CN111587831B - 一种rov投饵机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ROV投饵机器人，包括球形饵料器和水下航行器，所述球形饵料器和水下航行器牵连在一起，所述球形饵料器包括船身外壳和圆形料斗，所述圆形料斗安装在船身外壳内，所述船身外壳的上方固定安装有外盖，所述圆形料斗的上端与外盖固定连接，所述圆形料斗的上方固定安装有盖子，所述船身外壳内的底部安装有支撑架，所述支撑架上固定安装有骨架，所述圆形料斗卡接在骨架上，所述船身外壳内插设有送料管，所述送料管内转动安装有螺杆，所述支撑架的一侧固定安装有电机支架。本发明涉及水产养殖技术领域，本装置可以使养殖户可随时在家、在办公场所或任何养殖区域对投饵机器人进行操控，做到全天候无缝衔接。
Description
技术领域
本发明涉及水产养殖技术领域，尤其涉及一种ROV投饵机器人。
背景技术
饲料是水产养殖中最主要的可变成本，一般占养殖总成本的50％～80％，投饵量过高，既浪费饲料，增加成本，又增加了局部水域环境恶化的可能性，投饵量过低，会降低养殖对象的生长速度，延长养殖周期，导致单位渔获及其它可变成本和养殖风险的增加，养殖对象对饵料的需求量、生长速度及其饲料转化率都是随着环境条件(包括水温、水质、溶解氧浓度、流速、光照强度和白昼的长度等)的改变而改变的，也与饲料的品质和养殖对象的生理因素相关，这些因素使养殖对象的必需饲料量具有不确定性，几乎不可能通过计算而获得精确数值。
在工业自动化技术还没有普及到传统养殖户的过去，饲料投喂方式基本是以养殖户的自身经验，按照四定规则即定时、定质、定点、定量，同时根据养殖鱼种、数量、养殖环境来人工投喂，全程手工操作，随着工业发展，逐渐产生了自动投饵机，自动投饵机根据预编好的程序或者设置好的机械状态隔一定的时间间隔定点投喂固定的饲料量，逐渐发展到投饵时间和投饵量均可调，但是诸如投饵速度和饵料抛洒面积是不可调的，这种自动投饵仅仅只是代替了手工抛洒动作，并不是真正意义上的自动投饵。
为此，我们提出一种ROV投饵机器人解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种ROV投饵机器人。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种ROV投饵机器人，包括球形饵料器和水下航行器，所述球形饵料器和水下航行器牵连在一起，所述球形饵料器包括船身外壳和圆形料斗，所述圆形料斗安装在船身外壳内，所述船身外壳的上方固定安装有外盖，所述圆形料斗的上端与外盖固定连接，所述圆形料斗的上方固定安装有盖子，所述船身外壳内的底部安装有支撑架，所述支撑架上固定安装有骨架，所述圆形料斗卡接在骨架上，所述船身外壳内插设有送料管，所述送料管内转动安装有螺杆，所述支撑架的一侧固定安装有电机支架，所述电机支架上固定安装有电机，所述送料管的下端固定连接有联轴器，所述螺杆的下端穿过联轴器与电机的驱动端固定连接，所述圆形料斗的下端与送料管的一侧连接；
所述水下航行器包括装配体和主仓体，所述装配体上安装有六个推进器，所述装配体包括底部支架和一对侧框架，两个所述侧框架通过底部支架固定连接，两个所述侧框架相面对的一侧均对称固定连接有一对安装板，每个所述安装板上均固定安装有浮阀，所述主仓体设置在两个侧框架之间，所述安装板之间设置有一对第一固定机构，所述底部支架上安装有第二固定机构，所述第二固定机构内固定安装有水下探照灯，所述主仓体固定安装在两个第一固定机构内，所述主仓体的一端安装有亚克力半球罩，所述亚克力半球罩内安装有摄像头，所述主仓体内安装有蓄电池和ARM主控板。
优选地，所述ARM主控板上设置有温度传感器、深度压力传感器、九轴陀螺仪芯片、电源管理芯片、水质传感器、声波传感系统、电力猫模块和两个继电器，所述主仓体内设置有微型计算机，所述微型计算机与ARM主控板电连接，所述微型计算机通过以太网与电力猫模块电连接，每个所述推进器上均密封安装有无刷电机驱动板，所述无刷电机驱动板与推进器电连接，所述电源管理芯片与蓄电池电连接，两个所述继电器分别与球形饵料器、水下探照灯电连接，所述摄像头通过DCMI电连接有水上通讯模块，所述水上通讯模块通过以太网与ARM主控板电连接，所述水上通讯模块通过无线通讯模块电连接有陆地通讯模块，所述陆地通讯模块通过无线通讯模块电连接有用户端，所述无线通讯模块与电力猫模块电连接。
