CN108975487A - 水体净化机器人 - Google Patents
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Abstract
一种水体净化机器人，包括：主体(1)，横向曝气装置(2)，第一调节装置(3)，纵向曝气装置(4)，第二调节装置(5)，其中，所述主体(1)承载所述水体净化机器人的其它装置组件，并能够漂浮于水体；所述横向曝气装置(2)在所述机器人的前部向两侧方向对称分布设置；所述第一调节装置(3)与横向曝气装置(2)连接，调节该横向曝气装置(2)的曝气方向；所述纵向曝气装置(4)在所述机器人后部纵向分布设置；所述第二调节装置(5)与所述纵向曝气装置(4)连接，调节该纵向曝气装置(4)的曝气方向。所述机器人能够根据水体水域范围、水质情况等自动调节自身的各项参数，具有能耗小、效率高、自动化程度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术，具体而言，涉及用于水处理的机器人。
背景技术
水处理的对象主要包括自然水体和人工水体。例如，河湖水体，园林景观水体、养殖水体，喷泉、游泳池、水上乐园等。这些水体，多数存在污染物浓度较低，污染源种类多样化，水量极大的特点，并且大都对水质及卫生状况有较高的要求，同时也会在使用过程中持续产生的人为或非人为污染。
例如，河道黑臭是我国城市环境污染和生态破坏的代表性恶果和待解决的重要问题，其中氨氮等有机物超标是目前许多城市黑臭河道中急需解决的突出问题。河道水体的主要污染来源是外部污染物的注入，以及长期积累的河底淤泥及淤泥释放的有害物质。加之水体缺少必要的循环，溶解氧过低，缺少水生动、植物生存的环境，使水体逐渐失去自净能力，容易发黑发臭。此外，外部污染物注入量通常具有随机性，特别对于雨水较多的地区而言，下雨会集中带来较多的外部污染物，使得河道水体的水质迅速恶化。在外源输入有效控制后,从底泥中释放的内源有机物将成为水体氮污染的主要来源。
就目前的整治河道污染水体的技术而言，生物—生态技术是较为科学的整治途径，根据生态学原理，利用水生生态动植物及微生物的自净能力吸收水体中的有机污染物，以达到水质净化的目的。
目前的生物—生态技术一般为建造人工湿地、生物氧化塘、生物滤床等等形式，此种方法需要投入大量基础设施建设，带来成本及维护工作的增加，并且这种水处理方案对于处理量和处理地点的灵活度很有限，不能应对水质迅速变差的情况。
此外，现有的置于河道等水体中的水处理装置，其控制方式也比较简单，不能根据水体参数的变化进行自动调节。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种水体净化机器人，其包括：主体，横向曝气装置，第一调节装置，纵向曝气装置，第二调节装置，其中，所述主体承载所述水体净化机器人的其它装置组件，并能够漂浮于水体；所述横向曝气装置在所述机器人的前部向两侧方向对称分布设置；所述第一调节装置与横向曝气装置连接，调节该横向曝气装置的曝气方向；所述纵向曝气装置在所述机器人后部纵向分布设置；所述第二调节装置与所述纵向曝气装置连接，调节该纵向曝气装置的曝气方向。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述横向曝气装置包括沿所述主体的中轴左右对称分布的曝气结构，并且其曝气方向与所述机器人的中轴线成第一角度，通过所述第一调节装置来调节所述第一角度。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述纵向曝气装置的曝气管道平行于所述主体的中轴线，并关于该中轴线左右对称设置，所述调节装置在深度方向上调节所述纵向曝气装置的曝气方向，即第二角度。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，还包括自动控制装置，其根据待处理水体的地理环境参数自动调节机器人的曝气量及机器人的水动力影响范围，和/或根据待处理水体的水质自动调节机器人的行驶速度。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自动控制装置根据水域宽度来调整所述横向曝气装置的曝气方向与所述机器人的纵向方向之间的角度。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自动控制装置根据以下公式来调整所述横向曝气装置的曝气方向与所述机器人的纵向方向之间的角度：
α＝arcsin[(W-2W免-W机)÷2L横]
式中，
α：横向曝气装置的曝气方向与所述机器人的纵向方向之间的角度
W：待处理水体的宽度
W免：横向免干扰低影响区
W机：机器人的宽度
