CN108490144A - 一种三维扫描水质监测机器人装置 - Google Patents

Abstract

一种三维扫描水质监测机器人装置，涉及自动化设备领域，包括一浮标组件，所述浮标组件包括一浮标架，防撞杠环绕于浮标架腰部一周，浮标架中心有稳定轴贯穿上下，所述浮标组件上方设有太阳能光电转化机构，在太阳能光电转化机构上方安装有气象测定系统，在浮标组件下侧安装有动力机构，动力机构的安装盒两侧各设有一组三维水质监测机构，在浮标组件上安装有位置操控系统。本发明借助水质监测传感器以及数据传输系统进行水质测定和实时传输，自主行走躲避障碍，且设备的实时在线监控，实现了安全、高效地对湖库水体水文、水质情况的全覆盖智能监测。

Description

一种三维扫描水质监测机器人装置

技术领域

本发明涉及自动化设备领域，具体地说是一种三维扫描水质监测机器人装置。

背景技术

湖泊、水库水体作为我国重要的饮用水水源地，其水质的好坏关系到亿万民众饮水健康。随着人们对于饮用水以及饮用水处理手段的不断提高，对于水质监测手段的要求也越来越高。

然而，传统的站房式水质自动监测站、浮标式水质检测器以及岸边水质自动监测站存在多个问题。例如，传统的站房式水质自动监测站选址难度大，建设周期长，采样点过于固定，代表性也不强，数据获取效率低；浮标式水质检测器难以自主掌握测定位置，测定线路易受风、浪、潮的影响，可靠性相对较差，无法全面和综合掌握水源水的水质/水文特点。并且浮标式水质检测器容易受障碍物到影响，甚至损毁；岸边水质自动监测站测定点单一，已经不适宜现代水质监测的发展。

综上所述，已有水质检测器得到的数据仅仅是点式、直线式或者平面式，无法对湖库水体进行更加形象、具体、全面和准确的描述，大大限制了水质自动监测系统在湖库水体水质保障领域的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种三维扫描水质监测机器人装置，解决现有水质检测系统测定点单一以及数据获取效率低的问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种三维扫描水质监测机器人装置，包括一浮标组件，所述浮标组件包括一浮标架，所述浮标架为倒圆台形，防撞杠环绕于浮标架腰部一周，浮标架中心有稳定轴贯穿上下，所述浮标组件上方设有太阳能光电转化机构，在太阳能光电转化机构上方安装有气象测定系统，在浮标组件下侧安装有动力机构，动力机构的安装盒两侧各设有一组三维水质监测机构，在浮标组件上安装有用于控制机器人装置定位行走的位置操控系统。

进一步地，所述太阳能光电转化机构包括上盘、支杆、升降板、定位插孔及太阳能电池板，所述稳定轴上端安装有上盘，所述上盘上设有支杆，所述支杆连接在浮标架的上端面，在稳定轴上滑动配合有升降板，在升降板的侧边设有多个定位插孔，在升降板侧边均转动连接有一太阳能电池板，太阳能电池板连接有锂电池。

进一步地，所述三维水质监测机构包括一底板，所述底板两端安装有第一电动缸与第二电动缸，所述第一电动缸的伸缩杆端部与第二电动缸的伸缩杆端部均铰接在下板上，所述下板两端分别铰接有第一杆与第七杆，在第一杆处安装有第三电机，在第一杆的另一端分别铰接有第二杆与第三杆，第二杆与第四杆相铰接，第四杆固定在上板底部，第三杆铰接有第五杆，第五杆的另一端铰接有第六杆、第七杆及第八杆，第六杆的另一端铰接在第一杆上，第八杆与第九杆相铰接，所述第九杆铰接在第四杆上，且第二杆与第八杆相铰接，在上板上安装有水质监测传感器。

进一步地，所述三维水质监测机构还包括有一三维激光扫描传感器，所述三维激光扫描传感器与位置操控系统相连接。

进一步地，所述动力机构包括一安装盒，所述安装盒内设有第二电机，所述第二电机连接有螺旋桨，在安装盒上方设有多组伸缩杆，所述伸缩杆包括内杆与外杆，所述外杆中部设有滑动孔，所述内杆安装在滑动孔内且内杆可沿外杆来回移动，所述外杆连接在浮标架底部，内杆端部连接在安装盒上，在浮标架底部设有第一电机，所述第一电机连接有卷线筒，所述卷线筒上缠绕有拉线，所述拉线连接在安装盒中部。

