CN111332415A - 一种自主巡航节能水质监测船及监测方法 - Google Patents

一种自主巡航节能水质监测船及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种自主巡航节能水质监测船及监测方法。包括船体模块，船体模块上搭载有自主巡航模块、推进模块、水质监测模块、水质采样模块、数据存储与处理模块和能源支持模块，船体模块的船体为M型三体船，船体底部加装水翼，水翼是T形水翼与V形水翼相结合的水翼。本发明采用T型水翼与V型水翼相组合的新型水翼、串联式的水翼布局、全新的M型三体双槽道船形、双动力结构设计，具有高航速、低能耗、高机动性，高稳定性的特点，且体积较小、成本低；其作为搭载平台可通过搭载不同功能模块，实现不同的作业功能。本发明在航行时的阻力大幅度降低，降低能源消耗，提高了船体的稳定性，续航时间长，可实现节能减排的目的。

Description

一种自主巡航节能水质监测船及监测方法
技术领域
本发明涉及的是一种水质监测船，具体地说是一种自主巡航水质监测船。
背景技术
近年来河流、湖泊、海洋污染严重，目前环境监督部口，采样方式均为人工取样。人工进行大范围的采样手段收集的数据也有着误差大、周期长、监测数据分散等缺陷，相较于传统人工水质采样方法，无人船具有尺寸小、智能化水平高、环境适应能力强，但是普通无人船与流体接触面积大，摩擦力大，航速低，能耗较高，且稳定性不足，监测范围小等问题，难以胜任长期大航程大范围的监测作业任务；同时，由于现在节能减排的要求,整个航运界和造船界对于能耗指标的要求达到了新的高度。对于船舶制造来说如何减小航行的阻力一直也是很多研究院校研究的一个方向，减小船舶阻力能够在额定功率下达到更快的速度，达到节能减排的目的。因此，现有的水质监测船存在如下缺点：
1.传统水质监测船具有尺寸小，智能化水平高，但与流体接触面积大，航速低，能耗较高，无法进行大航程的水质监测。
2.传统水质监测船环境适应能力强，但是船体的稳定性不足，不能进行有效而又稳定的监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能耗低，能实现稳定的大范围水质监测的自主巡航节能水质监测船。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的自主巡航节能水质监测船的监测方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的自主巡航节能水质监测船包括船体模块1，所述的船体模块1上搭载有自主巡航模块2、推进模块3、水质监测模块4、水质采样模块5、数据存储与处理模块6和能源支持模块7，所述的船体模块1的船体为M型三体船，船体底部加装水翼，所述的水翼是T形水翼与V形水翼相结合的水翼。
本发明的自主巡航节能水质监测船还可以包括：
1.所述的自主巡航模块2具体包括GPS定位子模块8、操纵子模块9、红外传感子模块10和摄像头子模块11，GPS定位子模块8，用于航行位置的实时定位、航迹规划，并发出航行控制指令，控制推进模块3和操纵模块9工作；操纵子模块9分为自主控制和遥控两种方式，自主控制根据航行控制指令操纵浮标航向，进行浮标航迹实时修正，实现浮标按照预设轨迹自主航行，遥控利用遥控器控制水质监测船航行，操纵子模块还控制舵机来改变水翼的攻角大小与方向来提供部分升力；红外传感子模块10，用于实现避障；摄像头子模块11用于实现实时观测水域实时情况，随时获取水域实时场景。
2.所述的推进模块3包括推进电机子模块12、传动轴子模块13和螺旋桨子模块14，所述传动轴子模块13推进杆一端连接推进电机子模块12、另一端连接螺旋桨子模块14。
3.所述水质监测模块4包括温度传感器子模块15、PH传感器子模块16、浊度传感器子模块17和数据采集子模块18，温度传感器子模块15用于实时采集相关水域的水体的温度信息；PH传感器子模块16用于实时采集相关水域的水体PH值信息；浊度传感器子模块17用于实时采集相关水域的水体浊度值信息；数据采集子模块18用于实时采集温度值、PH值、浊度值相关数据。
4.所述水质采样模块5包括水泵子模块19和水袋子模块20，水泵子模块19由控制系统控制，用于产生吸力将指定区域的水样吸入至水袋中；水袋子模块20用于储集水体样本。
5.数据存储与处理模块6用于水质监测模块采集水体温度值、浊度值、PH值数据信息的存储，解算水质数据。
6.能源支持模块7为水质监测船的自主巡航、遥控航行、水质采样、数据采集与处理提供能源支持。
7.螺旋桨子模块14包括两个螺旋桨，通过操纵装置实现两个螺旋桨之间形成差速进行水质监测船航向控制。
