CN108072546A - 一种混合动力无人水样采集船 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合动力无人水样采集船，包括无人船船体，所述船体设有推进系统、通信系统、电源系统、视频系统、水样采集系统和中央控制系统，所述船体的表面平铺太阳能电池板，所述船体上端固设有半环形支撑架，半环形支撑架的下方悬挂有风力发电机、顶端固设雷达、传输天线、摄像头；船体分为动力舱和中央控制舱；动力舱设有锂电池组、开关电源板和电源控制器；中央控制舱内设有工业平板、电子罗盘、GPS模块、DTU模块和控制板；船体底部固设水样采集装置；船体外设快速充电机；太阳能电池板和风力发电机的输出端均通过电源控制器与锂电池组连接，锂电池的输出端通过开关电源与推进器连接；采用风能、光能和充电机混合型动力为无人水样采集船提供能量，使其不受阴雨天气或工作量较大影响，提高效率、降低人工成本。
Description
技术领域
本发明属于无人船领域，尤其涉及一种混合动力无人水样采集船。
背景技术
近年来，随着我国社会经济的不断发展，以及城市规模的扩大，越来越多的有毒、有害物质被排放到河流、湖泊、海洋中，严重危及到人们的饮水安全和身体健康。在我国传统的水质监测工作中，所采用的水质采样方法多为人工现场取样，再通过实验室的仪器、设备分析等方法对区域水质状况进行检测，这样不但增加了人力、物力的投入，而且采取人工采样手段，还存在采样误差大、监测频次低、监测数据分散等弊端，难以准确反映区域水质的实际污染和变化状况，对于水质管理部门开展相关防治工作也是极其不利的。
现有水样采集船由于供电方式不同，有的仅使用电池供电或者太阳能供电，导致工作环境受到制约，而在遇到阴雨天就不能长时间连续作业了。因此，目前迫切需要开发一种同时利用风能、太阳能及岸充三种可互补能源的，并且能够自主导航和避障的无人水样采集船。
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、效率高，且能够自主航行和水样采集的混合动力无人水样采集船。
本发明所采用的技术方案是：
一种混合动力无人水样采集船，包括无人船船体，所述船体上设有推进器、动力舱和中央控制舱，其特征在于：所述船体的外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和靠岸充电接口，所述船体上端固设有半环形支撑架，所述半环形支撑架的下方悬挂有风力发电机左侧边固设电源总开关；所述太阳能电池板、风力发电机和外置充电机输出端均通过与动力舱中的电源控制器相连，并对锂电池组充电，所述锂电池组的输出端通过多路开关电源板与推进器连接进行供电；所述半环形支撑架的顶端分别固定设有GPS天线、视频摄像头、激光雷达以及固定风力发电机的支架；所述船体的底部固设水样采集装置。
进一步方案，所述船体是由舱体、太阳能电池板和半环形支撑架组成，所述半环形支撑架的两底端分别固定在两个船形舱体上，所述船体内部由动力系统舱和中央控制舱组成。
进一步方案，所述水样采集装置与电源电路板的输出相连，水样采集装置的信号输入与主控板信号输出相连。
进一步方案，所述中央控制舱包括固设于半环形支撑架顶端的GPS天线、激光雷达、主控板、DTU模块、GPS模块、电子罗盘、工业平板、电源控制器和电源电路板，所述GPS传输天线的输出端通过GPS卫星定位传感器与所述工业平板连接；所述工业平板的输入端与激光雷达连接，用于对船体的行驶方向进行识别；所述主控板、DTU模块、GPS模块、电子罗盘与工业平板相连，用于系统通信；所述电源控制器和电源电路板为通信设备提供电源。
进一步方案，所述视频摄像头的输出端均与所述的中央控制舱中的工业平板进行电连接，所述视频摄像机采集水面视频并通过工业平板进行图像处理，处理完通过DTU进行发送，发送到可视界面端，工作人员根据发回的视频图像观察水面周围环境，判断是否需要采集水样。
进一步方案，所述动力舱是由电源控制器LHLM03-03/12V、12V/300AH锂电池组及电源电路板组成，电源控制器LHLM03-03/12V分别将太阳能电池板、风力发电机和外置充电机所产生的电转换成直流电存储于锂电池组中，通过电源电路板为各设备供电。
动力系统为已知产品，是由电源控制器LHLM03-03/12V、12V/300AH锂电池组及电源电路板构成。其中电源控制器将12V/300W风力发电机和20V/300W太阳能电池板、12V/20A外置充电机输出的电转换为直流电存储于锂电池组中，通过电源电路板为各设备供电，同时起到稳压和变压的作用，电源控制器还有显示剩余电量的功能。