进一步地，所述位置操控系统包括红外传感器、超声波传感器、远程控制器及GPS定位系统，所述远程控制器及GPS定位系统安装在浮标架内部，所述红外传感器、超声波传感器设置与浮标架上表面，环形等间距间隔分布。

进一步地，所述浮标架上设有一导向机构，所述导向机构包括一外壳体，所述外壳体内部设有一齿圈，所述齿圈内壁设有环形阵列的内齿，齿圈外壁设有不规则位置设置的上球体、下球体、左球体及右球体，在外壳体中部设有中部电机，所述中部电机连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与内齿相配合，在外壳体上设有若干通孔，所述通孔内安装有导向板，所述导向板连接有弹簧，所述弹簧连接有滚珠。

进一步地，所述三组太阳能电池板构成四棱台形。

进一步地，所述太阳能电池板受热面所在平面与水平面夹角为30～70°。

进一步地，所述三维激光扫描传感器测量精度高达0.1mm，分辨率高达0.1mm，重复率和可追踪率为100％。

进一步地，所述三维激光扫描传感器与GPS定位系统、CDMA/GPRS双网络数据传输系统相连。

本发明的有益效果是：

本发明对传统水质监测站的构型进行改进，并借助水质监测传感器以及数据传输系统进行水质测定和实时传输，增加实时定位系统、红外及超声波传感器并依靠太阳能自主行走，躲避障碍，还增加了远程智能控制器，实现设备的实时在线监控，达到远程控制的目的，实现了安全、高效地对湖库水体水文、水质情况的全覆盖智能监测，对于水华、赤潮及藻类的监测和预警，突发性污染事故预警，生态环境评价等具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为本发明的左视图；

图3为三维水质监测机构展开时的结构示意图；

图4为图3中A处的局部放大图；

图5为浮标组件剖视时的导向机构结构示意图；

图6为图5中B处的局部放大图；

图中：1浮标组件，11浮标架，12防撞杠，13第一电机，14卷线筒，15拉线，21稳定轴，

2太阳能光电转化机构，22上盘，23支杆，24升降板，25定位插孔，26太阳能电池板，

3动力机构，31伸缩杆，32安装盒，33螺旋桨，

4三维水质监测机构，41底板，42第一电动缸，43第二电动缸，44下板，45第一杆，46第二杆，47第三杆，48第四杆，49上板，410第五杆，411第六杆，412第七杆，413第八杆，414第九杆，415水质监测传感器，

5位置操控系统，

6气象测定系统，

7导向机构，71齿圈，72内齿，73中部电机，74驱动齿轮，75上球体，76右球体，77下球体，78左球体，79外壳体，710导向板，711弹簧，712滚珠。

具体实施方式

一种三维扫描水质监测机器人装置，包括一浮标组件1，所述浮标组件上方设有太阳能光电转化机构2，该太阳能光电转化机构用于作为提供该机器人装置行走时的动力来源，在太阳能光电转化机构上方安装有气象测定系统6，通过气象测定装置6测定各测定点的气象参数(风速、风向、温度、湿度、气压、辐射、雨量)等；在浮标组件1下侧安装有动力机构3，动力机构3的安装盒两侧各设有一组三维水质监测机构4。在浮标组件上安装有用于控制机器人装置定位行走的位置操控系统5。下面结合附图对本发明作进一步分析。

如图1至图6所示，所述浮标组件包括一浮标架11，所述浮标架为倒圆台形，防撞杠12环绕于浮标架腰部一周，浮标架中心有稳定轴21贯穿上下。

浮标架采用阻燃、防碰撞、防腐蚀、抗生物粘附、穿孔不下沉的聚脲高分子弹性材料。防撞杠采用玻璃纤维和铝合金等轻金属合金材料。

方案的优化设计，在浮标架上还设有一导向机构7，所述导向机构包括一外壳体79，所述外壳体内部设有一齿圈71，所述齿圈内壁设有环形阵列的内齿72，齿圈外壁设有不规则位置设置的上球体75、下球体77、左球体78及右球体76。在外壳体中部设有中部电机73，所述中部电机连接有驱动齿轮74，所述驱动齿轮与内齿相配合，通过中部电机的传动可带动齿圈围绕外壳体内壁转动。

在外壳体上设有若干通孔，所述通孔内安装有导向板710，所述导向板连接有弹簧711，所述弹簧连接有滚珠712。当齿圈转动时，球体75、下球体77、左球体78及右球体76能够压迫滚珠发生位置变化，使得不同位置的导向板可伸出外壳体从而使得整个装置发生角度的改变。

所述太阳能光电转化机构2包括上盘22、支杆23、升降板24、定位插孔25及太阳能电池板26，所述稳定轴上端安装有上盘22，所述上盘上设有支杆23，所述支杆连接在浮标架11的上端面边缘。在稳定轴上滑动配合有升降板24，所述升降板可沿稳定轴上下移动，在升降板的侧边设有多个定位插孔25，当转动升降板时，可使得支杆插入至定位插孔中，又因升降板的自身重力作用及定位插孔的侧壁阻挡，可通过调节不同的定位插孔来使得升降板处于稳定轴上不同的高度。

在升降板侧边均转动连接有一太阳能电池板26，太阳能电池板连接有锂电池。

方案的优化设计，所述三组太阳能电池板构成四棱台形。

方案的优化设计，所述太阳能电池板受热面所在平面与水平面夹角为30～70°。

在浮标架11正下方安装有一动力机构3，所述动力机构包括一安装盒32，所述安装盒内设有第二电机，所述第二电机连接有螺旋桨33，通过第二电机带动螺旋桨转动。在安装盒上方设有多组伸缩杆31，所述伸缩杆包括内杆与外杆，所述外杆中部设有滑动孔，所述内杆安装在滑动孔内且内杆可沿外杆来回移动，所述外杆连接在浮标架底部，内杆端部连接在安装盒上。在浮标架底部设有第一电机13，所述第一电机连接有卷线筒14，所述卷线筒上缠绕有拉线15，所述拉线连接在安装盒中部。通过第一电机的转动，可以调节安装盒与浮标架之间的相对距离。

在安装盒两侧各设有一组三维水质监测机构4。

所述三维水质监测机构4包括一底板41，所述底板两端安装有第一电动缸42与第二电动缸43，所述第一电动缸的伸缩杆端部与第二电动缸的伸缩杆端部均铰接在下板44上。这样当第一电动缸与第二电动缸的伸缩杆伸缩长度不一样时，可以调节下板的倾斜角度。

所述下板两端分别铰接有第一杆45与第七杆412，在第一杆处安装有第三电机，第三电机驱动第一杆转动。

其中在第一杆的另一端分别铰接有第二杆46与第三杆47，第二杆与第四杆48相铰接，第四杆固定在上板49底部，第三杆铰接有第五杆410，第五杆的另一端铰接有第六杆411、第七杆412及第八杆413，第六杆的另一端铰接在第一杆上，第八杆与第九杆414相铰接，所述第九杆铰接在第四杆上，且第二杆与第八杆相铰接，在上板上安装有水质监测传感器。

水质监测传感器操作电压为12VDC，温度测量精度为0.1℃，总溶解性固体测量精度为0.1μS/cmb，溶解氧测量进度为0.1mg/L，其他水质参数测定均精确到小数点后两位。

多个连杆的组合设计，使得第三电机转动时能够带动上板发生角度位移的变化。进而改变水质监测传感器的位置。所述水质监测传感器为多参数传感器且与大容量存储器相连。

所述三维水质监测机构还包括有一三维激光扫描传感器，所述三维激光扫描传感器可360度旋转，并与位置操控系统5相连接。

所述三维激光扫描传感器测量精度高达0.1mm，分辨率高达0.1mm，重复率和可追踪率为100％。

所述位置操控系统5包括红外传感器、超声波传感器、远程控制器及GPS定位系统，所述远程控制器及GPS定位系统安装在浮标架内部。

所述红外传感器、超声波传感器设置与浮标架上表面，环形等间距间隔分布。借助超声波传感器及红外传感器仔细探知障碍物的外形轮廓及周围布局，从而为机器人调控线路方向提供判断依据。

