CN110667790A - 一种空气动力水面除草清污装备和清污方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气动力水面除草清污装备和方法，属于农用空气动力船技术领域，包括船体和对船体进行远程控制的岸基设备，船体上设有：动力单元，包括发动机、与发动机连接的螺旋桨以及用于控制船体航行方向的尾舵；除草清污单元，设置在所述船体的前端，包括一网状传送带，网状传送带的一端向下倾斜插入水下，另一端设有网状收集袋；定位系统，包括用于获取船体的实时位置信息和航向信息的定位器；环境感知系统，包括用于获取船体所在位置的风向的风传感器以及用于检测船体前方动态障碍物的视觉传感器；船载控制器，控制船体的航行状态。网状传送带由电机驱动带动转动，水面的杂草杂物被卷上网状传送带表面，随着传送带旋转落入网状收集袋中。

Description

一种空气动力水面除草清污装备和清污方法

技术领域

本发明涉及农用空气动力船技术领域，具体地说，涉及一种空气动力水面除草清污装备和清污方法。

背景技术

现有大型载人的水面除草清污船，一般通过船员控制船舶，水下螺旋桨产生推动力并控制运动方向，该方式主要应对海洋、湖泊、江河等大面积、深水域进行除草清污工作。

如公布号为CN108082403A的中国专利文献公开的一种便于清理水草的河道清淤船，包括船体、滑轨、支架、淤泥槽、收集槽和刀盘，船体的尾部固定连接有滑轨，滑轨之间嵌有支架，支架的斜边上安装有传送带，传送带的表面分布有若干固定板，固定板上固定连接有弧形板，船体的两侧固定连接有正反转电机，正反转电机的轴伸端固定连接有齿轮，船体的船头部位铰接有导向板，导向板的右端固定连接有清污板，船体的底部固定连接有除草电机，利用弧形板刮起河道底部的淤泥并运送到淤泥槽中存放，可以根据水深调节传送带左端的入水深度，使弧形板始终与水底的淤泥接触，提高清淤效率，利用。清污板和打捞钉勾起水面的杂物放入收集槽内，利用刀盘切断水中的水草

现有技术中，水面除草清污是通过在传统载人船舶的基础上增加除草清污机构，除草清污进程依赖于船舶的移动，而普通船舶多依靠水下动力装置提供动力，且吃水深。一方面装有除草机构的船舶本身易受浅水区的植物、漂浮物等影响，严重时甚至会损坏水下螺旋桨；另一方面，在一些景观河道或池塘，水下螺旋桨的高速旋转会对水下的水生植物景观造成极大的破坏。由于大型载人除草清污船转弯半径大，吃水深度深，无法应用于庭院池塘、水生蔬菜田、浅滩湿地等面积小、深度浅的水域。因此，现有的大型载人水面除草清污船应用场景十分有限。同时，水面除草清污作业，劳动强度大、工作时间长，对船上的操作人员有较高的业务技术要求。

发明内容

本发明的目的为提供一种空气动力水面除草清污装备和清污方法，可解决在城中较窄、较浅河道，或是池塘、人工湖等面积小、浅水域且存在大量景观植物的水域的除草清污问题。船舶具备远程遥控、自主导航的功能，实现无人化作业，减少了劳动力投入，降低了劳动强度。

为了实现上述目的，本发明提供的空气动力水面除草清污装备包括船体和对船体进行远程控制的岸基设备，船体上设有：

动力单元，包括发动机、与发动机连接的螺旋桨以及用于控制船体航行方向的尾舵；

除草清污单元，设置在所述船体的前端，包括一网状传送带，网状传送带的一端向下倾斜插入水下，另一端设有网状收集袋；

定位系统，包括用于获取船体的实时位置信息和航向信息的定位器；

环境感知系统，包括用于获取船体所在位置的风向的风传感器以及用于检测船体前方动态障碍物的视觉传感器；

船载控制器，用于控制船体的航行状态。

上述技术方案中，由发动机提供动力输出，带动螺旋桨转动产生推力，并由尾舵控制船只行进方向，吃水深度极浅、行进灵活、旋转半径小、机动性高，可以应用于水深浅、水域面积小、水底情况复杂的水域，例如庭院池塘、人工湖、景观河道等。网状传送带可由电机驱动带动转动，水面的杂草杂物被卷上网状传送带表面，随着传送带旋转落入网状收集袋中，完成水面除草清污。多余的水分在传送过程中经网状结构缝隙排出。