12V/300W风力发电机是现有已知产品，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。
20V/300W太阳能电池板是现有已知产品，电池板将太阳辐射能直接转换成电能，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵。本发明中利用20V的太阳能电池板对电源控制器进行降压充电。
锂电池组容量为12V/300AH，市电 220V 输入，经过整流电源模块后，输出12V电压,在电网正常的情况下，整流电源模块对负载进行供电，同时给电池充电；在电网断电的情况下，负载由电池提供电能，保证通信设备正常运行，实现不间断供电功能。 电池电压过低时，电池会自动切断供电，避免过放电，以保护电池寿命。
推进器是现有已知产品，根据流体动力学计算，每只推进器可提供5KG左右的推力，工作电压12V，最大工作电流不超过15A，可以为船体在水中提供3m/s的速度。推进器的信号输入由主控板提供，通过两路PWM信号来调节推进器的航速。
水样采集装置由电源电路板供电，装置内包含6个500ML的采样瓶，每个采样瓶口配备液位计，达到采样量时自动关闭电源，装置和船体的连接杆具有伸缩功能，可以调节采集水样的深度。
DTU通信模块支持TCP/IP Server/Client、UDP/IP、DDP、SMS、AT多种通信方式，与中央控制舱中的工业平板相连，用于和终端管理平台传输数据。
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，确定当前船体的位置坐标；同时GPS传输天线接收人工远程控制指令，并将控制指令通过GPS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船体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船体当前行驶方向信号，通过处理运算，即可前往预设地点。
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，送给主控板来驱动船体避开障碍物，实现自动避障功能，按要求到达待测地点完成水样采集。
通过视频摄像机采集水面视频并通过中央控制器对视频进行处理，处理好的视频实时上传终端管理平台，通过终端管理平台可以实时了解水面环境，代替人工现场采集水样；
本发明中无人船供电电源是通过外置充电机、风力发电机、太阳能电池板收集风能和太阳能并通过电源控制器将其转化为电能，储存在锂电池组中，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推进器、GPS卫星定位传感器、主控板、电子罗盘、激光雷达、视频摄像机、工业平板等工作元器件做工作电源，用来驱动并控制无人船行驶，完成采集水样的功能。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用风能、太阳能及外置充电机做动力为无人水样采集船提供工作能量，充分利用风能和太阳能的自然清洁能源，同时靠岸充电保证所述水面安防机器人能够不受阴雨天气或高负荷工作影响，全天候工作。
2、本发明的无人船，可以监测以前难以到达的区域。过去人工划船到水域采样，现在可以使用无人船完成精确定点采水样。比起人工监测，无人船监测更能节省监测成本，提高监测效率，并可以到达存在潜在危险的水域，如污染区和深水区等。
附图说明
图1是本发明的前视示意图。
图2是本发明的侧视示意图。
图3是本发明的俯视示意图。
图4是本发明的中央控制舱内部设备布置图。
图中：1-船体，2-水样采集装置，3-视频摄像头，4-电源总开关，5-半环形支撑架，6-激光雷达，7-GPS天线，8-支架，9-风力发电机，10-靠岸充电接口， 11-推进器，12-动力舱，13-太阳能电池板，14-中央控制舱，15-主控板，16-DTU模块，17-GPS模块，18-电子罗盘，19-工业平板，20-电源控制器，21-电源电路板，22-锂电池组。
