CN113721635A - 一种光电化学除氯盐水下机器人 - Google Patents

一种光电化学除氯盐水下机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光电化学除氯盐水下机器人，其机身结构设计主要包括电子舱、机架、推进器、水处理模块等，电子密封舱、推进器通过螺栓固定于机身上，采用包含阴、阳电极和光源的水处理模块通过连接机构固定在机身两侧。控制系统包括地面控制系统和水下控制系统。地面控制系统包含水面控制台、脐带缆、信号接收器。整个水下控制系统涉及的电子元件供电方式包括机载锂电池、地面直流电源、太阳能光伏三种。水下系统包含信号发生器、电源模块、板载电脑、底层控制核心板、动力模块。本发明可实现对地表水水中高含量氯盐进行无人化处理，有效规避废水处理的风险，减小占地面积、降低能耗，提高地表水除氯盐的工作效率。

Description

一种光电化学除氯盐水下机器人
技术领域
本发明涉及废水除氯盐技术领域，特别涉及一种光电化学除氯盐水下机器人。
背景技术
随着经济的快速发展和工业化进程的推进，产生的高含氯盐废水总量越来越大。其中，氯离子半径小、化学性质活泼，很难被其他物质反应形成沉淀而去除。目前，高含氯盐废水处理难度大，处理成本高，大部分还未得到有效处理，只能被稀释后排入地表水中，导致河流、湖泊等中氯盐含量增加。
当河流湖泊中的氯离子浓度超过100mg/L时，会影响农作物以及植物的生长；当氯离子浓度超过500mg/L时，会导致水中生物的大量死亡。高浓度的含氯盐废水还会腐蚀建筑物，更为严重的是，氯易与水中有机物反应形成致癌物，危害人体健康。但这些含有高浓度氯盐的地表水处理难以采用传统的治理手段，如抽取后采用蒸发法、膜分离法、离子交换树脂法、化学沉淀法等处理，并重新注回河道，而是需要尽量采用原位治理方法，以减小对地表水环境的破坏，并避免水体的二次污染。而在这种情况下，开发出低成本、便于维护、节约水资源、低能耗以及高度自动化、智能化的氯盐去除设备具有重要意义，但相关研究和应用还很缺乏。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种光电化学除氯盐水下机器人，以解决背景技术中提到的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种光电化学除氯盐水下机器人，包括机身结构和控制系统；
所述机身结构包含电子密封舱、电源舱、推进器以及废水除氯盐模块；
所述控制系统包括地面控制系统和水下系统；
所述地面控制系统包含水面控制台、脐带缆、信号接收器；
所述水下系统包含水下信号发生器、电源模块、板载电脑、底层核心控制板、动力模块；
所述水下信号发生器、板载电脑、底层核心控制板内置于电子密封舱，所述电源模块内置于下层电源舱，所述动力模块为推进器；所述板载电脑以及水下信号发生器用于与水面系统进行通信和实时的数据传输，所述底层核心控制板用于控制水下机器人运动，所述电源模块包括机载锂电池、岸上直流电源与太阳能光伏电源以及稳压模块，用于板载电脑、底层核心控制板以及废水除氯盐模块供电，所述电源模块将电压调整为3.3V-24V并预留可调电压接口为水处理模块供电；所述底层核心控制板内置传感器包括：加速度计、陀螺仪、磁力计，所述加速度计、陀螺仪和磁力计采集水下机器人水平面运动信息，包括线加速度、角加速度、偏航角；所述传感器模块将信息收集并将数据传回底层核心控制板便于控制算法进行运算。
较佳的，所述机身结构具有上下底盘及左右两侧板；所述电子密封舱与所述电源舱结构一致，包括舱盖、管夹、密封法兰以及设备舱；所述电子密封舱与电源舱分别用螺栓、横纹螺母、O型密封圈和双O型管法兰与上下底盘连接。