L横：横向曝气装置的曝气水流影响范围。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自动控制装置根据所述机器人至水体底部的距离来调整纵向曝气方向与机器人水平方向的角度。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自动控制装置根据以下公式来调整纵向曝气装置的曝气方向与机器人的水平方向之间的角度：
β＝arcsin[(H-H免)÷L纵]
式中，
β：纵向曝气方向与机器人水平方向的角度
H：机器人至水体底部的距离
H免：纵向免干扰影响区
L纵：纵向曝气装置的曝气水流影响范围。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自动控制装置通过调节所述机器人的行驶速度来控制机器人对所经过水体的曝气溶氧量。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自动控制装置根据检测的位置、距离、方位中的一种或多种信息和/或待处理或已处理水的信息来设定或调节单个横向曝气装置的曝气量、单个横向曝气装置的曝气角度、纵向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气角度、机器人的行驶速度、机器人的行驶轨迹中的一个或多个参数。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自动控制装置根据以下公式来调整所述机器人的行驶速度：
V＝(V1×COSα+V2×COSβ)×f+V3
式中，
V：机器人的行驶速度
V1：横向曝气装置曝气时产生的速度分量
V2：纵向曝气装置曝气时产生的速度分量
α：横向曝气装置的曝气方向与机器人的纵向方向之间的角度
β：纵向曝气装置的曝气方向与机器人的水平方向之间的角度
f：速度系数
V3：辅助动力装置的辅助动力速度分量。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述水体净化机器人还包括辅助动力装置，该辅助动力装置包括电子调速的双向螺旋桨，为所述机器人提供前进方向或者后退方向的推力。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述水体净化机器人还包括配重装置，该配重装置通过调节机器人的配重来调节机器人在水中的悬浮深度。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述配重装置通过控制进水泵或出水泵的处理水量来控制在所述主体内设置的配重仓内的水量，并且通过自平衡机构来自动维持所述机器人在其前后方向和/或左右方向的平衡。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述自平衡机构包括设置在所述配重仓之间的调水通道，该调水通道一端设置于一个配重舱的预设水位位置，另一端设置于与该配重仓邻近的另一个配重仓的较低水位位置。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述水体净化机器人还包括设置在其尾部的转向机构，该转向机构包括：舵叶，舵叶轴，支架，扇形齿轮，传动齿轮和电机，其中，舵叶设置在所述纵向曝气装置的出气口后面；舵叶轴的一端与舵叶相连后，另一端穿过固定于所述主体的支架的内孔并能在孔内旋转；在舵叶轴设置扇形齿轮，扇形齿轮与传动齿轮啮合传动，传动齿轮安装在电机的轴上，从而通过电机的运转调整舵叶的角度。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，所述水体净化机器人还包括在前端设置的打捞装置，该打捞装置包括设置于所述机器人头部两侧的挡板，该挡板的一端连接有转轴并能沿着转轴旋转，并通过设置于所述主体底部的限位卡板控制所述挡板的开合；在限位卡板的后端设置有打捞网，打捞网通过设置于其两侧的卡槽固定，在打捞网上方的所述主体的对应部分设置有舱门。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，通过隔板将所述主体隔成多个腔室，包括沿中轴对称分布的多个配重舱。
根据本发明实施例的水体净化机器人，例如，还包括无线远程控制单元，该无线远程控制单元包括：适配器、云平台、应用系统，其中，适配器基于无线通信与所述自动控制装置进行数据交互，采集所述机器人的实时数据，上传到云平台的数据处理中心；由该数据处理中心进行数据的储存、整理、分析；通过所述应用系统呈现数据，实时查看所述机器人的运行数据和/或地理信息，并进行远程操控。
