CN111252218A - 一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人 - Google Patents

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Abstract

一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，由水下系统及陆上控制系统组成，其中水下系统包括水下机器人主体、定位及导航系统、智能监测系统、智能多点水样采集系统、智能泥样采集系统、智能操推系统和智能图像处理及传输系统，水下系统由陆上控制系统通过脐带缆进行控制和通讯；所述定位及导航系统、智能监测系统、智能多点水样采集系统、智能泥样采集系统和智能图像处理及传输系统分别通过导线与智能操推系统相连接，智能操推系统通过智能图像处理及传输系统采用脐带缆与陆上控制系统进行通讯。本发明利用开架式水下机器人的结构优势，提高了水下监测、采样及打捞等作业的工作效率，为水下工程提供了全方位的服务，保护了潜水员的生命安全。

Description

一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人
技术领域
本发明涉及一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，属于船舶工程技术领域。
背景技术
目前为止，人类已探索的海底只有5％，还有95％大海的海底是未知的。20世纪80年代以来，世界海洋科学全面发展，出现了许多新技术和各种先进的仪器设备，今天海洋勘查技术已经取得了很大改进和提高，现代海洋调查和探测技术正在向海面、水下、空中和空间发展，出现了立体化的调查趋势。
水下机器人多为勘测型，其重量和体积较小，通常是携带大量物理传感器以及其它化学传感器对其巡游范围海洋的各种理、化参数进行采集，掌握巡游海洋区域的一些特征。它的自身特性决定它本身所携带的作业工具或仪器应该具有自主作业的特性，并且要求重量轻、体积小，动作可靠。一些采样器不具备独立运动调节能力，在下沉过程中受水流的冲击影响较大，采样的位置随机，难以获得满意的采样结果，因此采样成功率不高。目前的水下样本采集每次只能定点采集一种水样或泥样，需要不断投放以达到多次采样的目的。这样容易导致多次采样之间的重叠，影响水样或泥样的分析结果。
目前国内海洋地质主要探测技术无论是从设备的研制，技术的精度还是从系统的集成而言，相对比较落后。目前仅如保真取样技术等少数达到国际水平，大多只是部分达到国际水平，另外还有不少是处于空白或发展中。
发明内容
本发明的目的是针对上述传统多种水域的监测及采样作业效率低、单次仅单点采样及成本高的缺点，提供一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人。
本发明以水下机器人为载体，搭载多种智能设备以及辅助设备。该水下机器人单次下水可同时采集多点水样泥样以及监测所处水域的水体环境反馈至陆上控制箱，方便日后分析，具有效率高、成本低、应用范围广的优点。
本发明是一种最大工作水深为300m，可实现进退、升沉、转艏、横移、横滚的水下机器人，通过搭载不同的功能设备实现不同的功能，针对水下监测及采集作业出现的典型问题提供了相应的解决措施。水下作业型机器人中最重要的是其水中姿态的稳定性以及作业的高效率，这对水下机器人的结构以及功能设备有很多细节性的要求。水下作业型机器人在作业时受水流干扰易发生机体摇晃及偏移，传统水下机器人只能进行泥样或水样的单个种类的采集，且不能进行多点采集。本发明根据这些特定需求给出了针对性的解决方案。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，由水下系统及陆上控制系统组成，其中所述水下系统包括水下机器人主体1、定位及导航系统2、智能监测系统3、智能多点水样采集系统4、智能泥样采集系统5、智能操推系统6和智能图像处理及传输系统8，水下系统由陆上控制系统通过脐带缆进行控制和通讯；所述水下机器人主体1为长0.3～1.2m的矩形框架，其长宽比为(1～2)：1，长高比为(1.3～3)：1；所述定位及导航系2设置于水下机器人主体1内；所述智能监测系统3水平设置于水下机器人主体1上；所述智能多点水样采集系统4设置于水下机器人主体1中的底板1-9前部；所述智能泥样采集系统5设置于水下机器人主体1中的底板1-9后部；所述智能操推系统6包括四个水平推进器和两个垂直推进器，四个所述水平推进器前后左右对称固定于水下机器人主体1中的上平台1-5下方，两个所述垂直推进器分别固定于水下机器人主体1中的左右侧板1-8上；所述智能图像处理及传输系统8分为水上水下两部分，水下部分设置于水下机器人主体1内，水上部分设置于陆上控制系统的陆上控制箱7-5内；所述定位及导航系统2、智能监测系统3、智能多点水样采集系统4、智能泥样采集系统5和智能图像处理及传输系统8分别通过导线与所述智能操推系统6相连接，所述智能操推系统6还通过所述智能图像处理及传输系统8采用脐带缆与所述陆上控制系统进行通讯。