作为优选，网状传送带通过一支架安装在所述船体的前端，支架包括龙门架和至少一根支撑柱，龙门架的顶部设有带动网状传送带运行的主动转轴，网状传送带的另一端设有从动转轴，支撑柱倾斜固定在船体与网状传送带之间。

主动转轴可在电机的作用下转动，并带动网状传送带运转，网状传送带的倾斜角度可以根据支撑柱来调节。

为了使网状传送带的安装结构更加稳定，作为优选，网状传送带的两侧均设有至少一根支撑柱。

作为优选，网状收集袋设置在龙门架的下方。

作为优选，岸基设备具有无线紧急制动器，与设置在船体上的无线紧急制动器接收机配合实现迅速关停发动机；

还具有与设置在船体上的遥控器接收机配合使用的遥控器，在GPS信号不好时实现人工对船体进行远程操作。

作为优选，发动机上安装有用于探测发动机转速的磁传感器。

本发明提供的用于空气动力水面除草清污装备的清污方法，基于上述空气动力水面除草清污装备实现，包括：

步骤1)初始化各电子设备，使其运转正常；

步骤2)根据目标水域实际状况，生成除草清污路径并预制于船载控制器中；

步骤3)开始并跟随第P_i条路径，初始时i＝1，即第一条路径；

步骤4)利用船载定位系统实时获取位置信息；

步骤5)判断在前视距离d时，是否与期望路径有交点；

步骤6)当无交点时，控制尾舵转最大角度，以使船体返回期望路径；当有交点时，计算船体舵角并进行航行控制；

步骤7)根据视觉传感器实时传输的图像和点云信息，进行动态障碍物检测；当检测到前方有移动障碍物时，计算距离信息，若与障碍物的距离小于安全距离，进行制动控制，直至障碍物离开危险距离；

步骤8)根据船体的实时位置和路径末端的端点位置，判断是否结束当前路径的导航；若结束，转弯进入下一条路径进行导航并除草清污，使P_i+1；若未结束，继续在本路径上按照步骤2)～步骤7)导航并除草清污；

步骤9)根据路径个数，判断是否完成所有作业路径；若完成，则结束作业；若未完成，则继续按照步骤2)～步骤8)继续除草清污作业。

作为优选，步骤5)中，判断前视距离与期望路径是否有交点的方法为：

当船的位置(x_boat，y_boat)到期望路径y＝ax+b的距离小于d时，则有交点；当距离大于d时，则无交点；

计算交点(x_los，y_los)位置，公式如下

其中

(x₀,y₀)是利用定位系统获取的实时位置信息，a是期望路径的斜率，b是期望路径的截距。

作为优选，步骤6)中，计算船体舵角并进行航行控制的步骤如下：

船的期望航向角

计算公式如下

结合船的实时航向，计算航向差

其中

是利用定位系统获取的实时航向角信息；

将风对于操舵角的干扰量表示为F_wind，具体计算公式如下：

F_wind＝(kV_wsin8_w)²

其中θ_w是风与当前航向的夹角，V_w是风速，k是风影响权重值且由实际环境调试得到；

导航控制的操舵角为

其中k_p是控制比例因子；k_d是控制微分因子；δ_t是输出操舵角；

和

分别是t时刻和t-1时刻的航向差，F_wind是风对操舵角的干扰量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的空气动力水面除草清污装备和清污方法，可以实现在小水面、浅水深的水域且水面环境复杂的情况下的高效、无人化除草清污作业。

附图说明

图1为本发明实施例的空气动力水面除草清污装备的结构示意图；

图2为本发明实施例的除草清污单元的结构示意图；

图3为本发明实施例的空气动力水面除草清污装备的自动导航安全辅助系统的硬件支持示意图；

图4为本发明实施例的用于空气动力水面除草清污装备的清污方法的流程图；

图5为本发明实施例的导航分析图；

图6为本发明实施例的空气动力水面除草清污装备的航行实验测试图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图6，本实施例的空气动力水面除草清污装备包括船体4和对船体4进行远程控制的岸基设备，船体4上设有动力单元、除草清污单元、定位系统、环境感知系统和船载控制器。