根据本发明实施例的智能型水体综合净化机器人，能够智能曝气、提供水动力、同时能够在水体中自动运行，并且能根据水体水域范围、水质情况等自动调节自身的各项参数从而让水体达到所需各项指标，具有能耗小、效率高、自动化程度高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是根据本发明实施例的水体净化智能机器人的结构原理示意图；
图2是图1所示机器人的俯视示意图；
图3是图1所示机器人的配重装置的示意图；
图4用于说明如何对置于水体中的图1所示机器人进行控制；
图5用于说明如何对置于水体中的图1所示机器人进行控制；
图6是速度系数表；
图7是图1所示机器人的打捞装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
通过曝气的方式对水体进行净化处理的原理在于通过向水中输出氧气或者含有氧气的气体可以增加水中的含氧量，从而促进微生物对于水中氨氮的降解。微生物降解氨氮的原理是采用好氧微生物(即硝化细菌)的降解(在给定场景下需要消耗水中溶解氧4.57mg/L)，以及厌氧微生物(即反硝化细菌)的降解(在相同给定场景下会对水体贡献溶解氧2.86mg/L)，从而实现对水中氨氮的降解。由此也可以看出，在给定场景下，需要4.57-2.86＝1.71mg/L的正输入来维持好氧微生物的数量，从而使得其能够良性繁殖。对于含氧量低造成好氧微生物数量不足的待处理水体，通过大量曝气增加水中的含氧量，使得水体中的好氧微生物达到良性繁殖的水平，能够实现后期的复氧效果，整个过程称为复氧。
根据本发明实施例的机器人可以漂浮在水面或者潜入水中，独立进行水净化处理。图1和图2从不同角度示出了根据本发明实施例的机器人的剖面结构。如图1和图2所示，根据本发明实施例的机器人包括：主体1，横向曝气装置2，调节装置3，纵向曝气装置4，深度调节装置5，辅助动力推进装置6，配重装置7，方向控制装置8，位置检测装置9，水质检测装置10，自动控制装置11，打捞装置12。其中，主体1承载其它装置组件，并利用水的浮力漂浮在水面或者潜入水中；横向曝气装置2在机器人前部向两侧方向对称分布设置；调节装置3与横向曝气装置2连接，调节横向曝气装置2的曝气方向；纵向曝气装置4在机器人后部纵向分布设置；调节装置5与纵向曝气装置4连接，调节纵向曝气装置4的曝气方向；辅助动力推进装置6设置在机器人的尾部；配重装置7设置在机器人内部；方向控制装置8也设置在机器人的尾部；位置检测装置9和水质检测装置10可以设置在机器人内部，也可以设置在机器人的其它部位；可选地，可以在机器人的前端设置打捞装置12(如图7所示)，用于清洁水中垃圾悬浮物；自动控制装置11可以设置在机器人内部，用于实现对机器人的自动控制，该自动控制装置11也可以全部或者部分地设置在机器人外部，可以实现对机器人的远程控制或远程自动控制。
主体1可以是船型腔体式，也可以是类似潜水艇的封闭式，能让机器人漂浮于水面或潜入水中。如图1和图2所示，可以通过隔板101将主体1隔成若干个腔室，包括沿中轴对称分布的配重舱102，控制舱等。
横向曝气装置2可以是沿机器人主体1的中轴左右对称分布的曝气结构，并且曝气方向与机器人的中轴线成一定的角度α(如图4所示)。例如，横向曝气装置2为射流曝气时，曝气管道可以是若干根。左右对称分布形式能够保持机器人的自身平衡。另外，曝气产生的水流也可以为机器人在水体中前进提供推力。
调节装置3可以是电动推杆或电机提供动力的机构，用于调节角度α。通过调节角度α，可以改变曝气产生的水流的方向，从而调节曝气的范围以及在机器人前进方向上的推力。另外，对于左右对称分布的横向曝气装置2的左右两组曝气管道，也可以采用非对称或非同步的控制方式，例如，分别调节左右各组曝气管道相对于中轴线的角度，这样，可以分别调节机器人两侧的曝气范围，和前进推力，还可以使得机器人转向。
纵向曝气装置4在机器人尾部纵向分布设置，向后曝气可以产生向前的推力，亦可为机器人在水体中前进提供动力。例如，各个曝气管道平行于机器人的中轴线(如图4所示)，并且可以关于该中轴线左右对称设置。纵向曝气装置4可以采用射流曝气的方式，且曝气管道可以是多根。
调节装置5可以是电动推杆或电机提供动力的控制机构，在深度方向上调节纵向曝气装置4的曝气方向，即调节图5所示的角度β。通过用调节装置5来调节纵向曝气装置4的曝气方向，如果曝气产生的推力足够大，可以作为机器人在水体中上浮或下潜的辅助动力。根据所要处理的水体区域的具体条件，例如水深度，水体底部淤泥厚度和松散程度等，通过控制机器人上浮和下潜可以使得机器人更好地适应这些具体的水体条件，并且可以扩大曝气的范围，提高水净化的效果。对于机器人一直在水面漂浮来进行水净化处理的应用场景，也可以不设置深度调节装置5。
