CN110641631B - 一种用于河道管理的全自动无人船及其应用 - Google Patents

Abstract

一种用于河道管理的全自动无人船，包船体、导航系统、垃圾清理系统和动力系统，所述的船体包括船底、船舱、驾驶室；所述的垃圾清理系统包括链板传送带、破碎机、压榨机、垃圾贮存室；所述的动力系统包括侧推螺旋桨和主推螺旋桨，所述的垃圾清理系统和动力系统设置在船底上。本发明的全自动无人船能够实现无人作业、远程监控和自主巡航，大大降低了目前人工打捞的人力投入，提高了河道监测和清理的自动化，并能够利用4G网络和物联网技术实现远程的控制和污染的监控。

Description

一种用于河道管理的全自动无人船及其应用

技术领域

本发明涉及一种全自动无人管理船，尤其是一种用于河道、湖泊或沟渠的水体污染管理的全自动无人船，属于户外污染水体管理设备。

背景技术

随着人口的增长和社会的发展，尤其是工业的发展，水生态环境逐步受到生活和工业垃圾的污染，由于垃圾的管理不善，很多水体中被丢弃了很多生活和工业垃圾，由于生活及工农业生产中含有大量氮、磷的废污水进入水体，蓝藻、绿藻、硅藻等藻类大量繁殖，从而会在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫，称为“水华”，水华会引起水质恶化，严重时会耗尽水中氧气而造成鱼类死亡，还有些水体会产生黑臭等污染，对周围的环境、生态环境也受到严重影响。

多年来，清洁河流所用的清洁工具形式很多，但主要以“人工打捞”型为主，费时费力，而且存在清洁不干净、死角无法进入从而无法清理的问题。近几年自动化的河道清理机逐渐问世并投入使用，但是这种新型的河道清理机也存在着很大的问题，如实用性一般，制造成本、维护成本、运行成本较高，安装复杂，操作复杂，容易故障的缺点。

本发明致力于解决河湖的水体污染，结合目前通信技术和物联网技术的发展，研发出新型的无人船，能够不用人员一直看守的情况下，实现河道污染的打捞、清理和监控。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种用于河道管理的全自动无人船。

具体的，本发明涉及的一种用于河道管理的全自动无人船，包船体、控制系统、导航系统、垃圾清理系统和动力系统，船体包括船底、船舱、驾驶室；所述的垃圾清理系统包括链板传送带、破碎机、压榨机、垃圾贮存室；所述的动力系统包括侧推螺旋桨、主推螺旋桨以及提供电源的动力电池，所述的垃圾清理系统和动力系统设置在船底上。

进一步地，船体尺寸为长6.6米，宽3米，总高2.6米。

进一步地，所述的导航系统包括安装在船头的毫米波雷达、位于船舱顶部的海事卫星接收终端和惯性导航模块、位于船尾的陀螺仪和4G天线，雷达探测船体周围的状况并发送信号传递给导航系统；导航系统与船尾陀螺仪、控制系统通过信号相连，控制系统接收导航系统的信号并根据信号指示调整侧推螺旋桨和主推螺旋桨控的工作状态，制着船体行动的平衡方向和前进方向。

4G天线作为信号接受和传递等功能，陀螺仪起带控制船体行进中的稳定性。当船体在行驶过程中前方遇到障碍物会通过卫星接收器接收信号传递给导航系统，发出前进、后退、左右转向等命令，同时还可以在导航系统中提前设置前行程序，操控行进路程，此时卫星接收器就是作为第二重保障，防止船体撞击等事故发生。总体船体通过导航、控制、目标识别系统的结合实现无人驾驶状态，同时在岸上设置有岸基智能终端系统，进行人工操控于检查，起到监督预防作用。

进一步地，在岸上设置有岸基智能终端系统作为远程监控，导航系统与岸基智能终端系统、控制系统之间信号配合，实现自动驾驶；通过在雷达探测后传递信号给导航和控制系统，决定行动方位，控制系统控制动力系统提供动力支持同时在前进过程中根据雷达或导航系统反馈的信息更改前进路线。

