CN110346525A - 一种移动式水质监测浮标及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种移动式水质监测浮标，包括浮体，浮体顶部设置有传感器系统，浮体内设置有安装平台，安装平台设置有第一投放井与第二投放井，第一投放井内设置有水质传感器，第二投放井上方设置有定位锚机，浮体外侧壁四周设置有第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部与第四矢量推进部，浮体内还设置有数据采集卡、自动控制系统与电源管理系统，数据采集卡与传感器系统、水质传感器电连接，自动控制系统与定位锚机、第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部、第四矢量推进部、数据采集卡、电源管理系统电连接。实现任意方向的行驶以及自动避障，提高监测范围与监测能力，适用静态与动态的水质监测。

Description

一种移动式水质监测浮标及其使用方法

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种移动式水质监测浮标及其使用方法。

背景技术

随着水资源的日益紧缺，人们越来越重视水资源的保护，目前水资源监测主要是通过固定式的水质监测浮标定点监测来完成，浮标一般固定在河流或者湖泊的一个位置，持续监测该位置的水质状况，但是污水排放往往具有流动性，固定式的水质监测浮标因无法移动而难以获得其他位置的水质状况，这在很大程度上限制了对污水排放的管控力度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种移动式水质监测浮标及其使用方法。

为实现上述目的，本发明的一种移动式水质监测浮标，包括浮体，所述浮体的顶部设置有传感器系统，所述浮体内设置有安装平台，所述安装平台设置有第一投放井与第二投放井，所述第一投放井内设置有水质传感器，所述第二投放井的上方设置有定位锚机，所述浮体的外侧壁四周分别设置有第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部与第四矢量推进部，所述浮体内还设置有数据采集卡、自动控制系统与电源管理系统，所述数据采集卡分别与传感器系统、水质传感器电连接，所述自动控制系统分别与定位锚机、第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部、第四矢量推进部、数据采集卡、电源管理系统电连接。

优选的，所述第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部和第四矢量推进部均结构相同，所述第一矢量推进部设置有伺服电机，所述伺服电机的动力输出端驱动连接有螺旋桨。

优选的，所述传感器系统包括激光雷达，所述激光雷达的下方设置有定位传感器，所述激光雷达与定位传感器之间设置有风速仪，所述激光雷达的前方设置有摄像头。

优选的，所述自动控制系统包括总线模块、点云处理模块、控制器、无线通信模块和电机驱动模块，所述总线模块与点云处理模块电连接，所述总线模块、点云处理模块、无线通信模块、电机驱动模块均与控制器电连接。

优选的，所述电源管理系统包括太阳能板、智能充放电模块和蓄电池，所述智能充放电模块分别与太阳能板、蓄电池电连接，所述太阳能板设置于浮体的顶部。

优选的，所述定位锚机包括卷扬机，所述卷扬机的输出端设置有卷筒，所述卷筒缠绕有绳索，所述绳索的一端设置有锚头。

优选的，所述浮体呈圆台形结构，所述浮体采用工程塑料或者碳纤维材料制成。

一种移动式水质监测浮标的使用方法，包括以下步骤：

（1）通过第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部、第四矢量推进部之间的配合工作来实现浮体在任意方向的矢量推进；

（2）当卷扬机接收到抛锚指令时，卷扬机反转，锚头沉入水底，实现浮体定点监测，当卷扬机接收到起锚指令时，卷扬机正转，锚头被吊起，便于浮体移动；

（3）在浮体运行的过程中，通过传感器系统实时监测周边障碍物的位置情况，利用水质传感器进行水质检测，再通过第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部和第四矢量推进部之间的配合工作来改变浮体的移动方向以达到安全避障。