所述三维激光扫描传感器与GPS定位系统、CDMA/GPRS双网络数据传输系统相连。本装置利用GPS定位系统及太阳能光伏板光电转换技术，准确的控制螺旋桨将监测机器人指挥到特定监测点或者延特定的路线行走。

工作方式，水质监测机器人在某测定点通过三维激光扫描传感器测定扫描范围内一定深度内的水体及其中所有物块的三维数据进行快速记录，获取水体一定深度的点云数据。同时，通过可位置调节的水质监测传感器测定水域范围内随机空间点的水质参数(营养盐、氨氮、COD、UV254、pH、ORP、电导、溶氧、浊度、叶绿素a、蓝绿藻、水中油)以及水文参数(水深、温度、流速、流向)，并存储于大容量存储器中，通过CDMA/GPRS双网络数据传输系统实时传回。将水质/水温与空间数据进行整合与重建，建立湖库水质/水文情况的三维数据库。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (9)

1.一种三维扫描水质监测机器人装置，包括一浮标组件，其特征在于，所述浮标组件包括一浮标架，所述浮标架为倒圆台形，防撞杠环绕于浮标架腰部一周，浮标架中心有稳定轴贯穿上下，所述浮标组件上方设有太阳能光电转化机构，在太阳能光电转化机构上方安装有气象测定系统，在浮标组件下侧安装有动力机构，动力机构的安装盒两侧各设有一组三维水质监测机构，在浮标组件上安装有用于控制机器人装置定位行走的位置操控系统。

2.根据权利要求1所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述太阳能光电转化机构包括上盘、支杆、升降板、定位插孔及太阳能电池板，所述稳定轴上端安装有上盘，所述上盘上设有支杆，所述支杆连接在浮标架的上端面，在稳定轴上滑动配合有升降板，在升降板的侧边设有多个定位插孔，在升降板侧边均转动连接有一太阳能电池板，太阳能电池板连接有锂电池。

3.根据权利要求1或2所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述三维水质监测机构包括一底板，所述底板两端安装有第一电动缸与第二电动缸，所述第一电动缸的伸缩杆端部与第二电动缸的伸缩杆端部均铰接在下板上，所述下板两端分别铰接有第一杆与第七杆，在第一杆处安装有第三电机，在第一杆的另一端分别铰接有第二杆与第三杆，第二杆与第四杆相铰接，第四杆固定在上板底部，第三杆铰接有第五杆，第五杆的另一端铰接有第六杆、第七杆及第八杆，第六杆的另一端铰接在第一杆上，第八杆与第九杆相铰接，所述第九杆铰接在第四杆上，且第二杆与第八杆相铰接，在上板上安装有水质监测传感器。

4.根据权利要求3所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述三维水质监测机构还包括有一三维激光扫描传感器，所述三维激光扫描传感器与位置操控系统相连接。

5.根据权利要求1所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述动力机构包括一安装盒，所述安装盒内设有第二电机，所述第二电机连接有螺旋桨，在安装盒上方设有多组伸缩杆，所述伸缩杆包括内杆与外杆，所述外杆中部设有滑动孔，所述内杆安装在滑动孔内且内杆可沿外杆来回移动，所述外杆连接在浮标架底部，内杆端部连接在安装盒上，在浮标架底部设有第一电机，所述第一电机连接有卷线筒，所述卷线筒上缠绕有拉线，所述拉线连接在安装盒中部。

6.根据权利要求1所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述位置操控系统包括红外传感器、超声波传感器、远程控制器及GPS定位系统，所述远程控制器及GPS定位系统安装在浮标架内部，所述红外传感器、超声波传感器设置与浮标架上表面，环形等间距间隔分布。

7.根据权利要求3所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述浮标架上设有一导向机构，所述导向机构包括一外壳体，所述外壳体内部设有一齿圈，所述齿圈内壁设有环形阵列的内齿，齿圈外壁设有不规则位置设置的上球体、下球体、左球体及右球体，在外壳体中部设有中部电机，所述中部电机连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与内齿相配合，在外壳体上设有若干通孔，所述通孔内安装有导向板，所述导向板连接有弹簧，所述弹簧连接有滚珠。

8.根据权利要求2所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述三组太阳能电池板构成四棱台形。

9.根据权利要求2所述的三维扫描水质监测机器人装置，其特征在于，所述太阳能电池板受热面所在平面与水平面夹角为30～70°。