进一步优选，所述水下机器人主体1为左右对称的矩形框架结构，包括采用直角连接件1-11相互固定连接的底板1-9、左右侧板1-8和上平台1-5，所述上平台1-5中间采用连接桥1-6连接有密封舱1-1上平台1-5的四角处分别连接有浮体舱1-7。
进一步优选，所述定位及导航系统2包括水深传感器2-2及九轴陀螺仪2-1，其中，水深传感器2-2水平设置于所述水下机器人主体1的后密封盖1-3的中部，九轴陀螺仪2-1水平设置于所述水下机器人主体1的密封舱1-1内的中部，且所述水深传感器2-2及九轴陀螺仪2-1均与所述智能操推系统6相连接。
进一步优选，所述智能监测系统3包括水温度传感器3-2、PH水质传感器3-3、水浊度传感器3-4、辅助照明模块3-5、舱内摄像头3-1、舱外摄像头3-6，其中，所述水温度传感器3-2、PH水质传感器3-3、水浊度传感器3-4均安装在所述后密封盖1-3上，所述舱内摄像头3-1设置于密封舱1-1内的半球形罩内，所述舱外摄像头3-6设置于套筒5-3上，所述水温度传感器3-2、PH水质传感器3-3、水浊度传感器3-4均分别与控制器6-1连接，所述舱内摄像头3-1与树莓派8-3相连接，所述辅助照明模块3-5对称布置于侧板1-8上。
进一步优选，所述智能多点水样采集系统4位于底板1-9的中部，包括储水罐4-3、储水罐架4-2、单通阀4-5、电磁阀4-1、连接管4-4，其中，所述储水罐4-3安置在所述储水罐架4-2上，所述储水罐4-3进水端通过所述连接管4-4与所述电磁阀4-1相连，所述储水罐4-3尾部与所述单通阀4-5相连，所述电磁阀4-1与控制器6-1相连。
进一步优选，所述智能泥样采集系统5位于底板1-9的后部，包括螺旋杆5-6、套筒5-3、轴承5-7、驱动电机5-5、舵机5-1、驱动电机架5-2、舵机架5-4，其中所述舵机架5-4固定于底板1-9后部，所述舵机5-1设置于舵机架5-4上并与所述驱动电机架5-2相连接，所述驱动电机5-5固定于驱动电机架5-2上，所述套筒5-3为与驱动电机架5-2相连接的桶状结构，桶底端设有安置轴承5-7的中心孔，所述螺旋杆5-6安置在套筒5-3中，所述驱动电机5-5的输出轴穿过轴承5-7与所述螺旋杆5-6相连接，所述驱动电机5-5与舵机5-1均与控制器6-1相连。
进一步优选，所述智能操推系统6包括四个水平布置的水下推进器6-4、两个垂直布置的水下推进器6-3、电机驱动器6-2，六个所述水下推进器对称分布于水下机器人主体的上平台1-5首部和尾部、侧板1-8中部；四个水平布置的水下推进器6-4其轴线方向均与中纵剖面成0～60度角，所有水下推进器均与电机驱动器6-2相连接，电机驱动器6-2与控制器6-1连接。
进一步优选，所述陆上控制系统为一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人的陆上控制器，陆上控制箱7-5与水下机器人通过上位机电力载波7-2、电力载波8-4利用两芯双绞线进行连接，控制水下机器人运动及作业，并可实时接收水下图像与传感器信息，其包括陆上控制箱7-5、上位机控制器8-1、上位机树莓派8-2、上位机电力载波7-2、显示屏8-5、操作面板7-4、二维平面操纵器7-1、上位机电池7-3，其中上位机电力载波7-2与陆上控制箱7-5内的上位机树莓派8-2相连接，上位机树莓派8-2与显示屏8-5相连接，将水下处理后的图像及数据进行显示，上位机电力载波7-2与上位机控制器8-1相连接，二维平面操纵器7-1产生的模拟信号通过上位机控制器8-1的处理后变成数据信号，通过上位机电力载波7-2传输至密封舱1-1内的控制器6-1，控制水下机器人的运动。
进一步优选，所述智能图像处理及传输系统8将水下图像进行处理后传输至陆上控制箱7-5，在显示屏8-5上进行显示，包括上位机树莓派8-2、树莓派8-3、上位机电力载波7-2、电力载波8-4，在密封舱1-1内的树莓派8-3与控制器6-1及舱内摄像头3-1、舱外摄像头3-6相连接，其网口端与电力载波8-4相连接，电力载波8-4的两根线通过两芯双绞线与陆上控制箱7-5内的上位机电力载波7-2相连接，陆上控制箱7-5内的上位机电力载波7-2与上位机树莓派8-2相连接，上位机树莓派8-2与显示屏8-5相连接，将水下处理后的图像及数据进行显示，舱外摄像头3-6观测到泥样采集实况，方便操作员操作，树莓派8-3将舱内摄像头3-1、舱外摄像头3-6回传的图像处理，在显示屏8-5上分左右屏进行显示，方便监控。
进一步优选，所述密封舱1-1的长度为水下机器人主体1长的0.7～1.2倍，前部为半球形，其余部分为圆柱形，最大横截面处直径0.1～0.6m，包含圆柱形耐压壳体1-12、半球形密封罩1-2、密封圈1-13、后密封盖1-3、螺丝钉1-10、树莓派8-3、电力载波8-4、控制器6-1、电机驱动器6-2、电池1-4以及舱内摄像头3-1，其中舱内摄像头3-1设置于半球形密封罩1-2内，控制器6-1设置于密封舱1-1前部，电机驱动器6-2设置紧跟着控制器6-1，电池1-4设置于密封舱1-1的底部，树莓派8-3和电力载波8-4在同一平面且均位于电池1-4上方，圆柱形耐压壳体1-12的管口端面上开有螺纹孔，便于后密封盖1-3固定，半球形密封罩1-2固定于头部，后密封盖1-3塞于尾部，后密封盖1-3上设有两道密封圈1-13，塞入圆柱形耐压壳体1-12后受到挤压达到密封目的。
本发明的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人的设计及主要参数确定方法：
(1)选取设计变量
侧板长度Ld，底板长度Lp，上平台长度Lr，半球罩半径r，密封舱中横剖面直径D，侧板高度Lh，底板宽度Lb1，上平台宽度Lb2，浮心纵向位置Lcb，侧板厚度Lh1，上平台厚度Lh2，底板厚度Lh3，浮体舱高度Lh4，浮体舱长度Lm、浮体舱宽度Lb3，螺距比PDP，方形系数Cb，重心高度Zg，螺旋桨直径DP，盘面比Aeo，螺旋桨转速N，设计航速VS，重心垂向位置与型深比δZD、航行纵倾角α、斜升角β、前部水平推进器与中纵剖面夹角α1，后部水平推进器与中纵剖面夹角α2，中部垂直推进器与中纵剖面夹角α3，精度X1、工作温度X2、监测温度X3、测温精度X4、价格X5、体积X6，电机防水等级Y1、舵机防水等级Y5、套筒允许旋转角度Y6、套筒长度Y3、套筒直径Y4、电机功率Y2、模块总体积Y7、模块成本Y8、储水舱防水等级Q1、电磁阀防水等级Q2、单通阀止回最大压力Q3、电磁阀止通最大压力Q5、储水舱体积Q6、储水舱个数Q8、电磁阀个数Q9、单通阀开启最小压力Q4、成本Q7、总体积Q10。
(2)构建总目标函数
根据幂指数乘积的形式构造水下无人系统的综合性能总目标函数，最终F(x)的值越大表明该水下无人系统综合性能最优，其表达式如下：
F(x)＝f1(x)α1*f2(x)α2*f3(x)α3*f4(x)α4*f5(x)α5
式中：f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)分别为快速性、操纵性、监测功能特性、泥样采集和水样采集的目标函数，α1、α2、α3、α4、α5分别为五个系统的权重，且有α1*α2*α3*α4*α5＝1。每个子目标函数的具体表达式如下。
f1(x)为快速性目标函数，其表达式采用与海军系数形式相近的快速性衡准因子作为快速性优化目标函数，其值越大越好，
Figure BDA0002375976690000051
Figure BDA0002375976690000052
式中：Δ——排水量；VS——设计航速；Rt——总阻力；η0——螺旋桨敞水效率；ηS——传送效率；ρ——海水密度，取t＝15℃时，ρ＝1.025×103kg/m3；S——湿表面积；Cf——摩擦阻力系数；ΔCf——框架材料粗糙度补贴系数，一般取0.4×10-3；CPV——粘压阻力系数；Cap——框架开孔附加阻力系数。
f2(x)为操纵性目标函数，船舶的直线稳定性通常用无因次稳定性衡准数C′来表示，船舶的回转性用最小相对回转直径DS来表示，该值越小，船舶的回转性越好。船舶的转首性选择转首指数P(x)来表示，数值越大越好，垂直面动稳定性衡准数η(Cv)，数值越大越好，定深运动纵倾角η(Ta)，数值越小越好，垂直面运动升速率η(Rra)，数值越大越好，水平面直线运动稳定衡准数η(CH)，数值越大越好，为了表征七者在操纵性中的侧重程度，用不同的权值来表示，构造的无人艇操纵性优化目标函数f2(x)，最终f2(x)的值越大为性能最优，其表达式为：
Figure BDA0002375976690000061
式中：β1、β2、β3、β4、β5、β6、β7分别为无因次稳定性衡准数C′、转首指数P(x)、最小相对回转直径DS、垂直面动稳定性衡准数η(Cv)、定深运动纵倾角η(Ta)、垂直面运动升速率η(Rra)和直线运动稳定衡准数η(CH)的权值。其中β1、β2、β3、β4、β5、β6和β7均大于0，并且规定β1*β2*β3*β4*β5*β6*β7＝1。
f3(x)为监测功能的优化目标函数，包括了水深传感器的功能性ξ1，PH传感器的功能性ξ2，九轴陀螺仪的功能性ξ3，摄像头的功能性ξ4，水浊度的功能性ξ5，水样采集的功能性ξ6，泥样采集的功能性ξ7，这些功能性指标都是越大越好，为了表征七者在功能性中的侧重程度，用不同的权值来表示，构造的水下机器人监测功能优化目标函数f3(x)，最终f3(x)的值越大为性能最优，其表达式为：
Figure BDA0002375976690000062
式中：γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6、γ7分别为水深传感器的功能性ξ1，PH传感器的功能性ξ2，九轴陀螺仪的功能性ξ3，摄像头的功能性ξ4，水浊度的功能性ξ5，水样采集的功能性ξ6，泥样采集的功能性ξ7的权值。其中γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6和γ7均大于0，并且规定γ1*γ2*γ3*γ4*γ5*γ6*γ7＝1。
每个传元器件的功能性评价需要对监测功能模块各项数据进行大量的市场调研，运用模糊综合评判方法评价各项性能指标，由于这些指标有正有负，且量级不统一，在构造目标函数时，首先必须将每项指标归一化。因此引入模糊概念，根据各项指标的实际规律和统计特性，构造各项模糊指标切合实际的隶属度函数。综合评判时根据自身要求对系数进行选择，进而得出目标函数如下：
Figure BDA0002375976690000063
λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6分别为所选取的对应的隶属度值，根据实际对每个指标得需求，侧重选取，C为常数项，每个功能所需得各项指标采用平方的形式，可以获得更为精准的优化结果。目标函数值ξ1越大表示功能模块的性价比越好。
f4(x)为泥样采集功能优化函数，包括了电机防水等级Y1，该值越大越好；电机功率Y2，该值越小越好；套筒长度Y3，该值在允许范围内越大越好；套筒直径Y4，该值在允许范围内越大越好；舵机防水等级Y5，该值越大越好；套筒允许旋转角度Y6，该值在允许范围内越大越好；模块总体积Y7，该值越小越好；模块成本Y8，该值越小越好，为了表征八者在泥样采集模块中的侧重程度，用不同的权值来表示，构造的水下机器人泥样采集功能优化目标函数f4(x)，最终f4(x)的值越大为性能最优，其表达式为：
Figure BDA0002375976690000071
式中：ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8分别为电机防水等级Y1、舵机防水等级Y5、套筒允许旋转角度Y6、套筒长度Y3、套筒直径Y4、电机功率Y2、模块总体积Y7、模块成本Y8的权值。其中ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8均大于0，并且规定ε1*ε2*ε3*ε4*ε5*ε6*ε7*ε8*＝1。
f5(x)为水样采集功能优化函数，包括了储水舱防水等级Q1，该值越大越好；电磁阀防水等级Q2，该值越大越好；单通阀止回最大压力Q3，该值越大越好；单通阀开启最小压力Q4，该值越小越好；电磁阀止通最大压力Q5，该值越大越好；储水舱体积Q6，该值越大越好；成本Q7，该值越小越好；储水舱个数Q8，该值越大越好；电磁阀个数Q9，该值越大越好；总体积Q10，该值越小越好，为了表征十个参数在水样采集模块中的侧重程度，用不同的权值来表示，构造的水下机器人泥样采集功能优化目标函数f5(x)，f5(x)最终的值越大为性能最优，其表达式为：
Figure BDA0002375976690000072
式中：τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6、τ7、τ8、τ9、τ10分别为储水舱防水等级Q1、电磁阀防水等级Q2、单通阀止回最大压力Q3、电磁阀止通最大压力Q5、储水舱体积Q6、储水舱个数Q8、电磁阀个数Q9、单通阀开启最小压力Q4、成本Q7总体积Q10的权值。其中τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6、τ7、τ8、τ9、τ10均大于0，并且规定τ1*τ2*τ3*τ4*τ5*τ6*τ7*τ8*τ9*τ10＝1。
(3)约束条件
约束条件包括：设计变量上下限、静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、初稳性高约束、保证水下机器人在水下在定深航行中稳定运动，纵倾角小于5度。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明以水下机器人为载体，搭载多种智能设备以及辅助设备针对传统多种水域的监测及采样作业效率低、单次仅单点采样及成本高的缺点，设计出一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，该水下机器人最大工作水深300m，单次下水可同时采集多点水样泥样以及监测所处水域的水体环境反馈至陆上控制箱，方便日后分析，具有效率高、成本低、应用范围广的优点。
(2)本发明是在小型水下机器人技术的基础上进行工作的，不需要人去工作，从而降低了劳动强度和使用成本。采用了双树莓派及电力载波的图传方案，操作简单，数据传输稳定且成本较低，通过陆上控制器对水下机器人进行主动控制，通过stm32控制器实现对水下机器人本体的自动控制，实现智能化水下监测及采样的目标。
(3)本发明中所述的智能水样及泥样采集系统，可作为模块进行搭载，可应用于其他领域，其操作简单、易维护，可进行水下多点样品的同时采集，大幅提高单次水下作业的效率。
(4)本发明所对应的中型机器人几何形状的数值全部基于兼顾其操纵性、快速性、监测及采集功能特性综合优化计算确定，水下机器人主体长0.3～1.2m，长宽比1～2，长高比1.3～3，设计航速1～5节；所述密封舱的长为主体长的0.7～1.2倍，前部为半球形其余部分为圆柱形，最大横截面处直径0.1～0.6m，具有多种水下作业功能，且结构布局设计符合水下监测及采集的特点，并且有效提高了水下监测及采集的效率，推动水下监测及采集向智能化及自动化转型。
附图说明
图1是本发明的水下机器人俯视图；
图2是本发明的水下机器人主体立体图；
图3是图2俯视图；
图4是图2侧视图；
图5是图2仰视图；
图6是图2后视图；
图7是图2主视图；
图8是本发明密封舱的结构构造图；
图9是本发明智能水样采集器侧视图；
图10是本发明智能泥样采集器侧视图；
图11是本发明陆上控制箱简图；
图12是本发明陆上控制箱内部结构构造图；
图中附图标记说明：1.水下机器人主体、2.定位及导航系统、3.智能监测系统、4.智能多点水样采集系统、5.智能泥样采集系统、6.智能操推系统、7.水下系统由陆上控制系统、8.智能图像处理及传输系统、1-1.密封舱、1-2.半球形密封罩、1-3.后密封盖、1-4.电池、1-5.上平台、1-6.连接桥、1-7.浮体舱、1-8.侧板、1-9.底板、1-10.螺丝钉、1-11.直角连接件、1-12.耐压壳体、1-13.密封圈、2-1.九轴陀螺仪、2-2.水深传感器、3-1.舱内摄像头、3-2.水温度传感器、3-3.PH水质传感器、3-4.水浊度传感器、3-5.辅助照明模块、3-6.舱外摄像头、4-1.电磁阀、4-2.储水罐架、4-3.储水罐、4-4.连接管、4-5.单通阀、5-1.舵机、5-2.驱动电机架、5-3.套筒、5-4.舵机架、5-5.驱动电机、5-6.螺旋杆、5-7.轴承、6-1.控制器、6-2.电机驱动器、6-3.垂直布置的两个水下推进器、6-4.水平布置的两个水下推进器、7-1.二维平面操纵器、7-2.上位机电力载波、7-3.上位机电池、7-4.操作面板、7-5.陆上控制箱、8-1.上位机控制器、8-2.上位机树莓派、8-3.树莓派、8-4.电力载波、8-5.显示屏。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
请参阅图1-12，为本发明、一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人、，由水下系统及陆上控制系统组成，其中水下系统包括水下机器人主体1、定位及导航系统2、智能监测系统3、智能多点水样采集系统4、智能泥样采集系统5、智能操推系统6、智能图像处理及传输系统8，水下系统由陆上控制系统通过脐带缆进行控制和通讯；所述水下机器人主体1为长0.3～1.2m的矩形框架，其长宽比为(1～2)：1，长高比为(1.3～3)：1；
所述定位及导航系统2设置于所述水下机器人主体1中的密封舱1-1的内部和后密封盖1-3上；所述智能监测系统3水平设置于所述水下机器人主体1中的后密封盖1-3上；所述智能多点水样采集系统4设置于水下机器人主体1中的底板1-9前部；所述智能泥样采集系统5设置于水下机器人主体1的底板1-9的后部；所述智能操推系统6包括四个水平推进器6-4和两个垂直推进器6-3，四个水平推进器前后左右对称固定于所述水下机器人主体1中的上平台1-5下方；两个所述垂直推进器分别固定于水下机器人主体1中的左右侧板1-8上；所述智能图像处理及传输系统8分为水上水下两部分，水下部分设置于水下机器人主体1中的密封舱1-1内，水上部分设置于陆上控制系统的陆上控制箱7-5内；所述定位及导航系统2、智能监测系统3、智能多点水样采集系统4、智能泥样采集系统5、智能操推系统6、智能图像处理及传输系统8均分别通过导线与所述智能操推系统6中的控制器6-1相连接，且相互独立；所述控制器6-1通过所述智能图像处理及传输系统8与所述陆上控制系统利用电缆相连接。
如图1至7所示，所述水下机器人主体1是左右对称的矩形框架结构，包括采用直角连接件1-11相互固定连接的底板1-9、左右侧板1-8和上平台1-5，所述上平台1-5中间采用连接桥1-6连接有纵向布置的密封舱1-1，上平台1-5的四角处分别连接有浮体舱1-7。所述浮体舱1-7中设置有浮力块，根据所需浮力大小更换舱内浮力块。
如图1、6、8所示，所述定位及导航系统2包括水深传感器2-2及九轴陀螺仪2-1，其中，水深传感器2-2水平设置于所述水下机器人主体1中的后密封盖1-3的中部，九轴陀螺仪2-1水平设置于所述水下机器人主体1中的密封舱1-1内的中部，且所述水深传感器2-2及九轴陀螺仪2-1均与所述智能操推系统6中的控制器6-1相连接。
如图1、6、8所示，所述智能监测系统3包括水温度传感器3-2、PH水质传感器3-3、水浊度传感器3-4、辅助照明模块3-5、舱内摄像头3-1、舱外摄像头3-6，其中，所述水温度传感器3-2、PH水质传感器3-3、水浊度传感器3-4均安装在所述水下机器人主体1中的后密封盖1-3上，所述舱内摄像头3-1设置于密封舱1-1内的半球形罩内，舱外摄像头3-6设置于套筒5-3上，所述水温度传感器3-2、PH水质传感器3-3、水浊度传感器3-4均分别与控制器6-1连接，舱内摄像头3-1与树莓派8-3相连接，所述辅助照明模块3-5对称布置于左右侧板1-8上。