如图1所示，动力单元由一台安装在船体4后部的发动机机架10上的发动机11提供动力输出，带动空气螺旋桨12转动产生推力，并由尾舵13控制船只行进方向。除草清污单元如图1和图2所示，由位于船体4前部的网状传送带1、主动转轴02、被动转轴01、电机3、龙门架和支撑杆2组成。当网状传送带1由电机3驱动带动主动转轴02转动时，水面的杂草杂物被卷上网状传送带1表面，随着网状传送带1旋转落入空气动力船的网状收集袋03中，完成水面除草清污。多余的水分在传送过程中经网状结构缝隙排出。

船载控制系统5的计算核心是船载控制器，其通过定位系统8(双天线GPS接收机)获取船体的实时位置信息和航向信息。考虑到水面遮挡物较少，空气流动较快，由于空气动力船的吃水深度浅，因此风对于航行的干扰较大，增加了抗风控制。船载控制器通过风传感器6获取当前的风速和风向信息。根据这些信息计算确定风对于航行的影响程度，再根据已获得的实时位置与航向信息，最终计算出所连接的油箱9的油门舵机和尾舵舵机的角度。在遥控模式下时，岸基侧的遥控器与船载遥控器接收机配合使用，人工遥控该装备进行目标水域的除草清污工作。

在自主导航模式下时，需要将预制好的除草清污路径导入船载控制器中，以避开水面中的已知障碍物，例如人工小岛、电线杆、树木、土丘等。针对动态障碍物例如劳作中的农民、水禽等，通过立体视觉传感器7获取的实时图像及点云数据，进行动态障碍物检测，当移动障碍物在规划的危险距离以内时，立即触发刹车命令，直到移动障碍物移出危险区域。风传感器6和视觉传感器7构成了本实施例的环境感知系统。

发动机11上安装有磁传感器用于探测发动机的转速。此外，无线通信系统为3G/4G模块，将船体的实时状态包括船速，导航误差，任务完成情况发送给岸基侧的电脑，供作业员远程监控。当出现紧急情况时，岸基侧的无线紧急制动器与船载无线紧急制动器接收机配合使用，可以迅速关停发动机，避免发生碰撞等危险事故。

上述说明是本发明的自主导航模式下除草清污作业技术方案的概述，为了能够更清楚的表达该技术手段，并依据说明书的内容予以实施，以下为自主导航模式下除草清污过程的具体实现方法。流程图如图4所示，包括以下步骤：

步骤1)初始化各电子设备，使其运转正常；

步骤2)根据目标水域实际状况，生成除草清污路径并预制于船载控制器中；

步骤3)开始并跟随第P_i条路径，初始时i＝1，即第一条路径；

步骤4)利用船载定位系统实时获取位置信息；

步骤5)判断在前视距离d时，是否与期望路径有交点；

当船的位置(x_boat，y_boat)到期望路径y＝ax+b的距离小于d时，则有交点；当距离大于d时，则无交点；

计算交点(x_los，y_los)位置，公式如下

其中(x₀,y₀)是利用定位系统获取的实时位置信息，a是期望路径的斜率，b是期望路径的截距。

步骤6)当无交点时，控制尾舵转最大角度，以使船体返回期望路径；当有交点时，计算船体舵角并进行航行控制；

船的期望航向角

计算公式如下

结合船的实时航向，计算航向差

其中

是利用定位系统获取的实时航向角信息；

将风对于操舵角的干扰量表示为F_wind，具体计算公式如下：

F_wind＝(kV_wsinθ_w)²

其中θ_w是风与当前航向的夹角，V_w是风速，k是风影响权重值且由实际环境调试得到；

导航控制的操舵角为

其中k_p是控制比例因子；k_d是控制微分因子；δ_t是输出操舵角；和

分别是t时刻和t-1时刻的航向差，F_wind是风对操舵角的干扰量。

步骤7)根据视觉传感器实时传输的图像和点云信息，进行动态障碍物检测；当检测到前方有移动障碍物时，计算距离信息，若与障碍物的距离小于安全距离，进行制动控制，直至障碍物离开危险距离；

步骤8)根据船体的实时位置和路径末端的端点位置，判断是否结束当前路径的导航；若结束，转弯进入下一条路径进行导航并除草清污，使P_i+1；若未结束，继续在本路径上按照步骤2)～步骤7)导航并除草清污；

步骤9)根据路径个数，判断是否完成所有作业路径；若完成，则结束作业；若未完成，则继续按照步骤2)～步骤8)继续除草清污作业。

参见图6为设置3条导航路径并进行自主导航模式下的除草清污作业实验的路径配图说明。示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

Claims (9)