8.包括多个独立的水袋。
基于本发明的自主巡航节能水质监测船的监测方法，通过以下步骤实现水质相关信息的监测、相关水域的水质采样：
(1)根据相关水域监测任务需求，将水质监测船布放于目标水域，并设定任务指令，包括监测船航线、航速、数据采集参数；
(2)当水质监测船接受任务指令后，沿着预设航线航行，与此同步，船体平台模块1搭载的水质监测模块4连续采集PH值、温度值、浊度值；
(3)水质监测模块4开始采集数据的同时，数据存储与处理模块6将水质监测模块4采集的数据进行实时存储，并对水质数据进行解算；
(4)水质监测模块4开始采集数据的同时，水质采样模块5利用水泵子模块19将相关水域的水质样本吸入到水袋子模块20，采集的水体可为相关水域水质分析提供样本；
(5)通过水质监测模块4和数据存储与处理模块6获得监测水域的PH值，温度值，浊度值等数据进行本地存储；同时，通过卫星通讯终端将数据回传到岸上工作人员电脑端。
为了降低水质监测船能耗的基础上，实现稳定的大范围水质监测。本发明提供了一种自主巡航节能水质监测船。针对现有水质监测船存在的弊端，本发明主要达到如下目的：
1.可减小水质监测船阻力，降低船体航行能耗；
2.可对目标水域实现稳定的大范围水质监测；
3.针对不同海况，可利用不同的航行方式到达指定区域实现水质监测。
本发明有益技术效果包括：
1.相较于传统的水质监测船，本发明提供的自主巡航的节能水质监测船能够在不同的航行方式中减小船体阻力，降低船体的能耗；
2.相较于传统的水质监测船，本发明提供的自主巡航的节能水质监测船的稳定性大幅度的提高，解决了水质监测不稳定的问题。；
3.相较于传统的水质监测船，本发明提供的自主巡航的节能水质监测船的机动性大幅度提高，同时具有噪声小、船体易控制、双动力差速实现原地转向的高机动性、提高船体运动的工作效率；
4.相较于传统水质监测船在监测范围与航程上的不足，本发明提供的自主巡航的节能水质监测船可实现大范围大航程的水质监测；
5.本发明提供的自主巡航的节能水质监测船，可针对不同的的水域情况下，提供不同的航行方式(普通航行和水翼航行)，实现应对不同情况下的水质监测，大大提高了水质监测船的监测数据可靠性。
附图说明
图1为本发明所提供一种自主巡航节能水质监测船整体结构组成示意图；
图2为本发明所提供一种自主巡航节能水质监测船的整体示意图；
图3为本发明所提供一种自主巡航节能水质监测船的主视方向示意图；
图4为本发明所提供一种自主巡航节能水质监测船的后视方向示意图；
图5本发明所提供一种自主巡航节能水质监测船的前置新型水翼示意图；
图6为本发明所提供一种自主巡航节能水质监测船的后置新型水翼示意图；
图7为本发明所提供一种自主巡航节能水质监测船的系统组成示意图。
具体实施方式
本发明的自主巡航节能水质监测船由以下模块组成：
(1)船体模块1，用于搭载自主巡航模块2、推进模块3、水质监测模块4、水质采样模块5、数据存储与处理模块6、能源支持模块7。同时，船体设计为M型三体船，底部加装新型水翼提高了船体的稳定性并减小了航行时的阻力。
(2)自主巡航模块2，用于实现水质监测船根据设定的海域航线自主巡航，所述自主巡航模块2具体包括：
(2.1)GPS定位子模块8，用于监测水质监测船航行位置的实时定位、水质监测船航迹规划，并发出水质监测船航行控制指令，控制推进模块3和操纵模块9工作；
(2.2)操纵子模块9，可分为自主控制和遥控两种方式；自主控制根据航行控制指令操纵浮标航向，进行浮标航迹实时修正，实现浮标按照预设轨迹自主航行；遥控是工作人员利用遥控器控制水质监测船航行；同时还控制舵机来改变水翼的攻角大小与方向来提供部分升力。
(2.3)红外传感子模块10，用于实现避障功能。
(2.4)摄像头子模块11，用于实现实时观测水域实时情况，随时获取水域实时场景，为岸上工作人员提供决策服务。
(3)推进模块3，根据航行控制指令产生匹配的推力，作为水质监测船航行的动力，本发明采用双螺旋桨推进，具有噪声小，船体易控制，双动力差速实现原地转向的高机动性，提高船体运动的工作效率。
所述推进模块3具体包括：推进电机子模块12、传动轴子模块13、螺旋桨子模块14。所述传动轴13子模块推进杆一端连接推进电机子模块12，另一端连接螺旋桨子模块14。
(4)水质监测模块4，用于监测相关水域的水质数据，所述水质监测模块4具体包括：
(4.1)温度传感器子模块15，用于实时采集相关水域的水体的温度信息；
(4.2)PH传感器子模块16，用于实时采集相关水域的水体PH值信息；
(4.3)浊度传感器子模块17，用于实时采集相关水域的水体浊度值信息；