如图1、9所示，所述智能多点水样采集系统4位于底板1-9的中部，包括储水罐4-3、储水罐架4-2、单通阀4-5、电磁阀4-1和连接管4-4，所述储水罐4-3以及电磁阀4-1个数为1～10，长度可取0.02～0.5m，直径可取0.01～0.1m，可根据实际需要进行设置。其中，所述储水罐4-3与储水罐架4-2相连接，并可拧开，储水罐4-3进水端通过连接管4-4与电磁阀4-1相连，储水罐4-3尾部与单通阀4-5相连，电磁阀4-1均与控制器6-1相连，其中，单通阀4-5只出不进，外部水无法从单通阀4-5进入储水罐4-3，使用前用真空泵将储水罐4-3抽至近真空状态，当电磁阀4-1打开时，由于水压作用，水将流进电磁阀4-1相对应的储水罐4-3，通过陆上控制箱7-5控制打开不同的电磁阀4-1并记录打开的电磁阀编号、水深及时间，可实现水下多点采样作业，上岸后将储水罐4-3打开即可得到水样。
如图4、10所示，所述智能泥样采集系统5位于底板1-9的后部，包括螺旋杆5-6、套筒5-3、轴承5-7、驱动电机5-5、舵机5-1、驱动电机架5-2和舵机架5-4，其中舵机架5-4固定于底板1-9后部，舵机5-1设置于舵机架5-4上并与驱动电机架5-2相连接，并可上下转动，驱动电机5-5固定于驱动电机架5-2上，其中，套筒5-3为与驱动电机架5-2相连接的桶状结构，桶底端设有安置轴承5-7的中心孔，所述螺旋杆5-6安置在套筒5-3中，所述驱动电机5-5的输出轴穿过轴承5-7与所述螺旋杆5-6相连接，所述驱动电机5-5与舵机5-1均与控制器6-1相连。所述套筒5-3将螺旋杆5-6套住，套筒5-3与螺旋杆5-6之间仅有极小缝隙，防止泥样滑出，取泥样时，驱动电机5-5带动螺旋杆5-6，螺旋杆5-6将泥样抬升至顶部，可进行多点采样，并记录打开的采样的水深及时间，根据泥样在套筒5-3内先后顺序可区分样本。所述智能泥样采集系统5长度取水下机器人主体长的0.2～0.5倍，直径可取水下机器人主体宽的0.14～0.4倍。
如图3、5所示，智能操推系统6包括水平布置的四个水下推进器6-4、垂直布置的两个水下推进器6-3、电机驱动器6-2以及控制器6-1，六个所述水下推进器对称分布于水下机器人主体的上平台1-5首部和尾部、侧板1-8中部。水平布置的四个水下推进器6-4其轴线方向均与中纵剖面成0～60度角，该角度应依据实际情况进行选取，所有推进器均与电机驱动器6-2相连接，电机驱动器6-2与控制器6-1连接，该结构可使得水下机器人完成进退、升沉、转艏、横移、横滚等运动。
如图8、11、12所示，所述陆上控制系统为一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人的陆上控制器，陆上控制箱7-5与水下机器人通过上位机电力载波7-2、电力载波8-4利用两芯双绞线进行连接，控制水下机器人运动及作业，并可实时接收水下图像与传感器信息，其包括陆上控制箱7-5体、上位机控制器8-1、上位机树莓派8-2、上位机电力载波7-2、显示屏8-5、操作面板7-4、二维平面操纵器7-1、上位机电池7-3，其中上位机电力载波7-2与陆上控制箱7-5内的上位机树莓派8-2相连接，上位机树莓派8-2与显示屏8-5相连接，即可将水下处理后的图像及数据进行显示，上位机电力载波7-2与上位机控制器8-1相连接，二维平面操纵器7-1产生的模拟信号通过上位机控制器8-1的处理后变成数据信号，通过上位机电力载波7-2传输至密封舱1-1内的控制器6-1，控制水下机器人的运动。
如图8、11、12所示，所述智能图像处理及传输系统8可将水下图像进行处理后传输至陆上控制箱7-5，在显示屏8-5上进行显示，包括上位机树莓派8-2、树莓派8-3、上位机电力载波7-2、电力载波8-4，在密封舱1-1内的树莓派8-3与控制器6-1及舱内摄像头3-1、舱外摄像头3-6相连接，其网口端与电力载波8-4相连接，电力载波8-4的两根线通过两芯双绞线与陆上控制箱7-5内的上位机电力载波7-2相连接，陆上控制箱7-5内的上位机电力载波7-2与上位机树莓派8-2相连接，上位机树莓派8-2与显示屏8-5相连接，即可将水下处理后的图像及数据进行显示，摄像头3-6可观测到泥样采集实况，方便操作员操作，树莓派8-3将舱内摄像头3-1、舱外摄像头3-6回传的图像处理，在显示屏8-5上分左右屏进行显示，方便监控。
如图8所示，所述密封舱1-1的长度为水下机器人主体1长的0.7～1.2倍，前部为半球形其余部分为圆柱形，最大横截面处直径0.1～0.6m，包含圆柱形耐压壳体1-12、半球形密封罩1-2、密封圈1-13、后密封盖1-3、螺丝钉1-10、树莓派8-3、电力载波8-4、控制器6-1、电机驱动器6-2、电池1-4以及舱内摄像头3-1，其中舱内摄像头3-1设置于半球形密封罩1-2内，控制器6-1设置于密封舱1-1前部，电机驱动器6-2设置紧跟着控制器6-1，电池1-4设置于密封舱1-1的底部，树莓派8-3和电力载波8-4在同一平面且均位于电池1-4上方，圆柱形耐压壳体1-12的管口端面上开有螺纹孔，便于后密封盖1-3固定，半球形密封罩1-2固定于头部，后密封盖1-3塞于尾部，后密封盖1-3上设有两道密封圈1-13，塞入圆柱形耐压壳体1-12后受到挤压达到密封目的。
