CN113741489A - 一种用于排污口溯源的水下机器人及搜寻定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于排污口溯源的水下机器人及搜寻定位方法，所述水下机器人的前后左右四个方向分别安装设有浊度传感器，所述水下机器人的前端的下侧连接有照明灯、以及防水摄像装置，所述水下机器人的前端设有排污口溯源模块，所述水下机器人的内部还设有主控制器、通讯装置、GPS模块、蓄电池，所述水下机器人包括无缆作业模式和有缆作业模式；通过无缆作业模式和有缆作业模式的切换，可以更加高效快速的对排污口进行搜寻定位，减少水面监测站人员的劳动强度，避免现有技术中在单一模式下不够精准或者搜寻较慢的缺陷。

Description

一种用于排污口溯源的水下机器人及搜寻定位方法

技术领域

本发明涉及到水下探测设备领域，具体涉及到一种用于排污口溯源的水下机器人及搜寻定位方法。

背景技术

入河排污口普查，是实施地表水污染源溯源、水功能区管理、保障饮水安全、促进水资源可持续利用的重要措施之一。在实际工作当中，由于排污口排放污水种类及流量大小不同，排污口所处的地理位置环境复杂多样等原因，有些排污口分布于水下，受到河流水体的掩蔽作用，不利于工作人员进行判断与统计，给入河排污口普查工作增添了许多困难和复杂的因素。

现有技术申请号为CN201711129031.7的中国发明专利于2018年04月17日公开了一种城市河道排污口巡查方法及巡查系统，包括水上移动基站以及排污口探测机器人，两者之间可通讯且两者之间设置有定位系统，水上移动基站可以调配管理排污口探测机器人并获取排污口探测机器人的数据，通过协同两者的工作可以高效完成河道排污口的搜查与定位工作并将数据反馈至用户手中，效率高；水上移动基站包括巡航载体，巡航载体上设置有控制中心、定位模块以及基站电源；排污口探测机器人包括水下机器人，水下机器人上设置有避障系统、排污口探测单元、机器人电源以及机器人控制器；

现有技术申请号为CN201911186312.5的中国发明专利于2020年03月17日公开了一种河道沿线排污口无人化巡查系统，包括有水上基站和水下机器人，水上基站包括有基站本体、基站处理器和基站电源，水上基站所述结构均设置在基站本体内部；水下机器人包括有机器人本体、机器人控制器、水质监测模块、水样采集模块、工业电脑、驱动模块、机器人定位器和电源，机器人所述结构均设置在机器人本体内部，水上基站和水下机器人均设置有无线数据传输装置，水上基站和水下机器人通过无线数据传输装置通讯交流，该系统通过水上基站和水下机器人分工协调检测排污口水质情况，并通过向量场直方图法进行避障，能及时将水质信息传递给信息中心，实现了河道沿线排污口无人化巡查任务。

但以上申请方案均存在以下缺陷(1)水下机器人与水上移动基站为单一的无线通讯模式，传输带宽低，水上移动基站的人员难以获得水下的实时影像，从而影响探测的准确性；(2)水下机器人探测排污口的过程由机器全自动判断，缺少人工筛查的步骤，难以避免信号干扰、判断失误、机器故障等各种客观因素的影响；(3)有水下机器人在无缆模式下，逐个探测具体的排污口，耗时长，电量耗损大，航行探测范围有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于排污口溯源的水下机器人，通过无缆作业模式和有缆作业模式的切换，可以更加高效快速的对排污口进行搜寻定位，减少水面监测站人员的劳动强度，避免现有技术中在单一模式下不够精准或者搜寻较慢的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于排污口溯源的水下机器人，所述水下机器人的前后左右四个方向分别安装设有前浊度传感器、后浊度传感器、左浊度传感器、右浊度传感器，所述水下机器人的前端的下侧连接密封壳体，所述密封壳体内设有摄像电机，所述摄像电机输出端连接伸出所述密封壳体的旋转轴，所述旋转轴连接有照明灯、以及防水摄像装置，所述水下机器人的前端设有排污口溯源模块，所述水下机器人的内部还设有主控制器、通讯装置、GPS模块、蓄电池，所述水下机器人包括用于快速搜寻排污口的无缆作业模式和用于精确定位排污口的有缆作业模式。