1.一种空气动力水面除草清污装备，包括船体和对所述船体进行远程控制的岸基设备，其特征在于，所述船体上设有：

动力单元，包括发动机、与所述发动机连接的螺旋桨以及用于控制船体航行方向的尾舵；

除草清污单元，设置在所述船体的前端，包括一网状传送带，所述网状传送带的一端向下倾斜插入水下，另一端设有网状收集袋；

定位系统，包括用于获取船体的实时位置信息和航向信息的定位器；

环境感知系统，包括用于获取船体所在位置的风向的风传感器以及用于检测船体前方动态障碍物的视觉传感器；

船载控制器，用于控制船体的航行状态。

2.根据权利要求1所述的空气动力水面除草清污装备，其特征在于，所述的网状传送带通过一支架安装在所述船体的前端，所述支架包括龙门架和至少一根支撑柱，所述龙门架的顶部设有带动所述网状传送带运行的主动转轴，所述网状传送带的另一端设有从动转轴，所述支撑柱倾斜固定在船体与网状传送带之间。

3.根据权利要求2所述的空气动力水面除草清污装备，其特征在于，所述的网状传送带的两侧均设有至少一根支撑柱。

4.根据权利要求2所述的空气动力水面除草清污装备，其特征在于，所述的网状收集袋设置在所述龙门架的下方。

5.根据权利要求1所述的空气动力水面除草清污装备，其特征在于，所述的岸基设备具有无线紧急制动器，与设置在船体上的无线紧急制动器接收机配合实现迅速关停发动机；

还具有与设置在船体上的遥控器接收机配合使用的遥控器，实现人工对船体进行远程操作。

6.根据权利要求1所述的空气动力水面除草清污装备，其特征在于，所述的发动机上安装有用于探测发动机转速的磁传感器。

7.一种用于空气动力水面除草清污装备的清污方法，基于权利要求1～6中任一权利要求所述的空气动力水面除草清污装备实现，其特征在于，包括：

步骤1)初始化各电子设备，使其运转正常；

步骤2)根据目标水域实际状况，生成除草清污路径并预制于船载控制器中；

步骤3)开始并跟随第P_i条路径，初始时i＝1，即第一条路径；

步骤4)利用船载定位系统实时获取位置信息；

步骤5)判断在前视距离d时，是否与期望路径有交点；

步骤6)当无交点时，控制尾舵转最大角度，以使船体返回期望路径；当有交点时，计算船体舵角并进行航行控制；

步骤7)根据视觉传感器实时传输的图像和点云信息，进行动态障碍物检测；当检测到前方有移动障碍物时，计算距离信息，若与障碍物的距离小于安全距离，进行制动控制，直至障碍物离开危险距离；

步骤8)根据船体的实时位置和路径末端的端点位置，判断是否结束当前路径的导航；若结束，转弯进入下一条路径进行导航并除草清污，使P_i+1；若未结束，继续在本路径上按照步骤2)～步骤7)导航并除草清污；

步骤9)根据路径个数，判断是否完成所有作业路径；若完成，则结束作业；若未完成，则继续按照步骤2)～步骤8)继续除草清污作业。

8.根据权利要求7所述的用于空气动力水面除草清污装备的清污方法，其特征在于，步骤5)中，判断前视距离与期望路径是否有交点的方法为：

当船的位置(x_boat，y_boat)到期望路径y＝ax+b的距离小于d时，则有交点；当距离大于d时，则无交点；

计算交点(x_los，y_los)位置，公式如下

其中A_los＝(a²+1)，B_los＝2a(b-y₀-2x₀)，

(x₀，y₀)是利用定位系统获取的实时位置信息，a是期望路径的斜率，b是期望路径的截距。

9.根据权利要求7所述的用于空气动力水面除草清污装备的清污方法，其特征在于，步骤6)中，计算船体舵角并进行航行控制的步骤如下：

船的期望航向角

计算公式如下

结合船的实时航向，计算航向差

其中

是利用定位系统获取的实时航向角信息；

将风对于操舵角的干扰量表示为F_wind，具体计算公式如下：

F_wind＝(kV_wsinθ_w)²

其中θ_w是风与当前航向的夹角，V_w是风速，k是风影响权重值且由实际环境调试得到；

导航控制的操舵角为

其中k_p是控制比例因子；k_d是控制微分因子；δ_t是输出操舵角；

和分别是t时刻和t-1时刻的航向差，F_wind是风对操舵角的干扰量。

Images