辅助动力推进装置6可以用电子调速的双向螺旋桨来实现，能根据使用需求调节其速度的旋转方向，从而提供机器人前进方向或者后退方向的推力。在机器人前进时，横向曝气装置2和/或纵向曝气装置4可以向水体中曝气，从而水体对机器人产生反向推力，推动机器人向其头部所指方向前进，如果需要在前进时加速，可以用辅助动力推进装置6产生向前的推进力；如果需要在保持曝气量的同时减缓前进速度，可以用辅助动力推进装置6产生在水中的倒退力，也可以通过调节α角来减小横向曝气装置2带来的推进力分量。如果机器人需要停止前进或者倒退，则需要辅助动力推进装置6产生的倒退力。
配重装置7通过调节机器人的配重来调节机器人在水中的悬浮深度。例如，当需要机器人下潜时，进水泵701通过管道向位于机器人内部中间的一个或多个配重仓102注水，增加机器人的配重及总重，从而使机器人下潜到更深的位置；当需要机器人上浮时，出水泵702通过管道从各配重仓102排水，减少机器人的配重和总重，从而使机器人上浮到较浅位置或者上浮到水面之上。也就是说，通过控制进水泵701或出水泵702的处理水量来控制配重仓102内的水量从而调节机器人的下潜深度。
如前所述，可以对称设置多个配重仓102来帮助保持机器人的左右平衡，也可以通过精确控制各个配重仓102内的水量来保持机器人的整体平衡，还可以设置自平衡机构来在机器人下潜和上浮过程中保持机器人的平衡。
所述自平衡机构可以是若干组对称设置在配重仓102之间的调水通道703。调水通道703可以是这样的管道，其一端设置于一个配重舱102的预设水位位置，其另一端设置于与该配重仓102邻近的另一个配重仓102的较低水位位置，这样，当第一个配重仓102的水位偏高时，超过预设水位的水可以从调水管道703进入到第二个配重仓。并且可以设置对应的另一个调水管道使得在所述第二个配重仓102的水位偏高时自动将该第二个配重仓中的部分水引回所述第一个配重仓。
在图3所示的例子中，从左到右设置了三组配重仓，且各组配重仓上下对称设置，因而共有六个配重仓。在增加配重时，中间两个配重仓先同时进水，左右两侧中较重一侧会先到达预设水位，之后水通过调水管道自动进入较轻一侧的仓内，慢慢校平机器人平衡，平衡后由从中间仓通过调水管道继续往两边仓进水，从而达到所需配重水位。如图3中下面的一张图(俯视图)所示，调水管道703可以是在机器人的纵向延伸方向(图中的左右方向)进行引水调水，也可以在机器人的横向延伸方向(图中的上下方向)进行引水调水。因而可以在前后左右四个方向调节配重分配，保持整个机器人设备的平衡。
管道704是出水泵702从每个配重仓102排水的管道。各条排水管道704的长度可以相同，这样排水时的管道阻力损失基本相同，可以同时把几个舱内的水排空。
图3中，①表示注水，②表示排水。
转向机构8设置在机器人的尾部，包括：舵叶801，舵叶轴802，支架803，扇形齿轮804，传动齿轮805和电机806。具体地，为了增强转向效果，舵叶801设置在作为机器人主要推进动力的纵向曝气装置4的出气口后面(相对于机器人的前进方向)；舵叶轴802的一端与舵叶801相连后，另一端穿过固定于机器人主体1的支架803的内孔并能在孔内旋转；用一个控制机构来控制舵叶801的旋转角度，该控制机构可以包括传动机构和电机，例如，在舵叶轴802设置扇形齿轮804，扇形齿轮804与传动齿轮805啮合传动，传动齿轮805安装在电机806的轴上，从而通过电机806的运转调整舵叶801的角度，进而控制机器人的行驶方向。转向机构8的结构如图1、图2所示。
位置检测装置9可以例如通过雷达或超声波传感器来检测周围物体的距离、运动速度、方位、高度等参数信息，例如，检测水体的水域宽度W，检测机器人至水体底部的距离H，等。
水质检测装置10可以通过多参数水质分析传感器检测水的溶解氧、氧化还原电位、氨氮、PH等参数，还可以实时测得水体中的溶解氧Q测。
自动控制装置11可以根据待处理水体的地理环境参数自动调节机器人的曝气量及机器人的水动力影响范围，还可以根据待处理水体的水质自动调节机器人行驶速度从而达到所需水质要求。
自动控制装置11可以通过自动调整横向曝气方向与机器人前进方向的角度α和纵向曝气方向与机器人的水平方向的角度β来调节横向曝气及纵向曝气的范围及水动力的影响范围。
具体地，根据位置检测装置9检测的水域宽度W来调整横向曝气方向与机器人纵向方向的角度α。
例如，对于待处理水体是宽度较小的城市河道的情况：
公式为：α＝arcsin[(W-2W免-W机)÷2L横]
式中：
W：待处理水体(河道)的宽度
W免：横向免干扰低影响区(曝气时防止水流冲刷水域河堤边缘而出现泥土浑浊现象而留出的区域)
W机：机器人的宽度
L横：横向曝气装置的曝气水流影响范围
推导过程为：根据图4中可以看出，W＝2W免+W机+2L横×sinα，反推即可得上述公式。而W免可根据每个待处理水体河堤情况来确定其数值，可以是已知数值或预设数值，W机为已知数值，并可根据横向曝气装置的水处理量确定L横的数值。由此能根据W数值自动求知公式中的α。也就是说，可以调整α，使得横向曝气装置的溶氧复气适应于河道的宽度。