优选地，所述RM主控板采用以Cortex-M4内核的嵌入式ARM芯片STM32F429IGT6作为MPU的阿波罗开发板并配OV5640摄像模组，所述九轴陀螺仪芯片采用MPU9250实现姿态感知功能，所述摄像头采用OV5640模组。
优选地，所述第一固定机构包括两个仓体卡环，两个所述仓体卡环分别固定连接在两个安装板上，所述主仓体固定卡接在仓体卡环之间。
优选地，所述第二固定机构包括两个链接板，两个所述链接板的两端分别固定连接，其中一个所述链接板与底部支架固定连接，所述水下探照灯固定卡接在两个链接板之间。
优选地，其中两个所述推进器安装在相邻的两个浮阀之间，剩下的四个所述推进器分别安装在各个安装板的底部，六个所述推进器均与侧框架固定连接。
优选的，所述骨架上安装有多个橡胶垫，所述橡胶垫与船身外壳的内壁相抵，所述骨架上设置有五个支撑片，所述圆形料斗通过支撑片与骨架固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、精准投饵投药：对于鱼病防治，使用投饵机器人可以将鱼饵替换成鱼药，同样可进行精准化鱼药投放；
2、远程操控：使养殖户可随时在家、在办公场所或任何养殖区域对投饵机器人进行操控，做到全天候无缝衔接。
附图说明
图1为本发明提出的一种ROV投饵机器人的结构示意图；
图2为本发明提出的一种ROV投饵机器人中骨架的结构示意图；
图3为本发明提出的一种ROV投饵机器人中水下航行器的俯视的结构示意图；
图4为本发明提出的一种ROV投饵机器人中水下航行器的装配体的结构示意图；
图5为本发明提出的一种ROV投饵机器人的系统框图；
图6为本发明提出的一种ROV投饵机器人中水下航行器硬件设计结构框图；
图7为本发明提出的一种ROV投饵机器人中ARM芯片连接图；
图8为本发明提出的一种ROV投饵机器人中推进器14PWM波输出及摄像头19接口原理图；
图9为本发明提出的一种ROV投饵机器人中九轴陀螺芯片原理图；
图10为本发明提出的一种ROV投饵机器人中以太网接口原理图；
图11为本发明提出的一种ROV投饵机器人中I2C接口扩展电路；
图12为本发明提出的一种ROV投饵机器人中DRAM芯片电路图；
图13为本发明提出的一种ROV投饵机器人中电源电路；
图14为本发明提出的一种ROV投饵机器人中USB转串口电路。
图中：1、外盖；2、圆形料斗；3、盖子；4、联轴器；5、电机支架；6、送料管；7、螺杆；8、船身外壳；9、骨架；10、支撑架；11、支撑片；12、侧框架；13、浮阀；14、推进器；15、主仓体；16、ARM主控板；17、仓体卡环；18、亚克力半球罩；19、摄像头；20、底部支架；21、安装板；22、链接板；23、水下探照灯。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1-14，一种ROV投饵机器人，包括球形饵料器和水下航行器，球形饵料器和水下航行器牵连在一起，球形饵料器包括船身外壳8和圆形料斗2，圆形料斗2安装在船身外壳8内，船身外壳8的上方固定安装有外盖1，圆形料斗2的上端与外盖1固定连接，圆形料斗2的上方固定安装有盖子3，船身外壳8内的底部安装有支撑架10，支撑架10上固定安装有骨架9，圆形料斗2卡接在骨架9上，船身外壳8内插设有送料管6，送料管6内转动安装有螺杆7，支撑架10的一侧固定安装有电机支架5，电机支架5上固定安装有电机，送料管6的下端固定连接有联轴器4，螺杆7的下端穿过联轴器4与电机的驱动端固定连接，圆形料斗2的下端与送料管6的一侧连接；
水下航行器包括装配体和主仓体15，装配体上安装有六个推进器14，装配体包括底部支架20和一对侧框架12，两个侧框架12通过底部支架20固定连接，两个侧框架12相面对的一侧均对称固定连接有一对安装板21，每个安装板21上均固定安装有浮阀13，主仓体15设置在两个侧框架12之间，安装板21之间设置有一对第一固定机构，底部支架20上安装有第二固定机构，第二固定机构内固定安装有水下探照灯23，主仓体15固定安装在两个第一固定机构内，主仓体15的一端安装有亚克力半球罩18，亚克力半球罩18内安装有摄像头19，主仓体15内安装有蓄电池和ARM主控板16；