(4.4)数据采集子模块18，用于实时采集温度值、PH值、浊度值相关数据。
(5)水质采样模块5，用于采集指定区域的水质样本，带回实验室作为实验样本，所述水质采样模块5具体包括：
(5.1)水泵子模块19，由控制系统控制，用于产生吸力将指定区域的水样吸入至水袋中；
(5.2)水袋子模块20，用于储集水体样本，本装置设置了多个独立的水袋，方便水质监测取样。
(6)数据存储与处理模块6，用于水质监测模块采集水体温度值、浊度值、PH值数据信息的存储，解算水质数据；
(7)能源支持模块7，为水质监测船的自主巡航、遥控航行、水质采样、数据采集与处理提供能源支持。
本发明的自主巡航节能水质监测船，船体结构采用M形双凹槽三体船结构并在船体下部加入T形水翼与V形水翼相结合的新型水翼。
本发明的自主巡航节能水质监测船，通过安装推进装置实现水质监测船航行功能；通过操纵装置实现两个螺旋桨之间形成差速进行水质监测船航向控制；通过GPS终端系统实现水质监测船航线的规划与校正。
本发明的自主巡航节能水质监测船，动力装置采用双螺旋桨结构，较于传统舵机加电机推进，具有噪声小，船体易控制，双动力差速实现原地转向的高机动性，提高船体运动的工作效率。在增加动力结构的同时增强了机动性，并减少了传统的舵面。
本发明基于自主巡航节能水质监测船实现相关水域中水质的温度值、PH值、浊度值的监测过程，包括以下步骤：
(1)根据相关水域水质监测任务需求，将水质监测船布放于目标水域岸边，并设定任务指令，包括水质监测船的航线、航速及针对不同的海况设置不同的航行方式(普通航行或水翼航行)；
(2)当水质监测船接受任务指令后，沿着预设航线航行，与此同步，船体模块1搭载的水质监测模块4连续采集水质的PH值、温度值、浊度值数据信息，另外水质采样模块5采集相关水域的水体样本；
(3)水质监测模块4开始采集数据的同时，数据存储与处理模块6将水质监测模块4采集的数据进行实时存储；
(4)通过水质监测模块4和数据存储与处理模块6获得监测航线上的PH值、温度值、浊度值相关数据。将该数据在水质监测船上进行本地存储，同时，通过GPS无线卫星通讯终端将数据回传到岸边工作人员电脑端。
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
本发明所提供的一种自主巡航节能水质监测船，其总体结构组成如图1所示，包括：包括：船体模块1、自主巡航模块2、推进模块3、水质监测模块4、水质采样模块5、数据存储与处理模块6、能源支持模块7。
其中，所述自主巡航模块2具体包括：GPS定位子模块8、操纵子模块9、红外传感子模块10、摄像头子模块11；所述推进模块3具体包括：推进电机子模块12、传动轴13、螺旋桨14。所述水质监测模块4具体包括：温度传感器子模块15、PH传感器子模块16、浊度传感器子模块17、数据采集子模块18；所述水质采样模块5具体包括：水泵子模块19、水袋子模块20；所述能源支持模块7包括：蓄电池子模块21。
本发明所提供的一种自主巡航节能水质监测船对相关水域进行水质监测的实施步骤，具体如下：
步骤(1)根据相关水域水质监测任务需求，将水质监测船布放于目标水域岸边，并设定任务指令，包括水质监测船的航线、航速及针对不同的海况设置不同的航行方式(普通航行或水翼航行)；
步骤(2)当水质监测船接受任务指令后，沿着预设航线航行，与此同步，船体模块1搭载的水质监测模块4连续采集水质的PH值、温度值、浊度值数据信息，另外水质采样模块5采集相关水域的水体样本；
步骤(3)水质监测模块4开始采集数据的同时，数据存储与处理模块6将水质监测模块4采集的数据进行实时存储；
步骤(4)通过水质监测模块4和数据存储与处理模块6获得监测航线上的PH值、温度值、浊度值相关数据。将该数据在水质监测船上进行本地存储，同时，通过GPS无线卫星通讯终端将数据回传到岸边工作人员电脑端。
本发明所提供的一种自主巡航节能水质监测船，采用T型水翼与V型水翼相组合的新型水翼、串联式的水翼布局、全新的M型三体双槽道船形、双动力结构设计，具有高航速、低能耗、高机动性，高稳定性的特点，且体积较小、成本低；其作为搭载平台可通过搭载不同功能模块，实现不同的作业功能。本发明提供的一种自主巡航节能水质监测船具有自主控制和遥控两种方式，其中自主控制采用GPS定位、摄像头与红外传感器实现自主巡航功能，遥控采用遥控器控制。本发明在航行时的阻力大幅度降低，降低能源消耗，提高了船体的稳定性，续航时间长，可实现节能减排的目的。
以上所述，仅为本发明所提供的一种自主巡航节能水质监测船的最佳实施例，并非对本发明的应用形式进行限制。本发明不限于具体实施方式的范围，凡是利用本发明技术实质和构思的发明创造、变化与修饰均在本发明的技术范围之内。