对于很窄的水道，还可以通过减小α或者减小横向曝气装置的曝气量来适应狭窄水道，甚至还可以收起横向曝气装置(α减小为接近或等于0)或者停止横向曝气装置的曝气。
类似地，对于其它类型的水体，可以根据具体场景来调整α，例如，考虑水体总面积、形状、机器人在水体中行驶的路径等。
自动控制装置11还可以根据位置检测装置9检测的机器人至水体底部的距离H调整纵向曝气方向与机器人水平方向的角度β。
例如，对于待处理水体是深度较浅的城市河道的情况：
公式为：β＝arcsin[(H-H免)÷L纵]。
式中：
H：机器人至水体底部的距离
H免：纵向免干扰影响区(即曝气时防止水流冲刷水域底泥而出现浑浊现象留出的深度区域)
L纵：纵向曝气装置的曝气水流影响范围
推导过程为：根据图5中可以看出H＝H免+L纵×sinβ，反推即可得公式。可根据每个待处理水体底泥情况来确定H免的数值，为已知数值或预设数值，可根据纵向曝气装置的水处理量确定L纵的数值。由此能根据H数值自动求知公式中的β。也就是说，可以调整β，使得横向曝气装置的溶氧复气适应于河道的深度。
对于很浅的水道，还可以通过减小β或者减小纵向曝气装置的曝气量来适应水体深度，甚至还可以收起纵向曝气装置(β减小为接近或等于0)或者停止纵向曝气装置的曝气。
类似地，对于其它类型的水体，可以根据具体场景来调整β，例如，考虑水体底部的淤泥情况、水体底部的梯度、机器人在水体中行驶的路径等。
如上所述，通过调节α和β，即能调节机器人的曝气及水动力影响范围，使得在与待处理水体的具体水文条件相适应的同时，在不增加横向曝气装置的曝气水流影响范围和纵向曝气装置的曝气水流影响范围的情况下，获得尽量大的曝气及水动力影响范围，提高机器人进行水处理的效率。如前所述，通过调节装置3调节角度α，通过深度调节装置5来调节角度β。
自动控制装置11还可以通过调节行驶速度V来控制机器人对所经过水体的曝气溶氧量，从而使得监测的溶解氧Q测接近所需的溶解氧含量Q需，以期实现机器人水处理的溶解氧参数要求。
公式为：Q需＝Q测+P×t(V)
式中：
P：给氧率，即单位时间的机器人对水体的氧气供给量，取决于横向曝气装置的单位时间曝气量和纵向曝气装置的单位时间曝气量；
Q需：单位截面水体所需的溶解氧含量，可以根据水体水处理目标的单位体积溶解氧含量以及水体深度等因素中的一个或多个来确定或估计，可以是预设值；
Q测：实测的单位截面水体的溶解氧含量，可以根据待处理水体中的氨氮数值来估计或计算，可以是实时值；
t(V)：在单位截面水体供给氧气的时间，如果机器人基本上以直线方式行驶(例如在较窄的河道中)，那么该时间t取决于行驶速度V。
也就是说，通过增加供氧量来减少所需溶解氧含量与实测溶氧氧含量之间的差距，具体而言，在横向曝气装置的单位时间曝气量和纵向曝气装置的单位时间曝气量保持一定且机器人直线行驶的情况下，可以通过降低行驶速度来增加单位时间对单位截面水体的供氧量，通过提高行驶速度来减少单位时间对单位截面水体的供氧量。对于某水体区域Q测与Q需差距较大的情况，可以采用机器人原地加氧的方式(辅助动力推进装置6提供反向推力和/或横向曝气装置和纵向曝气装置不提供前进推力，例如，α和β均为90度，与前进方向垂直)，或者机器人反复经过该水体区域。
在具体应用场景下，机器人能够根据水体形状、水体面积、水体深度、溶解氧含量、泥沙含量等水文条件，调整例如前述的α角、β角、两个横向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气量、行驶速度、行驶轨迹中的一个或多个，从而自动调整曝气范围和曝气量，实现更好的溶氧曝气效果。
从图4所示的机器人结构设置可以看出，机器人行驶速度V(向量)包括横向曝气装置2曝气时产生的速度V1(向量)，纵向曝气装置4曝气时产生的速度V2(向量)，及辅助动力推进装置6产生的辅助速度V3(向量)。V1在机器人前进方向上的分量与α相关，为V1×COSα。V2在机器人前进方向上的分量与β相关，为V2×COSβ，辅助速度V3的方向和大小可调。在机器人具有下潜功能时，实现行驶速度V还要考虑不同的下潜深度会产生不同的水阻力的影响。
进一步，例如，用速度系数f来表示机器人在水中行驶时外部因素对机器人运动速度的影响。如前面分析的，V与V1、V2、V3和f有如下数值关系：
V＝(V1×COSα+V2×COSβ)×f+V3