进一步地，所述的船底为W形船底结构，船底两侧边上设置有固定锚点，船底前部两侧各设置有侧推螺旋桨，船底前部中间设置为垃圾导流槽，导流槽内安装垃圾清理系统，船底尾部设置有主推螺旋桨。

进一步地，导流槽内部向下倾斜45°安装有垃圾清理系统的链板输送带，链板输送带末端前端深入水下10-20cm，链板输送带末端与破碎机入口连接，破碎机出口连接压榨机连接，压榨机对垃圾压制后排放到垃圾贮存室内暂存。

进一步地，所述的驾驶室和船舱位于船底上，驾驶室位于船体前端，驾驶室顶部设置有警示灯，船舱位于驾驶室后面，驾驶室内安装有方向舵、座椅、控制柜、船载电脑、控制面板、报警装置和自动手动切换把手，船舱两侧设置有通风窗，船舱内安装有可充电的动力电池，动力池为动力系统、导航系统、控制系统、垃圾清理系统提供电源。

进一步地，链板输送带由多块槽状链板串联而成的链板带和驱动设备组成，所述的多块槽状链板由从链板两侧串联的两条传动链串联在一起，驱动设备包括安装在链板带两端的主动轴和从动轴，链板带两侧的传动链套设在主动轴和从动轴上，所述的主动轴位于链板输送带上部，主动轴一端连驱动电机；所述的破碎机选自辊式破碎机或螺旋压榨机。

进一步地，所述船舱内安装有在线水质监测设备，所述的在线水质监测设备包括温度计、pH监测仪、溶解氧监测仪、ORP监测仪、氨氮监测仪和浊度仪，水质检测设备与船载电脑的总控平台关联。

进一步地，驾驶室内设有监控台和控制系统，监控台显示船体所在的位置、河道水体的实时监测信息、船体自身的工作状态；控制系统包括雷达接收和处理模块、实时载波相位差分技术模块、惯性导航数据处理模块、链板输送带控制模块、破碎机控制模块、压榨机及水质监测设备的控制模块、动力控制模块和紧急预警模块。

驾驶室集成了整船所有的信息收集及控制系统，包括接受和处理毫米波雷达、实时载波相位差分技术设备、惯性导航数据和控制链板输送带、破碎机、压榨机及水质监测设备的启停。毫米波雷达可对前、左、右三个方向的40米范围内的障碍物进行距离测算并将信号传输至总控制电脑，总电脑再控制侧推和主推螺旋桨进行主动避障；水质监测设备每1小时自动记录一次水质数据，并记录监测点位坐标；实时载波相位差分设备可对设备进行实施定位；惯性导航数据进行自主式定位导航。

当出现机器故障，如螺旋桨被缠绕、机器烧毁等情况时，控制室内的紧急预警系统会对岸上智能终端设备进行报警，紧急预警系统显示屏会闪烁红灯，指示哪些地方出现问题。被监控人员发现故障后可在岸上远程更改船体行进路线，若不能达到目的，可派救援人员前去应急处理，人为进入船体操控。

本发明的另一个目的是提供一种水体的管理方法或者本发明的全自动无人船的用途，将该无人船用于河道、湖泊或沟渠的污染水体的垃圾清理和水质监测。

本发明的有益效果为：

1、本发明实施例提供的侧推螺旋桨可降低船体转弯半径，在配合主推螺旋桨90°旋转后可实现船体姿态不变，侧向移动。

2、本发明实施例提供的船身前部设计有U字形垃圾收集槽，在船体前进过程中，可将船头范围内的垃圾聚拢至输送带上。

3、本发明实施例提供的链板输送带可将水面垃圾输送至船身内的破碎机中，并且链板输送带为镂空结构，在收集和输送途中可过滤掉垃圾的水分，降低船身负载。

4、本发明实施例提供的垃圾破碎机可将收集到的垃圾进行破碎，以方便下一步压缩和贮存。

5、本发明实施例提供的压榨机可将破碎后的垃圾进行压榨，以降低垃圾体积，并对压榨产生的液体进行贮存。

6、本发明实施例提供的雷达、海事卫星系统、惯性导航可使该船实行轨迹跟踪、自主巡航、主动避障，远程遥控。

7、本发明实施例提供的在线水质监测设备可对水温、pH、溶解氧、ORP、氨氮、浊度进行实时在线监测，每小时监测得到一组数据并通过4G模块回传至电脑和移动终端。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图一。

