CN112693571A - 一种水面智能清漂船以及水面智能清漂方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了至少包括船体以及位于船体上的收集舱、电源舱、机舱、驾驶室，电源舱中安装有动力电源，机舱中安装有推进系统和控制系统，所述船体中还设置有压载舱，所述收集舱、电源舱、压载舱和机舱由前至后依次位于船体上，所述收集舱包括导引板、收集舱门、收集舱底板以及集水槽；所述压载舱包括进水管、控制阀、调节水泵以及排水管；船体上还设置有监控装置、传输装置、动态激光雷达模块和双组合定位导航模块。本发明提供了一种船体结构简单、结构紧凑、制作成本低、无人操控、自主航行、自动收集的水面智能清漂船及其水面智能清漂方法。

Description

一种水面智能清漂船以及水面智能清漂方法

技术领域

本发明涉及水环境治理领域，具体是一种无人情况下对水面漂浮物打捞回收的水面智能清漂船。

背景技术

目前，随着社会的发展和经济的日益增长，环境污染的问题也越来越突出，其中水环境污染更是触目惊心。水环境污染包括水体污染和水面垃圾的污染，由于民众和企业的环保意识淡薄，肆意在湖泊、河流中丢弃漂浮废弃物，导致漂浮物的大量堆积，对水体产生严重的污染。因此，为了保护水环境，需要对于江河湖泊中的水面漂浮物及时进行打捞收集处理。

现阶段，本领域中大多采用人工打捞或者清漂船对于水面漂浮物进行打捞收集处理，清漂船具有打捞面积大、装载量多等优点，目前的清漂船主要采用机械爪或者抓斗对水面的漂浮物进行打捞，然后通过传送带运送至存储仓内进行收集存放。在长期的使用中，工作人员发现现有的清漂船存在有以下缺陷：1、由于采用机械爪或抓斗进行打捞，对于体积过大或者体积过小的漂浮物，抓取效果不理想，经常会发生抓取不牢或无法抓取的情形。2、由于需要使用传送带将机械爪或者抓斗所打捞的漂浮物传送至存储仓内，因此传送带变相占用了船体的空间，并且增加了清漂船的制造成本。3、由于人工打捞有打捞时间限制，并且考虑人员安全打捞活动会受环境和气候等极限条件限制，因此影响了人工打捞的效率，降低了打捞的水面垃圾量，也增加了人力成本。综上所述，本领域中急需提供一种能够解决上述缺陷的清漂船。

发明内容

本发明解决了现有技术中的不足，提供了一种船体结构简单、结构紧凑、制作成本低、无人操控、自主航行、自动收集的水面智能清漂船。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种水面智能清漂船，至少包括船体以及位于船体上的收集舱、电源舱、机舱、驾驶室，电源舱中安装有动力电源，机舱中安装有推进系统，所述船体中还设置有压载舱，所述收集舱、电源舱、压载舱和机舱由前至后依次位于船体上，所述收集舱包括导引板、收集舱门、收集舱底板以及集水槽；所述导引板安装于收集舱的前端的开口处且导引板的角度可调节，所述收集舱门同样安装于收集舱的前端的开口处且位于导引板的后方，所述集水槽位于收集舱的底部，收集舱底板为镂空式结构且位于集水槽的上方；所述压载舱包括进水管、控制阀、调节水泵以及排水管，所述进水管位于压载舱的两侧的船舷上，且控制阀安装于进水管上并控制船舷外的水体经进水管进入压载舱，所述排水管与调节水泵连接，排水管的进水端分布在压载舱和集水槽中，排水管的出水端位于船舷上，在调节水泵的带动下压载舱和集水槽内的水经排水管排出船体外；

所述船体上还设置有监控装置、动态激光雷达模块和双组合定位导航模块，且均通过无线信号与操控系统连接；所述监控装置包括摄像机、摄像机保护罩、嵌入式录像机、摄像机云台和图像信号转换器，并安装于太阳能光伏顶伸甲板前沿，用于实时获取船体周边水域的图像信息；所述动态激光雷达模块由激光雷达扫描传感器和毫米波雷达组成且均位于船顶靠近船头一端，用于测距和检测障碍物；所述双组合定位导航模块包括至少两个的GPS定位传感器和惯性传感器，且均位于收集舱的前端和后端，所述GPS定位传感器用于获取船体定位；所述惯性传感器用于检测船体运动数据；所述驾驶室位于电源舱上方并设置有操控系统；所述操控系统设置有工控机，所述工控机嵌入有动态避障算法和三维视觉识别算法，所述动态避障算法用于实现定位与障碍物的识别运算处理，所述三维视觉识别算法用于判别目标特征。