（4）在浮体进行水质监测的过程中，对污染水域进行视频采集，图像信息可以通过无线通信模块发送到客户，实现视频监控。

优选的，所述步骤（1）中的实现浮体在任意方向的矢量推进包括：当浮体接收到向前移动的运行指令时，单独控制第四矢量推进部工作，为浮体提供向前的推动力以促使浮体向前移动；当浮体接收到向后移动的运行指令时，单独控制第二矢量推进部工作，为浮体提供向后的推动力以促使浮体向后移动；当浮体接收到向左移动的运行指令时，单独控制第三矢量推进部工作，为浮体提供向左的推动力以促使浮体向左移动；当浮体接收到向右移动的运行指令时，单独控制第一矢量推进部工作，为浮体提供向右的推动力以促使浮体向右移动；当浮体接收到向前左侧方向移动的运行指令时，分别控制第四矢量推进部和第三矢量推进部同时工作，为浮体提供向前左侧的推动力以促使浮体向前左侧移动；当浮体接收到向前右侧方向移动的运行指令时，分别控制第四矢量推进部和第一矢量推进部同时工作，为浮体提供向前右侧的推动力以促使浮体向前右侧移动；当浮体接收到向后左侧方向移动的运行指令时，分别控制第二矢量推进部和第三矢量推进部同时工作，为浮体提供向后左侧的推动力以促使浮体向后左侧移动；当浮体接收到向后右侧方向移动的运行指令时，同时控制第二矢量推进部和第一矢量推进部工作，为浮体提供向后右侧的推动力以促使浮体向后右侧移动。

本发明的有益效果：本发明的一种移动式水质监测浮标及其使用方法，在浮体工作的过程中，浮体通过传感器系统检测周围环境的具体情况以及周围障碍物的位置信息，数据采集卡采集传感器系统所得到的图像数据，并发送到自动控制系统进行数据处理分析，自动控制系统发出相应的工作指令来控制第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部、第四矢量推进部之间的配合工作，可以对浮体产生水平面上任意方向的力矩，实现浮体在任意方向的矢量推进以及自动避障，达到移动高灵活性的目的，当到达指定的监测位置时，自动控制系统驱动定位锚机自动抛锚，实现浮体的定点监测，通过水质传感器进行水质检测，数据采集卡采集水质传感器的水质数据，并发送到自动控制系统进行数据处理分析，电源管理系统能够有效收集太阳能以不间断提供电能。本发明实现任意方向的行驶以及自动避障，提高监测范围与监测能力，适用静态与动态的水质监测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视结构示意图。

图3为本发明自动控制系统的结构示意图。

图4为本发明电源管理系统的结构示意图。

附图标记包括：

1——浮体

2——传感器系统 21——激光雷达 22——定位传感器

23——风速仪 24——摄像头

3——安装平台

4——第一投放井 5——第二投放井 6——水质传感器

7——定位锚机 71——卷扬机 72——卷筒

73——绳索 74——锚头

8——第一矢量推进部 81——伺服电机 82——螺旋桨

9——第二矢量推进部 10——第三矢量推进部 11——第四矢量推进部

12——数据采集卡

13——自动控制系统 131——总线模块 132——点云处理模块

133——控制器 134——无线通信模块 135——电机驱动模块

14——电源管理系统 141——太阳能板 142——智能充放电模块

143——蓄电池。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1至图4所示，本发明的一种移动式水质监测浮标，包括浮体1，所述浮体1的顶部设置有传感器系统2，所述浮体1内设置有安装平台3，所述安装平台3设置有第一投放井4与第二投放井5，所述第一投放井4内设置有水质传感器6，所述第二投放井5的上方设置有定位锚机7，所述浮体1的外侧壁四周分别设置有第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10与第四矢量推进部11，所述浮体1内还设置有数据采集卡12、自动控制系统13与电源管理系统14，所述数据采集卡12分别与传感器系统2、水质传感器6电连接，所述自动控制系统13分别与定位锚机7、第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10、第四矢量推进部11、数据采集卡12、电源管理系统14电连接。