具体的，在无缆作业模式下，水下机器人为快速航行状态，用于快速搜寻断排污口的所在方位，有缆模式下，水下机器人由水面监测站的工作人员操控，精确的定位排污口的位置；

在无缆作业模式下，水下机器人已设定好既定航线，四个浊度传感器用于检测水下机器人四周水域的浊度，浊度传感器的型号为HACHSOLITAXsc，量程为0.001～4000NTU，主控制器为PLC，通过对比四个浊度数据，控制水下机器人朝向浊度更大的方位航行一段距离，当检测的浊度值达到预设值后，即已经能确定出排污口的大致方位，主控制器记录存储此位置后，水下机器人再回到既定航行，从而达到快速搜寻的目的；

在有缆作业模式下，水下机器人的设定航线依次经过在无缆模式下已经记录的若干个搜寻点，水下机器人到达搜寻点后，水面监测站的工作人员人工操作水下机器人进行航线，并通过防水摄像装置、排污口溯源模块对排污口进行精确的定位；具体的，水面检测站人员通过计算机、通讯装置向主控制器下达指令。

通过无缆作业模式和有缆作业模式的切换，可以更加高效快速的对排污口进行搜寻定位，减少水面监测站人员的劳动强度，避免现有技术中在单一模式下不够精准或者搜寻较慢的缺陷。

进一步的，所述防水摄像装置包括广角摄像头以及包覆所述广角摄像头的球型保护壳，所述球型保护壳上设有为所述广角摄像头提供拍摄视角的圆弧形的玻璃视窗。广角摄像头由摄像电机驱动旋转，方便操作人员360度观察水下机器人四周的水域情况，更直观的搜寻排污口，防水摄像装置7通过通讯装置连接水面监测站的计算机，通讯装置采用100M以太网交换机。

进一步的，所述照明灯设于所述防水摄像装置的上方，所述防水摄像装置设于所述旋转轴的端部，且照明灯的照明方向与所述防水摄像装置的拍摄方向一致。照明灯与防水摄像装置均有摄像电机驱动，一同旋转，可以使照明灯的照明方向始终对准防水摄像装置7的拍摄方向。

进一步的，水下机器人还包括有水深传感器，所述水深传感器设置在所述水下机器人内部，所述水深传感器的探测端贯穿所述水下机器人的壳体朝向外部。水深传感器配合GPS模块，可以确定水下机器人的具体位置，从而定位出排污口的具体位置。

进一步的，包括驱动组件，所述驱动组件包括设于所述水下机器人尾部的螺旋桨、以及连接所述螺旋桨的主动力电机；包括转向组件，所述转向组件包括横向转动翼和纵向转动翼，所述横向转动翼、纵向转动翼分别连接转向电机，所述主动力电机、所述转向电机均固定安装于所述水下机器人的内部，并与所述主控制器通讯连接。具体的主动力电机、转向电机分别通过对应型号的电机驱动器与主控制器连接，主控制器通过控制主动力电机和转向电机的转速、转向与启停来控制水下机器人的航行方向。

进一步的，还包括有电量监测模块，电量监测模块与蓄电池电连接，电量监测模块与主控制器通讯连接。电量监测模块用于监测蓄电池的电量情况，并在低电量时向主控制器放出报警信息，在无缆模式下，主控制器控制水下机器人进行返航。

进一步的，所述排污口溯源模块包括PH值传感器、COD传感器以及氨氮传感器，所述排污口溯源模块与所述主控制器通讯连接。在有缆模式下，水面监测站人员一边操作水下机器人航行，一边通过监测排污口溯源模块的各个传感器的数据，判断排污口的具体位置。

进一步的，所述后浊度传感器、所述左浊度传感器、所述右浊度传感器与所述水下机器人的壳体之间分别通过固定支架连接。固定支架用于拉大各个浊度传感器之间的距离，从而扩大各个浊度传感器的数值差异，方便确定水下机器人的航行方向。