所述驾驶室内设置有调节手柄和钢丝绳，钢丝绳的一端连接在收集舱门上，另一端连接在调节手柄上，所述调节手柄通过钢丝绳控制收集舱门的启闭。

所述船体的顶部设置有太阳能光伏顶伸甲板，所述太阳能光伏顶伸甲板与电源舱中的电源连接。

所述船体还设置有传输设备，所述传输设备包括光纤、电缆、信号转换器和路由器，用于电路和无线信号之间的连接。

所述水面智能清漂船还设置有远程控制站，所述远程控制站与操控系统后台通过无线信号相连接，用于岸边实时监查船体航行及作业情况。

一种基于权利要求1所述水面智能清漂船的水面智能清漂方法，包括以下步骤：(1)、将上述水面智能清漂船放置于目标作业水域，并对上述水面智能清漂船进行调试，确保其启动正常；

(2)、水面智能清漂船在预设航线的航行过程中，监控装置将采集的图像数据反馈至工控机，工控机中的三维视觉识别算法判断为水面垃圾后，操控系统规划航线，船体开始靠近目标水面垃圾；

(3)、航行过程中，动态激光雷达模块获取周边环境的数据信息并反馈至操控系统，操控系统通过动态避障算法进行融合，对航线进行调整；

(4)、双组合定位导航模块获取实时位置信息并发送至操控系统，若检测到船体偏离航线，操控系统发出纠偏指令；

(5)、船体靠近水面垃圾后，压载舱中的进水管引入水体流入舱内，使水面高于收集舱底板，水面垃圾随着水流进入收集舱内，然后根据作业水域水深及漂浮垃圾的情况关闭控制阀，使用调节水泵对收集舱和压载舱内的蓄水抽排，从船舷两侧流出；

(6)、收集舱垃圾收集满后，关闭调节舱门，操控系统控制船体驶向岸边。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明的水面智能清漂船，在进行水面垃圾的收集时，通过压载舱中的进水管引入水体流入舱内，使水面高于收集舱底板，然后根据作业水域水深及漂浮垃圾的情况关闭控制阀，使用调节水泵对收集舱内的蓄水抽排，船舷两侧流出来，简化了打捞方式，从而提高了打捞效率；2、本发明提供的水面智能清漂船通过收集舱底板的镂空式结构、集水槽和调节水泵相互协作来替代传送带及其组件提高了船体的水面垃圾储存量，同时也降低了船体的制作成本；3、本发明提供的水面智能清漂船通过水面垃圾经过导引板和收集舱门直接进入收集舱的作业方式替代了机械爪或者抓斗克服了机械爪或者抓斗收集水面垃圾时抓取不牢固和抓取困难的问题，并且提高了单次作业的收集量；4、本发明提供的水面智能清漂船通过动态激光雷达模块与双组合定位导航模块相互协作来规划船体航行的动态路线，通过监控装置和三维视觉识别算法对水面垃圾的图像采集和识别分析后，操控系统发出打捞作业的指令，解决了人工打捞的时间限制，克服了极限环境或气候下的打捞困难，并且解决了人员的安全问题，提高了清漂船打捞的水面垃圾量和打捞效率。

附图说明

图1为本发明提供的水面智能清漂船的俯视图；

图2为本发明提供的水面智能清漂船的结构示意图；

图3为本发明提供的水面智能清漂船的流程图；

图中：1-船体；2-导引板；3-收集舱门；4-集水槽；5-收集舱底板；6-钢丝绳；7-调节手柄；8-调节水泵；9-排水管；10-控制阀；11-进水管；12-推进系统；13-太阳能光伏顶伸甲板；14-动力电源；15-监控装置；16-动态激光雷达模块；17-双组合定位导航模块；18-收集舱；19-驾驶室；20-压载舱；21-机舱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明提供的一种水面智能清漂船，其结构如图1和图2所示，至少包括船体1以及位于船体上的收集舱、电源舱、机舱、驾驶室19，电源舱中安装有动力电源14，机舱中安装有推进系统12，所述船体的顶部设置有太阳能光伏顶伸甲板13，所述太阳能光伏顶伸甲板与电源舱中的电源连接；所述船体中还设置有压载舱20，所述收集舱18、电源舱、压载舱和机舱21由前至后依次位于船体上，所述收集舱包括导引板2、收集舱门3、收集舱底板5以及集水槽4；所述导引板安装于收集舱的前端的开口处且导引板的角度可调节，所述收集舱门同样安装于收集舱的前端的开口处且位于导引板的后方，所述集水槽位于收集舱的底部，收集舱底板为镂空式结构且位于集水槽的上方。所述驾驶室内设置有调节手柄7和钢丝绳6，钢丝绳的一端连接在收集舱门上，另一端连接在调节手柄上，所述调节手柄通过钢丝绳控制收集舱门的启闭。所述压载舱包括进水管11、控制阀10、调节水泵8以及排水管9，所述进水管位于压载舱的两侧的船舷上，且控制阀10安装于进水管上并控制船舷外的水体经进水管进入压载舱，所述排水管与调节水泵连接，排水管的进水端分布在压载舱和集水槽中，排水管的出水端位于船舷上，在调节水泵的带动下压载舱和集水槽内的水经排水管排出船体外。

