CN112947413B - 一种无人驾驶智能清漂船 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人驾驶智能清漂船，船体中设置有收集舱、电源舱、机舱、驾驶室和压载舱，压载舱内进水管控制船舷外的水体经进水管进入压载舱，船体形成艏倾状态，水面高于收集舱底板，使船体进行垃圾打捞，所述船体上设置有双组合导航定位系统、监控装置和动态激光雷达，通过操控系统内嵌入的动态避障算法对三者传送的信号进行感知、融合，实现对障碍物的识别和定位，重新规划航行路线，实现清漂船的避障；当清漂船发生故障时，远程控制站操纵清漂船返回。本发明提供的无人驾驶智能清漂船，该船体结构简单、紧凑，打捞效率高，人力投入低，能够实现无人驾驶和无人打捞。
Description
技术领域
本发明涉及水环境治理领域，具体涉及一种无人驾驶的对水面漂浮物自动打捞回收的水面清漂船。
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、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、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，而传送带的体积较大，因此，占用船体的空间较大，而且还增加了清漂船的制造成本；3、采用人工打捞，需要投入大量的人力，打捞效率较低，而且还存在水上人工安全的隐患。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种无人驾驶智能清漂船，该船体结构简单、紧凑，打捞效率高，人力投入低，能够实现无人驾驶和无人打捞。
实现本发明上述目的所采用的的技术方案为：
一种无人驾驶智能清漂船，至少包括远程控制站、船体以及位于船体上的收集舱、电源舱、机舱和驾驶室，其中电源舱中安装有电源，机舱中安装有推进系统，驾驶室中安装有操控系统，操控系统连接远程控制站和推进系统，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，所述驾驶室位于电源舱和压载舱的上方，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，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，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；
所述收集舱前端和后端的顶部上设置有与电源连接的双组合导航定位系统，用于船体的定位，双组合导航定位系统通过5G网络连接操控系统，所述驾驶室的顶部设置有与电源连接的监控装置和动态激光雷达，所述监控装置通过无线网桥架方式与操控系统连接，并将水面图像信号实时传输到操控系统，所述动态激光雷达对航行水域及周边环境进行三维动态扫描，动态激光雷达与操控系统连接并将扫描获取的三维点云数据输送到操控系统，所述操控系统设置有嵌入动态避障算法的工控机，动态避障算法感知、融合双组合导航定位系统、监控装置和动态激光雷达的信号，并对信号进行识别和运算处理，从而实现对障碍物的识别和定位，根据障碍物的定位信息对航行路线重新规划，绕开障碍物，实现清漂船的避障；所述操控系统与远程控制站通过5G网络连通，操控系统将接收的信号通过本地服务器传送到云端服务器，远程控制站接收云端服务器的信号，在岸上对清漂船的航行及作业情况进行监查和操纵。
所述操控系统上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，所述调节手柄受操控系统控制并通过钢丝绳控制收集舱门的启闭，所述进水管控制阀和调节水泵通过电线与操控系统连接并连接于电源上，操控系统通过控制电路的连通和断开来控制进水管控制阀和调节水泵的启闭。
所述监控装置包括前端摄像机、回转云台、传输光纤、信号转换器和路由器，所述回转云台水平旋转360°，前端摄像机采集图像，传输光纤、信号转换器和路由器将信号传送到操控系统，从而实现清漂船航行水域的360°监控。
所述双组合导航定位系统采用北斗、GPS、GLONASS双天线定向，并结合基站实现RTK定位，所述双组合导航系统还集成有惯性传感器，用于组合导航及定位定向。
所述驾驶室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。
所述监控装置安装于太阳能光伏顶伸甲板前端中部。
所述操控系统上设置有转换开关，通过控制转换开关切换人工驾驶模式和无人驾驶模式。
本发明还提供了一种无人驾驶智能清漂船的驾驶方法，当切换为无人驾驶模式时，包括以下步骤：(1)将上述清漂船放置于目标作业水域，并对清漂船进行调试，确保其启动正常；