一种用于排污口溯源的水下机器人的搜寻定位方法，所述无缆作业模式具体包括以下步骤：

S1：规划并预设所述水下机器人的航行线路一，校准GPS的初始位置，将所述水下机器人放入水中；

S2：所述水下机器人沿规划线路航行，四个浊度传感器分别检测并收集所述水下机器人四周的污水的浊度数据，并将浊度数据发送至主控制器；

S3：主控制器对比分析四个浊度数据，选出其中数值最大的一个浊度数据，以该浊度数据的浊度传感器所在方向作为搜寻方向，控制所述水下机器人航行一段距离；

S4：在所述水下机器人航行一段距离后停止，重复S3步骤，再航行一段距离，直至四个浊度传感器中的其中任意一个浊度传感器的检测值达到预设数值后，主控制器提取GPS数据，存储记录此搜寻点，停止继续搜寻此排污口；

S5：所述水下机器人回到预设航行线路，继续寻找下一个排污口，直至完成整个预设的航行线路。

一种用于排污口溯源的水下机器人的搜寻定位方法，所述有缆作业模式具体包括以下步骤：

S01：规划并设定所述水下机器人的航行线路二，所述航行线路二依次经过所述水下机器人在无缆作业模式下记录的若干个搜寻点；

S02：所述水下机器人在到达其中的一个搜寻点后，排污口溯源模块开始实时检测污染数据，并将此地污染数据发送至主控制器，主控制器再将污染数据通过通讯装置传送至水面监测站，同时防水摄像装置启动，并将图像数据实时通过通讯装置传送至水面监测站；

S03：水面监测站的操作人员根据污染数据和图像数据确定水下机器人的航行方向，对排污口的位置进行精确定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在无缆模式下，水下机器人快速航行，仅仅大致判断各个排污口的位置，节省电量，提高了水下机器人的探测范围，避免现有技术中搜寻较慢、搜寻范围小的问题；

2、在有缆模式下，水下机器人由水面监测站的人员操作，可以快速传递水下影像信息，帮助操作人员排污口的位置进行人工精确定位，避免现有技术中在单一模式下定位不准确的问题；

3、通过无缆作业模式和有缆作业模式的结合和切换，一方面可以更加快速的对排污口进行搜寻，另一方面对搜寻的排污口定位更加的精准，同时减少了水面监测站人员的劳动强度。

附图说明

图1为本发明一种用于排污口溯源的水下机器人的主视图；

图2为本发明一种用于排污口溯源的水下机器人的侧视图；

图3为本发明一种用于排污口溯源的水下机器人的控制原理图；

图中：1、前浊度传感器；2、后浊度传感器；3、左浊度传感器；4、右浊度传感器；5、密封壳体；6、照明灯；7、水摄像装置；8、排污口溯源模块；9、螺旋桨；10、横向转动翼；11、纵向转动翼；12、固定支架。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，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”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为均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。

实施例1

如图1至图3所示，一种用于排污口溯源的水下机器人，所述水下机器人的前后左右四个方向分别安装设有前浊度传感器1、后浊度传感器2、左浊度传感器3、右浊度传感器4，所述水下机器人的前端的下侧连接密封壳体5，所述密封壳体5内设有摄像电机，所述摄像电机输出端连接伸出所述密封壳体5的旋转轴，所述旋转轴连接有照明灯6、以及防水摄像装置7，所述水下机器人的前端设有排污口溯源模块8，所述水下机器人的内部还设有主控制器、通讯装置、GPS模块、蓄电池，所述水下机器人包括用于快速搜寻排污口的无缆作业模式和用于精确定位排污口的有缆作业模式。

具体的，在无缆作业模式下，水下机器人为快速航行状态，用于快速搜寻断排污口的所在方位，有缆模式下，水下机器人由水面监测站的工作人员操控，精确的定位排污口的位置；

在无缆作业模式下，水下机器人已设定好既定航线，四个浊度传感器用于检测水下机器人四周水域的浊度，浊度传感器的型号为HACHSOLITAXsc，量程为0.001～4000NTU，主控制器为PLC，通过对比四个浊度数据，控制水下机器人朝向浊度更大的方位航行一段距离，当检测的浊度值达到预设值后，即已经能确定出排污口的大致方位，主控制器记录存储此位置后，水下机器人再回到既定航行，从而达到快速搜寻的目的；

在有缆作业模式下，水下机器人的设定航线依次经过在无缆模式下已经记录的若干个搜寻点，水下机器人到达搜寻点后，水面监测站的工作人员人工操作水下机器人进行航线，并通过防水摄像装置7、排污口溯源模块8对排污口进行精确的定位；具体的，水面检测站人员通过计算机、通讯装置向主控制器下达指令；另外在有缆模式下，水下机器人的电量有水面监测站提供，因此不用担心续航问题。

通过无缆作业模式和有缆作业模式的切换，可以更加高效快速的对排污口进行搜寻定位，减少水面监测站人员的劳动强度，避免现有技术中在单一模式下不够精准或者搜寻较慢的缺陷。

进一步的，所述防水摄像装置7包括广角摄像头以及包覆所述广角摄像头的球型保护壳，所述球型保护壳上设有为所述广角摄像头提供拍摄视角的圆弧形的玻璃视窗。广角摄像头由摄像电机驱动旋转，方便操作人员360度观察水下机器人四周的水域情况，更直观的搜寻排污口，防水摄像装置7通过通讯装置连接水面监测站的计算机，通讯装置采用100M以太网交换机。

进一步的，所述照明灯6设于所述防水摄像装置7的上方，所述防水摄像装置7设于所述旋转轴的端部，且照明灯6的照明方向与所述防水摄像装置7的拍摄方向一致。照明灯6与防水摄像装置7均有摄像电机驱动，一同旋转，可以使照明灯6的照明方向始终对准防水摄像装置7的拍摄方向。

进一步的，水下机器人还包括有水深传感器，所述水深传感器设置在所述水下机器人内部，所述水深传感器的探测端贯穿所述水下机器人的壳体朝向外部。水深传感器配合GPS模块，可以确定水下机器人的具体位置，从而定位出排污口的具体位置。

进一步的，包括驱动组件，所述驱动组件包括设于所述水下机器人尾部的螺旋桨9、以及连接所述螺旋桨9的主动力电机；包括转向组件，所述转向组件包括横向转动翼10和纵向转动翼11，所述横向转动翼10、纵向转动翼11分别连接转向电机，所述主动力电机、所述转向电机均固定安装于所述水下机器人的内部，并与所述主控制器通讯连接。具体的主动力电机、转向电机分别通过对应型号的电机驱动器与主控制器连接，主控制器通过控制主动力电机和转向电机的转速、转向与启停来控制水下机器人的航行方向。

进一步的，还包括有电量监测模块，电量监测模块与蓄电池电连接，电量监测模块与主控制器通讯连接。电量监测模块用于监测蓄电池的电量情况，并在低电量时向主控制器放出报警信息，在无缆模式下，主控制器控制水下机器人进行返航。

进一步的，所述排污口溯源模块8包括PH值传感器、COD传感器以及氨氮传感器，所述排污口溯源模块8与所述主控制器通讯连接。在有缆模式下，水面监测站人员一边操作水下机器人航行，一边通过监测排污口溯源模块8的各个传感器的数据，判断排污口的具体位置。

进一步的，所述后浊度传感器2、所述左浊度传感器3、所述右浊度传感器4与所述水下机器人的壳体之间分别通过固定支架12连接。固定支架12用于拉大各个浊度传感器之间的距离，从而扩大各个浊度传感器的数值差异，方便确定水下机器人的航行方向。

实施例2

一种用于排污口溯源的水下机器人的搜寻定位方法，所述无缆作业模式具体包括以下步骤：

S1：规划并预设所述水下机器人的航行线路一，校准GPS的初始位置，将所述水下机器人放入水中；

S2：所述水下机器人沿规划线路航行，四个浊度传感器分别检测并收集所述水下机器人四周的污水的浊度数据，并将浊度数据发送至主控制器；

S3：主控制器对比分析四个浊度数据，选出其中数值最大的一个浊度数据，以该浊度数据的浊度传感器所在方向作为搜寻方向，控制所述水下机器人航行一段距离；

S4：在所述水下机器人航行一段距离后停止，重复S3步骤，再航行一段距离，直至四个浊度传感器中的其中任意一个浊度传感器的检测值达到预设数值后，主控制器提取GPS数据，存储记录此搜寻点，停止继续搜寻此排污口；

S5：所述水下机器人回到预设航行线路，继续寻找下一个排污口，直至完成整个预设的航行线路。

实施例3

一种用于排污口溯源的水下机器人的搜寻定位方法，所述有缆作业模式具体包括以下步骤：

S01：规划并设定所述水下机器人的航行线路二，所述航行线路二依次经过所述水下机器人在无缆作业模式下记录的若干个搜寻点；

S02：所述水下机器人在到达其中的一个搜寻点后，排污口溯源模块开始实时检测污染数据，并将此地污染数据发送至主控制器，主控制器再将污染数据通过通讯装置传送至水面监测站，同时防水摄像装置启动，并将图像数据实时通过通讯装置传送至水面监测站；