本发明的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人可以同时兼顾泥样、水样两种样本的多点采集，采集形式可分为如下二种：
第一种是通过水下机器人的运动到达采样点，智能泥样采集系统5或智能多点水样采集系统4开始工作，采集泥样或水样，称为单种采样；
第二种为通过水下机器人的运动到达采样点，智能泥样采集系统5及智能多点水样采集系统4同时开始工作，采集泥样和水样，称为多种采样，采集系统的开关均由陆上控制系统发送命令通过智能图像处理及传输系统8传至智能操推系统6后，智能操推系统6操控采集系统的开关。一次下水，可采集多点的泥样和水样。在采样时智能操推系统6会记录采样点的时间、深度、温度等参数，通过智能图像处理及传输系统8发送至陆上控制系统进行保存，方便上岸后查看并标记对应样本号。
本发明具高效的水下采样功能，且结构布局设计符合水下监测及采样的特点，并且有效提高了水下监测及采集的效率，推动水下监测及采集向智能化及自动化转型。
综上所述，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：由水下系统及陆上控制系统组成，其中所述水下系统包括水下机器人主体(1)、定位及导航系统(2)、智能监测系统(3)、智能多点水样采集系统(4)、智能泥样采集系统(5)、智能操推系统(6)和智能图像处理及传输系统(8)，水下系统由陆上控制系统通过脐带缆进行控制和通讯；所述水下机器人主体(1)为长0.3～1.2m的矩形框架，其长宽比为(1～2)：1，长高比为(1.3～3)：1；所述定位及导航系(2)设置于水下机器人主体(1)内；所述智能监测系统(3)水平设置于水下机器人主体(1)上；所述智能多点水样采集系统(4)设置于水下机器人主体(1)中的底板前部；所述智能泥样采集系统(5)设置于水下机器人主体(1)中的底板后部；所述智能操推系统(6)包括四个水平推进器和两个垂直推进器，四个所述水平推进器前后左右对称固定于水下机器人主体(1)中的上板下方，两个所述垂直推进器分别固定于水下机器人主体(1)中的左右侧板上；所述智能图像处理及传输系统(8)分为水上水下两部分，水下部分设置于水下机器人主体(1)内，水上部分设置于陆上控制系统的陆上控制箱(7-5)内；所述定位及导航系统(2)、智能监测系统(3)、智能多点水样采集系统(4)、智能泥样采集系统(5)和智能图像处理及传输系统(8)分别通过导线与所述智能操推系统(6)相连接，所述智能操推系统(6)还通过所述智能图像处理及传输系统(8)采用脐带缆与所述陆上控制系统进行通讯。
2.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述水下机器人主体(1)为左右对称的矩形框架结构，包括采用直角连接件(1-11)相互固定连接的底板(1-9)、左右侧板(1-8)和上平台(1-5)，所述上平台(1-5)中间采用连接桥(1-6)连接有密封舱(1-1)上平台(1-5)的四角处分别连接有浮体舱(1-7)。
3.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述定位及导航系统(2)包括水深传感器(2-2)及九轴陀螺仪(2-1)，其中，水深传感器(2-2)水平设置于所述水下机器人主体(1)的后密封盖(1-3)的中部，九轴陀螺仪(2-1)水平设置于所述水下机器人主体(1)的密封舱(1-1)内的中部，且所述水深传感器(2-2)及九轴陀螺仪(2-1)均与所述智能操推系统(6)相连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述智能监测系统(3)包括水温度传感器(3-2)、PH水质传感器(3-3)、水浊度传感器(3-4)、辅助照明模块(3-5)、舱内摄像头(3-1)、舱外摄像头(3-6)，其中，所述水温度传感器(3-2)、PH水质传感器(3-3)、水浊度传感器(3-4)均安装在所述后密封盖(1-3)上，所述舱内摄像头(3-1)设置于密封舱(1-1)内的半球形罩内，所述舱外摄像头(3-6)设置于套筒(5-3)上，所述水温度传感器(3-2)、PH水质传感器(3-3)、水浊度传感器(3-4)均分别与控制器(6-1)连接，所述舱内摄像头(3-1)与树莓派(8-3)相连接，所述辅助照明模块(3-5)对称布置于侧板(1-8)上。
5.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述智能多点水样采集系统(4)位于底板(1-9)的中部，包括储水罐(4-3)、储水罐架(4-2)、单通阀(4-5)、电磁阀(4-1)、连接管(4-4)，其中，所述储水罐(4-3)安置在所述储水罐架(4-2)上，所述储水罐(4-3)进水端通过所述连接管(4-4)与所述电磁阀(4-1)相连，所述储水罐(4-3)尾部与所述单通阀(4-5)相连，所述电磁阀(4-1)与控制器(6-1)相连。