第一固定机构包括两个仓体卡环17，两个仓体卡环17分别固定连接在两个安装板21上，主仓体15固定卡接在仓体卡环17之间，通过仓体卡环17将主仓体15固定安装在装配体上，第二固定机构包括两个链接板22，两个链接板22的两端分别固定连接，其中一个链接板22与底部支架20固定连接，水下探照灯23固定卡接在两个链接板22之间，通过两个链接板22组合成的第二固定机构将水下探照灯23安装在装配体上；
其中两个推进器14安装在相邻的两个浮阀13之间，剩下的四个推进器14分别安装在各个安装板21的底部，六个推进器14均与侧框架12固定连接，在上方和下方均设置推进器14，使得水下航行器可以前后上下的移动以及左右的旋转操作，骨架9上安装有多个橡胶垫，橡胶垫与船身外壳8的内壁相抵，骨架9上设置有五个支撑片11，圆形料斗2通过支撑片11与骨架9固定连接，橡胶垫的弹性作用，使其能够固定在船身外壳8内，支撑片11的设置方便推进器14的安装。
ARM主控板16上设置有温度传感器、深度压力传感器、九轴陀螺仪芯片、电源管理芯片、水质传感器、声波传感系统、电力猫模块和两个继电器，主仓体15内设置有微型计算机，微型计算机与ARM主控板16电连接，微型计算机通过以太网与电力猫模块电连接，每个推进器14上均密封安装有无刷电机驱动板，无刷电机驱动板与推进器14电连接，电源管理芯片与蓄电池电连接，两个继电器分别与球形饵料器、水下探照灯23电连接，摄像头19通过DCMI电连接有水上通讯模块，水上通讯模块通过以太网与ARM主控板16电连接，水上通讯模块通过无线通讯模块电连接有陆地通讯模块，陆地通讯模块通过无线通讯模块电连接有用户端，无线通讯模块与电力猫模块电连接。
本发明中球形饵料器内设置有控制器，控制器接收水下航行器的控制信号，球形饵料器接收到信号后，控制电机转动，电机通过驱动端实现螺杆7的转动，螺杆7转动的时候将圆形料斗2内的饵料向上输送，饵料将会被从圆形料斗2通过送料管6输送输出，继而实现投饵功能，球形饵料器内设置有相应的蓄电池提供电能。
水下航行器(简称ROV)主要由微型计算机、ARM主控板16、主仓体14及装配体、蓄电池、推进器14、无刷电机驱动板、三轴陀螺仪模块、温度、深度、水质等传感器、声波传感系统、摄像头19、电力猫模块及水上通讯模块组成。
水下航行器通过手机或者电脑等用户端控制在水下航行，并拖拽浮在水面的球形饵料器航行，控制球形饵料器自动投饵，水下航行器的前置摄像头19可通过水上通讯模块向手机传输视频数据，显示水下拍摄图像。
水下航行器的头部采用Myring曲线，可有效减少航行阻力，采用六个推进器14，其中四个推进器14为水平推进，位于浮阀13之间的两个推进器14为垂直推进，水下航行器内微型计算机接收用户端的控制指令，微型计算机与ARM主控板16通过串口连接，微型计算机发送指令给ARM主控板16；
ARM主控板16发送PWM波控制推进器14航行、后退、侧移、旋转、翻滚、上浮、下潜等多种运动模式，在水下自由灵活，满足水下复杂环境中运动的要求，水下航行器侧倾姿态调整及上浮下潜推进由航行器，中间的两个推进器14正转或反转实现，水下航行器在航行过程中实时检测3轴陀螺仪模块的姿态信息，当航行姿态出现偏差后自动调整姿态，保证航行姿态稳定。
整个过程均通过远程通讯，其中微型计算机与电力猫模块通过以太网口连接，水下航行器内的电力猫模块与水上通讯模块内电力猫模块通过100M+电缆连接，水上通讯模块内部具备WIFI+GPRS模块，通过无线与手机或PC通讯，传输信息，水上通讯模块还可进行GPS定位，获得更精确的定位信息，水下航行器可通过手机用户端控制在水下航行，水下航行器的前置摄像头19可通过电力猫模块向手机传输视频数据，显示水下拍摄图像。
水下航行器使用5G通讯芯片实现高带宽、零延时传输高清视频数据，采用无线组网技术，实现ROV、手机和电脑无线连接，无线通讯模块选用低功耗元件进行设计，通过多层PCB布线工艺，合理利用空间，具有体积小，重量轻，功耗低，安装灵活的特点，且使用高性能处理器，配合5G通讯芯片工作，对其进行电源管理，高频信号放大，实现无线高频远程通讯需求。
无线通讯模组安装在水下航行器内，将水下拍摄的高清视频数据传输到手机和电脑上进行显示，同时接收手机和电脑的实时控制信息，执行相应任务，本装置将网络通讯、图象压缩、信息传递融成一体，实现了数十公里级的实时遥控功能。
整个自动投饵的控制，是水下航行器通过加固通讯电缆拖动球形饵料器移动，同时向球形饵料器传输串口控制指令，控制球形饵料器进行投饵，水下航行器通过前置摄像头19判断所在区域是否有鱼群聚集，如有鱼群则控制投饵装置进行投饵，通过水质传感器判断鱼群进食意愿是否减弱，当水质开始浑浊，则表示鱼群已吃饱，水质剩余饵料增多，则水下航行器传输指令停止投饵装置投饵工作。
ARM主控板16上的声波传感系统，通过声波传感系统的声波传感器朝水中发射声波，生成鱼和饲料颗粒的影像图片，通过影像图片监视残饵量或者养殖对象的行为来决定是否停止投饵，声波传感器监测残饵量方式能将饲料颗粒和其它物质区分开来，然后判断沉降到养殖水域底部的饲料量是否达到了一个显著水平。
其中声波传感系统使用声波传感成像技术，水下航行器安装了多普勒单元，采用基于超二次曲面技术的三维声纳图像程距数据建模与分割算法，基于简单的点散射目标模型分别对水下柱状目标、球状目标以及组合目标实现了三维声成像。
通过水质传感器及声波传感器判断投饵需求可减少饲料浪费，节省成本，又降低残饵污染导致局部水域环境恶化，由Labview编写的PC端软件根据水下航行器传输过来的水质传感器和声波传感器的数据与云端数据库进行对比分析，并自动做出控制决策，判断水下状态是否正常，实现投饵控制最佳策略。
水下航行器上安装了低照度的摄像头19，可以进行水下目标探测与识别，可在水下拍摄清晰的高分辨率视频，利用图像采集设备获取水产动物的图像，应用图像处理、模式识别等技术进行图像预处理、轮廓提取、特征点标定和特征信息的统计分析等，最终实现水产动物的尺寸计算、形状分析、质量估计和颜色判定等视觉属性测量计算的过程，可实现智能分析水产动物的生长状态，同时将有效数据进行收集，上传到云端数据库进行分析，进一步调整投饵策略，实现人工智能养殖。
水下航行器还可以进行路径规划与自主导航，实现水下航行器的路径规划与自主导航需要的传感器有惯性导航组件、深度计、姿态传感器等，水下航行器内微型计算机对上述传感器测量数据进行采集，每个传感器有独立的采集子程序负责，每进行一次采集过程，新的数据都会保存在姿态解算计算机中的某特定缓存中，以供航位推算算法使用。微型技术机内部存储了多种巡航路径，通过水下摄像头19及声波传感成像系统规避障碍物，找寻鱼群，并由微型计算机内自主导航控制程序控制ROV运动，实现自动投饵功能。
本装置的硬件构造：ARM主控板16采用以Cortex-M4内核的嵌入式ARM芯片STM32F429IGT6作为MPU的阿波罗开发板，并配OV5640摄像模组可以实现潜航器控制板的全部功能；采用MPU9250实现姿态感知功能，MPU9250是一款九轴运动处理装置，含3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计(电子罗盘)，并且自带数字运动处理器(DMP)，可以减少ARM主控板16MPU的处理任务；ARM主控板16输出6路PWM信号，直接控制ROV的六个螺旋桨，实现ARM主控板16六个自由度的运动，可以实现潜航器的前进、后退、上浮、下潜、左偏航、右偏航、左平移、右平移、左翻滚、右翻滚共10种运动模式，每种运动模式还包含6种强度等级，控制板供电和螺旋桨供电由外部12V锂电池提供，锂电池充电控制器外挂；用OV5640模组实现水下图像拍摄，OV5640是一款500万像素的图像传感器，支持DVP接口；ARM主控板16与服务器之间通过通讯电路板桥接，通讯电路板与服务器之间采用WIFI通讯方式，而主控板与通讯电路板之间采用100M双绞线连接，控制板作为TCP客户端接受服务器发出的指令，并向上传输经过JPEG格式压缩的图像数据；通讯模块采用采用SKW77通讯模块。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种ROV投饵机器人，包括球形饵料器和水下航行器，其特征在于，所述球形饵料器和水下航行器牵连在一起，所述球形饵料器包括船身外壳(8)和圆形料斗(2)，所述圆形料斗(2)安装在船身外壳(8)内，所述船身外壳(8)的上方固定安装有外盖(1)，所述圆形料斗(2)的上端与外盖(1)固定连接，所述圆形料斗(2)的上方固定安装有盖子(3)，所述船身外壳(8)内的底部安装有支撑架(10)，所述支撑架(10)上固定安装有骨架(9)，所述圆形料斗(2)卡接在骨架(9)上，所述船身外壳(8)内插设有送料管(6)，所述送料管(6)内转动安装有螺杆(7)，所述支撑架(10)的一侧固定安装有电机支架(5)，所述电机支架(5)上固定安装有电机，所述送料管(6)的下端固定连接有联轴器(4)，所述螺杆(7)的下端穿过联轴器(4)与电机的驱动端固定连接，所述圆形料斗(2)的下端与送料管(6)的一侧连接；
所述水下航行器包括装配体和主仓体(15)，所述装配体上安装有六个推进器(14)，所述装配体包括底部支架(20)和一对侧框架(12)，两个所述侧框架(12)通过底部支架(20)固定连接，两个所述侧框架(12)相面对的一侧均对称固定连接有一对安装板(21)，每个所述安装板(21)上均固定安装有浮阀(13)，所述主仓体(15)设置在两个侧框架(12)之间，所述安装板(21)之间设置有一对第一固定机构，所述底部支架(20)上安装有第二固定机构，所述第二固定机构内固定安装有水下探照灯(23)，所述主仓体(15)固定安装在两个第一固定机构内，所述主仓体(15)的一端安装有亚克力半球罩(18)，所述亚克力半球罩(18)内安装有摄像头(19)，所述主仓体(15)内安装有蓄电池和ARM主控板(16)。
2.根据权利要求1所述的一种ROV投饵机器人，其特征在于，所述ARM主控板(16)上设置有温度传感器、深度压力传感器、九轴陀螺仪芯片、电源管理芯片、水质传感器、声波传感系统、电力猫模块和两个继电器，所述主仓体(15)内设置有微型计算机，所述微型计算机与ARM主控板(16)电连接，所述微型计算机通过以太网与电力猫模块电连接，每个所述推进器(14)上均密封安装有无刷电机驱动板，所述无刷电机驱动板与推进器(14)电连接，所述电源管理芯片与蓄电池电连接，两个所述继电器分别与球形饵料器、水下探照灯(23)电连接，所述摄像头(19)通过DCMI电连接有水上通讯模块，所述水上通讯模块通过以太网与ARM主控板(16)电连接，所述水上通讯模块通过无线通讯模块电连接有陆地通讯模块，所述陆地通讯模块通过无线通讯模块电连接有用户端，所述无线通讯模块与电力猫模块电连接。
3.根据权利要求2所述的一种ROV投饵机器人，其特征在于，所述ARM主控板(16)采用以Cortex-M4内核的嵌入式ARM芯片STM32F429IGT6作为MPU的阿波罗开发板并配OV5640摄像模组，所述九轴陀螺仪芯片采用MPU9250实现姿态感知功能，所述摄像头(19)采用OV5640模组。
4.根据权利要求1所述的一种ROV投饵机器人，其特征在于，所述第一固定机构包括两个仓体卡环(17)，两个所述仓体卡环(17)分别固定连接在两个安装板(21)上，所述主仓体(15)固定卡接在仓体卡环(17)之间。
5.根据权利要求1所述的一种ROV投饵机器人，其特征在于，所述第二固定机构包括两个链接板(22)，两个所述链接板(22)的两端分别固定连接，其中一个所述链接板(22)与底部支架(20)固定连接，所述水下探照灯(23)固定卡接在两个链接板(22)之间。
6.根据权利要求1所述的一种ROV投饵机器人，其特征在于，其中两个所述推进器(14)安装在相邻的两个浮阀(13)之间，剩下的四个所述推进器(14)分别安装在各个安装板(21)的底部，六个所述推进器(14)均与侧框架(12)固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种ROV投饵机器人，其特征在于，所述骨架(9)上安装有多个橡胶垫，所述橡胶垫与船身外壳(8)的内壁相抵，所述骨架(9)上设置有五个支撑片(11)，所述圆形料斗(2)通过支撑片(11)与骨架(9)固定连接。
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