CN113460248B - 一种智能环保无人船及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种智能环保无人船及其运行方法，包括多功能融合船体、连接装置、水质采样装置、菌剂投放装置、垃圾清理装置和控制系统；多功能融合船体为移动式双船体结构，且间距可调；菌剂投放装置安装在左右两个船体之间的侧臂上，菌剂投放装置下方设置有驱动机构；垃圾清理装置安装在多功能融合船体中间，水质采样装置安装在多功能融合船体的船舱后部；控制系统用于对无人船的整体控制；本发明通过控制系统建立全局路径地图及导航更新，实现了无人船的智能全局导航及局部避障导航；通过采用双船体结构对多功能模块进行搭载，以此实现了无人船的自动化，多动能化，并使其具备了良好治理效果，减少了成本投入，提高了无人船的利用率。

Description

一种智能环保无人船及其运行方法

技术领域

本发明涉及无人船技术领域，特别涉及一种智能环保无人船及其运行方法。

背景技术

随着美丽中国的不断推进，近海、湖泊污染治理日益重要；环保的概念逐渐深入人心。水面的环保工作中垃圾清理工作，常常是人为进行打捞，存在很大安全隐患，且效率低下，成本高；菌剂投放工作方面，菌剂投放工作几乎都是靠人工完成的，这种采用人工投放的方式不仅工作量大且效率不高，而且受到投放者技术水平的限制以及河道的具体情况影响，往往无法精确地到指定位置实现精准定量投放，需要投入大量的人工成本，而且由于有的地理位置相对较复杂，操作不安全，对于工作人员来说存在危险性；水质检测工作中，传统水质检测站检测，水质采样水域受限，人工采样效率低，存在安全隐患。同时，无人船参与环保工作方面，多以人工遥控进行操作，不能实现真正无人化；大多无人船大多过度依赖GPS信号进行定位，采用综合融合避障的方法，存在“卡顿”现象，更为重要的是环保船多为单一功能的船使得船的利用率低，提高了使用成本，无法通过一个船实现多种综合治理功能和多项环保工作。

例如专利号为202020384116 .0、名称为一种自动搜集水面垃圾的无人环保船的中国实用新型专利，包括船体，所述船体上设置有固定框架，所述固定框架上设置有垃圾收集装置和控制装置，所述垃圾搜集装置与所述控制装置连接，所述垃圾搜集装置、所述控制装置均连接有电源；该实用新型通过控制装置和电机控制系统，实现完全自动控制环保船的航行路线和工作状态；通过垃圾搜集装置，实现高效率、高安全性的河道清理；通过左右多级拦网，扩大了清洁面积；通过中央拦网解决船只倒行时垃圾易漏出的问题；通过冗余的多推进器协同，实现船只不动下的垃圾收集作业，解决了现有技术中船只只能在行进中进行垃圾收集，容易错漏的缺陷。

再如专利号为202021690872.2、名称为一种具有水面漂浮物识别能力的无人船系统的中国实用新型专利，无人船包括船体以及设置在船体中部的收集仓，收集仓内设置有活动仓体；所述船体的内部设置有蓄电池、控制中心、直流电机、与直流电机传动连接的螺旋桨；所述船体的前端设置有收集通道，收集通道连通收集仓，且活动仓体的前端设置有开口；所述直流电机的数目为两个，分别对称设置在船体的两侧，螺旋桨也分别对称设置在船体后方的两侧，两个直流电机分别通过两个传动总成传动连接两个螺旋桨；该实用新型对水面漂浮物进行准确的定位、识别与分类，并且自动清理水面漂浮物，保证水质的清洁，也保证环境的美观。

然而，众所周知，水面垃圾尤其是工业垃圾或者水葫芦等浮生生物的存在，势必会影响水质，甚至是污染，而上述两个实用新型均只能解决水面垃圾的清理问题，并不能解决水质检测、治理等工作；

因此，我们急需发明一种集多种综合治理功能于一身的智能环保无人船，切实解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种智能环保无人船及其运行方法，通过控制系统建立全局路径地图及导航更新，实现了无人船的智能全局导航及局部避障导航；通过采用双船体结构对多功能模块进行搭载，不仅在功能上实现了垃圾清理、水质检测及菌剂投放的完美结合，而且通过实现双船体之间间距可调节以及双船体之间垃圾清理装置可折叠，进一步提高了本发明无人船的垃圾清理能力，以及在面临障碍时的通过性；以此实现了无人船的自动化，多动能化，并使其具备了良好治理效果，减少了成本投入，提高了无人船的利用率。

本发明的技术方案为：

一种智能环保无人船，其特征在于，包括：多功能融合船体、连接装置、水质采样装置、菌剂投放装置、垃圾清理装置和控制系统；所述多功能融合船体为移动式双船体结构，并通过所述连接装置保持左右两个船体相连接，且两个船体的间距可调；所述多功能融合船体的两个船体上分别至少设有一个激光雷达、摄像头、GPS/IMU传感器模块、浊度测定仪和超声波传感器；所述菌剂投放装置至少设有两个，分别对称安装在左右两个船体之间的侧臂上，并通过排液导管将菌剂投放到水中，且在排液导管出口的下方设置有驱动机构；所述垃圾清理装置安装在多功能融合船体中间，且前端呈外八字形状伸出船体；所述水质采样装置安装在多功能融合船体的船舱后部；所述控制系统用于对本发明智能环保无人船的整体控制。

进一步地，所述控制系统包括：主控制器、主驱动器、图像处理模块、信息传输模块和电源模块；所述主控制器用于针对上述图像处理模块、信息传输模块、激光雷达、GPS/IMU传感器模块、浊度测定仪和超声波传感器发来的信息进行综合分析并向主驱动器发出处理指令；所述主控制器内设有全局路径规划器和局部路径规划器，用于全局和局部路径规划；所述主驱动器用于根据主控制器发出的指令驱动所述驱动机构、连接装置、水质采样装置、菌剂投放装置和垃圾清理装置；所述图像处理模块用于所述摄像头的图像处理；所述信息传输模块用于同远程控制云台或者遥控器与主控制器之间的信息交互；所述电源模块为本发明智能环保无人船的各个装置或模块提供电压大小合适且稳定的电源。

进一步地，所述连接装置包括：Z型连接杆、转轴和伸缩套筒，所述Z型连接杆对称设置在左右两个船体之间的固定槽内，一端通过转轴与船体转动连接，另一端通过伸缩套筒连接；所述伸缩套筒与Z型连接杆滑动配合，用于调节Z型连接杆的宽度，改变左右两个船体的间距大小。

进一步地，所述水质采样装置包括：水质采样导管、水质采样瓶、带齿转盘、从动齿座和挤压锤，所述水质采样导管底端深入到河道内，上端设有电动阀门，输出口正对所述水质采样瓶的瓶口；若干个所述水质采样瓶圆周均布排列安装在带齿转盘上方设置的滑槽内，所述带齿转盘下方设有驱动电机，所述驱动电机固定安装在船体上，输出端与带齿转盘固定连接；所述从动齿座与带齿转盘相啮合，且通过转轴与船体转动连接；所述从动齿座上方固定设有双向丝杆，所述双向丝杆的滑块的前端固定连接有挤压锤，后端设有导向板；双向丝杆的滑块与导向板滑动配合，所述挤压锤随着双向丝杆转动而沿着双向丝杆上下反复运动；在双向丝杆与水质采样导管之间设有加盖机构。

进一步地，所述加盖机构包括：瓶塞竖管、输送板、推动电缸和滑动盖板，所述瓶塞竖管内底部设有弹起件，所述弹起件上方依次正向排列一竖管的瓶塞；所述瓶塞竖管上端固定连接输送板，所述输送板的前端设有正对所述水质采样瓶瓶口的下料口；所述滑动盖板呈“Z”字形，顶部与底部间距为一个瓶塞的高度；所述滑动盖板的底部滑动安装在输送板上，并由设置在输送板上的推动电缸进行前后推拉；所述推动电缸上设有三个停止位，在推动电缸带动下，当处于中间停止位时，滑动盖板底部将瓶塞竖管的上口封住，当处于后停止位时，滑动盖板底部与瓶塞竖管的上口错开，瓶塞弹出并贴合滑动盖板顶部，当处于前停止位时，滑动盖板将瓶塞输送到下料口，实现瓶塞落入到水质采样瓶瓶口内。

进一步地，所述菌剂投放装置包括：菌剂箱、安装板、雾化喷洒器、电动压力泵，所述菌剂箱和雾化喷洒器通过导管相连，菌剂在电动压力泵的压力下从菌剂箱进入到雾化喷洒器内，在通过雾化喷洒器喷洒入河道内；所述菌剂箱通过安装板固定在船体侧壁上；所述菌剂箱设有液位传感器，所述液位传感器向主控制器发送菌剂箱内液面信息。

进一步地，所述垃圾清理装置包括：折叠支撑架和垃圾收集网；所述垃圾收集网包括：垃圾导入网和垃圾收纳网，所述垃圾导入网用于垃圾的导入，位于在船体前端；所述垃圾收纳网位于垃圾导入网后方，用于盛放垃圾，且垃圾收纳网活动安装在船体之间，用于垃圾装满后能够及时拆卸更换。

进一步地，所述折叠支撑架包括：固定块、旋转杆、传动杆、位移杆、从动杆、固定杆和旋转支架；所述固定块固定安装在一侧船体的前端，且设有旋转电机；所述旋转杆转动安装在固定块上，且由旋转电机带动其转动；所述传动杆一端固定在旋转杆的底端，另一端与位移杆铰接；所述位移杆限制在左右两个船体之间，且另一端与从动杆铰接；所述从动杆的另一端转动连接在固定杆的后端；所述固定杆通过固定夹固定在同侧船体的内侧，且固定杆和位移杆上方均固定设有门型框架，所述门型框架周围活动安装垃圾收纳网。

进一步地，所述旋转支架包括：支撑杆、安装框架和调节电机，所述支撑杆固定在旋转杆的顶端，且支撑杆下方的左右两端分别设有两个铰接点；两个所述安装框架对称设置，分别转动安装在支撑杆的两个铰接点处，并通过调节电机调节其与支撑杆的夹角；两个所述安装框架内部均固定安装垃圾导入网，且下端设有下连杆，所述下连杆铰接在两个所述安装框架之间，保证两个所述安装框架的相对角度。

一种智能环保无人船的运行方法，其特征在于：

（一）建立全局路径地图及导航更新：

本发明智能环保无人船进入陌生环境，主控制器向主驱动器发出无人船巡航指令，主驱动器启动驱动机构实现无人船的全路径巡航及环境探索；

工作人员通过遥控器或者控制云台开启建图功能，融合GPS/IMU传感器模块进行初步定位，激光雷达开启在主控制器内形成点云数据，与此同时建图算法和自动探索建图算法同步展开，无人船利用自动建图算法实现激光雷达点云数据的全图覆盖，当点云地图形成闭环结构后，无人船停止建图，并把建立的高精度点云地图保存；

建图结束后，导航功能方可开启，无人船需要去到目标点时，无人船在地图中利用全局规划器，规划出到从船体到目标点的最优路径，并驱动船体前往；在导航过程中，超声波传感器同时开启，根据上述建立的全局路径地图进行导航，当遇到障碍时，主控制器根据激光雷达、超声波传感器以及摄像头进行障碍物距离和大小判断，若障碍物大小在某一设定值以内，伸缩套筒调节Z型连接杆的宽度，改变左右两个船体的间距大小，保证无人船顺利通过；若障碍物大小超出某一设定值，主控制器则进行局部路径重新规划，形成避障路线，完成无人船避障行进；

（二）垃圾清理及折叠避障：

通过遥控器或者控制云台向无人船发出垃圾清理指令后，首先摄像头开启进行实时图像监测，并通过图像处理模块处理将图像数据信息上传至主控制器，主控制器通过信息传输模块将图像数据信息远程传输至控制云台或遥控器，工作人员通过控制云台或遥控器指定需清理的水面垃圾；

主驱动器启动旋转电机调节旋转杆的角度，使垃圾导入网和垃圾收纳网张开，启动调节电机调节两个安装框架的相对角度，实现垃圾导入网整体呈外八型结构，方便垃圾进入到垃圾收纳网中，并防止船体后退时，垃圾倒流；

当遇到的障碍物过大时，需要将垃圾清理装置进行临时聚拢折叠，主驱动器启动调节电机调节两个安装框架相对船体内侧平行，启动旋转电机调节旋转杆回转，使垃圾导入网和垃圾收纳网聚拢到船体一侧；

当通过障碍物后，重复上述动作复位，继续清理水面垃圾；当摄像头监测到垃圾收纳网垃圾过多时，图像处理模块分析情况并将信息上传到更换信息到主控制器，主控制器发动指令到控制云台，提醒工作人员及时更换；当间隔设定时间没有收到工作人员指令时，无人船自动返回至系统设定的默认垃圾收集点，等待垃圾收纳网更换，并将具体位置信息发送至控制云台；

（三）定点、定量水质检测：

当无人船接收遥控器或者控制云台发出的水质检测任务指令时，无人船前往目标点进行抽样；浊度测定仪先对该目标点进行水质浑浊程度检查，并将分析数据上传至主控制器进行记录；随后主驱动器启动电动阀门，将水质样本通过水质采样导管传输至空的水质采样瓶内；收集完毕，关闭电动阀门并启动驱动电机，移动水质采样瓶到达加盖机构处的同时触发推动电缸将采集好的水质采样瓶用瓶塞封口；继续移动水质采样瓶将其运送到挤压锤下方，通过齿轮传动，挤压锤下落对瓶塞进行压紧；同时另一个空的水质采样瓶将移动到水质采样导管出口正下方，为下一次采样做准备；

（四）精准均匀投放菌剂：

当无人船接收遥控器或者控制云台发出的菌剂投放任务指令时，无人船前往目标点进行浊度检测；浊度测定仪先对该目标点进行水质浑浊程度初步检查，并结合摄像头拍摄画面将分析数据上传至主控制器进行分析判定；启动电动压力泵将菌剂箱中的菌剂通过导管流向雾化喷洒器，菌剂从雾化喷洒器流出，以扇形的形状喷出与湖面中；主控制器根据浑浊程度向主驱动器发出调节指令，调节电动压力泵和驱动机构的功率大小，进而改变菌剂的喷洒流量和无人船的行进速度，实现菌剂的精准均匀投放；当液位传感器检测到菌剂箱中的菌剂不足时，及时反馈信息到主控制器，并传递到控制云台提醒工作人员注意。

由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：

具体地，GPS/IMU传感器模块13开启，实现初步定位，激光雷达11同时启动并发布雷达点云，主控制器61启动建图算法和自动探索算法；自动探索算法将无人船在一定区域内行进路线产生的点云数据集合到建图算法中成为地图数据分布点，建图算法内集成综合全局回环地图检测，将在无人船建图构成回环时，对地图进行回环自整定，同时利用GPS/IMU信号分别进行前端优化和后端优化，来进行全局的自我定位整定，并通过感知激光雷达11的点云数据预处理阶段的点云密度情况，分布点云密度疏密信号到建图算法内部，算法内部根据疏密信号，动态调整时间因子的大小，最终自动探索算法检测到已经构成的地图已经成封闭结构时，自动停止建图，完成建图；

1.本发明通过控制系统建立全局路径地图及导航更新，实现了无人船的智能全局导航及局部避障导航；通过采用双船体结构对多功能模块进行搭载，不仅在功能上实现了垃圾清理、水质检测及菌剂投放的完美结合，而且通过实现双船体之间间距可调节以及双船体之间垃圾清理装置可折叠，进一步提高了本发明无人船的垃圾清理能力，以及在面临障碍时的通过性；以此实现了无人船的自动化，多动能化，并使其具备了良好治理效果，减少了成本投入，提高了无人船的利用率；

2.本发明控制系统的主控制器通过自动探索算法和建图算法相结合，利用自动探索算法将点云数据集合到建图算法中成为地图数据分布点，并且建图算法内集成综合全局回环地图检测，实现对地图的回环自整定；于此同时，建图算法中利用GPS/IMU信号分别进行前端优化和后端优化，来进行全局的自我定位整定，并通过感知激光雷达11的点云数据预处理阶段的点云密度情况，动态调整时间因子的大小，实现自整定调节建图，进一步提高了建图的精准性；

3.本发明通过激光雷达、GPS/IMU模块结合进行位置感知，克服无人船对GPS的依赖，对船体的位置做到精准定位，工作更加连续，提高工作效率；

4.本发明双船体结构之间的连接装置通过采用“Z”型连接杆与伸缩套筒结合的方式，既保证了垃圾清理及避障的宽度，又可通过竖直工作状态避免垃圾或障碍过高造成的通过性差的问题；

5.本发明的水质采样装置通过电机带动带齿转盘、带齿转盘带动从动齿座的方式实现水质采样瓶旋转采样、加盖机构加盖瓶塞以及挤压锤压实的全自动连贯动作，有效保证了无人船作业的自动化进行，避免了人工干预产生的低效率、高安全隐患、高成本问题；

6.本发明的菌剂投放装置通过菌剂箱与雾化喷洒器的配合，在电动压力泵的作用下完成菌剂自动喷洒工作，同时通过液位传感器实时监测菌剂箱内菌剂的剩余量进一步保证了菌剂喷洒工作的顺利进行，从而有效保证了无人船作业的自动化进行。

7.本发明的垃圾清理装置通过折叠支撑架与垃圾收集网的配合，既保证了对不同尺寸垃圾的适应性，又保证了在无人船避障过程中的通过性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明连接装置与多功能融合船体连接结构示意图。

图3为本发明水质采样装置具体结构示意图。

图4为本发明加盖机构内部结构剖视图。

图5为本发明加盖机构具体结构示意图。

图6为本发明垃圾清理装置具体结构示意图。

图7为本发明折叠支撑架具体结构示意图。

图8为本发明旋转支架具体结构连接示意图。

图9为本发明菌剂投放装置与多功能融合船体连接结构示意图。

图10为本发明的控制系统示意图。

附图标号：多功能融合船体-1；连接装置-2；水质采样装置-3；菌剂投放装置-4；垃圾清理装置-5；控制系统-6；激光雷达-11；摄像头-12；GPS/IMU传感器模块-13；浊度测定仪-14；；超声波传感器-15；驱动机构-16；Z型连接杆-201；转轴-202；伸缩套筒-203；水质采样导管-301；电动阀门-302；水质采样瓶-303；带齿转盘-304；导向板-305；驱动电机-306；从动齿座-307；双向丝杆-308；挤压锤-309；加盖机构-310；瓶塞竖管-311；输送板-312；推动电缸-313；滑动盖板-314；下料口-316；菌剂箱-401；安装板-402；雾化喷洒器-403；电动压力泵-404；液位传感器-405；折叠支撑架-520；垃圾导入网-521；垃圾收纳网-522；固定块-501；旋转电机-502；旋转杆-503；传动杆-504；位移杆-505；从动杆-506；固定杆-507；固定夹-508；门型框架-509；旋转支架-510；支撑杆-511；安装框架-512；调节电机-513；下连杆-514；主控制器-61；主驱动器-62；图像处理模块-63；信息传输模块-64；电源模块-65。

具体实施方式

本发明公开了一种智能环保无人船及其运行方法，这种设备能够自动定位导航，还能够通过遥控器或者控制云台远程操作实现垃圾清理、智能避障、定点采样、菌剂喷洒的功能。下面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。

实施例，如图1-2所示，一种智能环保无人船，包括：多功能融合船体1、连接装置2、水质采样装置3、菌剂投放装置4、垃圾清理装置5和控制系统6；多功能融合船体1为移动式双船体结构，并通过所述连接装置2保持左右两个船体相连接，且两个船体的间距可调；多功能融合船体1的两个船体上分别设有一个激光雷达11、摄像头12、GPS/IMU传感器模块13、浊度测定仪14和超声波传感器15；菌剂投放装置4设有两个，分别对称安装在左右两个船体之间的侧臂上，并通过排液导管将菌剂投放到水中，且在排液导管出口的下方设置有驱动机构16；垃圾清理装置5安装在多功能融合船体1中间，且前端呈外八字形状伸出船体；水质采样装置3安装在多功能融合船体1的船舱后部；激光雷达11、摄像头12、GPS/IMU传感器模块13、浊度测定仪14、超声波传感器15、驱动机构16、连接装置2、水质采样装置3、菌剂投放装置4以及垃圾清理装置5分别与控制系统6电性连接；控制系统6用于对本发明智能环保无人船的整体控制。

如图10所示，所述控制系统6包括：主控制器61、主驱动器62、图像处理模块63、信息传输模块64和电源模块65；主控制器61用于针对图像处理模块63、信息传输模块64、激光雷达11、GPS/IMU传感器模块13、浊度测定仪14和超声波传感器15发来的信息进行综合分析并向主驱动器62发出处理指令；主控制器61内设有全局路径规划器和局部路径规划器，用于全局和局部路径规划；激光雷达11、GPS/IMU传感器模块13、浊度测定仪14、超声波传感器15与主控制器61电性连接；摄像头12与图像处理模块63电性连接；驱动机构16、连接装置2、水质采样装置3、菌剂投放装置4以及垃圾清理装置5与主驱动器62电性连接；

具体地，GPS/IMU传感器模块13开启，实现初步定位，激光雷达11同时启动并发布雷达点云，主控制器61启动建图算法和自动探索算法；自动探索算法将无人船在一定区域内行进路线产生的点云数据集合到建图算法中成为地图数据分布点，建图算法内集成综合全局回环地图检测，将在无人船建图构成回环时，对地图进行回环自整定，同时利用GPS/IMU信号分别进行前端优化和后端优化，来进行全局的自我定位整定，并通过感知激光雷达11的点云数据预处理阶段的点云密度情况，分布点云密度疏密信号到建图算法内部，算法内部根据疏密信号，动态调整时间因子的大小，最终自动探索算法检测到已经构成的地图已经成封闭结构时，自动停止建图，完成建图；导航过程中，通过遥控器/控制云台发布目标点或者无人船自动识别到目标点时，全局路径规划器运行全局规划算法，算法在地图内进行自我检测和计算，规划一条全局最优路径，无人船沿着该路径行驶到目标点；局部路径规划器进行判断船体与障碍物距离，对船体的位姿进行调整，并稍微修改局部区域内的全局路径，达到避障效果；最终通过全局路径规划器和局部路径规划器实现导航；

主驱动器62用于根据主控制器61发出的指令驱动所述驱动机构16、连接装置2、水质采样装置3、菌剂投放装置4和垃圾清理装置5；图像处理模块63用于所述摄像头12的图像处理；信息传输模块64用于同远程控制云台或者遥控器与主控制器61之间的信息交互；电源模块65为本发明智能环保无人船的各个装置或模块提供电压大小合适且稳定的电源。

作为本实施例的一种优选方案，如图2所示，连接装置2包括：Z型连接杆201、转轴202和伸缩套筒203，Z型连接杆201对称设置在左右两个船体之间的固定槽内，一端通过转轴202与船体转动连接，另一端通过伸缩套筒203连接；伸缩套筒203与Z型连接杆201滑动配合，用于调节Z型连接杆201的宽度，改变左右两个船体的间距大小；伸缩套筒203与主驱动器62电性连接；通过采用Z型连接杆与伸缩套筒结合的方式，既保证了垃圾清理及避障的宽度，又可通过竖直工作状态避免垃圾或障碍过高造成的通过性差的问题；

除此之外，为了保证Z型连接杆201简单可拆卸，Z型连接杆201采用逐段螺栓连接的方式。

作为本实施例的一种优选方案，如图3所示，水质采样装置3包括：水质采样导管301、水质采样瓶303、带齿转盘304、从动齿座307和挤压锤309，水质采样导管301底端深入到河道内，上端设有电动阀门302，输出口正对所述水质采样瓶303的瓶口；10-20个、容量为20ml的水质采样瓶303圆周均布排列安装在带齿转盘304上方设置的滑槽内，带齿转盘304下方设有驱动电机306，且驱动电机306为伺服电机；驱动电机306固定安装在船体上，输出端与带齿转盘304固定连接；从动齿座307与带齿转盘304相啮合，且通过转轴与船体转动连接；从动齿座307上方固定设有双向丝杆308，双向丝杆308的滑块的前端固定连接有挤压锤309，后端设有导向板305；双向丝杆308的滑块与导向板305滑动配合，挤压锤309随着双向丝杆308转动而沿着双向丝杆308上下反复运动；在双向丝杆308与水质采样导管301之间设有加盖机构310；电动阀门302、驱动电机306均与主驱动器62电性连接；

具体地，如图4-5所示，加盖机构310包括：瓶塞竖管311、输送板312、推动电缸313和滑动盖板314，瓶塞竖管311内底部设有弹起件315，弹起件315上方依次正向排列一竖管的瓶塞；瓶塞竖管311上端固定连接输送板312，输送板312的前端设有正对所述水质采样瓶303瓶口的下料口316；滑动盖板314呈“Z”字形，顶部与底部间距为一个瓶塞的高度；滑动盖板314的底部滑动安装在输送板312上，并由设置在输送板312上的推动电缸313进行前后推拉；推动电缸313上设有三个停止位，在推动电缸313带动下，当处于中间停止位时，滑动盖板314底部将瓶塞竖管311的上口封住，当处于后停止位时，滑动盖板314底部与瓶塞竖管311的上口错开，瓶塞弹出并贴合滑动盖板314顶部，当处于前停止位时，滑动盖板314将瓶塞输送到下料口316，实现瓶塞落入到水质采样瓶303瓶口内；推动电缸313与主驱动器62电性连接；

运行时，驱动电机306开启，带齿转盘304带水质采样瓶303转动，每当一个水质采样瓶303转动至水质采样导管301上口的正下方时停止，此时电动阀门302开启，进行采样；当电动阀门302开启定时开启设定时间后关闭，带齿转盘304带动水质采样瓶303转动一格，此时下一个空的水质采样瓶303转动至水质采样导管301上口的正下方，盛满采样水的水质采样瓶303转动至下料口316正下方；电动阀门302开启，继续采样；推动电缸313带动滑动盖板314将已弹出的瓶塞输送到下料口316，实现瓶塞落入到水质采样瓶303瓶口内；当电动阀门302再次关闭且滑动盖板314将已弹出的瓶塞输送到下料口316后，带齿转盘304带动水质采样瓶303再转动一格，此时下一个空的水质采样瓶303转动至水质采样导管301上口的正下方，盛满采样水的水质采样瓶303转动至下料口316正下方，盖上瓶塞的水质采样瓶303转动至挤压锤309正下方；电动阀门302开启，继续采样，滑动盖板314继续将已弹出的瓶塞输送到下料口316；挤压锤309在从动齿座307的带动下随着双向丝杆308转动而沿着双向丝杆308向下运动，将瓶塞压实后向上返回；以此循环，直至驱动电机306旋转360°后停止采样。

作为本实施例的一种优选方案，如图9所示，菌剂投放装置4包括：菌剂箱401、安装板402、雾化喷洒器403、电动压力泵404，菌剂箱401和雾化喷洒器403通过导管相连，菌剂在电动压力泵404的压力下从菌剂箱401进入到雾化喷洒器403内，在通过雾化喷洒器403喷洒入河道内；菌剂箱401通过安装板402固定在船体侧壁上；菌剂箱401设有液位传感器405，液位传感器405向主控制器61发送菌剂箱401内液面信息；通过菌剂箱与雾化喷洒器的配合，在电动压力泵的作用下完成菌剂自动喷洒工作，同时通过液位传感器实时监测菌剂箱内菌剂的剩余量进一步保证了菌剂喷洒工作的顺利进行，从而有效保证了无人船作业的自动化进行。

作为本实施例的一种优选方案，如图6-8所示，所述垃圾清理装置5包括：折叠支撑架520和垃圾收集网；垃圾收集网包括：垃圾导入网521和垃圾收纳网522，所述垃圾导入网521用于垃圾的导入，位于在船体前端；垃圾收纳网522位于垃圾导入网521后方，用于盛放垃圾，且垃圾收纳网522活动安装在船体之间，用于垃圾装满后能够及时拆卸更换。

具体地，折叠支撑架520包括：固定块501、旋转杆503、传动杆504、位移杆505、从动杆506、固定杆507和旋转支架510；固定块501固定安装在一侧船体的前端，且设有旋转电机502；旋转杆503转动安装在固定块501上，且由旋转电机502带动其转动；传动杆504一端固定在旋转杆503的底端，另一端与位移杆505铰接；位移杆505限制在左右两个船体之间，且另一端与从动杆506铰接；从动杆506的另一端转动连接在固定杆507的后端；固定杆507通过固定夹508固定在同侧船体的内侧，且固定杆507和位移杆505上方均固定设有门型框架509，门型框架509周围活动安装垃圾收纳网522；旋转电机502与主驱动器62电性连接；

旋转支架510包括：支撑杆511、安装框架512和调节电机513，支撑杆511固定在旋转杆503的顶端，且支撑杆511下方的左右两端分别设有两个铰接点；两个安装框架512对称设置，分别转动安装在支撑杆511的两个铰接点处，并通过调节电机513调节其与支撑杆511的夹角；两个安装框架512内部均固定安装垃圾导入网521，且下端设有下连杆514，下连杆514铰接在两个安装框架512之间，保证两个安装框架512的相对角度；调节电机513与主驱动器62电性连接；

运行时，旋转电机502开启，旋转杆503带动传动杆504打开至所需宽度；调节电机513带动两个安装框架512进行角度调节，就绪后展开垃圾清理工作。

一种智能环保无人船的运行方法，其特征在于：

（一）建立全局路径地图及导航更新：

本发明智能环保无人船进入陌生环境，主控制器61向主驱动器62发出无人船巡航指令，主驱动器62启动驱动机构16实现无人船的全路径巡航及环境探索；

无人船前进的同时，GPS/IMU传感器模块13开启，实现初步定位，激光雷达11同时启动并发布雷达点云，主控制器61启动建图算法和自动探索算法；自动探索算法将无人船在一定区域内行进路线产生的点云数据集合到建图算法中成为地图数据分布点，建图算法内集成综合全局回环地图检测，将在无人船建图构成回环时，对地图进行回环自整定，同时利用GPS/IMU信号分别进行前端优化和后端优化，来进行全局的自我定位整定，并通过感知激光雷达11的点云数据预处理阶段的点云密度情况，分布点云密度疏密信号到建图算法内部，算法内部根据疏密信号，动态调整时间因子的大小，最终自动探索算法检测到已经构成的地图已经成封闭结构时，自动停止建图，完成建图；

在导航过程中，通过遥控器/控制云台发布目标点或者无人船自动识别到目标点时，全局路径规划器运行全局规划算法，算法在地图内进行自我检测和计算，规划一条全局最优路径，无人船沿着该路径行驶到目标点；超声波传感器15同时开启，根据上述建立的全局路径地图进行导航，当遇到障碍时，主控制器61中局部路径规划器根据激光雷达11、超声波传感器15以及摄像头12进行障碍物距离和大小判断，若障碍物大小在某一设定值以内，伸缩套筒203调节Z型连接杆201的宽度，改变左右两个船体的间距大小，保证无人船顺利通过；若障碍物大小超出某一设定值，主控制器61中局部路径规划器则进行局部路径重新规划，形成避障路线，完成无人船避障行进；最终通过全局路径规划器和局部路径规划器实现导航；

（二）垃圾清理及折叠避障：

通过遥控器或者控制云台向无人船发出垃圾清理指令后，首先摄像头12开启进行实时图像监测，并通过图像处理模块63处理将图像数据信息上传至主控制器61，主控制器61通过信息传输模块64将图像数据信息远程传输至控制云台或遥控器，工作人员通过控制云台或遥控器指定需清理的水面垃圾；

主驱动器62启动旋转电机502调节旋转杆503的角度，使垃圾导入网521和垃圾收纳网522张开，启动调节电机513调节两个安装框架512的相对角度，实现垃圾导入网521整体呈外八型结构，方便垃圾进入到垃圾收纳网522中，并防止船体后退时，垃圾倒流；

当遇到的障碍物过大时，需要将垃圾清理装置5进行临时聚拢折叠，主驱动器62启动调节电机513调节两个安装框架512相对船体内侧平行，启动旋转电机502调节旋转杆503回转，使垃圾导入网521和垃圾收纳网522聚拢到船体一侧；

当通过障碍物后，重复上述动作复位，继续清理水面垃圾；当摄像头12监测到垃圾收纳网522垃圾过多时，图像处理模块63分析情况并将信息上传到更换信息到主控制器61，主控制器61发动指令到控制云台，提醒工作人员及时更换；当间隔设定时间没有收到工作人员指令时，无人船自动返回至系统设定的默认垃圾收集点，等待垃圾收纳网522更换，并将具体位置信息发送至控制云台；

（三）定点、定量水质检测：

当无人船接收遥控器或者控制云台发出的水质检测任务指令时，无人船前往目标点进行抽样；浊度测定仪16先对该目标点进行水质浑浊程度检查，并将分析数据上传至主控制器61进行记录；随后主驱动器62启动电动阀门302，将水质样本通过水质采样导管301传输至空的水质采样瓶303内；收集完毕，关闭电动阀门302并启动驱动电机306，移动水质采样瓶303到达加盖机构310处的同时触发推动电缸313将采集好的水质采样瓶303用瓶塞封口；继续移动水质采样瓶303将其运送到挤压锤309下方，通过齿轮传动，挤压锤309下落对瓶塞进行压紧；同时另一个空的水质采样瓶303将移动到水质采样导管301出口正下方，为下一次采样做准备；

（四）精准均匀投放菌剂：

当无人船接收遥控器或者控制云台发出的菌剂投放任务指令时，无人船前往目标点进行浊度检测；浊度测定仪16先对该目标点进行水质浑浊程度初步检查，并结合摄像头12拍摄画面将分析数据上传至主控制器61进行分析判定；启动电动压力泵404将菌剂箱401中的菌剂通过导管流向雾化喷洒器403，菌剂从雾化喷洒器403流出，以扇形的形状喷出与湖面中；主控制器61根据浑浊程度向主驱动器62发出调节指令，调节电动压力泵404和驱动机构16的功率大小，进而改变菌剂的喷洒流量和无人船的行进速度，实现菌剂的精准均匀投放；当液位传感器405检测到菌剂箱401中的菌剂不足时，及时反馈信息到主控制器61，并传递到控制云台提醒工作人员注意。

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。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

Claims (9)

1.一种智能环保无人船，其特征在于，包括：多功能融合船体（1）、连接装置（2）、水质采样装置（3）、菌剂投放装置（4）、垃圾清理装置（5）和控制系统（6）；所述多功能融合船体（1）为移动式双船体结构，并通过所述连接装置（2）保持左右两个船体相连接，且两个船体的间距可调；所述多功能融合船体（1）的两个船体上分别至少设有一个激光雷达（11）、摄像头（12）、GPS/IMU传感器模块（13）、浊度测定仪（14）和超声波传感器（15）；所述菌剂投放装置（4）至少设有两个，分别对称安装在左右两个船体之间的侧臂上，并通过排液导管将菌剂投放到水中，且在排液导管出口的下方设置有驱动机构（16）；所述垃圾清理装置（5）安装在多功能融合船体（1）中间，且前端呈外八字形状伸出船体；所述水质采样装置（3）安装在多功能融合船体（1）的船舱后部；所述控制系统（6）用于对智能环保无人船的整体控制；

所述水质采样装置（3）包括：水质采样导管（301）、水质采样瓶（303）、带齿转盘（304）、从动齿座（307）和挤压锤（309），所述水质采样导管（301）底端深入到河道内，上端设有电动阀门（302），输出口正对所述水质采样瓶（303）的瓶口；若干个所述水质采样瓶（303）圆周均布排列安装在带齿转盘（304）上方设置的滑槽内，所述带齿转盘（304）下方设有驱动电机（306），所述驱动电机（306）固定安装在船体上，输出端与带齿转盘（304）固定连接；所述从动齿座（307）与带齿转盘（304）相啮合，且通过转轴与船体转动连接；所述从动齿座（307）上方固定设有双向丝杆（308），所述双向丝杆（308）的滑块的前端固定连接有挤压锤（309），后端设有导向板（305）；双向丝杆（308）的滑块与导向板（305）滑动配合，所述挤压锤（309）随着双向丝杆（308）转动而沿着双向丝杆（308）上下反复运动；在双向丝杆（308）与水质采样导管（301）之间设有加盖机构（310）。

2.根据权利要求1所述一种智能环保无人船，其特征在于，所述控制系统（6）包括：主控制器（61）、主驱动器（62）、图像处理模块（63）、信息传输模块（64）和电源模块（65）；所述主控制器（61）用于针对上述图像处理模块（63）、信息传输模块（64）、激光雷达（11）、GPS/IMU传感器模块（13）、浊度测定仪（14）和超声波传感器（15）发来的信息进行综合分析并向主驱动器（62）发出处理指令；所述主控制器（61）内设有全局路径规划器和局部路径规划器，用于全局和局部路径规划；所述主驱动器（62）用于根据主控制器（61）发出的指令驱动所述驱动机构（16）、连接装置（2）、水质采样装置（3）、菌剂投放装置（4）和垃圾清理装置（5）；所述图像处理模块（63）用于所述摄像头（12）的图像处理；所述信息传输模块（64）用于同远程控制云台或者遥控器与主控制器（61）之间的信息交互；所述电源模块（65）为智能环保无人船的各个装置或模块提供电压大小合适且稳定的电源。

3.根据权利要求2所述一种智能环保无人船，其特征在于，所述连接装置（2）包括：Z型连接杆（201）、转轴（202）和伸缩套筒（203），所述Z型连接杆（201）对称设置在左右两个船体之间的固定槽内，一端通过转轴（202）与船体转动连接，另一端通过伸缩套筒（203）连接；所述伸缩套筒（203）与Z型连接杆（201）滑动配合，用于调节Z型连接杆（201）的宽度，改变左右两个船体的间距大小。

4.根据权利要求1所述一种智能环保无人船，其特征在于，所述加盖机构（310）包括：瓶塞竖管（311）、输送板（312）、推动电缸（313）和滑动盖板（314），所述瓶塞竖管（311）内底部设有弹起件（315），所述弹起件（315）上方依次正向排列一竖管的瓶塞；所述瓶塞竖管（311）上端固定连接输送板（312），所述输送板（312）的前端设有正对所述水质采样瓶（303）瓶口的下料口（316）；所述滑动盖板（314）呈“Z”字形，顶部与底部间距为一个瓶塞的高度；所述滑动盖板（314）的底部滑动安装在输送板（312）上，并由设置在输送板（312）上的推动电缸（313）进行前后推拉；所述推动电缸（313）上设有三个停止位，在推动电缸（313）带动下，当处于中间停止位时，滑动盖板（314）底部将瓶塞竖管（311）的上口封住，当处于后停止位时，滑动盖板（314）底部与瓶塞竖管（311）的上口错开，瓶塞弹出并贴合滑动盖板（314）顶部，当处于前停止位时，滑动盖板（314）将瓶塞输送到下料口（316），实现瓶塞落入到水质采样瓶（303）瓶口内。

5.根据权利要求2所述一种智能环保无人船，其特征在于，所述菌剂投放装置（4）包括：菌剂箱（401）、安装板（402）、雾化喷洒器（403）、电动压力泵（404），所述菌剂箱（401）和雾化喷洒器（403）通过导管相连，菌剂在电动压力泵（404）的压力下从菌剂箱（401）进入到雾化喷洒器（403）内，在通过雾化喷洒器（403）喷洒入河道内；所述菌剂箱（401）通过安装板（402）固定在船体侧壁上；所述菌剂箱（401）设有液位传感器（405），所述液位传感器（405）向主控制器（61）发送菌剂箱（401）内液面信息。

6.根据权利要求2所述一种智能环保无人船，其特征在于，所述垃圾清理装置（5）包括：折叠支撑架（520）和垃圾收集网；所述垃圾收集网包括：垃圾导入网（521）和垃圾收纳网（522），所述垃圾导入网（521）用于垃圾的导入，位于在船体前端；所述垃圾收纳网（522）位于垃圾导入网（521）后方，用于盛放垃圾，且垃圾收纳网（522）活动安装在船体之间，用于垃圾装满后能够及时拆卸更换。

7.根据权利要求6所述一种智能环保无人船，其特征在于，所述折叠支撑架（520）包括：固定块（501）、旋转杆（503）、传动杆（504）、位移杆（505）、从动杆（506）、固定杆（507）和旋转支架（510）；所述固定块（501）固定安装在一侧船体的前端，且设有旋转电机（502）；所述旋转杆（503）转动安装在固定块（501）上，且由旋转电机（502）带动其转动；所述传动杆（504）一端固定在旋转杆（503）的底端，另一端与位移杆（505）铰接；所述位移杆限制在左右两个船体之间，且另一端与从动杆（506）铰接；所述从动杆（506）的另一端转动连接在固定杆（507）的后端；所述固定杆（507）通过固定夹（508）固定在同侧船体的内侧，且固定杆（507）和位移杆（505）上方均固定设有门型框架（509），所述门型框架（509）周围活动安装垃圾收纳网（522）。

8.根据权利要求7所述一种智能环保无人船，其特征在于，所述旋转支架（510）包括：支撑杆（511）、安装框架（512）和调节电机（513），所述支撑杆（511）固定在旋转杆（503）的顶端，且支撑杆（511）下方的左右两端分别设有两个铰接点；两个所述安装框架（512）对称设置，分别转动安装在支撑杆（511）的两个铰接点处，并通过调节电机（513）调节其与支撑杆（511）的夹角；两个所述安装框架（512）内部均固定安装垃圾导入网（521），且下端设有下连杆（514），所述下连杆（514）铰接在两个所述安装框架（512）之间，保证两个所述安装框架（512）的相对角度。

9.一种智能环保无人船的运行方法，其特征在于：

（一）建立全局路径地图及导航更新：

智能环保无人船进入陌生环境，主控制器（61）向主驱动器（62）发出无人船巡航指令，主驱动器（62）启动驱动机构（16）实现无人船的全路径巡航及环境探索；

工作人员通过遥控器或者控制云台开启建图功能，融合GPS/IMU传感器模块（13）进行初步定位，激光雷达（11）开启在主控制器内形成点云数据，与此同时建图算法和自动探索建图算法同步展开，无人船利用自动建图算法实现激光雷达（11）点云数据的全图覆盖，当点云地图形成闭环结构后，无人船停止建图，并把建立的高精度点云地图保存；

建图结束后，导航功能方可开启，无人船需要去到目标点时，无人船在地图中利用全局规划器，规划出到从船体到目标点的最优路径，并驱动船体前往；在导航过程中，超声波传感器（15）同时开启，根据上述建立的全局路径地图进行导航，当遇到障碍时，主控制器（61）根据激光雷达（11）、超声波传感器（15）以及摄像头（12）进行障碍物距离和大小判断，若障碍物大小在某一设定值以内，伸缩套筒（203）调节Z型连接杆（201）的宽度，改变左右两个船体的间距大小，保证无人船顺利通过；若障碍物大小超出某一设定值，主控制器（61）则进行局部路径重新规划，形成避障路线，完成无人船避障行进；

（二）垃圾清理及折叠避障：

通过遥控器或者控制云台向无人船发出垃圾清理指令后，首先摄像头（12）开启进行实时图像监测，并通过图像处理模块（63）处理将图像数据信息上传至主控制器（61），主控制器（61）通过信息传输模块（64）将图像数据信息远程传输至控制云台或遥控器，工作人员通过控制云台或遥控器指定需清理的水面垃圾；

主驱动器（62）启动旋转电机（502）调节旋转杆（503）的角度，使垃圾导入网（521）和垃圾收纳网（522）张开，启动调节电机（513）调节两个安装框架（512）的相对角度，实现垃圾导入网（521）整体呈外八型结构，方便垃圾进入到垃圾收纳网（522）中，并防止船体后退时，垃圾倒流；

当遇到的障碍物过大时，需要将垃圾清理装置（5）进行临时聚拢折叠，主驱动器（62）启动调节电机（513）调节两个安装框架（512）相对船体内侧平行，启动旋转电机（502）调节旋转杆（503）回转，使垃圾导入网（521）和垃圾收纳网（522）聚拢到船体一侧；

当通过障碍物后，重复上述动作复位，继续清理水面垃圾；当摄像头（12）监测到垃圾收纳网（522）垃圾过多时，图像处理模块（63）分析情况并将信息上传到更换信息到主控制器（61），主控制器（61）发动指令到控制云台，提醒工作人员及时更换；当间隔设定时间没有收到工作人员指令时，无人船自动返回至系统设定的默认垃圾收集点，等待垃圾收纳网（522）更换，并将具体位置信息发送至控制云台；

（三）定点、定量水质检测：

当无人船接收遥控器或者控制云台发出的水质检测任务指令时，无人船前往目标点进行抽样；浊度测定仪（16）先对该目标点进行水质浑浊程度检查，并将分析数据上传至主控制器（61）进行记录；随后主驱动器（62）启动电动阀门（302），将水质样本通过水质采样导管301传输至空的水质采样瓶（303）内；收集完毕，关闭电动阀门（302）并启动驱动电机（306），移动水质采样瓶（303）到达加盖机构（310）处的同时触发推动电缸（313）将采集好的水质采样瓶（303）用瓶塞封口；继续移动水质采样瓶（303）将其运送到挤压锤（309）下方，通过齿轮传动，挤压锤（309）下落对瓶塞进行压紧；同时另一个空的水质采样瓶（303）将移动到水质采样导管301出口正下方，为下一次采样做准备；

（四）精准均匀投放菌剂：

当无人船接收遥控器或者控制云台发出的菌剂投放任务指令时，无人船前往目标点进行浊度检测；浊度测定仪（16）先对该目标点进行水质浑浊程度初步检查，并结合摄像头（12）拍摄画面将分析数据上传至主控制器（61）进行分析判定；启动电动压力泵（404）将菌剂箱（401）中的菌剂通过导管流向雾化喷洒器（403），菌剂从雾化喷洒器（403）流出，以扇形的形状喷出与湖面中；主控制器（61）根据浑浊程度向主驱动器（62）发出调节指令，调节电动压力泵（404）和驱动机构（16）的功率大小，进而改变菌剂的喷洒流量和无人船的行进速度，实现菌剂的精准均匀投放；当液位传感器（405）检测到菌剂箱（401）中的菌剂不足时，及时反馈信息到主控制器（61），并传递到控制云台提醒工作人员注意。

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