船体上还设置有监控装置15、传输设备、动态激光雷达模块16和双组合定位导航模块17，传输设备包括光纤、电缆、信号转换器和路由器，船体上的电路模块和动力电源通过光纤和电缆相互连接，通过信号转换器和路由器实时传输获取的数据信息；所述监控装置包括摄像机、摄像机保护罩、嵌入式录像机、摄像机云台和图像信号转换器，并安装于太阳能光伏顶伸甲板前沿且与操控系统连接，用于实时获取船体周边水域的图像信息；所述动态激光雷达模块由激光雷达扫描传感器和毫米波雷达组成，并通过无线信号与操控系统相连；所述激光雷达传感器和毫米波雷达均位于船顶靠近船头一端，用于测距和检测障碍物；所述双组合定位导航模块包括至少两个的GPS定位传感器和惯性传感器；所述GPS定位传感器和惯性传感器均位于收集舱的前端和后端，所述GPS定位传感器通过无线信号与操控系统连接，用于获取船体定位；所述惯性传感器用于检测船体运动数据，通过无线信号与操控系统连接；所述驾驶室19位于电源舱上方并设置有操控系统；所述操控系统设置有工控机，所述工控机嵌入有动态避障算法和三维视觉识别算法，所述动态避障算法用于实现定位与障碍物的识别运算处理，所述三维视觉识别算法用于判别目标特征。动态避障算法具体可参照中国专利CN108664020A中所公开的一种基于速度障碍法和动态窗口法的无人艇动态避障算法和CN109945885A中所公开的无人摩托的动态障碍物避障路径规划计算方法。三维视觉识别算法具体可参照中国专利CN108171713A中所公开的基于视觉的机器人快速识别与三维视觉定位方法、CN102374860B中所公开的三维视觉定位方法及系统和CN103903297B中所公开的三维数据处理和识别方法。

水面智能清漂船还设置有远程控制站，远程控制站与操控系统后台通过无线信号相连接，用于岸边实时监查船体航行及作业情况。

水面智能清漂船的作业流程如图3所示，包括以下步骤：(1)、将上述水面智能清漂船放置于目标作业水域，并对上述水面智能清漂船进行调试，确保其启动正常；

(2)、在水面智能清漂船在预设航线的航行过程中，将监控装置多维度采集航行水域的图像数据反馈至工控机，并与工控机中的三维视觉识别算法内预设的水面垃圾模型库进行比对，判断为水面垃圾后，操控系统规划航线，启动推进系统驶向目标水域，船体开始靠近水面垃圾；

(3)、航行过程中，动态激光雷达模块获取周边环境的数据信息，检测并持续跟踪航线中的障碍物的距离与体积后反馈至操控系统，操控系统通过动态避障算法融合数据并计算分析，结合双组合定位导航模块对航线进行调整，向船体驾驶室内的牵引推进控制器、牵引艇操作手柄发出指令，实现自主避障的功能；

(4)、航行过程中，双组合定位导航模块获取实时位置信息，并发送至操控系统，若检测到船体偏离航线，操控系统发出纠偏指令；

(5)、船体靠近水面垃圾后，压载舱中的进水管引入水体流入舱内，使水面高于收集舱底板，水面垃圾随着水流进入收集舱内，然后根据作业水域水深及漂浮垃圾的情况关闭控制阀，使用调节水泵对收集舱和压载舱内的蓄水抽排，从船舷两侧流出。

(6)、收集舱垃圾收集满后，关闭收集舱门，操控系统控制船体驶向岸边。

本发明提供的水面智能清漂船，通过监控装置采集水域的图像信息并反馈至操控系统，将图像信息通过三维视觉识别算法融合建模，并与预设的水面垃圾三维模型进行比对，判断出水面垃圾后，该水面垃圾所在水域为作业水域；动态激光雷达模块与双组合定位导航模块实时监测船体位置信息，并获取水面垃圾与障碍物的位置信息反馈至操控系统中的工控机，工控机中的动态避障算法根据反馈的位置信息规划航线靠近目标水域，在航行过程中，若偏航或遇障碍物，操控系统发出指令，使船体纠偏或者改变航行进行避障；船体开始航行并靠近水面垃圾后，操控系统发出打捞作业的指令，开始清漂作业。在进行水面垃圾的收集时，通过压载舱中的进水管引入水体流入舱内，使水面高于收集舱底板，然后根据作业水域水深及漂浮垃圾的情况关闭控制阀，使用调节水泵对收集舱内的蓄水抽排，船舷两侧流出，收集舱垃圾堆集满后，关闭收集舱门，船体驶向岸边。这一工作机制，简化了船体的机械部件和制作工艺的同时还降低了船体制作成本和后期的维修成本，提高了清漂船在进行打捞作业时的简便性和打捞的水面垃圾种类的多样性，解决了人工打捞的时间限制，克服了极限环境或气候下的打捞困难，并且提高了清漂船打捞的水面垃圾量，解决了人员的安全问题，整体上加强了清理水面垃圾的实施力度从而对现有水环境污染进行一个及时的改善和治理。