(2)操控系统根据作业水域确定航行计划路线，并控制推进系统按航行路线巡航、清理垃圾；
(3)双组合导航定位系统、监控装置和动态激光雷达不断将采集到的信号传送给操控系统，操控系统中动态避障算法感知、融合接收到的信号，当识别到有静态障碍物时，根据障碍物的定位信息对航行路线重新规划，并控制推进系统绕开障碍物，实现清漂船的静态避障；
(4)当识别到有动态障碍物时，若动态障碍物的运行方向与清漂船的一致或相反，操控系统控制推进系统使清漂船的航行方向偏离动态障碍物，待避障完成后，操控系统发出纠偏指令，控制船体回归计划路线，若动态障碍物的运行方向在清漂船的船头横向穿过时，操控系统控制清漂船停止航行，直到动态障碍物远离，操控系统控制清漂船继续航行；
(5)操控系统通过动态避障算法对动态激光雷达和监控装置输送的数据进行融合，当识别到清漂船与岸边距离超出安全区域时，操控系统输出指令，控制推进系统进入安全区域。
(6)当清漂船发生故障时，所述远程控制站操纵清漂船返回。
与现有技术相比，本发明所提供的无人驾驶智能清漂船的有益效果是：1、本发明设计的清漂船通过压载舱的进水和出水控制船体收集舱收集垃圾，操作简单，打捞效果好。2、本发明中收集舱的结构简单、紧凑，垃圾存放空间大，清漂船的制作成本低。3、本发明中收集舱底板为镂空式结构，便于垃圾与水体的分离，提高垃圾储存量。4、本发明通过双组合导航定位系统、监控装置、动态激光雷达、操控系统的配合使用实现了打捞方式的自动化以及无人驾驶，打捞效率高，且减少了投入的人工。5、本发明在清漂船上设置有监控装置和动态激光雷达，能够起到防碰撞预警，适用于狭窄水域及弯曲水域等危险区域的垃圾打捞，避免了人工打捞的安全隐患。6、本发明提供的无人驾驶智能清漂船连接有远程监控站，能够实现在岸上对清漂船进行实时监查和远程控制。7、本发明中清漂船上设置有太阳能光伏顶伸甲板，能够对船体各运行部件进行供电，节约能源并较少污染。
附图说明
图1为本发明提供的无人驾驶智能清漂船的俯视图；
图2为本发明提供的无人驾驶智能清漂船的立体结构图；
图3为本发明提供的无人驾驶智能清漂船的结构原理框图；
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-电源；15-监控装置；16-动态激光雷达；17-双组合导航定位系统；18-驾驶室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
一种无人驾驶智能清漂船，其结构如图1和图2所示，一种无人驾驶智能清漂船，至少包括远程控制站、船体1以及位于船体上的收集舱、电源舱、机舱和驾驶室18，其中电源舱中安装有电源14，所述驾驶室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；机舱中安装有推进系统12，驾驶室中安装有操控系统，操控系统连接远程控制站和推进系统，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，所述驾驶室位于电源舱和压载舱的上方，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，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，所述操控系统上设置有调节手柄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，所述调节手柄受操控系统控制并通过钢丝绳控制收集舱门的启闭，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，便于将水和垃圾分离；
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；所述进水管控制阀和调节水泵通过电线与操控系统连接并连接于电源上，操控系统通过控制电路的连通和断开来控制进水管控制阀和调节水泵的启闭，当清漂船在打捞时，操控系统打开控制阀使舷外水体自动流入压载舱，船体形成艏倾状态，水面高于收集舱底板，从而进入垃圾打捞模式，垃圾打捞完后，操控系统打开调节水泵，使压载舱和集水槽内的水经排水管排出船体外，恢复船体巡航模式；
