傳感器安裝在機器后尾部的監測匣中，通過齒輪齒條機構（見圖1）對不同深度的水質進行檢測，檢測同一地點不同深度的水質，數據回傳至地面控制器，通過LCD液晶顯示屏顯示出不同的顏色，直觀反映當前位置的水質狀況。

注：1.試管;2.周布圓盤;3.齒條;4.指齒輪;5.齒輪支座;6.齒條;7.檢測盒;8、9、10、11.傳感器綜合;12.水管;13.水泵支座;14.水泵。

2 實驗結果與分析

本文利用該自動巡航機器人，對淮南潘三礦采煤塌陷區進行現場實驗，檢驗該機器人的實際運行性能和所測結果的可靠性，并利用該實驗結果，為該采煤沉降區治理提出合理建議。根據水質監測數據（見表1）可知，除CODCr和TN兩個指標超標且超標率較大外，其他指標基本正常。

由于潘三西部工業區人口稀少，所以在潘三礦西部CODCr和TN兩個指標相對于東部更低，完全可用于養殖業與農田灌溉。在水面塌陷區興建水上公園，重建礦區生態環境模式，將傳統的生產型復墾轉變為服務型開發，利用面積大、水體深、水質好的水域興建游樂設施，發展旅游業，不僅可以改善礦區生態環境質量，改善煤礦區臟、亂、黑的情況，還可以提供良好的休閑場所。

3 結論

自動巡航檢測水質指標的機器人將水質監控設備集成于無人機，利用無人機的機動、快速、靈活、服務范圍大等優點，有效覆蓋大型水域，同步實施水面拍照攝像和水質數據現場監測，通過照片、視頻和監測數據全方位掌握目標水域的水質狀況。該系統能夠優化現有水質監測站點布局、提高監測系統機動性、靈活性和快速反應能力。

相比較常規的水質監測機器人，本文設計的機器人主要存在以下幾個方面的優點和特征。①水質檢測指標范圍大，數據更加準確，傳感器測量范圍包括水的溶解度、電導率、水濁度、水壓力、pH值、水位監測、TDS、液體懸浮顆粒、色標和溫度等方面。②采用自動巡航的機器人形式，極大地減少了人的工作強度，自動化形式完備。

參考文獻：

[1]焦健，陳子坤，趙陽.水質監測精細化控制措施研究[J].科技創新導報，2012（17）：12-14.

[2]黎洪松，劉俊.水質檢測傳感器研究的新進展[J].傳感器與微系統，2012（3）：11-14.