在浮体1工作的过程中，浮体1通过传感器系统2检测周围环境的具体情况以及周围障碍物的位置信息，数据采集卡12采集传感器系统2所得到的图像数据，并发送到自动控制系统13进行数据处理分析，自动控制系统13发出相应的工作指令来控制第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10、第四矢量推进部11之间的配合工作，可以对浮体1产生水平面上任意方向的力矩，实现浮体1在任意方向的矢量推进以及自动避障，达到移动高灵活性的目的，当到达指定的监测位置时，自动控制系统13驱动定位锚机7自动抛锚，实现浮体1的定点监测，通过水质传感器6进行水质检测，数据采集卡12采集水质传感器6的水质数据，并发送到自动控制系统13进行数据处理分析，电源管理系统14能够有效收集太阳能以不间断提供电能。本发明实现任意方向的行驶以及自动避障，提高监测范围与监测能力，适用静态与动态的水质监测。

如图1和图2所示，本实施例的第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10和第四矢量推进部11均结构相同，所述第一矢量推进部8设置有伺服电机81，所述伺服电机81的动力输出端驱动连接有螺旋桨82。具体地，第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10和第四矢量推进部11均结构相同，螺旋桨82安装在伺服电机81的输出轴，伺服电机81由自动控制系统13自动化控制，通过伺服电机81驱动螺旋桨82转动来提供推动力。

如图1所示，本实施例的传感器系统2包括激光雷达21，所述激光雷达21的下方设置有定位传感器22，所述激光雷达21与定位传感器22之间设置有风速仪23，所述激光雷达21的前方设置有摄像头24。具体地，通过激光雷达21检测周围环境的点云数据，并将数据传输到自动控制系统13，自动控制系统13通过数据分析和算法处理得到周围障碍物的具体信息，自动控制系统13控制第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10、第四矢量推进部11之间的配合工作来避障，实现浮体1在复杂水域上航行的目的，定位传感器22用于定位浮体1的当前位置和朝向，风速仪23用于确定风速风向，摄像头24用于采集周围环境的图像信息。

如图1和图3所示，本实施例的自动控制系统13包括总线模块131、点云处理模块132、控制器133、无线通信模块134和电机驱动模块135，所述总线模块131与点云处理模块132电连接，所述总线模块131、点云处理模块132、无线通信模块134、电机驱动模块135均与控制器133电连接。具体地，通过激光雷达21检测周围环境的点云数据，并将数据传输到点云处理模块132，点云处理模块132接收到激光雷达21的点云数据之后通过多层神经网络学习的方法检测到周围障碍物的信息并发送到控制器133；数据采集卡12用于采集各个传感器的数据，并发送到总线模块131，总线模块131接收到数据后发送到控制器133，控制器133通过无线通信模块134将传感器数据发送到用户，实现用户对水质数据和环境的监控，控制器133同时接受用户指令，驱动浮体1到达某个指定的地点位置，摄像头24可以采集浮体1周围的图像信息，图像信息可以通过无线通信模块134（如Wifi、4G、5G等）发送到客户，实现视频监控；控制器133综合根据用户指令以及障碍物的位置、速度信息，利用智能控制算法得出控制量，并将控制量发送到电机驱动模块135，电机驱动模块135接收到控制量，进而控制第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10、第四矢量推进部11以及定位锚机7的运作，实现浮体1的自动避障以及定位锚机7的自动抛锚、起锚动作，智能自动化程度高。

如图1和图4所示，本实施例的电源管理系统14包括太阳能板141、智能充放电模块142和蓄电池143，所述智能充放电模块142分别与太阳能板141、蓄电池143电连接，所述太阳能板141设置于浮体1的顶部。具体地，太阳能板141能够将太阳能转换为电能，并将电能传输到智能充放电模块142，智能充放电模块142将接收到的电能再充入到蓄电池143中，再通过蓄电池143为浮体1提供稳定的电能。

