一种自动巡航检测水质指标的机器人设计研究

毛奥迪　顾凯　邓文　李杨

摘 要：本文主要研究了一种用于检测水质指标的自动巡航机器人。该机器人结合了无人机的机动性以及多种水质监测传感器，对各种水域目标进行检测和取样，极大地减少了人力和物力，提高了水样检测的效率和及时性。

关键词：水质监测;无人机;自动;设计

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

水资源的合理利用和保护一直人们关注的焦点。现阶段，我国水资源总量为2.8万亿m3，其中，地表水2.7万亿m3，地下水0.83万亿m3，存在总量紧缺、人均占有量低、地区分布不均、水土资源不相匹配、水体污染日益加重、城市缺水情况凸显等问题[1]。水资源污染随着人类工业化的发展日趋严重，致使人们对水质检测要求不断提高。目前，水质检测主要依靠室内实验分析，需要昂贵的实验仪器，且分析时间较长，不能满足现如今对水资源检测的迫切需求[2]。

为提高水质监测效率、减少人力劳动和能源浪费，有关单位提出了基于无人机技术的水样采集、水质监测装置，将现场水泵采样的数据通过无人机上搭微处理器，处理后利用GPRS网络发送至服务器端，地面控制端通过PC机上的上位机接收数据、控制无人机。该方式较好地弥补了水质检测存在的不足，有助于水质监理的高效化和精确化，提高了水质检测的信息化水平，并最终达到水质监理监测自动化、信息化和现代化的目的。

1 设计方案

本文研究的装置机器人以四翼无人机为基础，搭载自动检测系统，通过程序在设定在水域沿“S”字形路线自动巡航，每隔10min停止前行。由机器人自身携带的传感器将检测到的水质状况传送到控制芯片。若水质超出每个指标设定值后，则判断此处该项水质指标不合格，通过GPS定位系统记录当前位置坐标，并在显示屏上用不同颜色点代表超标数量，机器将自动抽取水样，存放在内部试管中;若水质状况未超出设定值，机器判断该处水质合格，无需抽取水样，继续前进。巡航完毕后，机器人将自动返航，工作人员将内部存放的水样取出，做进一步分析。采用的传感器测量范围包括水的溶解度、电导率、水浊度、水压力、pH值、水位监测、TDS、液体悬浮颗粒、色标和温度等方面的内容。

1.1 机体结构

检测水质机体要求搭载水质监测仪器。该仪器必须稳定飞行且具有一定马力，综合所需检测内容以及经济情况，本文设计的机器人机体要求如下：①机体直径<0.8m;②旋翼直径<0.3m;③有效载重1kg以上;④空载飞行20min以上，满载飞行8min以上;⑤无人机飞行可靠、稳定，悬停飞行时角速度变化（±3）rad/s以内，角度变化（±0.3）rad以内，遥控器变化范围小于量程10%。

1.2 取样系统

为避免回收的垃圾影响水质检测的准确性，相关检测人员将水质传感器安装在机器后尾部的监测匣中，通过齿轮齿条机构（见图1）对不同深度的水质进行检测，检测同一地点不同深度的水质，数据回传至地面控制器，通过LCD液晶显示屏显示出不同的颜色，直观反映当前位置的水质状况。

注：1.试管;2.周布圆盘;3.齿条;4.指齿轮;5.齿轮支座;6.齿条;7.检测盒;8、9、10、11.传感器綜合;12.水管;13.水泵支座;14.水泵。

2 实验结果与分析

本文利用该自动巡航机器人，对淮南潘三矿采煤塌陷区进行现场实验，检验该机器人的实际运行性能和所测结果的可靠性，并利用该实验结果，为该采煤沉降区治理提出合理建议。根据水质监测数据（见表1）可知，除CODCr和TN两个指标超标且超标率较大外，其他指标基本正常。

由于潘三西部工业区人口稀少，所以在潘三矿西部CODCr和TN两个指标相对于东部更低，完全可用于养殖业与农田灌溉。在水面塌陷区兴建水上公园，重建矿区生态环境模式，将传统的生产型复垦转变为服务型开发，利用面积大、水体深、水质好的水域兴建游乐设施，发展旅游业，不仅可以改善矿区生态环境质量，改善煤矿区脏、乱、黑的情况，还可以提供良好的休闲场所。

3 结论

自动巡航检测水质指标的机器人将水质监控设备集成于无人机，利用无人机的机动、快速、灵活、服务范围大等优点，有效覆盖大型水域，同步实施水面拍照摄像和水质数据现场监测，通过照片、视频和监测数据全方位掌握目标水域的水质状况。该系统能够优化现有水质监测站点布局、提高监测系统机动性、灵活性和快速反应能力。

相比较常规的水质监测机器人，本文设计的机器人主要存在以下几个方面的优点和特征。①水质检测指标范围大，数据更加准确，传感器测量范围包括水的溶解度、电导率、水浊度、水压力、pH值、水位监测、TDS、液体悬浮颗粒、色标和温度等方面。②采用自动巡航的机器人形式，极大地减少了人的工作强度，自动化形式完备。

参考文献：

[1]焦健，陈子坤，赵阳.水质监测精细化控制措施研究[J].科技创新导报，2012（17）：12-14.

[2]黎洪松，刘俊.水质检测传感器研究的新进展[J].传感器与微系统，2012（3）：11-14.