CN106830118A - 一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，包括污水探测模块、投料机器人、无线通信模块、控制模块和监控中心；所述污水探测模块通过无线通信模块连接至监控中心，所述投料机器人连接控制模块，控制模块连接监控中心；所述污水探测模块用于探测湖泊的污水情况，生成污水探测数据并传送至监控中心，所述监控中心对污水探测模块传送的污水探测数据进行分析，生成包含投料浓度、投料量和投料位置的投料指令，所述控制模块根据投料指令控制投料机器人投放化学净化药物。本发明在污水处理净化过程中，可实现污水净化自动投料的功能，不需要人工乘船向污水中投放化学药物，节省人力物力。

Description

一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，具体涉及一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统。

背景技术

目前对于污水治理的方法有物理法、化学法和生物法，其中化学法治理污水就是向污水中投放化学药物，利用化学反应或物理化学作用净化污水，目前对于水库、湖泊、河流、池塘等地的化学法净化污水的方式都是人工乘船向污水中投放化学药物，这样不仅占用了大量的劳动力，投放效率低，而且具有一定的危险性。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，包括污水探测模块、投料机器人、无线通信模块、控制模块和监控中心；所述污水探测模块通过无线通信模块连接至监控中心，所述投料机器人连接控制模块，控制模块连接监控中心；所述污水探测模块用于探测湖泊的污水情况，生成污水探测数据并传送至监控中心，所述监控中心对污水探测模块传送的污水探测数据进行分析，生成包含投料浓度、投料量和投料位置的投料指令，所述控制模块根据投料指令控制投料机器人投放化学净化药物。

本发明的有益效果为：在污水处理净化过程中，可实现污水净化自动投料的功能，不需要人工乘船向污水中投放化学药物，节省人力物力。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明的结构连接框图；

图2是本发明污水探测模块的结构连接框图。

图3是本发明投料机器人的结构连接框图。

附图标记：

污水探测模块1、投料机器人2、无线通信模块3、控制模块4、监控中心5、水质探测单元100、污染源探测单元101、行走单元200、导航控制单元201、投料单元202。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例的一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，包括污水探测模块1、投料机器人2、无线通信模块3、控制模块4和监控中心5；所述污水探测模块1通过无线通信模块3连接至监控中心5，所述投料机器人2连接控制模块4，控制模块4连接监控中心5；所述污水探测模块1用于探测湖泊的污水情况，生成污水探测数据并传送至监控中心5，所述监控中心5对污水探测模块1传送的污水探测数据进行分析，生成包含投料浓度、投料量和投料位置的投料指令，所述控制模块4根据投料指令控制投料机器人2投放化学净化药物。

优选地，参见图3，所述投料机器人2设有行走单元200和导航控制单元201，所述导航控制单元201用于控制行走单元200运动至投料指令中指定的投料位置。

进一步地，所述投料机器人2还设有投料单元202，所述的投料单元202包括投料台座、投料机构以及储料筒；所述的投料机构沿投料台座的中心轴线分别对称布置，储料筒位于投料台座上端中心位置处。

其中，所述探测湖泊的污水情况，包括对湖泊的水质进行探测，对湖泊的污染源进行探测。参见图2，所述污水探测模块1包括用于对湖泊的水质进行探测的水质探测单元100和对湖泊的污染源进行探测的污染源探测单元101。

本发明上述实施例在污水处理净化过程中，可实现污水净化自动投料的功能，不需要人工乘船向污水中投放化学药物，节省人力物力。

优选地，对湖泊的污染源进行探测前，在所需净化的湖泊内随机设置8个以上的传感器节点，完成无线传感器网络部署。对湖泊的污染源的探测，具体包括：(1)采集各传感器节点的坐标，考虑到所需净化的湖泊上的传感器节点的漂浮移动的影响，对所需净化的湖泊上的传感器节点的坐标进行修正；(2)计算传感器节点在设定时间内采集的浓度平均值，根据浓度平均值计算传感器节点坐标到污染源坐标的距离，然后根据传感器节点坐标到污染源坐标的距离求出污染源的坐标，完成污染源的定位；(3)将污染源的坐标发送至监控中心5。

本优选实施例，实现了所需净化的湖泊的污染源探测和定位，从而获得污染源的坐标，使得用户能够根据污染源的情况进行策略投料，从而能够更好地治理湖泊的水污染问题，达到较好的污水净化效果。

优选地，设(x_j,y_j)为在所需净化的湖泊上部署的传感器节点的坐标，(x_i,y_i)为进行修正后的对应坐标，i,j＝1,2,…,n,n≥8，按照下述修正公式对所需净化的湖泊上的传感器节点的坐标进行修正：

式中，φ_max为传感器节点的横坐标x_j的最大漂浮移动距离，φ_min为传感器节点的横坐标x_j的最小漂浮移动距离，ξ_max为传感器节点的纵坐标y_j的最大漂浮移动距离，ξ_min为传感器节点的纵坐标y_j的最小漂浮移动距离，φ_max、φ_min、ξ_max、ξ_min皆是单位为cm的整数值。

本实施例为避免传感器节点的漂浮移动的影响，对所需净化的湖泊上的传感器节点坐标进行修正，能够为下一步对污染源的定位计算提供更精确的传感器节点坐标数据，从而获得更高精度的污染源定位结果，从而为之后的污水净化处理奠定良好的基础。

优选地，由于污染物一般在所需净化的湖泊的近岸区域排放，且污染物主要以弥散方式进行扩散，从而所需净化的湖泊的边界性质、边界与污染源之间的距离会对传感器节点位置的污染浓度产生影响，因此求传感器节点在设定时间内采集的浓度平均值时，按照下述公式计算：

式中

其中，为传感器节点(x_i，y_i)在设定时间δ内采集的浓度平均值，为传感器节点(x_i，y_i)在时刻的浓度值；为传感器节点(x_i，y_i)在设定时间δ内第l次采集时的浓度值，n_δ为传感器节点(x_i，y_i)在设定时间δ内采集的次数；ε为扩散系数，Γ为污染物的瞬时投放质量，S_i为传感器节点坐标(x_i，y_i)到污染源坐标的距离，γ为所需净化的湖泊的边界的反射系数，S_B为所需净化的湖泊的边界到污染源之间的距离；

其中，结合传感器节点(x_i，y_i)在时刻的浓度值计算公式和传感器节点(x_i，y_i)在设定时间δ内采集的浓度平均值计算公式，可以得到传感器节点坐标(x_i，y_i)到污染源坐标的距离S_i。

本实施例在计算浓度值时考虑了边界性质、边界与污染源之间的距离对传感器节点位置的污染浓度的影响，从而能够更加精确地计算传感器节点的浓度值，从而得到较为精确的传感器节点坐标(x_i，y_i)到污染源坐标的距离S_i，确保获得更高精度的污染源定位结果。

优选地，所述根据传感器节点坐标到污染源坐标的距离求出污染源的坐标，具体包括：设污染源坐标为X＝(x_w,y_w)，设定水污染源在扩散时为各向同性，考虑所需净化的湖泊的边界对污染源污染扩散的影响，引入近岸约束权值M，则污染源坐标定位公式定义为：

式中

式中，x₁,…,x_n-1,x_n为各传感器节点的横坐标，y₁,…,y_n-1,y_n为各传感器节点的纵坐标，S₁,…,S_n-1,S_n为各传感器节点坐标到污染源坐标的距离；λ^T为λ的转置；

其中，设定近岸约束权值M的取值范围为

本优选实施例的智能机器人系统在进行污染源的定位坐标计算时，考虑了所需净化的湖泊的边界对污染源污染扩散的影响，能够确保精确地对所需净化的湖泊的污染源进行探测定位，从而能够获得较为准确的污染源坐标，使得用户能够根据污染源的情况进行策略投料，从而能够更好地治理湖泊的水污染问题，达到较好的污水净化效果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，其特征是，包括污水探测模块、投料机器人、无线通信模块、控制模块和监控中心；所述污水探测模块通过无线通信模块连接至监控中心，所述投料机器人连接控制模块，控制模块连接监控中心；所述污水探测模块用于探测湖泊的污水情况，生成污水探测数据并传送至监控中心，所述监控中心对污水探测模块传送的污水探测数据进行分析，生成包含投料浓度、投料量和投料位置的投料指令，所述控制模块根据投料指令控制投料机器人投放化学净化药物。

2.根据权利要求1所述的一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，其特征是，所述投料机器人设有行走单元和导航控制单元，所述导航控制单元用于控制行走单元运动至投料指令中指定的投料位置。

3.根据权利要求2所述的一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，其特征是，所述投料机器人还设有投料单元，所述的投料单元包括投料台座、投料机构以及储料筒；所述的投料机构沿投料台座的中心轴线分别对称布置，储料筒位于投料台座上端中心位置处。

4.根据权利要求3所述的一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，其特征是，所述探测湖泊的污水情况，包括对湖泊的水质进行探测，对湖泊的污染源进行探测。

5.根据权利要求4所述的一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，其特征是，对湖泊的污染源的探测，具体包括：(1)采集各传感器节点的坐标，考虑到所需净化的湖泊上的传感器节点的漂浮移动的影响，对所需净化的湖泊上的传感器节点的坐标进行修正；(2)计算传感器节点在设定时间内采集的浓度平均值，根据浓度平均值计算传感器节点坐标到污染源坐标的距离，然后根据传感器节点坐标到污染源坐标的距离求出污染源的坐标，完成污染源的定位；(3)将污染源的坐标发送至监控中心。

6.根据权利要求5所述的一种用于湖泊污水净化处理的智能机器人系统，其特征是，根据传感器节点坐标到污染源坐标的距离求出污染源的坐标，具体包括：设污染源坐标为X＝(x_w,y_w)，设定水污染源在扩散时为各向同性，考虑所需净化的湖泊的边界对污染源污染扩散的影响，引入近岸约束权值M，则污染源坐标定位公式定义为：

$X={\mathrm{\λ}}^T\mathrm{\υ}({\mathrm{\λ}}^T\mathrm{\λ}+{\mathrm{MH}}^{-1}),H=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$

式中

$\mathrm{\λ}=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_n)& 2(y_1-y_n)\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)\end{array}\right]$

$\mathrm{\υ}=\left[\begin{array}{c}{x_1}^2-{x_n}^2+{y_1}^2-{y_n}^2-{S_1}^2+{S_n}^2\\ .\\ .\\ .\\ {x_{n-1}}^2-{x_n}^2+{y_{n-1}}^2-{y_n}^2-{S_{n-1}}^2+{S_n}^2\end{array}\right]$

式中，x₁,…,x_n-1,x_n为各传感器节点的横坐标，y₁,…,y_n-1,y_n为各传感器节点的纵坐标，S₁,…,S_n-1,S_n为各传感器节点坐标到污染源坐标的距离；λ^T为λ的转置。