如图1所示，本实施例的定位锚机7包括卷扬机71，所述卷扬机71的输出端设置有卷筒72，所述卷筒72缠绕有绳索73，所述绳索73的一端设置有锚头74。具体地，卷扬机71安装在浮体1的内部，受自动控制系统13控制，当需要抛锚时，卷扬机71反转，伸长绳索73，锚头74沉入水底；当需要起锚时，卷扬机71正转，回收绳索73，锚头74被吊起，定位锚机7在自动控制系统13的控制下能够完成自动抛锚、起锚动作，实现浮体1在指定位置进行定点监测的目的。

如图1所示，本实施例的浮体1呈圆台形结构，所述浮体1采用工程塑料或者碳纤维材料制成。具体地，呈圆台形结构的浮体1有助于平稳安装传感器系统2，提高总体结构稳定性，浮体1采用工程塑料或者碳纤维等轻质材料制成，防水性和防腐蚀性等级高，使用寿命长。

一种移动式水质监测浮标的使用方法，包括以下步骤：

通过第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10、第四矢量推进部11之间的配合工作来实现浮体1在任意方向的矢量推进，实现浮体1在任意方向的矢量推进包括：当浮体1接收到向前移动的运行指令时，单独控制第四矢量推进部11工作，为浮体1提供向前的推动力以促使浮体1向前移动；当浮体1接收到向后移动的运行指令时，单独控制第二矢量推进部9工作，为浮体1提供向后的推动力以促使浮体1向后移动；当浮体1接收到向左移动的运行指令时，单独控制第三矢量推进部10工作，为浮体1提供向左的推动力以促使浮体1向左移动；当浮体1接收到向右移动的运行指令时，单独控制第一矢量推进部8工作，为浮体1提供向右的推动力以促使浮体1向右移动；当浮体1接收到向前左侧方向移动的运行指令时，分别控制第四矢量推进部11和第三矢量推进部10同时工作，为浮体1提供向前左侧的推动力以促使浮体1向前左侧移动；当浮体1接收到向前右侧方向移动的运行指令时，分别控制第四矢量推进部11和第一矢量推进部8同时工作，为浮体1提供向前右侧的推动力以促使浮体1向前右侧移动；当浮体1接收到向后左侧方向移动的运行指令时，分别控制第二矢量推进部9和第三矢量推进部10同时工作，为浮体1提供向后左侧的推动力以促使浮体1向后左侧移动；当浮体1接收到向后右侧方向移动的运行指令时，同时控制第二矢量推进部9和第一矢量推进部8工作，为浮体1提供向后右侧的推动力以促使浮体1向后右侧移动；

当卷扬机71接收到抛锚指令时，卷扬机71反转，锚头74沉入水底，实现浮体1定点监测，当卷扬机71接收到起锚指令时，卷扬机71正转，锚头74被吊起，便于浮体1移动；

在浮体1运行的过程中，通过传感器系统2实时监测周边障碍物的位置情况，利用水质传感器6进行水质检测，再通过第一矢量推进部8、第二矢量推进部9、第三矢量推进部10和第四矢量推进部11之间的配合工作来改变浮体1的移动方向以达到安全避障。

在浮体1进行水质监测的过程中，对污染水域进行视频采集，图像信息可以通过无线通信模块134发送到客户，实现视频监控。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种移动式水质监测浮标，其特征在于：包括浮体，所述浮体的顶部设置有传感器系统，所述浮体内设置有安装平台，所述安装平台设置有第一投放井与第二投放井，所述第一投放井内设置有水质传感器，所述第二投放井的上方设置有定位锚机，所述浮体的外侧壁四周分别设置有第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部与第四矢量推进部，所述浮体内还设置有数据采集卡、自动控制系统与电源管理系统，所述数据采集卡分别与传感器系统、水质传感器电连接，所述自动控制系统分别与定位锚机、第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部、第四矢量推进部、数据采集卡、电源管理系统电连接。