较佳的，所述推进器设置有六个，六个所述推进器包括四个垂直放置推进器和两个水平放置推进器，所述推进器由电调、螺旋桨、保护罩组成，四个所述垂直放置推进器与水下机器人纵垂面呈一定角度放置并通过螺栓连接安装在机身结构上底盘的四个内角负责平面运动，包括平移、横移、偏航，两个所述水平放置推进器通过螺栓连接安装在机身结构上底盘中轴线处负责浮潜运动。
较佳的，所述废水除氯盐模块包含负载光源的隔板和电极，并通过横纹螺母以及内六角螺栓与连接机构连接并固定在水下机器人两侧板上，所述连接机构包括固定板、连接板以及内嵌光源隔板的外板。
较佳的，所述废水除氯盐模块中的阳极电极包括C、Bi、Ag、Cu、Sb、polypyrrole、polyaniline中的一种或多种，阴极电极包括C、Na4Mn9O18、Na2FeP2O7、NaTi2(PO4)3、ZnCo2O4、MnO2中的一种或多种，阴阳极掺杂元素包括Ti、Zn、Fe、Co、Ca、Mg、Al、Yb、Cr、Er、Tm、Mn、Sr、Ni、Zr、Sn、Pb、Ho中的一种或多种；所述掺杂元素的掺杂量为0.1-30％。
较佳的，所述废水除氯盐模块中，光源包括紫外光、可见光、近红外光中的一种或多种。
较佳的，所述控制系统应用的软件系统为开源自驾仪Ardupl iot中的Ardusub，所述软件系统的框架包括主函数、姿态解算函数、操作模式识别函数、初始化函数以及位置、姿态控制函数；所述姿态解算函数接收来自所述底层核心控制板的数据，将数据进行滤波处理并输出四元数和欧拉角来表示实际的位置；所述操作模式识别函数接收地面操作系统信息输入，决定控制方式是遥控还是自主运动；所述初始化函数初始位置和姿态信息；所述位置、姿态控制函数接收PID控制器的参数输入，并根据控制算法对推进器进行PWM波输出控制。
较佳的，所述PID控制器使用PID控制算法对水下机器人运动进行控制，以提高水下机器人的运动稳定性，具体步骤如下：
第一步：选取合适的坐标系建立水下机器人四自由度运动学模型；
第二步：通过受力分析得到水下机器人动力学方程；
第三步：采用串级PID控制方法，控制水下机器人推进力；
第四步：根据实际经验和口诀对PID参数进行整定；
第五步：给定输入信号经过反馈节点，依次与控制器相连接，并通过传感器将误差信号反馈传回控制器，所述输入信号包括位置、姿态。
较佳的，所述控制系统的系统运行方法包括开机、定参、运行、除氯盐模块循环再生、关机五个步骤。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
本光电化学除氯盐水下机器人在电容除氯盐技术的基础上，加入了光源照射，光源强度不会随着下潜深度变化而衰弱，同时，光源能够提高电极的活性并加速水处理进程。除氯盐完成后，除氯盐模块所用的电极可以通过短接的方式进行再生，进行循环利用。在整个处理过程中，只需人工在地面操作中心通过遥控器发出指令，无需亲自进入废水环境中，而电极两端电压经过限制，确保不会发生水电解反应。在供电方面，选用机载锂电池、岸上电源或太阳光三种供电方式，降低能源消耗。这种运行方式有效地规避了废水处理过程中带来的危险，减小了检测、处理的工作强度，使废水除氯盐工作变得更加高效、方便。设备开发成本低廉、便于操作、维护，技术易于实现。
附图说明
图1是本发明光电化学除氯盐水下机器人的总体结构示意图；
图2是本发明光电化学除氯盐水下机器人的推进器布局结构示意图；
图3是本发明光电化学除氯盐水下机器人的电子元件舱以及电源舱模块结构示意图；
图4是本发明光电化学除氯盐水下机器人的水处理模块结构示意图；
图5是本发明光电化学除氯盐水下机器人的驱动模块结构示意图；
图6是本发明光电化学除氯盐水下机器人的控制系统结构示意图；
图7是本发明光电化学除氯盐水下机器人的控制算法示意图；
图8是本发明光电化学除氯盐水下机器人控制算法流程示意图；
图9是本发明光电化学除氯盐水下机器人的单一控制器示意图；
图10是本发明光电化学除氯盐水下机器人的水处理工作流程示意图；
图中：A1、电子密封舱；A2、水处理模块；A3、电源舱；A4、电化学水处理水下机器人本体支架；A5、动力模块；201、压环；202、舱盖；203、密封法兰；204、管夹；205、设备舱；301、内嵌紫外光源隔板的外板；302、螺栓；303、横纹螺母；304、连接板；305、中间板；306、阳极电极；401、电调；402、电机；403、保护罩；404、螺旋桨。
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。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。
实施例1
本实施例提供了一种光电化学除氯盐水下机器人，参考图1至图10，包括电子密封舱A1、废水处理模块A2、电源舱A3、机架A4、推进器A5。电子密封舱包括压环201、舱盖202、密封法兰203、管夹204、舱体205，压环201、舱盖202、密封法兰203与舱体205通过螺栓连接，密封法兰采用O型密封圈保证密封效果，管夹204与舱体205采用过盈配合，依靠管夹204的预紧力固定在设备舱上，并将整个电子密封舱通过螺栓连接固定在机体上底板。电源舱与电子密封舱结构类似，不同之处在于电子密封舱舱盖有多个螺栓孔，便于内部电子元件将导线引出。所述废水处理模块包括连接机构、电极306及集流层，电极306为掺杂材料制备的新型电极阳极电极包括C、Bi、Ag、Cu、Sb、polypyrrole、polyanil ine中的一种或多种，阴极电极包括(C、Na4Mn9O、Na2FeP2O7、NaTi2(PO4)3、ZnCo2O4、MnO2中的一种或多种，阴阳极掺杂元素包括Ti、Zn、Fe、Co、Ca、Mg、Al、Yb、Cr、Er、Tm、Mn、Sr、Ni、Zr、Sn、Pb、Ho中的一种或多种)，具有较高的离子吸附/储备能力，同时，对氯离子和钠离子有较好的去除效果，其中连接机构包括电极隔板301、内六角螺栓302、横纹螺母303、连接板304、中间板305，电极306及集流层通过螺栓连接在电极隔板301上，电极另外设有金属接头，方便电源对其供电。所述推进器A5包括电调401、螺旋桨叶片404、螺旋桨保护罩403、电机402，所述的推进器设置有六个，整体布局如图2所示，其中a1、a4、a5为正浆，a2、a3、a6为反浆。四个垂直a1-a4放置推进器与光电化学水处理水下机器人纵垂面呈一定角度放置，通过螺栓连接安装在支架上底盘的四个内角，两个水平放置推进器a5-a6通过螺栓连接安装在上底盘中间既A1电子设备密封舱两侧，四周垂直布置的推进器负责平面运动(如平移、横移、偏航)，两侧水平布置的推进器负责浮潜运动。
下文实施例中，所述光源为内置紫外光、可见光和近红外光中一种。
实施例2
根据水利部对国内700多条近10万公里水体监测结果显示，近一半的水体污染达到IV级，少部分河流水体严重污染，水质为V级，大部分城市内湖水体污染严重丧失了水体的利用价值。下文实施例所述水体包含在上文所述检测水体内。
参考图1至图10，在受污染的湖泊中对氯盐进行处理：
操作人员将水下机器人搬运至受污染的湖泊中，打开水下机器人的开关，在有太阳光的情况下，开启太阳能板进行充电以备在夜间或无光条件下为机载锂电池供电。操作人员利用地面操作系统和网线连接水下机器人内置的机载电脑，通过遥控器解除水下机器人的安全锁定。操作人员在地面通过遥控器远程将电极电压调节至需要值1-1.5V(综合考虑内阻和水的理论电解电压)。操作人员在通过遥控器操作水下机器人运动，同时机器人的运动带动水体流动，使水体处理更加均匀。除氯盐模块也在实时运行，地面操作系统实时监测水下机器人的电池与电极电压，当电压低于内部电子元件正常工作电压20V时，电源模块启动保证其电压恢复正常，确保处理过程的连续性。在紫外光照射下，当Ti掺杂polypyrrole-NaTi2(PO4)3电极系统吸附量达到峰值时，水下机器人返航至净水池，操作人员对Ti掺杂polypyrrole电极和NaTi2(PO4)3电极进行更换，将更换后的水下机器人继续投入工作并将更换下的电极进行短接/反接再生处理，以便循环利用。
水下机器人负载Ti掺杂polypyrrole-NaTi2(PO4)3电极系统在受污染的湖泊中对其中氯盐进行处理，电极达到吸附峰值的时间为20-30min。
实施例3
参考图1至图10，在受污染的水池、池塘中对氯盐进行处理：
操作人员将水下机器人搬运至受污染的水池、池塘中，打开水下机器人的开关，在有光的情况下，开启太阳能板进行充电以备在夜间或无关条件下为机载锂电池供电。操作人员利用地面操作系统和网线连接水下机器人内置的机载电脑，通过遥控器解除水下机器人的安全锁定。操作人员在地面通过遥控器远程将电极电压调节至需要值1-1.5V(综合考虑内阻和水的理论电解电压)。操作人员操作水下机器人运动，同时机器人的运动带动水体流动，使水体处理更加均匀。除氯盐模块也在实时运行，地面操作系统实时监测水下机器人的电池与电极电压，当电压低于内部电子元件正常工作电压20V时，电源模块启动保证其电压恢复正常，确保处理过程的连续性。在紫外光-可见光照射下，当Fe/Ti掺杂Bi-活性炭电极系统吸附量达到峰值时，水下机器人返航至净水池，操作人员对Fe/Ti掺杂Bi电极和活性炭电极进行更换，将更换后的水下机器人继续投入工作并将更换下的电极进行短接再生处理，以便循环利用。
水下机器人负载Fe/Ti掺杂Bi-活性炭电极系统在受污染的水池、池塘中对氯盐进行处理，电极达到吸附峰值的时间为10-20min。
实施例4
参考图1至图10，利用太阳能供电方式对内湖氯盐进行处理：
操作人员将水下机器人搬运至受污染的内湖中，打开水下机器人的开关，连通太阳能供电电路，利用太阳能为水下机器人提供动能，确保所有的电子元件正常工作以及处理过程的连续性。操作人员利用地面操作系统和网线连接水下机器人内置的机载电脑，通过遥控器解除水下机器人的安全锁定。操作人员在地面通过遥控器远程将电极电压调节至需要值1-1.5V(综合考虑内阻和水的理论电解电压)，并且操作水下机器人在水平面运动，使太阳光可以照射至太阳能板上，同时机器人的运动带动水体流动，使水体处理更加均匀。除氯盐模块实时运行，地面操作系统实时监测水下机器人的电池与电极电压，实时显示当前电池与电极电压。在太阳光照射下，当Sb/Cr掺杂Bi-Na2FeP2O7电极系统吸附量达到峰值时，水下机器人返航至净水池，操作人员对Sb/Cr掺杂Bi电极和Na2FeP2O7电极进行更换，以便循环利用。
利用太阳能供电方式的水下机器人负载Sb/Cr掺杂Bi-Na2FeP2O7电极系统处理内湖中的氯盐，电极达到吸附峰值的时间为20-30min。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：包括机身结构和控制系统；
所述机身结构包含电子密封舱(A1)、电源舱(A3)、推进器以及废水除氯盐模块(A2)；
所述控制系统包括地面控制系统和水下系统；
所述地面控制系统包含水面控制台、脐带缆、信号接收器；
所述水下系统包含水下信号发生器、电源模块、板载电脑、底层核心控制板、动力模块(A5)；
所述水下信号发生器、板载电脑、底层核心控制板内置于电子密封舱(A1)，所述电源模块内置于下层电源舱(A3)，所述动力模块(A5)为推进器；所述板载电脑以及水下信号发生器用于与水面系统进行通信和实时的数据传输，所述底层核心控制板用于控制水下机器人运动，所述电源模块包括机载锂电池、岸上直流电源与太阳能光伏电源以及稳压模块，用于板载电脑、底层核心控制板以及废水除氯盐模块供电，所述电源模块将电压调整为3.3V-24V并预留可调电压接口为水处理模块(A2)供电；所述底层核心控制板内置传感器包括：加速度计、陀螺仪、磁力计，所述加速度计、陀螺仪和磁力计采集水下机器人水平面运动信息，包括线加速度、角加速度、偏航角；所述传感器模块将信息收集并将数据传回底层核心控制板便于控制算法进行运算。
2.根据权利要求1所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述机身结构具有上下底盘及左右两侧板；所述电子密封舱(A1)与所述电源舱(A3)结构一致，包括舱盖(202)、管夹(204)、密封法兰(203)以及设备舱(205)；所述电子密封舱(A1)与电源舱(A3)分别用螺栓(302)、横纹螺母(303)、O型密封圈和双O型管法兰与上下底盘连接。
3.根据权利要求1所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述推进器设置有六个，六个所述推进器包括四个垂直放置推进器和两个水平放置推进器，所述推进器由电调(401)、螺旋桨(404)、保护罩(403)组成，四个所述垂直放置推进器与水下机器人纵垂面呈一定角度放置并通过螺栓(302)连接安装在机身结构上底盘的四个内角负责平面运动，包括平移、横移、偏航，两个所述水平放置推进器通过螺栓(302)连接安装在机身结构上底盘中轴线处负责浮潜运动。
4.根据权利要求1所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述废水除氯盐模块包含负载光源的隔板和电极，并通过横纹螺母(303)以及内六角螺栓(302)与连接机构连接并固定在水下机器人两侧板上，所述连接机构包括固定板、连接板(304)以及内嵌光源隔板的外板(301)。
5.根据权利要求1所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述废水除氯盐模块中的阳极电极(306)包括C、Bi、Ag、Cu、Sb、polypyrrole、polyaniline中的一种或多种，阴极电极包括C、Na4Mn9O18、Na2FeP2O7、NaTi2(PO4)3、ZnCo2O4、MnO2中的一种或多种，阴阳极掺杂元素包括Ti、Zn、Fe、Co、Ca、Mg、Al、Yb、Cr、Er、Tm、Mn、Sr、Ni、Zr、Sn、Pb、Ho中的一种或多种；所述掺杂元素的掺杂量为0.1-30％。
6.根据权利要求1所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述废水除氯盐模块中，光源包括紫外光、可见光、近红外光中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述控制系统应用的软件系统为开源自驾仪Ardupliot中的Ardusub，所述软件系统的框架包括主函数、姿态解算函数、操作模式识别函数、初始化函数以及位置、姿态控制函数；所述姿态解算函数接收来自所述底层核心控制板的数据，将数据进行滤波处理并输出四元数和欧拉角来表示实际的位置；所述操作模式识别函数接收地面操作系统信息输入，决定控制方式是遥控还是自主运动；所述初始化函数初始位置和姿态信息；所述位置、姿态控制函数接收PID控制器的参数输入，并根据控制算法对推进器进行PWM波输出控制。
8.根据权利要求7所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述PID控制器使用PID控制算法对水下机器人运动进行控制，以提高水下机器人的运动稳定性，具体步骤如下：
第一步：选取合适的坐标系建立水下机器人四自由度运动学模型；
第二步：通过受力分析得到水下机器人动力学方程；
第三步：采用串级PID控制方法，控制水下机器人推进力；
第四步：根据实际经验和口诀对PID参数进行整定；
第五步：给定输入信号经过反馈节点，依次与控制器相连接，并通过传感器将误差信号反馈传回控制器，所述输入信号包括位置、姿态。
9.根据权利要求1所述的一种光电化学除氯盐水下机器人，其特征在于：所述控制系统的系统运行方法包括开机、定参、运行、除氯盐模块循环再生、关机五个步骤。
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