Claims (10)

1.一种自主巡航节能水质监测船，包括船体模块(1)，其特征是：所述的船体模块(1)上搭载有自主巡航模块(2)、推进模块(3)、水质监测模块(4)、水质采样模块(5)、数据存储与处理模块(6)和能源支持模块(7)，所述的船体模块(1)的船体为M型三体船，船体底部加装水翼，所述的水翼是T形水翼与V形水翼相结合的水翼。
2.根据权利要求1所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：所述的自主巡航模块(2具体包括GPS定位子模块(8)、操纵子模块(9)、红外传感子模块(10)和摄像头子模块(11)，GPS定位子模块(8)，用于航行位置的实时定位、航迹规划，并发出航行控制指令，控制推进模块(3)和操纵模块(9)工作；操纵子模块(9)分为自主控制和遥控两种方式，自主控制根据航行控制指令操纵浮标航向，进行浮标航迹实时修正，实现浮标按照预设轨迹自主航行，遥控利用遥控器控制水质监测船航行，操纵子模块还控制舵机来改变水翼的攻角大小与方向来提供部分升力；红外传感子模块(10)，用于实现避障；摄像头子模块(11)用于实现实时观测水域实时情况，随时获取水域实时场景。
3.根据权利要求2所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：所述的推进模块(3)包括推进电机子模块(12)、传动轴子模块(13)和螺旋桨子模块(14)，所述传动轴子模块(13)推进杆一端连接推进电机子模块(12)、另一端连接螺旋桨子模块(14)。
4.根据权利要求3所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：所述水质监测模块(4)包括温度传感器子模块(15)、PH传感器子模块(16)、浊度传感器子模块(17)和数据采集子模块(18)，温度传感器子模块(15)用于实时采集相关水域的水体的温度信息；PH传感器子模块(16用于实时采集相关水域的水体PH值信息；浊度传感器子模块(17)用于实时采集相关水域的水体浊度值信息；数据采集子模块(18)用于实时采集温度值、PH值、浊度值相关数据。
5.根据权利要求4所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：所述水质采样模块(5)包括水泵子模块(19)和水袋子模块(20)，水泵子模块(19)由控制系统控制，用于产生吸力将指定区域的水样吸入至水袋中；水袋子模块(20用于储集水体样本。
6.根据权利要求5所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：数据存储与处理模块(6用于水质监测模块采集水体温度值、浊度值、PH值数据信息的存储，解算水质数据。
7.根据权利要求6所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：能源支持模块(7)为水质监测船的自主巡航、遥控航行、水质采样、数据采集与处理提供能源支持。
8.根据权利要求7所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：螺旋桨子模块(14)包括两个螺旋桨，通过操纵装置实现两个螺旋桨之间形成差速进行水质监测船航向控制。
9.根据权利要求8所述的自主巡航节能水质监测船，其特征是：包括多个独立的水袋。
10.基于权利要求1所述的自主巡航节能水质监测船的监测方法，其特征是通过以下步骤实现水质相关信息的监测、相关水域的水质采样：
(1)根据相关水域监测任务需求，将水质监测船布放于目标水域，并设定任务指令，包括监测船航线、航速、数据采集参数；
(2)当水质监测船接受任务指令后，沿着预设航线航行，与此同步，船体平台模块(1)搭载的水质监测模块(4)连续采集PH值、温度值、浊度值；
(3)水质监测模块(4)开始采集数据的同时，数据存储与处理模块(6将水质监测模块(4采集的数据进行实时存储，并对水质数据进行解算；
(4)水质监测模块(4)开始采集数据的同时，水质采样模块(5)利用水泵子模块(19)将相关水域的水质样本吸入到水袋子模块(20)，采集的水体可为相关水域水质分析提供样本；
(5)通过水质监测模块(4)和数据存储与处理模块(6)获得监测水域的PH值，温度值，浊度值等数据进行本地存储；同时，通过卫星通讯终端将数据回传到岸上工作人员电脑端。
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