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1-4所示，一种混合动力无人水样采集船，包括无人船船体1，所述船体1上设有推进器11、动力舱12和中央控制舱14，其特征在于：所述船体1的外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13和靠岸充电接口10，所述船体1上端固设有半环形支撑架5，所述半环形支撑架5的下方悬挂有风力发电机9，左侧边固设电源总开4；所述太阳能电池板13、风力发电机9和外置充电机输出端均通过与动力舱12中的电源控制器20相连，并对锂电池组22充电，所述锂电池组22的输出端通过多路开关电源板21与推进器11连接进行供电；所述半环形支撑架5的顶端分别固定设有GPS天线7、视频摄像头3、激光雷达6以及固定风力发电机9的支架8；所述船体1的底部固设水样采集装置2。
进一步方案，所述船体1是由舱体、太阳能电池板13和半环形支撑架5组成，所述半环形支撑架5的两底端分别固定在两个船形舱体上，所述船体1内部由动力舱12和中央控制舱14组成。
进一步方案，所述水样采集装置2与电源电路板21的输出相连，水样采集装置2的信号输入与主控板15信号输出相连。
进一步方案，所述中央控制舱14包括固设于半环形支撑架5顶端的GPS天线7、激光雷达6、主控板15、DTU模块16、GPS模块17、电子罗盘18、工业平板19、电源控制器20和电源电路板21，所述GPS传输天线7的输出端通过GPS卫星定位传感器与所述工业平板19连接；所述工业平板19的输入端与激光雷达6连接，用于对船体1的行驶方向进行识别；所述主控板15、DTU模块16、GPS模块17、电子罗盘18与工业平板19相连，用于系统通信；所述电源控制器20和电源电路板21为通信设备提供电源。
进一步方案，所述视频摄像头3的输出端均与所述的中央控制舱14中的工业平板19进行电连接，所述视频摄像机3采集水面视频并通过工业平板19进行图像处理，处理完通过DTU模块16进行发送，发送到可视界面端，工作人员根据发回的视频图像观察水面周围环境，判断是否需要采集水样。
进一步方案，所述动力舱12是由电源控制器20、锂电池组22及电源电路板21组成，电源控制器20分别将太阳能电池板13、风力发电机9和外置充电机所产生的电转换成直流电存储于锂电池组22中，通过电源电路板21为各设备供电。
动力系统是由电源控制器20、锂电池组22及电源电路板21构成。其中电源控制器20将12V/300W风力发电机9和20V/300W太阳能电池板13、12V/20A外置充电机输出的电转换为直流电存储于锂电池组22中，通过电源电路板21为各设备供电，同时起到稳压和变压的作用，电源控制器20还有显示剩余电量的功能。
12V/300W风力发电机9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。
20V/300W太阳能电池板13将太阳辐射能直接转换成电能，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵。本发明中利用20V的太阳能电池板13对电源控制器20进行降压充电。
锂电池组22容量为12V/300AH，市电 220V 输入，经过整流电源模块后，输出12V电压,在电网正常的情况下，整流电源模块对负载进行供电，同时给电池充电；在电网断电的情况下，负载由电池提供电能，保证通信设备正常运行，实现不间断供电功能。 电池电压过低时，电池会自动切断供电，避免过放电，以保护电池寿命。
推进器11是现有已知产品，根据流体动力学计算，每只推进器11可提供5KG左右的推力，工作电压12V，最大工作电流不超过15A，可以为船体1在水中提供3m/s的速度。推进器11的信号输入由主控板15提供，通过两路PWM信号来调节推进器11的航速。
水样采集装置2由电源电路板21供电，装置2内包含6个500ML的采样瓶，每个采样瓶口配备液位计，达到采样量时自动关闭电源，装置2和船体1的连接杆具有伸缩功能，可以调节采集水样的深度。
DTU通信模块16支持TCP/IP Server/Client、UDP/IP、DDP、SMS、AT多种通信方式，与中央控制舱14中的工业平板19相连，用于和终端管理平台传输数据。
GPS传输天线7将卫星信号通过GPS卫星定位传感器传输给中央控制器，确定当前船体1的位置坐标；同时GPS传输天线接收人工远程控制指令，并将控制指令通过GPS无线数传模块17传输给中央控制器，确定其航行的目的地；再通过电子罗盘18确定出船体1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18指示的船体1当前行驶方向信号，通过处理运算，即可前往预设地点。