S03：水面监测站的操作人员根据污染数据和图像数据确定水下机器人的航行方向，对排污口的位置进行精确定位。

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 (10)

1.一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人的前后左右四个方向分别安装设有前浊度传感器、后浊度传感器、左浊度传感器、右浊度传感器，所述水下机器人的前端的下侧连接密封壳体，所述密封壳体内设有摄像电机，所述摄像电机输出端连接伸出所述密封壳体的旋转轴，所述旋转轴连接有照明灯、以及防水摄像装置，所述水下机器人的前端设有排污口溯源模块，所述水下机器人的内部还设有主控制器、通讯装置、GPS模块、蓄电池，所述水下机器人包括用于快速搜寻排污口的无缆作业模式和用于精确定位排污口的有缆作业模式。

2.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，所述防水摄像装置包括广角摄像头以及包覆所述广角摄像头的球型保护壳，所述球型保护壳上设有为所述广角摄像头提供拍摄视角的圆弧形的玻璃视窗。

3.根据权利要求2所述的一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，所述照明灯设于所述防水摄像装置的上方，所述防水摄像装置设于所述旋转轴的端部，且照明灯的照明方向与所述防水摄像装置的拍摄方向一致。

4.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，水下机器人还包括有水深传感器，所述水深传感器设置在所述水下机器人内部，所述水深传感器的探测端贯穿所述水下机器人的壳体朝向外部。

5.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，包括驱动组件，所述驱动组件包括设于所述水下机器人尾部的螺旋桨、以及连接所述螺旋桨的主动力电机；包括转向组件，所述转向组件包括横向转动翼和纵向转动翼，所述横向转动翼、纵向转动翼分别连接转向电机，所述主动力电机、所述转向电机均固定安装于所述水下机器人的内部，并与所述主控制器通讯连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，还包括有电量监测模块，所述电量监测模块与蓄电池电连接，所述电量监测模块与主控制器通讯连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，所述排污口溯源模块包括PH值传感器、COD传感器以及氨氮传感器，所述排污口溯源模块与所述主控制器通讯连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人，其特征在于，所述后浊度传感器、所述左浊度传感器、所述右浊度传感器与所述水下机器人的壳体之间分别通过固定支架连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人的搜寻定位方法，其特征在于，所述无缆作业模式具体包括以下步骤：

S1：规划并预设所述水下机器人的航行线路一，校准GPS的初始位置，将所述水下机器人放入水中；

S2：所述水下机器人沿规划线路航行，四个浊度传感器分别检测并收集所述水下机器人四周的污水的浊度数据，并将浊度数据发送至主控制器；

S3：主控制器对比分析四个浊度数据，选出其中数值最大的一个浊度数据，以该浊度数据的浊度传感器所在方向作为搜寻方向，控制所述水下机器人航行一段距离；

S4：在所述水下机器人航行一段距离后停止，重复S3步骤，再航行一段距离，直至四个浊度传感器中的其中任意一个浊度传感器的检测值达到预设数值后，主控制器提取GPS数据，存储记录此搜寻点，停止继续搜寻此排污口；

S5：所述水下机器人回到预设航行线路，继续寻找下一个排污口，直至完成整个预设的航行线路。

10.根据权利要求1所述的一种用于排污口溯源的水下机器人的搜寻定位方法，其特征在于，所述有缆作业模式具体包括以下步骤：

S01：规划并设定所述水下机器人的航行线路二，所述航行线路二依次经过所述水下机器人在无缆作业模式下记录的若干个搜寻点；

S02：所述水下机器人在到达其中的一个搜寻点后，排污口溯源模块开始实时检测污染数据，并将此地污染数据发送至主控制器，主控制器再将污染数据通过通讯装置传送至水面监测站，同时防水摄像装置启动，并将图像数据实时通过通讯装置传送至水面监测站；

S03：水面监测站的操作人员根据污染数据和图像数据确定水下机器人的航行方向，对排污口的位置进行精确定位。

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