图2是本发明的整体结构示意图二。

图3是图1中船底的示意图一。

图4是图1中船底的示意图二。

图中，1侧推螺旋桨、2毫米波雷达、3驾驶室、4警示灯、5海事卫星接收终端和惯性导航模块、6船舱、7陀螺仪、8 4G天线、9固定锚点、10船底、11通风窗、12主推螺旋桨、13链板输送带、14破碎机、15垃圾贮存室、16操控台、17座椅、18动力电池系统、19压榨机、20导流槽。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

结合图1，本实施例为一种全自动无人化全天候河道管理船，包船体、控制系统、导航系统、垃圾清理系统和动力系统，船体包括船底10、船舱6、驾驶室；所述的垃圾清理系统包括链板传送带13、破碎机14、压榨机19、垃圾贮存室15；所述的动力系统包括侧推螺旋桨1、主推螺旋桨12以及提供电源的动力电池系统18，所述的垃圾清理系统和动力电池系统18设置在船底上。本实施例中，船体尺寸为长6.6米，宽3米，总高2.6米。所述的驾驶室3和船舱6位于船底10上，驾驶室3位于船体前端，船舱6位于驾驶室3后面，驾驶室3内安装有操控台16、座椅17，操控台16上设置有方向舵、控制柜、船载电脑、控制面板、报警装置和自动手动切换把手，船舱6两侧设置有通风窗11，船舱6内安装有可充电的动力电池，动力电池为动力系统、导航系统、控制系统、垃圾清理系统提供电源。所述的船底10为W形船底结构，船底10前部两侧各设置有侧推螺旋桨1，船底10前部中间设置为垃圾导流槽20，导流槽20内安装垃圾清理系统，船底10尾部W形船底中部的槽内设置有主推螺旋桨12。所述的导流槽20内部向下倾斜45°安装有垃圾清理系统的链板输送带13，链板输送带13末端前端深入水下15cm，链板输送带13末端与破碎机14入口连接，破碎机14出口连接压榨机连接，压榨机19对垃圾压制后排放到垃圾贮存室15内暂存。所述的链板输送带13由多块槽状链板串联而成的链板带和驱动设备组成，所述的多块槽状链板由从链板两侧串联的两条传动链串联在一起，驱动设备包括安装在链板带两端的主动轴和从动轴，链板带13两侧的传动链套设在主动轴和从动轴上，所述的主动轴位于链板输送带13上部，主动轴一端连驱动电机；所述的破碎机为4K辊式破碎机；所述的槽状链板为可漏水的带孔的槽状链板。

所述的导航系统包括安装在船头的毫米波雷达2、位于船舱顶部的海事卫星接收终端和惯性导航模块5和位于船尾的陀螺仪7和4G天线8，雷达探测船体周围的状况并发送信号传递给导航系统，海事卫星接收终端包括卫星信号接收器；导航系统与船尾陀螺仪7、控制系统通过信号相连，控制系统接收导航系统的信号并根据信号指示调整侧推螺旋桨1和主推螺旋桨控12的工作状态，制着船体行动的平衡方向和前进方向。4G天线作为信号接受和传递等功能，陀螺仪7起带控制船体行进中的稳定性。当船体在行驶过程中前方遇到障碍物会通过卫星接收器接收信号传递给导航系统，发出前进、后退、左右转向等命令，同时还可以在导航系统中提前设置前行程序，操控行进路程，此时卫星接收器就是作为第二重保障，防止船体撞击等事故发生。总体船体通过导航、控制、目标识别系统的结合实现无人驾驶状态，同时在岸上设置有岸基智能终端系统，进行人工操控于检查，起到监督预防作用。