激光雷达6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，送给主控板15来驱动船体1避开障碍物，实现自动避障功能，按要求到达待测地点完成水样采集。
通过视频摄像机3采集水面视频并通过中央控制器对视频进行处理，处理好的视频实时上传终端管理平台，通过终端管理平台可以实时了解水面环境，代替人工现场采集水样；本装置使用时，先由操作人员通过终端管理平台向无人船1发送采集点信号，GPS传输天线17接收该信号并将其传输给工业平板19来确定其航行的目的地，再通过电子罗盘18确定出当前的航行方向，从而根据GPS传输天线7提供的当前位置信息，实时驱动无人船1进行自主导航，再通过激光雷达6及时识别水面障碍物，到达定点区域进行水样采集工作，到达采集点时，主控板15向水样采集装置2发出工作指令， 采集装置2开始向采样瓶里收集水样，当达到液位计时停止采集，才满6个点的水样后返回岸边。
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 (7)
1.一种混合动力无人水样采集船，包括无人船船体（1），所述船体（1）上设有推进器（11）、动力舱（12）和中央控制舱（14），其特征在于：所述船体（1）的外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（13）和靠岸充电接口（10），所述船体（1）上端固设有半环形支撑架（5），所述半环形支撑架（5）的下方悬挂有风力发电机（9）左侧边固设电源总开关（4）；所述太阳能电池板（13）、风力发电机（9）和外置充电机输出端均通过与动力舱（12）中的电源控制器（20）相连，并对锂电池组（22）充电，所述锂电池组（22）的输出端通过多路开关电源板（21）与推进器（11）连接进行供电；所述半环形支撑架（5）的顶端分别固定设有GPS天线（7）、视频摄像头（3）、激光雷达（6）以及固定风力发电机（9）的支架（8）；所述船体（1）的底部固设水样采集装置（2）。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力无人水样采集船，其特征在于：所述船体（1）是由太阳能电池板（13）和半环形支撑架（5）组成，所述半环形支撑架（5）的两底端分别固定在两个船形舱体上。
3.根据权利要求2所述的一种混合动力无人水样采集船，其特征在于：所述船体（1）内部由动力舱（12）和中央控制舱（14）组成。
4.根据权利要求1所述的一种混合动力无人水样采集船，其特征在于：所述视频摄像头（3）的输出端与所述的中央控制舱（14）中的工业平板（19）进行电连接，所述视频摄像机（3）采集水面视频并通过工业平板（19）进行处理，处理完通过DTU模块（16）进行发送，发送到可视界面端。
5.根据权利要求1所述的一种混合动力无人水样采集船，其特征在于：所述中央控制舱（14）包括固设于半环形支撑架（5）顶端的GPS天线（7）、激光雷达（6）、主控板（15）、DTU模块（16）、GPS模块（17）、电子罗盘（18）、工业平板（19），所述GPS传输天线（7）的输出端通过GPS卫星定位传感器与所述工业平板（19）连接；所述工业平板（19）的输入端与激光雷达（6）连接，用于对船体（1）的行驶方向进行识别；所述主控板（15）、DTU模块（16）、GPS模块（17）、电子罗盘（18）与工业平板（19）相连，用于系统通信。
6.根据权利要求1所述的一种混合动力无人水样采集船，其特征在于：所述动力舱（12）是由电源控制器（20）LHLM03-03/12V、12V/300AH锂电池组（22）及电源电路板（21）组成，电源控制器（20）LHLM03-03/12V分别将太阳能电池板（13）、风力发电机（9）和外置充电机所产生的电转换成直流电存储于锂电池组（22）中，通过电源电路板（21）为各设备供电。
7.根据权利要求1所述的一种混合动力无人水样采集船，其特征在于：所述船体（1）的底部固设水样采集装置（2），所述采集装置（2）与中央控制舱（14）中的主控板（15）相连，受主控板（15）输出的信号控制。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |