CN105129063A - 一种风光互补水面机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光互补水面机器人，包括电动船，电动船的上表面平铺有用于收集太阳能并将其转化为电能的太阳能电池板，电动船的两外侧各固设一个用于驱动电动船行驶的螺旋桨；电动船中间固设有半环形支撑架，所述半环形支撑架上悬挂有风力发电机；所述太阳能电池板与风力发电机的输出端通过风光互补控制器与锂电池连接对其充电，所述锂电池的输出端通过多路开关电源与螺旋桨连接进行供电；所述电动船上设有检测避障装置和锚定装置，电动船的内部设有自主导航控制系统和用于检测水质的水质检测仪。本发明采用风能和光能互补为水面机器人提供能量，使其不受阴雨天气影响而能全天候工作，并能自动避障和自主导航，提高检测效率、降低成本。

Description

一种风光互补水面机器人

技术领域

本发明属于可再生能源应用和机器人领域，尤其涉及一种风光互补水面机器人。

背景技术

海洋是全球生命支持系统的基本组成部分，是资源的宝库，随着世界经济的高速发展，海洋已经成为当今国际社会共同关注的热点，世界各国对海洋越来越重视。海洋运输、海洋油气开采、海洋军事、海洋环境保护、海洋科研考察等等都是摆在国家面前的重要研究课题，传统的各种海洋科研观测常用观测站和锚定浮标法定点人为观测，只能观测有限的水域面积海况和水质，而且跟踪浮标和漂流浮标测量较为单一，在恶劣气候条件下难以进行。另外人工考察观测工作量大，存在相当一部分工作人员违规简化操作的情况，而这种情况又难以被有效监督，这也是近年来各种大型海水污染事故频发的重要原因之一。

还有部分地区使用大型船，这类船只虽然功能全面，但价格昂贵，需要大量的专业人才操作及维护。另外这类船只一般都使用燃油动力，其本身对水质有一定的污染。并且大船开动时对水面搅动很大，影响观测水样的真实性。

在申请号为201120075759.8的中国实用新型专利中，仅使用锂电池供电，其工作环境受到制约，而且无法固定在水面某一个区域。公开号为CN204154337U的中国实用新型专利属于单船体，同样是仅使用太阳能供电，遇到阴雨天就不能长时间连续作业了。因此，开发一种同时利用风能和太阳能两种能源的，并且能够自主导航的水面机器人已成为一种必要，而且具有良好的市场前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够实现全天候、高可靠性、能够自主到达设置地点、自动化作业、成本低，可以用于环境污染治理、水质检测、安全救援、科学研究考察等领域的，依靠风力发电、太阳能发电和锂电池蓄电的风光互补水面机器人。

本发明所采用的技术方案是：

一种风光互补水面机器人，包括电动船，所述电动船的上表面平铺有用于收集太阳能并将其转化为电能的太阳能电池板，所述电动船的两外侧各固设一个用于驱动电动船行驶的螺旋桨；所述电动船中间固设有半环形支撑架，所述半环形支撑架上悬挂有风力发电机；所述太阳能电池板与风力发电机的输出端通过风光互补控制器与锂电池连接对其充电，所述锂电池的输出端通过多路开关电源与螺旋桨连接进行供电；所述电动船上设有检测避障装置和锚定装置，电动船的内部设有自主导航控制系统和用于检测水质的水质检测仪。

进一步方案，所述电动船是由两个船形舱体和连接两个船形舱体的连接舱体组成，所述半环形支撑架的两底端固定在两个船形舱体上。

进一步方案，所述检测避障装置包括用于避障碍物的激光雷达、视频摄像机、声光报警器和水下声纳；所述激光雷达、视频摄像机、声光报警器和水下声纳的输出端均与电动船上的中央控制器进行电连接，所述中央控制器的输出端分别与螺旋桨、锚定装置电连接。

进一步方案，所述自主导航控制系统包括固设于半环形支撑架顶端的传输天线，所述传输天线包括GPS传输天线和GPRS传输天线，所述GPS传输天线的输出端通过GPS卫星定位传感器与电动船上的中央控制器连接；所述GPRS传输天线的输出端通过GPRS无线数传模块与中央控制器连接；所述中央控制器的输入端与电子罗盘连接，用于对电动船的行驶方向进行识别。

本发明中的中央控制器、电子罗盘、锚定装置均是电动船自带已知设备，其结构与工作原理是已知。锚定装置包括船锚、船锚绞车、绞车电机、减速器，电机转动时通过减速器驱动船锚绞车转动，实现所述船锚的起降。

风力发电机也是现有已知产品，是将风能转换为机械功，机械功再带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。其由叶片、机头、转体、尾翼组成，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能。

激光雷达是以激光为工作光束的雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。它是由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送给中央控制器来驱动船体避开障碍物。

视频摄像机采集视频并通过中央控制器对视频图像进行处理，将采集到的自动识别水面障碍物并控制所述驱动装置完成避障，并将结果上传到数据库。有障碍时声光报警器工作，进行远程报警。

水下声纳即声纳探测仪是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的探测设备。

GPS传输天线将卫星信号通过GPS卫星定位传感器传输给中央控制器，确定当前电动船的位置坐标；同时GPRS传输天线接收人工远程控制指令，并将控制指令通过GPRS无线数传模块传输给中央控制器，确定其航行的目的地；再通过电子罗盘确定出电动船的当前方向传输给中央控制器。中央控制器分别获取GPS经纬度坐标信号、控制指令信号和电子罗盘指示的电动船当前行驶方向信号，通过处理运算，即可根据预先巡航规划设定的路线，实时驱动电动船进行自主巡航并到达考察探测目的地。

本发明中的水面机器人的供电电源是通过风力发电机和太阳能电池板收集风能和太阳能并通过风光互补控制器将其转化为电能，储存在锂电池中，锂电池输出的电源经多路开关电源的转换、降压等功能后再分别按需提供给螺旋桨、GPS卫星定位传感器、中央控制器、电子罗盘、激光雷达、视频摄像机等工作元器件做工作电源，用来驱动并控制水面机器人行驶。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用风能和光能互补，为所述风光互补水面机器人提供能量，使得所述风光互补水面机器人能够不受阴雨天气影响，全天候工作，提高科学研究与考察的效率。

2、本发明通过避障检测装置能够实现自动避障，通过自主导航控制系统实现自主导航，并可可以移动监测，也可以锚定在某一片水域，实现定点观测，远程监管,从而保证了工作人员的人身安全，也减少了人员的投入，降低了人工成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的俯视剖视示意图。

图3是本发明的电路原理框图。

图中：1-风力发电机，2-太阳能电池板，3-电动船，3-1船形舱体、3-2连接舱体，4-半环形支撑架，5-避障检测装置，5-1激光雷达，5-2视频摄像机，5-3声光报警器，5-4水下声纳，6-传输天线，6-1-GPS传输天线、6-2-GPRS传输天线，7-螺旋桨，8-自主导航控制系统，9-风光互补控制器，10-锂电池，11-多路开关电源，12-GPS卫星定位传感器，13-GPRS无线数传模块，14-电子罗盘，15-中央控制器，16-锚定装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种风光互补水面机器人，包括电动船3，所述电动船3的上表面平铺有用于收集太阳能并将其转化为电能的太阳能电池板2，所述电动船3的两外侧各固设一个用于驱动电动船行驶的螺旋桨7；所述电动船3中间固设有半环形支撑架4，所述半环形支撑架4上悬挂有风力发电机1，所述太阳能电池板2和风力发电机1的输出端均通过风光互补控制器9给与锂电池10充电；锂电池10的输出端通过多路开关电源11与螺旋桨7连接进行供电。所述电动船3上设有检测避障装置5和锚定装置16，电动船3的内部设有自主导航控制系统8和用于检测水质的水质检测仪。

进一步方案，所述电动船3是由两个船形舱体3-1和连接两个船形舱体3-1的连接舱体3-2组成，所述半环形支撑架4的两底端固定在两个船形舱体3-1上。

如图3所示，太阳能电池板2和风力发电机1分别将自然的太阳能和风能收集起来，并通过风光互补控制器9进行转化为电能，然后全部输入锂电池10中进行储存。同时锂电池10通过多路开关电源11进行转换、调压成适配的电压分别给电动船3的螺旋浆7和水质检测仪进行供电，驱动电动船3行驶，水质检测仪同时工作。

进一步方案，所述避障检测装置5包括用于避障碍物的激光雷达5-1、视频摄像机5-2、声光报警器5-3和水下声纳5-4；所述激光雷达5-1、视频摄像机5-2、声光报警器5-3和水下声纳5-4的输出端均与电动船3上的中央控制器15进行电连接，所述中央控制器15的输出端分别与螺旋桨7、锚定装置16电连接。

进一步方案，所述自主导航控制系统8包括固设于半环形支撑架4顶端的传输天线6，所述传输天线6包括GPS传输天线6-1和GPRS传输天线6-2，所述GPS传输天线6-1的输出端通过GPS卫星定位传感器12与电动船3上的中央控制器15连接；所述GPRS传输天线6-2的输出端通过GPRS无线数传模块13与中央控制器15连接；所述中央控制器15的输入端与电子罗盘14连接，用于对电动船3的行驶方向进行识别。

其中GPS传输天线6-1是接收卫星信号，以确定当前电动船3的经纬度；GPRS传输天线6-2是用于接收人工远程控制信号，以控制电动船3将要到达的位置信号；而电子罗盘14是为了确定电动船3的当前方向。中央控制器15分析处理这三路信号，并驱动螺旋浆7进行工作，驱动电动船3进行自主导航并到达需要检测水质的目的地。

本装置使用时，先由操作人员通过无线基站向电动船发送巡航目的地信号，GPRS传输天线6-2接收该信号并将其传输给中央控制器15来确定其航行的目的地，再通过电子罗盘14确定出当前的航行方向，从而根据GPS传输天线6-1提供的当前位置信息，实时驱动电动船3进行自主导航并到达需要检测水质目的地。再通过检测避障装置5及时避开前方的障碍物，水质检测仪同时工作，对电动船3所停水面的水质进行检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均仍在本发明的技术方案的范围内且属于要求保护的本发明的范围。

Claims (4)

1.一种风光互补水面机器人，包括电动船（3），所述电动船（3）的上表面平铺有用于收集太阳能并将其转化为电能的太阳能电池板（2），所述电动船（3）的两外侧各固设一个用于驱动电动船（3）行驶的螺旋桨（7）；其特征在于：所述电动船中间固设有半环形支撑架，所述半环形支撑架上悬挂有风力发电机（1）；所述太阳能电池板（2）与风力发电机（1）的输出端通过风光互补控制器（9）与锂电池（10）连接对其充电，所述锂电池（10）的输出端通过多路开关电源（11）与螺旋桨（7）连接进行供电；所述电动船（3）上设有检测避障装置（5）和锚定装置（16），电动船（3）的内部设有自主导航控制系统（8）和用于检测水质的水质检测仪。

2.根据权利要求1所述的一种风光互补水面机器人，其特征在于：所述电动船（3）是由两个船形舱体（3-1）和连接两个船形舱体（3-1）的连接舱体（3-2）组成，所述半环形支撑架（4）的两底端固定在两个船形舱体（3-1）上。

3.根据权利要求1所述的一种风光互补水面机器人，其特征在于：所述检测避障装置（5）包括用于避障碍物的激光雷达（5-1）、视频摄像机（5-2）、声光报警器（5-3）和水下声纳（5-4）；所述激光雷达（5-1）、视频摄像机（5-2）、声光报警器（5-3）和水下声纳（5-4）的输出端均与电动船（3）上的中央控制器（15）进行电连接，所述中央控制器（15）的输出端分别与螺旋桨（7）、锚定装置（16）电连接。

4.根据权利要求1所述的一种风光互补水面机器人，其特征在于：所述自主导航控制系统（8）包括固设于半环形支撑架（4）顶端的传输天线（6），所述传输天线（6）包括GPS传输天线（6-1）和GPRS传输天线（6-2），所述GPS传输天线（6-1）的输出端通过GPS卫星定位传感器（12）与电动船（3）上的中央控制器（15）连接；所述GPRS传输天线（6-2）的输出端通过GPRS无线数传模块（13）与中央控制器（15）连接；所述中央控制器（15）的输入端与电子罗盘（14）连接，用于对电动船（3）的行驶方向进行识别。