在本实施例中，驾驶室3内设有监控台和控制系统，监控台显示船体所在的位置、河道水体的实时监测信息、船体自身的工作状态；控制系统包括雷达接收和处理模块、实时载波相位差分技术模块、惯性导航数据处理模块、链板输送带控制模块、破碎机控制模块、压榨机及水质监测设备的控制模块、动力控制模块和紧急预警模块。

在另一个实施例中，导航系统与岸基智能终端系统、控制系统之间信号配合，实现自动驾驶；通过在雷达探测后传递信号给导航和控制系统，决定行动方位，控制系统控制动力系统提供动力支持同时在前进过程中根据雷达或导航系统反馈的信息更改前进路线。

在另一个实施例中，所述船舱6内安装有在线水质监测设备，所述的在线水质监测设备包括温度计、pH监测仪、溶解氧监测仪、ORP监测仪、氨氮监测仪和浊度仪，水质检测设备与船载电脑的总控平台关联。

驾驶室3集成了整船所有的信息收集及控制系统，包括接受和处理毫米波雷达2、实时载波相位差分技术设备、惯性导航数据和控制链板输送带13、破碎机14、压榨机19及水质监测设备的启停。毫米波雷达2可对前、左、右三个方向的40米范围内的障碍物进行距离测算并将信号传输至总控制电脑，总电脑再控制侧推和主推螺旋桨进行主动避障；水质监测设备每1小时自动记录一次水质数据，并记录监测点位坐标；实时载波相位差分设备可对设备进行实施定位；惯性导航数据进行自主式定位导航。

当出现机器故障，如螺旋桨被缠绕、机器烧毁等情况时，控制室内的紧急预警系统会对岸上智能终端设备进行报警，紧急预警系统显示屏会闪烁红灯，指示哪些地方出现问题。被监控人员发现故障后可在岸上远程更改船体行进路线，若不能达到目的，可派救援人员前去应急处理，人为进入船体操控。

本实施例的用于河道管理的全自动无人船的主要创新点为无人化和多功能，其中无人化体现在船体搭载微波雷达、海事卫星接收器、惯性导航以保证船体在无人操控的情况下实现轨迹跟踪、自主巡航、主动避障，远程遥控，大大降低了人工投入并延长了该船的工作时间，以达到全天候24小时河道巡航。船体搭载的链板输送带13、破碎机14或压榨机19可对水面垃圾进行全自动的打捞、传送、破碎、压缩和贮存。船体还安装了水质监测设备，可每小时对所在水域进行水质监测，监测内容包括水温、pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、氨氮和浊度，并可通过4G模块将监测数据传输至电脑和移动终端。以上设备互相配合即可打到该船全天候24小时河道自主巡航并自动打捞垃圾，实时监测水质、水面和排污口巡查。

驾驶舱监控台和控制系统安装有船载电脑可以接收包括雷达、海事、惯导信息，以控制船体运行轨迹，同时也设置有水质监测和垃圾打捞。货舱安装有破碎机、压榨机、垃圾贮存箱和垃圾滤液贮存箱。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于河道管理的全自动无人船，包括船体、控制系统、导航系统、垃圾清理系统和动力系统，其特征在于船体包括船底(10)、船舱(6)和驾驶室(3)；所述的垃圾清理系统包括链板输送带(13)、破碎机(14)、压榨机(19)和垃圾贮存室(15)；所述的动力系统包括侧推螺旋桨(1)、主推螺旋桨(12)以及提供电源的动力电池系统(18)，所述的垃圾清理系统和动力系统设置在船底(10)上；

所述的导航系统包括安装在船头的毫米波雷达(2)、位于船舱顶部的海事卫星接收终端和惯性导航模块(5)和位于船尾的陀螺仪(7)和4G天线(8)，毫米波雷达(2)探测船体周围的状况并发送信号传递给导航系统；导航系统与船尾陀螺仪(7)以及控制系统通过信号相连，控制系统接收导航系统的信号并根据信号指示调整侧推螺旋桨(1)和主推螺旋桨(12)的工作状态，控制着船体行动的平衡和前进方向；