由上式可知，在基于水文条件确定了横向曝气装置2的曝气量(对应于速度V1)、纵向曝气装置4的曝气量(对应于速度V2)、α和β(取决于横向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气量以及所需的曝气范围)、以及速度系数f之后，通过调节辅助动力推进装置6提供的V3(向量，向前或者向后)即可获得所需的行驶速度V。也就是说，可以先根据具体工况确定上述公式中的“(V1×COSα+V2×COSβ)×f”，然后通过调节V3来调整V。此外，从上式也可以得到，通过调节横向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气量、α、β、V3五个参数中的一个或多个，可以对行驶速度V(向量)进行调节，当然计算要复杂一些。
另外，当机器人具有潜水功能时，还需要考虑速度系数f随下潜深度的变化。图6示意性地示出了速度系数f与下潜深度之间的数值对应关系。图6中，f表示速度系数，h0表示f等于1时的下潜深度(理想值，实际上达不到)，h表示f等于0.1时的下潜深度(实际上也不一定能达到)。因而，在获得所需的速度V时，还可以计入速度系数的变化。另一方面，也可以通过调整下潜深度而改变速度系数f来调节速度V。
图6中所示的这种线性对应关系只是理想化的，实际上，机器人在水体中的行进速度可能受到多种因素的影响，例如，水体中不同深度的泥沙含量、水体水面或临近水面漂浮的杂物、当机器人在水面上行驶时的风阻等等。对于根据本发明实施例的机器人的行驶工况而言，通常泥沙含量和风阻相对于水阻可以忽略不计。
更具体地，对于所要实现的行驶速度V的不同情况，进行不同的调整。
例如，当V＞(V1×COSα+V2×COSβ)×fmax时，为快速行驶工况，曝气装置产生的行驶速度不够满足要求，其中fmax是指当前水体条件下的速度系数的最大值。考虑到机器人进行水处理时在水体中的行驶速度不会太快，因而机器人上浮在水面或者漂浮在水面(无下潜功能)行进时，风阻与水体阻力相比基本可以忽略不计，因此fmax可对应于机器人上浮在水面(无配重)或者漂浮在水面行驶时的速度系数。
这时V3＝V-(V1×COSα+V2×COSβ)×fmax，V3对应的是辅助动力推进装置6向前推进的速度，自动控制装置11通过调节辅助动力推进装置6提供的推进速度V3来控制机器人的行驶速度。
当(V1×COSα+V2×COSβ)×fmin≤V≤(V1×COSα+V2×COSβ)×fmax时，为常速行驶工况，其中fmin是指当前水体条件下的速度系数的最小值。
在这种工况下，也可以通过调整下潜深度来调整行驶速度V，如前述公式V＝(V1×COSα+V2×COSβ)×f，其中fmin≤f≤fmax。即自动控制装置11通过配重装置7调节下潜深度来调节速度系数f(无需使用辅助动力推进装置6调整V3)，从而使机器人达到所需行驶速度V＝(V1×COSα+V2×COSβ)×f。速度系数f与机器人下潜深度之间的对应关系可以测得，也可以通过查阅诸如图6的图表获得。
当V<(V1×COSα+V2×COSβ)×fmin时，为慢速行驶工况，机器人完全潜入水中时速度还是太快，需要减速，自动控制装置11自动开启并调节辅助动力推进装置6的速度V3为反向速度(后退)，使得V＝(V1×COSα+V2×COSβ)fmin-V3。
另外，尽管通常机器人下潜越深受到的阻力越大(例如由于泥沙量增多)，但对于流动缓慢或者不流动的水体(例如城市河道)而言，机器人整体潜入水中后，速度系数随着继续下潜无明显变化，因此fmin可对应于机器人整体潜入水中后在水体中行进时的速度系数。
如前所述，α角、β角、两个横向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气量、行驶速度、行驶轨迹这些参数都可以影响机器人的水处理效果，包括曝气量和曝气影响范围的等，并且这些参数之间还有相互关联，例如，α角、β角、两个横向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气量都可以影响行驶速度；此外，诸如前述的速度系数、下潜深度也可以影响行驶速度。因此，自动控制装置11可以根据位置检测装置9检测的位置、距离、方位等信息以及水质检测装置10检测的待处理或已处理水的信息来设定或调节α角、β角、两个横向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气量、行驶速度、行驶轨迹等参数，从而与现场工况相适应，并获得更好的水处理效果。
如图7所示，还可以在机器人前端设置打捞装置12，用于清洁水体中的诸如垃圾等悬浮物。打捞装置12包括设置于机器人头部两侧的挡板1201，该挡板1201的一端连接有转轴1202并能沿着转轴1202旋转，并通过设置于主体1底部的限位卡板1203控制其开合；在限位卡板1203的后端设置有打捞网1204，打捞网1204通过设置于其两侧的卡槽1205固定，在打捞网1204上方的主体1的对应部分设置有舱门1206，方便取放打捞网1204。
