基于無人機的可隔離污染吸取式水樣采集系統設計

袁梓鑫 梁文熙

摘要：目前廣泛使用的水樣采集設備和流程存在操作員感染病毒的風險，在離岸較遠的點位取樣效率較低。針對這些問題，設計了一種新型可隔離污染的水樣采集無人機系統，提出了無菌采集方案和分電系統設計方案。設計的采樣系統在試驗中通過對比測試確定了最佳方案，并完成了官廳水庫采樣試驗和采樣穩定性試驗。該系統工作穩定可靠，能夠有效隔離污染、提升效率，適用于水環境研究、環境執法取證、水數據收集、應急污染追蹤等多種用途。

關鍵詞：無人機；水樣采集；水體病毒；隔離污染；環境衛生

中圖分類號：X832文獻標識碼：B文章編號：1001-9235（2024）02-0076-08

Design of an Unmanned Aerial Vehicle-Based Pollution-Isolating Suction Water Sampling System

YUAN Zixin，LIANG Wenxi

（Beijing Normal University，Zhuhai （BNUZ），Zhuhai 519070，China）

Abstract： At present，the widely used water sampling equipment and procedures pose a risk of operators being infected with viruses，and the sampling efficiency is low in remote offshore points.In view of these problems，a new unmanned aerial vehicle （UAV） system for pollution-isolating sampling has been designed， and the design scheme of a sterile collection and power distribution system has been proposed.The designed sampling system has identified the optimal scheme through comparative testing in experiments and completed sampling tests at the Guanting reservoir and sampling stability experiment.The system works stably and reliably，effectively isolating pollution and improving efficiency.It is applicable for various purposes such as water environment research，environmental law enforcement and evidence collection，water data collection，and emergency pollution tracking.

Keywords：unmanned aerial vehicle （UAV）;water sampling;water viruses;isolation of pollution;environmental sanitation

水樣采集一直是環境監測、污染治理、排污執法中重要的一環^［1］。僅靠傳統水樣采集桶人工采樣的方式存在效率低下的問題，能提升水樣采集效率的新技術手段長期以來被研究者所關注。耿家樂等^［2］設計了一款基于Arduino的水面智能垃圾清理與水樣采集機器人，能夠自動識別水面垃圾并按照既定軌跡進行避障行駛。金久才等^［3］基于自研發的無人船系統，設計集成了采水泵，利用無人船位點跟蹤技術實現了遠距離定點遙控采水樣功能。

研究表明，病毒會隨人體排泄物排出體外，進入生活污水^［4］。對污水中病毒污染物的檢測是追蹤新冠病毒蔓延情況的有力手段，但這種追蹤手段需要采樣員接近含有有害病毒污染的水體^［5］進行采樣工作，接觸和維護被大面積污染的采樣工具，使采樣人員暴露在危險之中。丁珵等^［6］認為現階段無人機環境水體采樣裝置多應用在環境水體日常監測領域，利用智能化采樣設備自主采集水體水樣，能節省人力，提高應急工作效率，避免造成二次污染，同時能保障應急人員的人身安全。王珺瑜等^［7］提出對廢水、娛樂水域和飲用水中的2019-nCoV進行長期監測和定量風險評估。韓寧等^［8］檢測24份深圳茅洲河河水標本，提出諾如病毒在環境水體和人群中于某種程度上存在循環傳播。水體中存在的致病微生物讓使用傳統取樣工具或無人船取樣的方式存在操作員感染的風險。水體采樣無人船的使用維護過程繁瑣，在采樣前需要操作員徒步接近水體釋放船只，在采樣后需要對船只進行清潔消毒，在野外的環境下使用較為不便。

國家“十四五”規劃中明確要對環境水體進行治理，全國各地開展多項針對非法排污的專項整治行動。目前在污染水環境案件中，執法行動面臨線索發現不易、取證困難的難點，非法排污證據容易被犯罪分子銷毀隱匿，執法者難以及時有效地固定證據^［9］，執法部門迫切地需要一個快速高效且部署靈活的取證工具。劉國洋等^［10］將現場水泵采樣的數據通過無人機上搭載的STM32微處理器進行處理后，用GPRS網絡發送至服務器端。李永生等^［11］設計了無人機攝影測量技術在礦產開采執法監察中的技術方案。

本文提出一種新型可隔離污染的水樣采集無人機系統。該系統采用創新的吸取式采樣裝置，與污水接觸部分可控，樣品封閉保存，完成采樣后無需對無人機進行清洗消毒，僅需更換一次性采樣管道，隔離了污染，提升了采樣效率；相比船只，受水流影響小，可以根據預定經緯度坐標自動精確定點采樣，可完成對江中心流的采集，對各流速梯度的濃度分布提供數據^［12］。作為環境執法設備，可直接飛抵數千米外的執法現場，迅速完成采樣、錄像取證過程。

1 系統設計

水體采樣無人機分為3個主要系統：飛行系統、取樣系統、指令系統，見圖1。指令系統為地面操作終端，通過2.4 GHz或5.8 GHz無線電信號與飛行器通信，飛行系統通過定高系統進行水面定高，通過飛行控制器上的PWM接口驅動舵機操作取樣系統。分電系統將鋰電池的電能進行變壓、整流，分配給各個組件使用。電容傳感器和觸發開關經過一個邏輯與門電路控制氣泵組的啟停，當采樣瓶裝滿時，安裝于瓶口抽氣管上的電容傳感器會被觸發關閉，氣泵組被關停，將污水限制在一次性管路內。

1.1 分電系統設計

1.1.1 控制器選型

本項目無人機需要因由多個子系統構成，而每個子系統需要的電壓并不相同，因此需要電源管理系統給各子系統提供標準穩定的電壓。無人機對質量比較敏感，因此電源管理系統硬件需要盡可能輕，以節省無人機有限的電能。

本系統選用了TI公司的LM25116同步Buck電路管理芯片，該芯片能實現最高1 MHz的開關頻率，能把DC-DC電路的體積控制得比較小，該芯片使用同步整流技術減少了傳統BUCK電路中二極管的損耗以達到更高的效率，最高效率可達到95%。

1.1.2 電路設計

本設計選擇開關頻率為800 kHz，能同時達到效率和體積的要求。2只開關管選用SIR172A，該型號MOS管輸入電容小適用于高開關頻率的DC-DC電路同時擁有體積較小的封裝體積，85 mΩ的導通電阻，1 515 pF的輸入電容，因此適用于本電路。

選用MLCC電容結合電解電容可以獲取小的體積和更輕的質量，MLCC電容比電解電容有更好的高頻特性，使用MLCC電容能使DCDC電路輸出的紋波更小。電感采用全屏蔽一體成型電感，該電感能減少漏磁提高電路的轉換效率和減少電路對周圍其他電路的干擾，提升EMC性能，最終電路原理見圖2。

系統需要3個不同的電壓（5、12、18 V），因此需要3組BUCK電路組成電源管理系統，每組同步BUCK電路設置為相應電壓即可。

開關頻率f=800 kHz，輸入電壓U_i=25 V，輸出電壓U_o=12 V，輸出電流I_o=5 A，此時輸入電流為I_i=2.68 A，計算效率大約為93.2 %，紋波電壓為50 mV，測試時長2 h可以穩定運行。

1.2 采樣系統設計

防污染取水樣裝置按污染與否分為無污染的取水泵組和接觸、存儲水樣的儲水裝置兩部分。高價值的驅動裝置和控制部分固定在飛行器機身上，多次使用。而受到污染的儲水裝置包括管路和水樣瓶、取水管為低價值消耗品，設計為一次性使用。

使用創新設計的快拆結構將兩部分相隔離，操作員無需觸碰與污水接觸的部分，通過水樣采集裝置無污染的外殼，可將一次性使用的儲水裝置卸下。管路與取樣瓶融為一體的整體化設計讓準備時間更短，可以實現在1 min內再次起飛取樣。圖3所示，將飛行器懸停于水面預定的高度通過吸取的方式，通過使用一根4 mm×6 mm×1 000 mm硬質PVC水管抽取水樣，有利于減少水面雜物影響。

研究設計了3種采樣器方案：方案A使用隔膜泵進行取樣；方案B使用醫用針筒，使用經過有限元優化的3D打印結構制作的驅動裝置；方案C使用蠕動泵，具有創新的快拆結構設計。

1.2.1 隔膜泵水樣采集裝置設計方案

隔膜泵水樣采集裝置設計方案為方案A，采用圖4所示的2個隔膜泵進行取樣，通過一根1 m長的硬質PVC管和硅膠管線將樣品抽取到新開封的PET包裝飲用水水瓶中。使用一個電容傳感器安裝于水樣瓶瓶口，在水樣裝滿并抽至瓶口管路時，電容傳感器將被觸發，令水泵電源瞬間切斷，將受到污染的水樣控制在硅膠軟管之中，不進入水泵。

方案A優點在于耗材便宜易得，抽取速度快，所用12 V隔膜水泵為成熟貨架商品，維修零件易得。缺點在于從系統中分離取回樣品時需要進行拆卸工作，準備時間較方案B和C更長。

1.2.2 注射器水樣采集裝置設計方案

注射器水樣采集裝置設計方案為方案B，見圖5，采用注射器安裝入一個由高韌PLA材料3D打印制作的燕尾夾式注射器安裝座與注射器推動塊、T5×150 mm絲桿、T5法蘭盤組成的注射器推動系統，由一個直流減速M30-12-200電機提供推動動力。方案B通過推動注射器活塞的方式進行取樣。

方案B優點在于準備時間短、裝卸時間快、操作直觀、耗材易得且成本低。缺點在于絲桿減速電機結構推力有限，使用更大直徑的針管進行取水時無法滿足所需推力，且針管內常涂有潤滑用的硅油，在涉及有機物的取樣分析中可能會干擾分析結果。

1.2.3 快拆式蠕動泵水樣采集裝置設計方案

方案C見圖6—8，使用一個創新設計的快拆式蠕動泵作為水樣收集裝置。該蠕動泵具有可快速拆卸分離的泵蓋和泵殼，其中電機、泵輪等高價值部件連接在泵蓋上重復使用，水樣袋蓋和管路系統等低價值部件集成在泵殼中，連接一個標準水樣采集袋一次性使用。系統使用大疆M2006無刷減速電機和C610電子調速器提供動力。

方案C優點在于取樣泵直接連接標準水樣采集袋，取到的水樣無需進行再次轉移，相比其他2個方案更好地保護了操作員。結構結實可靠，連續取樣穩定性好。缺點在于造價較為昂貴，且一次性使用的部分為非標零件，需要進行定制，較其他2種方案更難獲得。

2 試驗及分析

2.1 采樣器方案對比試驗

方案A抽水穩定速度快，僅用24 s就完成了取樣，是3個方案中最快的，由于方案A使用通用規格的飲用水水瓶蓋，可以換用不同規格的飲用水水瓶實現靈活適應不同需求的取樣量。但方案A準備時間較久，需要對操作員進行培訓才能熟練使用。

方案B抽水速度較快，29 s完成取樣，試驗發現，由于絲桿減速電機體積和功率的限制，難以選擇容量更大的注射器進行取樣。由于減速齒輪箱具有齒間隙，絲桿存在輕微虛位，經過多次取樣試驗后，絲桿齒輪箱存在輕微變形，輕微變形累積后會使絲桿對活塞施加的推力方向偏離注射器中軸線，令推力的一部分分力施加在注射器筒壁上，導致注射器活塞和筒壁摩擦力增大，所需推力增加，最終導致結構失效，故方案B的穩定性較差。

方案C抽水速度最慢，但結構堅固、拆裝方便，還可以直接將水樣泵入收集袋中。但方案C使用和制造成本均為最高，相比其他2個方案，方案C的耗材是定制零件，不易取得。

2.2 采樣穩定性試驗

使用本項目水體采樣無人機在廣州市番禺區陳邊水閘進行采樣穩定性試驗，試驗環境見圖9。試驗進行5次采水樣任務并記錄采樣時間、取樣后更換耗材的整備時間以及采集的水量，見圖10、11。并使用傳統采樣桶進行相應次數的采樣任務并記錄數據（圖12）。最后對比試驗數據，證明水樣采集無人機的穩定性以及可靠性。

使用量筒測量水樣體積，獲得的數據見表1，在連續5次實地采樣測試中，采樣時間、更換時間、采樣量的數據保持穩定；各次采樣量均達到100 mL的要求?？芍畼硬杉療o人機工作穩定可靠。

通過多次采樣發現，實際采樣量約為采樣瓶容積的49%，這是因為使用了成本低廉易得的300 mL一次性PET塑料瓶，采樣過程中氣泵組產生的負壓會將瓶身一定程度地壓扁，減少了有效的容積。在實際取樣工作中可以按照需求換用不同容積的取樣瓶（圖13），以適應不同取樣量的需求。

通過對比傳統采樣方式發現，傳統的采樣桶只能在岸邊或乘船采集水樣，而水樣采集無人機僅需在移動端地面站指定采樣位置，無人機即可自動前往采樣點進行采樣。若采樣任務需要在河中心或在一些復雜的沼澤地形進行，相比于傳統的采樣方式，使用本系統采樣則擁有較大的優勢，能快速高效地在復雜地形情況下采取水樣。

見圖14，相比傳統采樣方式需要將采樣器整個浸入污水中，水體采樣無人機的采樣機構浸入污水的部分僅為吸水硬管的末端，且為一次性使用設計，在使用后僅需和管路系統整體拆下丟棄即可，省去了傳統采樣桶繁瑣的清潔處理步驟，也減少了二次污染。

2.3 實地采樣試驗

根據水樣采集的需求，選在河北省官廳水庫進行水樣采集的實地測試。該地區環境見圖15，采樣點與公路之間有一片約200 m距離的灘涂地相隔，灘涂地沼澤遍布、泥土松散、還有蘆葦等植物叢生于其中，這是常見的一類野外取樣環境。傳統方案如人工持取樣瓶取水樣需要采集者冒著很大的危險穿越上述障礙，艱難接近水體采樣點。本方案在此測試環境中凸顯了飛行取樣的優勢，可以安全快速地飛躍灘涂地完成取樣任務。飛行器進行展開之后即可快速起飛進行采樣任務，見圖16。圖17所示，飛行器起飛后快速飛躍灘涂地障礙，根據預定GNSS定位坐標飛抵采樣點，開始快速采樣，然后帶著水樣安全返航，降落在平坦的路面上，上述過程見圖18。

2.4 試驗結果分析

使用無菌采集A方案最合適本無人機水樣采集系統。電路在測試過程中工作穩定，發熱量低，符合本項目無人機的需要。該系統進行了數次實地采樣試驗，結果穩定可靠，證明了試驗設計的合理性。該方案組合能夠完成預定的設計指標和采樣任務。

3 結論與展望

3.1 結論

經過試驗驗證，本文提出的水體采樣無人機能完成水體采樣的任務。經過多次測試和試驗，水體采樣無人機工作穩定可靠，能夠完成對離岸較遠目標點的水樣采集。

相比傳統取樣器存在樣品易拋灑、作業后需清潔存在二次污染風險的問題，水體采樣無人機創新設計的采樣裝置通過吸取采樣的方式和封閉式樣品瓶進行了解決。

在離岸采樣場景中，傳統方式需要借助有人船或無人船采樣，操作員需徒步跨越岸邊障礙接近水體進行船只收放操作。而水體采樣無人機只需在地面站輸入預定采樣點坐標，即可從平坦公路起飛直達采樣點進行采樣，相比傳統方式提升了效率。

本文提出的水樣采集無人機具有創新性，為水環境研究者提供了一種新型的采樣工具，也為執法者提供了一種可以快速固定排污證據的設備。將無人機系統應用在環境領域中，解決了實際采樣作業過程中遇到的問題，同時也為無人機的多用途應用提供了一種參考。

3.2 展望

下一步工作將升級環境感知系統的傳感器，雙目相機-超聲波模塊更換為固態激光雷達，借助高精度的成像解析力，增強無人機的環境適應性、智能化水平。設計并制作可進行自動充電的配套自動化機庫，實現定時多點水質監測和水數據的無人化收集。

在該系統的擴展應用方面，文獻［13］認為目前缺乏公開、高密度、數字化、高質量、持續更新、連續、標準化、長時間序列的每日甚至每小時的不同指標水數據。其采用模塊化設計采樣系統，在低威脅的環境可以裝備該團隊設計的基于4G蜂窩網絡通信的水質傳感器^［14］，結合預定GNSS坐標進行航點飛行，對自然水體以大面積均布點的方式對水質參數進行自動化原位測量?？山Y合云端服務器，使用手機APP進行自動化數據整理和標記，如采集時間和采集坐標等元數據信息，用于傳統方式難以實現的大面積數據收集工作，可完成自然條件較差地區的水域環境連續監測，提高所收集水數據的質量，降低水質監測成本。該系統的推廣使用可從技術層面上推動中國水數據的收集和共享。

將取水樣裝置換成氣體取樣分析裝置，進行空氣質量應急監測^［15］、不合規排放的執法取證^［16］，亦有較好的效果，可廣泛用于各環境監測機構，具有廣闊的市場前景和經濟效益。

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（責任編輯：向 飛）