所述收集舱前端和后端的顶部上设置有与电源连接的双组合导航定位系统17，双组合导航定位系统采用北斗、GPS、GLONASS双天线定向，并结合基站实现RTK定位，所述双组合导航系统还集成有惯性传感器，位用于组合导航及定定向，双组合导航定位系统通过5G网络连接操控系统，所述驾驶室的顶部设置有与电源连接的监控装置15和动态激光雷达16，本实施例中，监控装置安装于太阳能光伏顶伸甲板前端中部位置，所述监控装置通过无线网桥架方式与操控系统连接，监控装置包括前端摄像机、回转云台、传输光纤、信号转换器和路由器，所述回转云台水平旋转360°，前端摄像机采集图像，传输光纤、信号转换器和路由器将信号传送到操控系统，从而实现清漂船航行水域的360°监控，所述动态激光雷达对航行水域及周边环境进行三维动态扫描，动态激光雷达与操控系统连接并将扫描获取的三维点云数据输送到操控系统，所述操控系统设置有嵌入动态避障算法的工控机，动态避障算法感知、融合双组合导航定位系统、监控装置和动态激光雷达的信号，并对信号进行识别和运算处理，从而实现对障碍物的识别和定位，根据障碍物的定位信息对航行路线重新规划，绕开障碍物，实现清漂船的避障；所述操控系统与远程控制站通过5G网络连通，操控系统将接收的信号通过本地服务器传送到云端服务器，远程控制站接收云端服务器的信号，在岸上对清漂船的航行及作业情况进行监查和操纵。所述操控系统上设置有转换开关，通过控制转换开关切换人工驾驶模式和无人驾驶模式。
本实施例中提供的无人驾驶智能清漂船的驾驶方法的工作原理及模块结构图如图3所示，当切换为无人驾驶模式时，包括以下步骤：(1)将上述清漂船放置于目标作业水域，并对清漂船进行调试，确保其启动正常；
(2)操控系统根据作业水域确定航行计划路线，并控制推进系统按航行路线巡航、清理垃圾；
(3)双组合导航定位系统、监控装置和动态激光雷达不断将采集到的信号传送给操控系统，操控系统中动态避障算法感知、融合接收到的信号，当识别到有静态障碍物时，根据障碍物的定位信息对航行路线重新规划，并控制推进系统绕开障碍物，实现清漂船的静态避障；
(4)当识别到有动态障碍物时，若动态障碍物的运行方向与清漂船的一致或相反，操控系统控制推进系统使清漂船的航行方向偏离动态障碍物，待避障完成后，操控系统发出纠偏指令，控制船体回归计划路线，若动态障碍物的运行方向在清漂船的船头横向穿过时，操控系统控制清漂船停止航行，直到动态障碍物远离，操控系统控制清漂船继续航行；
(5)操控系统通过动态避障算法对动态激光雷达和监控装置输送的数据进行融合，当识别到清漂船与岸边距离超出安全区域时，操控系统输出指令，控制推进系统进入安全区域。
(6)当清漂船发生故障时，所述远程控制站操纵清漂船返回。
Claims (7)
1.一种无人驾驶智能清漂船，至少包括远程控制站、船体以及位于船体上的收集舱、电源舱、机舱和驾驶室，其中电源舱中安装有电源，机舱中安装有推进系统，驾驶室中安装有操控系统，操控系统连接远程控制站和推进系统，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，所述驾驶室位于电源舱和压载舱的上方，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，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，所述操控系统上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，所述调节手柄受操控系统控制并通过钢丝绳控制收集舱门的启闭；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，所述控制阀和调节水泵通过电线与操控系统连接并连接于电源上，操控系统通过控制电路的连通和断开来控制控制阀和调节水泵的启闭，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；当清漂船在打捞时，操控系统打开控制阀使舷外水体自动流入压载舱，船体形成艏倾状态，水面高于收集舱底板，从而进入垃圾打捞模式，垃圾打捞完后，操控系统打开调节水泵，使压载舱和集水槽内的水经排水管排出船体外，恢复船体巡航模式；
所述收集舱前端和后端的顶部上设置有与电源连接的双组合导航定位系统，用于船体的定位，双组合导航定位系统通过5G网络连接操控系统，所述驾驶室的顶部设置有与电源连接的监控装置和动态激光雷达，所述监控装置通过无线网桥架方式与操控系统连接，并将水面图像信号实时传输到操控系统，所述动态激光雷达对航行水域及周边环境进行三维动态扫描，动态激光雷达与操控系统连接并将扫描获取的三维点云数据输送到操控系统，所述操控系统设置有嵌入动态避障算法的工控机，动态避障算法感知、融合双组合导航定位系统、监控装置和动态激光雷达的信号，并对信号进行识别和运算处理，从而实现对障碍物的识别和定位，根据障碍物的定位信息对航行路线重新规划，绕开障碍物，实现清漂船的避障；所述操控系统与远程控制站通过5G网络连通，操控系统将接收的信号通过本地服务器传送到云端服务器，远程控制站接收云端服务器的信号，在岸上对清漂船的航行及作业情况进行监查和操纵。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶智能清漂船，其特征在于：所述监控装置包括前端摄像机、回转云台、传输光纤、信号转换器和路由器，所述回转云台水平旋转360°，前端摄像机采集图像，传输光纤、信号转换器和路由器将信号传送到操控系统，从而实现清漂船航行水域的360°监控。
3.根据权利要求1所述的无人驾驶智能清漂船，其特征在于：所述双组合导航定位系统采用北斗、GPS、GLONASS双天线定向，并结合基站实现RTK定位，所述双组合导航定位系统还集成有惯性传感器，用于组合导航及定位定向。
4.根据权利要求1所述的无人驾驶智能清漂船，其特征在于：所述驾驶室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。
5.根据权利要求4所述的无人驾驶智能清漂船，其特征在于：所述监控装置安装于太阳能光伏顶伸甲板前端中部。
6.根据权利要求1所述的无人驾驶智能清漂船，其特征在于：所述操控系统上设置有转换开关，通过控制转换开关切换人工驾驶模式和无人驾驶模式。
7.一种权利要求1所述的无人驾驶智能清漂船的驾驶方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将上述清漂船放置于目标作业水域，并对清漂船进行调试，确保其启动正常；
（2）操控系统根据作业水域确定航行计划路线，并控制推进系统按航行路线巡航、清理垃圾；
（3）双组合导航定位系统、监控装置和动态激光雷达不断将采集到的信号传送给操控系统，操控系统中动态避障算法感知、融合接收到的信号，当识别到有静态障碍物时，根据障碍物的定位信息对航行路线重新规划，并控制推进系统绕开障碍物，实现清漂船的静态避障；
（4）当识别到有动态障碍物时，若动态障碍物的运行方向与清漂船的一致或相反，操控系统控制推进系统使清漂船的航行方向偏离动态障碍物，待避障完成后，操控系统发出纠偏指令，控制船体回归计划路线，若动态障碍物的运行方向在清漂船的船头横向穿过时，操控系统控制清漂船停止航行，直到动态障碍物远离，操控系统控制清漂船继续航行；
（5）操控系统通过动态避障算法对动态激光雷达和监控装置输送的数据进行融合，当识别到清漂船与岸边距离超出安全区域时，操控系统输出指令，控制推进系统进入安全区域；
（6）当清漂船发生故障时，所述远程控制站操纵清漂船返回。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Hongming Inventor after: Ji Yapeng Inventor after: Liu Lihui Inventor after: Chen Renjing Inventor after: Xu Zan Inventor after: Zhai Xiaofeng Inventor after: Huang Zhuangpeng Inventor after: Huang Fei Inventor before: Li Hongming Inventor before: Ji Yapeng Inventor before: Xu Zan Inventor before: Zhai Xiaofeng Inventor before: Huang Zhuangpeng Inventor before: Huang Fei |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231128 Address after: 518100 floor 11, block a, Haina Baichuan headquarters building, No. 6, Baoxing Road, Haibin community, Xin'an street, Bao'an District, Shenzhen, Guangdong Province Patentee after: China Power Construction Ecological Environment Group Co.,Ltd. Patentee after: China Power Jianshui Environmental Technology Co.,Ltd. Address before: 518127 415, Yanluo Anxin building, Shanmen community, Yanluo street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: China Power Jianshui Environmental Technology Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |