CN106645622A - 一种水质检测机器人的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水质检测机器人的运行方法，该方法由控制人员预先通过指定关键点和关键值的方式指定巡查路线，该机器人下水后基于该巡查路线进行潜水及水质检测，同时在每个关键点上浮报告水质检测数据并接受控制人员的远程操作，水质检测中的采样距离基于相邻的关键点的关键值计算。本发明的方法可以根据不同地点的重要性，动态调整水质检测的频率，并且适时远程报告检测结果，接受远程控制。

Description

一种水质检测机器人的运行方法

【技术领域】

本发明属于环境保护和机器人领域，尤其涉及一种水质检测机器人的运行方法。

【背景技术】

近年来，随着国民经济的飞速发展，工业生产规模的扩大，带来的环境问题也愈发严峻，环境保护成为了政府和人民群众关心的核心话题。水体环境保护是环境保护中的一个重要方面，虽然现在的法律法规日趋严格，但是违法企业向水体偷偷排放有害废水的情况屡禁不止，这其中的一个原因就是废水的排放不易监测。现有技术中，环保部门通常在企业的排水口设置水质自动检测设备，与旧有的人工检测相比，自动化的检测设备提高了检测频率和检测数据的准确性和时效性。但是，由于水下环境复杂，违法企业可以偷偷地在水下另设排水口而不易被发现，使得这种固定位置的水质检测设备失去效用。

为了应对这种情况，现在出现了可移动的水质检测机器人，有在水面移动的船型机器人，也有在水下移动的潜水型机器人。相对而言，由于潜水型机器人可以调节下潜深度，在水下进行采样和水质检测，其检测范围更广，水质检测更加符合实际情况。但是，现有的潜水型机器人具有一些缺陷，第一，在下潜到一定深度后，由于GPS信号无法穿透水体，机器人无法为自己定位，这限制了潜水机器人的工作范围；第二，由于无线电波在水中的衰减，机器人与外界通信中断，控制和信息传输都比较困难；第三，机器人在运动中对水体的采样和检测都是固定间隔进行的，没有考虑不同地点的重要性。

对于现有技术的上述缺点，还没有一种完善的解决方案。

【发明内容】

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种水质检测机器人的运行方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种水质检测机器人的预先方法，该方法包括如下步骤：

(1)为水质检测机器人设置巡查路线，所述巡查路线由n个有序关键点按序连接组成；

(2)设上述n个有序关键点从起点到终点为K₁，K₂，……，K_n，为每个关键点K_i设置一个关键值V_i。

(3)所述水质检测机器人下水并启动，所述水质检测机器人通过GPS装置获取当前位置，如果当前位置不是关键点K₁，则水质检测机器人直接向K₁航行；

(4)当所述水质检测机器人到达关键点K₁时，所述水质检测机器人下潜到预定深度，并按照巡查路线航行；

(5)所述水质检测机器人在航行过程中，每隔一定的采样距离，采样并检测当前水质，所述采样距离取决于当前位置两端关键点的关键值，假设所述水质检测机器人正在从关键点K_i航行向关键点K_i+1，则该水质检测机器人当前的采样距离S_i为：

其中，S是预定义的最小采样距离；

(6)所述水质检测机器人根据水下航行的航速和方向，预计到达下一个关键点K_i+1时，就上浮到水面，通过GPS装置获取当前的位置，如果当前位置与下一个关键点K_i+1的距离大于预定阈值时，则再次下潜到预定深度，继续向下一个关键点K_i+1航行；如果当前位置与下一个关键点K_i+1的距离小于或等于预定阈值时，所述水质检测机器人通过通信系统与远程控制人员的计算机进行通信，报告水质检测数据，并接受控制人员的远程控制或调整，通信完毕后，所述水质检测机器人判断当前位置，如果此时已到达终点K_n，则巡查结束，否则再次下潜到预定深度，向下一个关键点航行。

进一步地，所述关键值V_i是满足1≤V_i≤V_max的整数值，其中V_max是一个预定义的最大关键值。

进一步地，V_max＝10。

进一步地，所述预定深度为固定值。

进一步地，所述预定深度通过以下方法计算：

(a)预先设置一个最大深度值D_max，该最大深度值是机器人可承受的最大潜水深度。

(b)当所述水质检测机器人到达关键点K_i时(1≤i＜n)，通过声纳装置测量关键点K_i的深度D_i。

(c)如果D_i＞3D_max，则设置当前预定深度D＝D_max，否则设置当前预定深度D＝D_i/3。

进一步地，所述水质检测机器人在碰到障碍物时，使用避障算法绕过障碍物继续航行；如果该机器人在使用避障算法后仍然不能达到下一个关键点，该机器人就上浮到水面，通过通信系统向远程控制人员报告巡查失败。

进一步地，远程控制人员在每次机器人上浮报告时，能对该机器人进行远程控制。

进一步地，所述远程控制包括：根据具体的水质检测情况、天气水文情况，调整该机器人后续的巡查路线。

进一步地，所述关键点是需要所述水质检测机器人重点检查的位置。

进一步地，所述水质检测机器人包括推进系统、潜水系统、传感器系统、通信系统、GPS装置、控制计算机系统和电源模块。

本发明的有益效果包括：可以根据不同地点的重要性，动态调整水质检测的频率，并且适时远程报告检测结果，接受远程调整。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明水质检测机器人的逻辑结构图。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见附图1，其示出了本发明水质检测机器人的逻辑结构图，该水质检测机器人包括推进系统、潜水系统、传感器系统、通信系统、GPS装置、控制计算机系统和电源模块。

所述推进系统是驱动该机器人在水面或水下运动的系统，可以控制机器人的航行速度和航行方向，具体的推进方式可以采用本领域中的任意一种推进方式，例如螺旋桨推进或者喷射推进方式，本发明对此不作限制。

所述潜水系统是用于控制机器人上浮和下潜的装置，例如可以采用充气泵充气气囊的方式控制上浮和下潜。所述潜水系统可以根据水压传感器来判断和控制下潜深度。

所述传感器系统包括机器人航行和水质检测所需的各种传感器和设备，包括但不限于：水压传感器、多种水质参数传感器、DVL导航设备、声纳装置、陀螺仪。

所述水质参数传感器包括水温传感器、浊度传感器、蓝绿藻传感器、叶绿素a传感器、溶解氧传感器、PH传感器、PRP传感器、盐度传感器、氨氮传感器、原油传感器等，具体的水质参数传感器取决于需要测量的水质参数，上述列举的各种水质参数传感器都是可选项，本领域技术人员可以根据实际需求选择，或者增加本领域中的其他水质参数传感器。

所述通信系统是机器人与外界通信的接口，在本发明中，通信系统包括移动通信模块和北斗通信模块。所述移动通信模块可以是GPRS通信模块、3G通信模块或者4G通信模块，因此机器人只要在现有的移动通信基站的覆盖范围内，就可以与外界进行无线通信。在正常情况下，目前中国国内的主要湖泊、江河和近海基本上都在移动通信的覆盖范围内，但是也有少部分不在移动通信覆盖范围内，或者如果需要检测远海地区的水质，也不在移动通信的覆盖范围内。因此，在无法使用移动通信模块情况下，本发明可以采用北斗通信模块进行通信，或者其他本领域中公知的卫星通信模式与外界通信。需要说明的是，由于无线电波信号在水内的衰减，当机器人需要与外界通信时，必须上浮到水面上进行。

所述GPS装置用于通过GPS卫星获取机器人的定位信息，但是与通信系统类似，GPS信号无法穿透水体，机器人需要上浮到水面才能接收GPS信号。

所述控制计算机系统是机器人的核心控制部件，用于控制机器人的航行，获取和整理传感器信息，通过通信系统与外界交流并接受控制人员的远程控制。所述电源模块用于向整个机器人的各个系统供给电力，其可以包括本领域中任意一种公知的蓄电池。

上面说明了本发明水质检测机器人的基本逻辑结构，在此结构的基础上，本发明的水质检测机器人通过本发明的运行方法来巡查和检测水质。下面对该方法进行详细说明：

(1)为水质检测机器人设置巡查路线，所述巡查路线由n个有序关键点组成。

所述巡查路线由控制人员预先存储在机器人的控制计算机系统中，控制人员可以根据已知的水体地图，在地图上按顺序指定n个GPS坐标，作为n个关键点的坐标，所述n个关键点按序连接在一起，就是该机器人的巡查路线。通常而言，控制人员设置关键点的位置都是机器人需要重点巡查的关键位置，例如某个重点关注企业的排污口。

(2)设上述n个有序关键点从起点到终点为K₁，K₂，……，K_n，为每个关键点K_i设置一个关键值V_i。

所述关键值V_i同样由控制人员设置并保存于控制计算机系统中，用于表明该关键点K_i的重要性，对于重要性高的地点，机器人应当检查的更加仔细。所述关键值V_i是一个从1到V_max之间的整数值，即1≤V_i≤V_max；其中V_max是一个预定义的最大关键值。一个优选的方案是V_max＝10，因而关键点的重要性被关键值划分为10个等级。

(3)所述水质检测机器人被放下水并启动，所述水质检测机器人通过GPS装置获取当前位置，如果当前位置不是关键点K₁，则水质检测机器人直接向K₁航行。

所述水质检测机器人下水的起始点可能并不一定是K₁，因此需要航行到K₁后再开始巡查，这样的设计方便了控制人员，使其不必一定在K₁点让机器人下水。

(4)当所述水质检测机器人到达关键点K₁时，所述水质检测机器人下潜到预定深度，并按照巡查路线航行。

所述预定深度是控制人员在控制计算机系统中预先设定好的，其可以是一个固定的深度值。另外，根据本发明的一个优选实施例，所述预定深度值可以是一个动态值，根据一个特定的算法计算，具体的计算方法在后面介绍。

所述巡查路线如前所述，是由n个有序关键点组成的路线，即机器人从K₁航行到K₂，再航行到K₃，如此重复，直到航行到K_n。

(5)所述水质检测机器人在航行过程中，通过DVL导航设备、声纳装置和陀螺仪，检测航行速度和航行方向，并且每隔一定的采样距离，采样并检测当前水质。所述采样距离取决于两端关键点的关键值，具体的，假设所述水质检测机器人正在从关键点K_i航行向关键点K_i+1(即该水质检测机器人处于K_i与K_i+1之间)，则该水质检测机器人当前的采样距离S_i为：

其中，S是预定义的最小采样距离。通过这种设置，当关键点的重要性越高时，其附近的水质采样越频繁，从而实现了采样的自动动态调整。

(6)所述水质检测机器人根据水下航行的航速和方向，预计到达下一个关键点K_i+1时，就上浮到水面，通过GPS装置获取当前的位置，如果当前位置与下一个关键点K_i+1的距离大于预定阈值时，则再次下潜到预定深度，继续向下一个关键点K_i+1航行。如果当前位置与下一个关键点K_i+1的距离小于或等于预定阈值时，就认为已到达K_i+1，此时所述水质检测机器人通过通信系统与远程控制人员的计算机进行通信，报告水质检测数据(即从上一次报告到现在所获取的水质检测数据)，并可接受远程控制人员的远程控制或调整，通信完毕后，所述水质检测机器人判断当前位置，如果此时已到达终点K_n，则巡查结束，否则再次下潜到预定深度，向下一个关键点航行。

在上述巡查过程中，所述水质检测机器人可能会在航行时碰到障碍物，此时可以使用本领域中任意一种公知的避障算法，绕过障碍物继续航行。本领域中的避障算法有多种，并不是本发明重点所在，不再赘述。但是如果该机器人在使用避障算法后仍然不能达到下一个关键点，该机器人就上浮到水面，通过通信系统向远程控制人员报告巡查失败。