当水体需要保洁时，通过限位卡板1203展开并固定挡板1201，将水中的漂浮物向内聚拢汇集于打捞网1204内，打捞网1204装满后可打开舱门1206将打捞网1204从卡槽1205内取出清理。而当水体无需保洁时，挡板1201可合上以减小机器人前进的阻力。
此外，还可以在机器人底部设置超声波除藻装置(附图中未示出)，运用特殊频率的超声波所产生的震荡波，作用于水藻外壁并使之破裂、死亡，以达到消灭水藻平衡水环境生态的目的。
根据本发明实施例的水体净化智能机器人，还可以配置安全系统和无线远程控制系统。安全系统可以包括已知的各种防盗报警系统。无线远程控制系统可以包括：适配器、云平台、应用系统。适配器基于无线通信与自动控制装置的PLC进行数据交换，采集动力设备(水泵等)以及传感器(如位置传感器、水质传感器等)的各种数据，上传到云平台数据处理中心，进行数据的储存、整理、分析，并可以通过PC/APP/大屏幕等应用系统呈现数据，实时查看设备运行数据、地理信息，并可以进行告警提示、反向操控等，实现远程智能化管理。无线远程控制系统可以同时对多台根据本发明实施例的机器人进行集中监控和被主动控制。
本发明提供了一种能够智能曝气、提供水动力、主动给微生物给氧，同时能够在水体中自动运行的智能型水体综合净化机器人，能根据水体水域范围、水质情况等自动调节自身的各项参数从而让水体达到所需各项指标，具有能耗小、效率高、自动化程度高的特点。
以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
Claims (19)
1.一种水体净化机器人，其特征在于，包括：
主体(1)，横向曝气装置(2)，第一调节装置(3)，纵向曝气装置(4)，第二调节装置(5)，
其中，
所述主体(1)承载所述水体净化机器人的其它装置组件，并能够漂浮于水体；
所述横向曝气装置(2)在所述机器人的前部向两侧方向对称分布设置；
所述第一调节装置(3)与横向曝气装置(2)连接，调节该横向曝气装置(2)的曝气方向；
所述纵向曝气装置(4)在所述机器人后部纵向分布设置；
所述第二调节装置(5)与所述纵向曝气装置(4)连接，调节该纵向曝气装置(4)的曝气方向。
2.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，所述横向曝气装置(2)包括沿所述主体(1)的中轴左右对称分布的曝气结构，并且其曝气方向与所述机器人的中轴线成第一角度(α)，通过所述第一调节装置(3)来调节所述第一角度(α)。
3.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，所述纵向曝气装置(4)的曝气管道平行于所述主体(1)的中轴线，并关于该中轴线左右对称设置，所述调节装置(5)在深度方向上调节所述纵向曝气装置(4)的曝气方向，即第二角度(β)。
4.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，还包括自动控制装置(11)，其根据待处理水体的地理环境参数自动调节机器人的曝气量及机器人的水动力影响范围，和/或根据待处理水体的水质自动调节机器人的行驶速度。
5.根据权利要求4所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自动控制装置(11)根据水域宽度(W)来调整所述横向曝气装置(2)的曝气方向与所述机器人的纵向方向之间的角度(α)。
6.根据权利要求5所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自动控制装置(11)根据以下公式来调整所述横向曝气装置(2)的曝气方向与所述机器人的纵向方向之间的角度(α)：
α＝arcsin[(W-2W免-W机)÷2L横]
式中，
α：横向曝气装置的曝气方向与所述机器人的纵向方向之间的角度
W：待处理水体的宽度
W免：横向免干扰低影响区
W机：机器人的宽度
L横：横向曝气装置的曝气水流影响范围。
7.根据权利要求4所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自动控制装置(11)根据所述机器人至水体底部的距离(H)来调整纵向曝气方向与机器人水平方向的角度(β)。
8.根据权利要求7所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自动控制装置(11)根据以下公式来调整纵向曝气装置的曝气方向与机器人的水平方向之间的角度(β)：
β＝arcsin[(H-H免)÷L纵]
式中，
β：纵向曝气方向与机器人水平方向的角度
H：机器人至水体底部的距离
H免：纵向免干扰影响区
L纵：纵向曝气装置的曝气水流影响范围。