6.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述智能泥样采集系统(5)位于底板(1-9)的后部，包括螺旋杆(5-6)、套筒(5-3)、轴承(5-7)、驱动电机(5-5)、舵机(5-1)、驱动电机架(5-2)、舵机架(5-4)，其中所述舵机架(5-4)固定于底板(1-9)后部，所述舵机(5-1)设置于舵机架(5-4)上并与所述驱动电机架(5-2)相连接，所述驱动电机(5-5)固定于驱动电机架(5-2)上，所述套筒(5-3)为与驱动电机架(5-2)相连接的桶状结构，桶底端设有安置轴承(5-7)的中心孔，所述螺旋杆(5-6)安置在套筒(5-3)中，所述驱动电机(5-5)的输出轴穿过轴承(5-7)与所述螺旋杆(5-6)相连接，所述驱动电机(5-5)与舵机(5-1)均与控制器(6-1)相连。
7.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：智能操推系统(6)包括四个水平布置的水下推进器(6-4)、两个垂直布置的水下推进器(6-3)、电机驱动器(6-2)，六个所述水下推进器对称分布于水下机器人主体的上平台(1-5)首部和尾部、侧板(1-8)中部；四个水平布置的水下推进器(6-4)其轴线方向均与中纵剖面成0～60度角，所有水下推进器均与电机驱动器(6-2)相连接，电机驱动器(6-2)与控制器(6-1)连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述陆上控制系统为一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人的陆上控制器，陆上控制箱(7-5)与水下机器人通过上位机电力载波(7-2)、电力载波(8-4)利用两芯双绞线进行连接，控制水下机器人运动及作业，并可实时接收水下图像与传感器信息，其包括陆上控制箱(7-5)、上位机控制器(8-1)、上位机树莓派(8-2)、上位机电力载波(7-2)、显示屏(8-5)、操作面板(7-4)、二维平面操纵器(7-1)、上位机电池(7-3)，其中上位机电力载波(7-2)与陆上控制箱(7-5)内的上位机树莓派(8-2)相连接，上位机树莓派(8-2)与显示屏(8-5)相连接，将水下处理后的图像及数据进行显示，上位机电力载波(7-2)与上位机控制器(8-1)相连接，二维平面操纵器(7-1)产生的模拟信号通过上位机控制器(8-1)的处理后变成数据信号，通过上位机电力载波(7-2)传输至密封舱(1-1)内的控制器(6-1)，控制水下机器人的运动。
9.根据权利要求1所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述智能图像处理及传输系统(8)将水下图像进行处理后传输至陆上控制箱(7-5)，在显示屏(8-5)上进行显示，包括上位机树莓派(8-2)、树莓派(8-3)、上位机电力载波(7-2)、电力载波(8-4)，在密封舱(1-1)内的树莓派(8-3)与控制器(6-1)及舱内摄像头(3-1)、舱外摄像头(3-6)相连接，其网口端与电力载波(8-4)相连接，电力载波(8-4)的两根线通过两芯双绞线与陆上控制箱(7-5)内的上位机电力载波(7-2)相连接，陆上控制箱(7-5)内的上位机电力载波(7-2)与上位机树莓派(8-2)相连接，上位机树莓派(8-2)与显示屏(8-5)相连接，将水下处理后的图像及数据进行显示，舱外摄像头(3-6)观测到泥样采集实况，方便操作员操作，树莓派(8-3)将舱内摄像头(3-1)、舱外摄像头(3-6)回传的图像处理，在显示屏(8-5)上分左右屏进行显示，方便监控。
10.根据权利要求2所述的一种用于海洋或内河湖泊的监测采样水下机器人，其特征在于：所述密封舱(1-1)的长度为水下机器人主体(1)长的0.7～1.2倍，前部为半球形，其余部分为圆柱形，最大横截面处直径0.1～0.6m，包含圆柱形耐压壳体(1-12)、半球形密封罩(1-2)、密封圈(1-13)、后密封盖(1-3)、螺丝钉(1-10)、树莓派(8-3)、电力载波(8-4)、控制器(6-1)、电机驱动器(6-2)、电池(1-4)以及舱内摄像头(3-1)，其中舱内摄像头(3-1)设置于半球形密封罩(1-2)内，控制器(6-1)设置于密封舱(1-1)前部，电机驱动器(6-2)设置紧跟着控制器(6-1)，电池(1-4)设置于密封舱(1-1)的底部，树莓派(8-3)和电力载波(8-4)在同一平面且均位于电池(1-4)上方，圆柱形耐压壳体(1-12)的管口端面上开有螺纹孔，便于后密封盖(1-3)固定，半球形密封罩(1-2)固定于头部，后密封盖(1-3)塞于尾部，后密封盖(1-3)上设有两道密封圈(1-13)，塞入圆柱形耐压壳体(1-12)后受到挤压达到密封目的。
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