2.根据权利要求1所述的一种移动式水质监测浮标，其特征在于：所述第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部和第四矢量推进部均结构相同，所述第一矢量推进部设置有伺服电机，所述伺服电机的动力输出端驱动连接有螺旋桨。

3.根据权利要求1所述的一种移动式水质监测浮标，其特征在于：所述传感器系统包括激光雷达，所述激光雷达的下方设置有定位传感器，所述激光雷达与定位传感器之间设置有风速仪，所述激光雷达的前方设置有摄像头。

4.根据权利要求1所述的一种移动式水质监测浮标，其特征在于：所述自动控制系统包括总线模块、点云处理模块、控制器、无线通信模块和电机驱动模块，所述总线模块与点云处理模块电连接，所述总线模块、点云处理模块、无线通信模块、电机驱动模块均与控制器电连接。

5.根据权利要求1所述的一种移动式水质监测浮标，其特征在于：所述电源管理系统包括太阳能板、智能充放电模块和蓄电池，所述智能充放电模块分别与太阳能板、蓄电池电连接，所述太阳能板设置于浮体的顶部。

6.根据权利要求1所述的一种移动式水质监测浮标，其特征在于：所述定位锚机包括卷扬机，所述卷扬机的输出端设置有卷筒，所述卷筒缠绕有绳索，所述绳索的一端设置有锚头。

7.根据权利要求1所述的一种移动式水质监测浮标，其特征在于：所述浮体呈圆台形结构，所述浮体采用工程塑料或者碳纤维材料制成。

8.一种移动式水质监测浮标的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）通过第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部、第四矢量推进部之间的配合工作来实现浮体在任意方向的矢量推进；

（2）当卷扬机接收到抛锚指令时，卷扬机反转，锚头沉入水底，实现浮体定点监测，当卷扬机接收到起锚指令时，卷扬机正转，锚头被吊起，便于浮体移动；

（3）在浮体运行的过程中，通过传感器系统实时监测周边障碍物的位置情况，利用水质传感器进行水质检测，再通过第一矢量推进部、第二矢量推进部、第三矢量推进部和第四矢量推进部之间的配合工作来改变浮体的移动方向以达到安全避障；

（4）在浮体进行水质监测的过程中，对污染水域进行视频采集，图像信息可以通过无线通信模块发送到客户，实现视频监控。

9.根据权利要求8所述的一种移动式水质监测浮标的使用方法，其特征在于：所述步骤（1）中的实现浮体在任意方向的矢量推进包括：当浮体接收到向前移动的运行指令时，单独控制第四矢量推进部工作，为浮体提供向前的推动力以促使浮体向前移动；当浮体接收到向后移动的运行指令时，单独控制第二矢量推进部工作，为浮体提供向后的推动力以促使浮体向后移动；当浮体接收到向左移动的运行指令时，单独控制第三矢量推进部工作，为浮体提供向左的推动力以促使浮体向左移动；当浮体接收到向右移动的运行指令时，单独控制第一矢量推进部工作，为浮体提供向右的推动力以促使浮体向右移动；当浮体接收到向前左侧方向移动的运行指令时，分别控制第四矢量推进部和第三矢量推进部同时工作，为浮体提供向前左侧的推动力以促使浮体向前左侧移动；当浮体接收到向前右侧方向移动的运行指令时，分别控制第四矢量推进部和第一矢量推进部同时工作，为浮体提供向前右侧的推动力以促使浮体向前右侧移动；当浮体接收到向后左侧方向移动的运行指令时，分别控制第二矢量推进部和第三矢量推进部同时工作，为浮体提供向后左侧的推动力以促使浮体向后左侧移动；当浮体接收到向后右侧方向移动的运行指令时，同时控制第二矢量推进部和第一矢量推进部工作，为浮体提供向后右侧的推动力以促使浮体向后右侧移动。