Claims (6)

1.一种水面智能清漂船，至少包括船体以及位于船体上的收集舱、电源舱、机舱、驾驶室，电源舱中安装有动力电源，机舱中安装有推进系统，其特征在于：所述船体中还设置有压载舱，所述收集舱、电源舱、压载舱和机舱由前至后依次位于船体上，所述收集舱包括导引板、收集舱门、收集舱底板以及集水槽；所述导引板安装于收集舱的前端的开口处且导引板的角度可调节，所述收集舱门同样安装于收集舱的前端的开口处且位于导引板的后方，所述集水槽位于收集舱的底部，收集舱底板为镂空式结构且位于集水槽的上方；所述压载舱包括进水管、控制阀、调节水泵以及排水管，所述进水管位于压载舱的两侧的船舷上，且控制阀安装于进水管上并控制船舷外的水体经进水管进入压载舱，所述排水管与调节水泵连接，排水管的进水端分布在压载舱和集水槽中，排水管的出水端位于船舷上，在调节水泵的带动下压载舱和集水槽内的水经排水管排出船体外；

所述船体上还设置有监控装置、动态激光雷达模块和双组合定位导航模块，且均通过无线信号与操控系统连接；所述监控装置包括摄像机、摄像机保护罩、嵌入式录像机、摄像机云台和图像信号转换器，并安装于太阳能光伏顶伸甲板前沿，用于实时获取船体周边水域的图像信息；所述动态激光雷达模块由激光雷达扫描传感器和毫米波雷达组成且均位于船顶靠近船头一端，用于测距和检测障碍物；所述双组合定位导航模块包括至少两个的GPS定位传感器和惯性传感器，且均位于收集舱的前端和后端，所述GPS定位传感器用于获取船体定位；所述惯性传感器用于检测船体运动数据；所述驾驶室位于电源舱上方并设置有操控系统；所述操控系统设置有工控机，所述工控机嵌入有动态避障算法和三维视觉识别算法，所述动态避障算法用于实现定位与障碍物的识别运算处理，所述三维视觉识别算法用于判别目标特征。

2.根据权利要求1所述的水面智能清漂船，其特征在于：所述驾驶室内设置有调节手柄和钢丝绳，钢丝绳的一端连接在收集舱门上，另一端连接在调节手柄上，所述调节手柄通过钢丝绳控制收集舱门的启闭。

3.根据权利要求1所述的水面智能清漂船，其特征在于：所述船体的顶部设置有太阳能光伏顶伸甲板，所述太阳能光伏顶伸甲板与电源舱中的电源连接。

4.根据权利要求1所述的水面智能清漂船，其特征在于：所述船体还设置有传输设备，所述传输设备包括光纤、电缆、信号转换器和路由器，用于电路和无线信号之间的连接。

5.根据权利要求1所述的水面智能清漂船，其特征在于：所述水面智能清漂船还设置有远程控制站，所述远程控制站与操控系统后台通过无线信号相连接，用于岸边实时监查船体航行及作业情况。

6.一种基于权利要求1所述水面智能清漂船的水面智能清漂方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、将上述水面智能清漂船放置于目标作业水域，并对上述水面智能清漂船进行调试，确保其启动正常；

(2)、水面智能清漂船在预设航线的航行过程中，监控装置将采集的图像数据反馈至工控机，工控机中的三维视觉识别算法判断为水面垃圾后，操控系统规划航线，船体开始靠近目标水面垃圾；

(3)、航行过程中，动态激光雷达模块获取周边环境的数据信息并反馈至操控系统，操控系统通过动态避障算法进行融合，对航线进行调整；

(4)、双组合定位导航模块获取实时位置信息并发送至操控系统，若检测到船体偏离航线，操控系统发出纠偏指令；

(5)、船体靠近水面垃圾后，压载舱中的进水管引入水体流入舱内，使水面高于收集舱底板，水面垃圾随着水流进入收集舱内，然后根据作业水域水深及漂浮垃圾的情况关闭控制阀，使用调节水泵对收集舱和压载舱内的蓄水抽排，从船舷两侧流出；

(6)、收集舱垃圾收集满后，关闭调节舱门，操控系统控制船体驶向岸边。

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