远程控制人员在每次机器人上浮报告时，可以对该机器人进行远程控制或调整，例如可以根据具体的检测情况、天气水文情况，调整该机器人后续的巡查路线，可以根据检测中的异常结果，控制机器人再次返回异常区域。

上述步骤中，所述的预定深度是可以动态计算的，具体计算方法如下：

(a)预先设置一个最大深度值D_max，该最大深度值是机器人可承受的最大潜水深度。

(b)当所述水质检测机器人到达关键点K_i时(1≤i＜n)，通过声纳装置测量关键点K_i的深度D_i。

(c)如果D_i＞3D_max，则设置当前预定深度D＝D_max，否则设置当前预定深度D＝D_i/3。因而机器人从K_i航行向K_i+1的过程中，其预定深度就为D。

其中三分之一深度是经过反复测试的优选深度，该深度处的水质检测结果较为理想，且不易受水面船舶的影响。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种水质检测机器人的预先方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)为水质检测机器人设置巡查路线，所述巡查路线由n个有序关键点按序连接组成；

(2)设上述n个有序关键点从起点到终点为K₁，K₂，……，K_n，为每个关键点K_i设置一个关键值V_i。

(3)所述水质检测机器人下水并启动，所述水质检测机器人通过GPS装置获取当前位置，如果当前位置不是关键点K₁，则水质检测机器人直接向K₁航行；

(4)当所述水质检测机器人到达关键点K₁时，所述水质检测机器人下潜到预定深度，并按照巡查路线航行；

(5)所述水质检测机器人在航行过程中，每隔一定的采样距离，采样并检测当前水质，所述采样距离取决于当前位置两端关键点的关键值，假设所述水质检测机器人正在从关键点K_i航行向关键点K_i+1，则该水质检测机器人当前的采样距离S_i为：

$S_i=\frac{2V_{max}S}{V_i+V_{i+1}}$

其中，S是预定义的最小采样距离；

(6)所述水质检测机器人根据水下航行的航速和方向，预计到达下一个关键点K_i+1时，就上浮到水面，通过GPS装置获取当前的位置，如果当前位置与下一个关键点K_i+1的距离大于预定阈值时，则再次下潜到预定深度，继续向下一个关键点K_i+1航行；如果当前位置与下一个关键点K_i+1的距离小于或等于预定阈值时，所述水质检测机器人通过通信系统与远程控制人员的计算机进行通信，报告水质检测数据，并接受控制人员的远程控制或调整，通信完毕后，所述水质检测机器人判断当前位置，如果此时已到达终点K_n，则巡查结束，否则再次下潜到预定深度，向下一个关键点航行。

2.根据权利要求1所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，所述关键值V_i是满足1≤V_i≤V_max的整数值，其中V_max是一个预定义的最大关键值。

3.根据权利要求2所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，V_max＝10。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，所述预定深度为固定值。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，所述预定深度通过以下方法计算：

(a)预先设置一个最大深度值D_max，该最大深度值是机器人可承受的最大潜水深度。

(b)当所述水质检测机器人到达关键点K_i时(1≤i＜n)，通过声纳装置测量关键点K_i的深度D_i。

(c)如果D_i＞3D_max，则设置当前预定深度D＝D_max，否则设置当前预定深度D＝D_i/3。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，所述水质检测机器人在碰到障碍物时，使用避障算法绕过障碍物继续航行；如果该机器人在使用避障算法后仍然不能达到下一个关键点，该机器人就上浮到水面，通过通信系统向远程控制人员报告巡查失败。

7.根据权利要求1或6所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，远程控制人员在每次机器人上浮报告时，能对该机器人进行远程控制。

8.根据权利要求7所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，所述远程控制包括：根据具体的水质检测情况、天气水文情况，调整该机器人后续的巡查路线。

9.根据权利要求1所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，所述关键点是需要所述水质检测机器人重点检查的位置。

10.根据权利要求1所述的水质检测机器人的运行方法，其特征在于，所述水质检测机器人包括推进系统、潜水系统、传感器系统、通信系统、GPS装置、控制计算机系统和电源模块。