4G天线具有信号接受和传递功能，陀螺仪(7)控制船体行进中的稳定性，当船体在行驶过程中前方遇到障碍物会通过卫星接收器接收信号传递给导航系统，发出前进或者后退或者左右转向命令，同时还可以在导航系统中提前设置前行程序，操控行进路程，此时卫星接收器就是作为第二重保障，防止船体撞击事故发生，船体通过导航控制和目标识别系统控制的结合实现无人驾驶状态，同时在岸上设置有岸基智能终端系统，进行人工操控检查，起到监督预防作用；

链板输送带可将水面垃圾输送至船身内的破碎机中，并且链板输送带为镂空结构，在收集和输送途中可过滤掉垃圾的水分，降低船身负载；

破碎机可将收集到的垃圾进行破碎，以方便下一步压缩和贮存；

所述的船底(10)为W形船底结构，船底(10)两侧边上设置有多个固定锚点(9)，船底(10)前部两侧各设置有侧推螺旋桨(1)，船底前部中间设置为垃圾导流槽(20)，导流槽(20)内安装垃圾清理系统，船底尾部设置有主推螺旋桨(12)；

导流槽(20)内部安装有向下倾斜45°的垃圾清理系统的链板输送带(13)，链板输送带前端深入水下10-20cm，链板输送带(13)末端与破碎机(14)入口连接，破碎机(14)出口连接压榨机(19)，压榨机(19)对垃圾压制后排放到垃圾贮存室内暂存；

所述的链板输送带(13)由多块槽状链板串联而成的链板带和驱动设备组成，所述的多块槽状链板由从链板两侧串联的两条传动链串联在一起，驱动设备包括安装在链板带两端的主动轴和从动轴，链板带两侧的传动链套设在主动轴和从动轴上，所述的主动轴位于链板输送带上部，主动轴一端连驱动电机；所述的破碎机(14)选自辊式破碎机，压榨机(19)选自螺旋压榨机。

2.根据权利要求1所述的全自动无人船，其特征在于：在岸上设置有岸基智能终端系统作为无人船的远程监控，导航系统与岸基智能终端系统以及控制系统之间信号配合，实现自动驾驶；通过在毫米波雷达(2)探测水路情况后传递信号给导航系统和控制系统，决定行动方位，控制系统控制动力系统提供动力支持同时在前进过程中根据雷达或导航系统反馈的信息调整前进路线。

3.根据权利要求1所述的全自动无人船，其特征在于：所述的驾驶室(3)和船舱(6)位于船底上，驾驶室(3)位于船体前端，驾驶室(3)顶部设置有警示灯(4)，船舱(6)位于驾驶室(3)后面，驾驶室(3)内安装有操控台(16)和座椅(17)，操控台(16)上设置有方向舵、控制柜、船载电脑、控制面板、报警装置和自动-手动切换把手，船舱(6)两侧设置有通风窗(11)，船舱(6)内安装有提供电源及电源管理的动力电池系统(18)，动力电池系统(18)为动力系统和导航系统和控制系统和垃圾清理系统提供电源。

4.根据权利要求1所述的全自动无人船，其特征在于：所述船舱(6)内安装有在线水质监测设备，所述的在线水质监测设备包括温度计、pH监测仪、溶解氧监测仪、ORP监测仪、氨氮监测仪和浊度仪，水质检测设备与船载电脑的总控平台关联。

5.根据权利要求1所述的全自动无人船，其特征在于：所述的驾驶室(3)内的操控台设有监控台和控制系统，监控台显示船体所在的位置、河道水体的实时监测信息和船体自身的工作状态；控制系统包括船载电脑、雷达接收和处理模块、实时载波相位差分技术模块、惯性导航数据处理模块、链板输送带控制模块、破碎机控制模块、压榨机及水质监测设备的控制模块、动力控制模块和紧急预警模块。

6.根据权利要求1所述的全自动无人船，其特征在于：将所述无人船用于河道或湖泊或沟渠的污染水体的垃圾清理和水质监测。