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(zhì)指標的自動巡航機器人。該機器人結(jié)合了無人機的機動性以及多種水質(zhì)監(jiān)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(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測;無人機;自動;設(shè)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(guān)注的焦點?，F(xiàn)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(qū)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(yè)化的發(fā)展日趨嚴重，致使人們對水質(zhì)檢測要求不斷提高。目前，水質(zhì)檢測主要依靠室內(nèi)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(xiàn)如今對水資源檢測的迫切需求[2]。

為提高水質(zhì)監(jiān)測效率、減少人力勞動和能源浪費，有關(guān)單位提出了基于無人機技術(shù)的水樣采集、水質(zhì)監(jiān)測裝置，將現(xiàn)場水泵采樣的數(shù)據(jù)通過無人機上搭微處理器，處理后利用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器端，地面控制端通過PC機上的上位機接收數(shù)據(jù)、控制無人機。該方式較好地彌補了水質(zhì)檢測存在的不足，有助于水質(zhì)監(jiān)理的高效化和精確化，提高了水質(zhì)檢測的信息化水平，并最終達到水質(zhì)監(jiān)理監(jiān)測自動化、信息化和現(xiàn)代化的目的。

1 設(shè)計方案

本文研究的裝置機器人以四翼無人機為基礎(chǔ)，搭載自動檢測系統(tǒng)，通過程序在設(shè)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(zhì)狀況傳送到控制芯片。若水質(zhì)超出每個指標設(shè)定值后，則判斷此處該項水質(zhì)指標不合格，通過GPS定位系統(tǒng)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(shù)量，機器將自動抽取水樣，存放在內(nèi)部試管中;若水質(zhì)狀況未超出設(shè)定值，機器判斷該處水質(zhì)合格，無需抽取水樣，繼續(xù)前進。巡航完畢后，機器人將自動返航，工作人員將內(nèi)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(jiān)測、TDS、液體懸浮顆粒、色標和溫度等方面的內(nèi)容。

1.1 機體結(jié)構(gòu)

檢測水質(zhì)機體要求搭載水質(zhì)監(jiān)測儀器。該儀器必須穩(wěn)定飛行且具有一定馬力，綜合所需檢測內(nèi)容以及經(jīng)濟情況，本文設(shè)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(wěn)定，懸停飛行時角速度變化（±3）rad/s以內(nèi)，角度變化（±0.3）rad以內(nèi)，遙控器變化范圍小于量程10%。

1.2 取樣系統(tǒng)

為避免回收的垃圾影響水質(zhì)檢測的準確性，相關(guān)檢測人員將水質(zhì)傳感器安裝在機器后尾部的監(jiān)測匣中，通過齒輪齒條機構(gòu)（見圖1）對不同深度的水質(zhì)進行檢測，檢測同一地點不同深度的水質(zhì)，數(shù)據(jù)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(zhì)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(jié)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(qū)進行現(xiàn)場實驗，檢驗該機器人的實際運行性能和所測結(jié)果的可靠性，并利用該實驗結(jié)果，為該采煤沉降區(qū)治理提出合理建議。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（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(yè)區(qū)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(yǎng)殖業(yè)與農(nóng)田灌溉。在水面塌陷區(qū)興建水上公園，重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境模式，將傳統(tǒng)的生產(chǎn)型復墾轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)型開發(fā)，利用面積大、水體深、水質(zhì)好的水域興建游樂設(shè)施，發(fā)展旅游業(yè)，不僅可以改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，改善煤礦區(qū)臟、亂、黑的情況，還可以提供良好的休閑場所。

3 結(jié)論

自動巡航檢測水質(zhì)指標的機器人將水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備集成于無人機，利用無人機的機動、快速、靈活、服務(wù)范圍大等優(yōu)點，有效覆蓋大型水域，同步實施水面拍照攝像和水質(zhì)數(shù)據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，通過照片、視頻和監(jiān)測數(shù)據(jù)全方位掌握目標水域的水質(zhì)狀況。該系統(tǒng)能夠優(yōu)化現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測站點布局、提高監(jiān)測系統(tǒng)機動性、靈活性和快速反應能力。

相比較常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測機器人，本文設(shè)計的機器人主要存在以下幾個方面的優(yōu)點和特征。①水質(zhì)檢測指標范圍大，數(shù)據(jù)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(jiān)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(zhì)監(jiān)測精細化控制措施研究[J].科技創(chuàng)新導報，2012（17）：12-14.

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