9.根据权利要求4所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自动控制装置(11)通过调节所述机器人的行驶速度(V)来控制机器人对所经过水体的曝气溶氧量。
10.根据权利要求9所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自动控制装置(11)根据检测的位置、距离、方位中的一种或多种信息和/或待处理或已处理水的信息来设定或调节单个横向曝气装置的曝气量、单个横向曝气装置的曝气角度、纵向曝气装置的曝气量、纵向曝气装置的曝气角度、机器人的行驶速度、机器人的行驶轨迹中的一个或多个参数。
11.根据权利要求9所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自动控制装置(11)根据以下公式来调整所述机器人的行驶速度：
V＝(V1×COSα+V2×COSβ)×f+V3
式中，
V：机器人的行驶速度
V1：横向曝气装置曝气时产生的速度分量
V2：纵向曝气装置曝气时产生的速度分量
α：横向曝气装置的曝气方向与机器人的纵向方向之间的角度
β：纵向曝气装置的曝气方向与机器人的水平方向之间的角度
f：速度系数
V3：辅助动力装置的辅助动力速度分量。
12.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，所述水体净化机器人还包括辅助动力装置(6)，该辅助动力装置(6)包括电子调速的双向螺旋桨，为所述机器人提供前进方向或者后退方向的推力。
13.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，所述水体净化机器人还包括配重装置(7)，该配重装置(7)通过调节机器人的配重来调节机器人在水中的悬浮深度。
14.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，所述配重装置(7)通过控制进水泵(701)或出水泵(702)的处理水量来控制在所述主体(1)内设置的配重仓(102)内的水量，并且通过自平衡机构来自动维持所述机器人在其前后方向和/或左右方向的平衡。
15.根据权利要求14所述的水体净化机器人，其特征在于，所述自平衡机构包括设置在所述配重仓(102)之间的调水通道(703)，该调水通道(703)一端设置于一个配重舱(102)的预设水位位置，另一端设置于与该配重仓(102)邻近的另一个配重仓(102)的较低水位位置。
16.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，所述水体净化机器人还包括设置在其尾部的转向机构(8)，该转向机构(8)包括：舵叶(801)，舵叶轴(802)，支架(803)，扇形齿轮(804)，传动齿轮(805)和电机(806)，其中，
舵叶(801)设置在所述纵向曝气装置(4)的出气口后面；
舵叶轴(802)的一端与舵叶(801)相连后，另一端穿过固定于所述主体(1)的支架(803)的内孔并能在孔内旋转；
在舵叶轴(802)设置扇形齿轮(804)，扇形齿轮(804)与传动齿轮(805) 啮合传动，传动齿轮(805)安装在电机(806)的轴上，从而通过电机(806)的运转调整舵叶(801)的角度。
17.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，所述水体净化机器人还包括在前端设置的打捞装置(12)，该打捞装置(12)包括设置于所述机器人头部两侧的挡板(1201)，该挡板(1201)的一端连接有转轴(1202)并能沿着转轴(1202)旋转，并通过设置于所述主体(1)底部的限位卡板(1203)控制所述挡板(1201)的开合；在限位卡板(1203)的后端设置有打捞网(1204)，打捞网(1204)通过设置于其两侧的卡槽(1205)固定，在打捞网(1204)上方的所述主体(1)的对应部分设置有舱门(1206)。
18.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，通过隔板(101)将所述主体(1)隔成多个腔室，包括沿中轴对称分布的多个配重舱(102)。
19.根据权利要求1所述的水体净化机器人，其特征在于，还包括无线远程控制单元，该无线远程控制单元包括：适配器、云平台、应用系统，其中，
适配器基于无线通信与所述自动控制装置(11)进行数据交互，采集所述机器人的实时数据，上传到云平台的数据处理中心；
由该数据处理中心进行数据的储存、整理、分析；
通过所述应用系统呈现数据，实时查看所述机器人的运行数据和/或地理信息，并进行远程操控。
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