CN113928516B - 一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法，涉及水域监测技术领域。所述方法包括利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域；所述缺氧区域为多个且带有位置标记的临界点围成的区域；所述随机覆盖法用于采用未重复路径扫描覆盖所述目标湖库的内部区域；获取所述缺氧区域的环境信息；所述环境信息包括带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息；根据所述缺氧区域、所述环境信息确定所述目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图。本发明实现了对目标湖库的缺氧区域的智能化监测，克服了人工监测费时费力的弊端，还提高了监测精度。

Description

一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法

技术领域

本发明涉及水域监测技术领域，特别是涉及一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法。

背景技术

湖库水体溶解氧(DO)是维系水生态安全的重要变量之一，对维持湖库生态系统平衡至关重要。自然水体中普遍存在热分层现象，水体由表层至底层可分为混合层、温跃层和滞温层。水体DO作为影响湖库水生态系统健康的最重要指标，其浓度的时空分布受热分层现象的影响。其中，温跃层抑制了湖库表层与底层水体的垂向掺混，阻碍了上层水体的大气复氧及光合作用产氧作用对下层水体的补充；滞温层水体的溶解氧在有机质分解和底部沉积物耗氧反应的共同作用下逐渐消耗，最终在湖库下层水体形成溶解氧浓度极小的区域，即为缺氧区；一般将DO浓度低于2mg/L认为是缺氧区或亏氧区。

水体DO几乎参与所有水化学反应及水生物等相互作用的过程，是河湖水质管理的顶级评价指标。湖库底部缺氧区的低DO会导致底泥有毒物质释放，直接威胁鱼类、底栖生物等的生存和繁殖，还会改变了食物链结构，危害水生态系统的稳定和安全。淡水湖库缺氧区的形成与发展和地理气象、水动力条件、营养状态等众多因素相关，为改善湖库的生态环境，湖库缺氧区的研究成为近年来的研究热点。

在缺氧区调查监测方面，目前常用的方法为通过人为投放DO传感器，后期进行数据分析，从而得到湖库缺氧区的范围。但是该种方法耗时耗力，无法满足对大型深水型湖库的测量需求；另外该方法测量精度较低，DO传感器在湖库中上升与下降需要满足均速投放与提升，而获得的数据经常存在同一高程处上升数据与下降数据不一致的问题，以至于无法获得湖库缺氧区时空分布的真实情况，更难以定量探测水下缺氧区形态变化及时空动态演化特征。

因此，为了实现对湖库缺氧区时空分布特征的智能化及精细化监测，本发明提供了一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法，实现对湖库缺氧区时空分布的三维空间立体监测，克服了人工监测耗时耗力的弊端，还提高了监测精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于湖库缺氧区监测的方法，所述方法包括：

利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域；所述缺氧区域为多个且带有位置标记的临界点围成的区域；所述随机覆盖法用于采用未重复路径扫描覆盖所述目标湖库的内部区域；

获取所述缺氧区域的环境信息；所述环境信息包括带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息；

根据所述缺氧区域、所述环境信息确定所述目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图。

可选地，所述利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域，具体包括：

确定第一临界点和第二临界点；所述第一临界点与所述第二临界点位于同一第一垂直临界面上，且所述第一临界点位于所述第二临界点的下方；所述第一临界点为测量装置上部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；所述第二临界点为测量装置下部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；

确定所述测量装置在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点；所述第一水平临界面为所述第一临界点所在的水平平面；所述第二水平临界面为所述第二临界点所在的水平平面；

确定所述测量装置在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点；所述第二垂直临界面为确定多个水平临界点之后的所述测量装置所处的垂直平面；

根据所述水平临界点和所述垂直临界点确定目标湖库的缺氧区域。

可选地，所述确定所述测量装置在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点，具体包括：

当测量装置位于所述第一水平临界面时，控制所述测量装置在所述第一水平临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平临界面上的多个第一水平临界点；

将所述测量装置从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面；

控制所述测量装置在所述第一水平面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平面上的多个第二水平临界点；

判断所述测量装置是否上升至第二水平临界面；

当所述测量装置没有上升至第二水平临界面时，将所述第一水平临界面更新为第一水平面，并返回至步骤将所述测量装置从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面；

当所述测量装置上升至第二水平临界面时，控制所述测量装置停止水平方向的移动。

可选地，所述确定所述测量装置在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点，具体包括：

当测量装置位于所述第一垂直临界面时，控制所述测量装置在所述第一垂直临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一垂直临界面上的多个第一垂直临界点；

将所述测量装置从所述第一垂直临界面移动第二距离至第一垂直面；

控制所述测量装置在所述第一垂直面上移动，以确定所述测量装置在所述第一垂直面上的多个第二垂直临界点；

判断所述测量装置是否移动至第二垂直临界面；

当所述测量装置没有移动至第二垂直临界面时，将所述第一垂直临界面更新为第一垂直面，并返回至步骤将所述测量装置从所述第一垂直临界面移动第二距离至第一垂直面；

当所述测量装置移动至第二垂直临界面时，所述测量装置结束垂直方向的移动。

可选地，所述当测量装置位于所述第一水平临界面时，控制所述测量装置在所述第一水平临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平临界面上的多个第一水平临界点，具体包括：

控制所述测量装置沿第一方向水平移动至第一标定水平临界点；所述第一方向为所述测量装置的前方、后方、上方或下方；

将所述测量装置旋转第一角度后，控制所述测量装置沿第二方向移动至第二标定水平临界点；所述第二方向与所述第一方向相反；所述第一标定水平临界点和所述第二标定水平临界点均为所述第一水平临界点，且所述第一标定水平临界点与所述第二标定水平临界点为不同的第一水平临界点；

判断所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度是否达到360°；所述第一状态为所述测量装置处于所述第一标定水平临界点时的状态；所述第二状态为所述测量装置的当前状态；

若所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度没有达到360°，则将所述第一方向更新为所述第二方向，并返回步骤将所述测量装置旋转第一角度后，控制所述测量装置沿第二方向移动至第二标定水平临界点；

若所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度达到360°，则控制所述测量装置停止旋转。

为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人，所述水下机器人包括终端控制器以及与所述终端控制器通信的机器人本体；

所述机器人本体用于获取所述缺氧区域的环境信息；所述环境信息包括带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息；

所述终端控制器，用于：

利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域；所述缺氧区域为多个且带有位置标记的临界点围成的区域；所述随机覆盖法用于采用未重复路径扫描覆盖目标湖库的内部区域；

根据所述缺氧区域、所述环境信息确定所述目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图。

可选地，所述机器人本体内部设置有监测系统、中央控制器、导航定位系统和航行控制系统；

所述监测系统用于监测目标湖库的溶解氧数据、地形信息和水生态环境信息；

所述导航定位系统用于采集所述机器人本体的位置信息；

所述中央控制器，用于控制所述监测系统和所述导航定位系统，将所述溶解氧数据、所述地形信息、所述水生态环境信息和所述机器人本体的位置信息发送至所述终端控制器；

所述终端控制器用于：

根据所述溶解氧数据和所述机器人本体的位置信息确定目标湖库的临界点；

根据所述临界点、所述地形信息和所述机器人本体的位置信息确定航行命令，并将所述航行命令发送至所述中央控制器；

当确定出目标湖库的缺氧区域时，根据所述临界点、所述机器人本体的位置信息、所述地形信息和所述水生态环境信息确定所述缺氧区域的三维空间立体图；

所述中央控制器还用于根据所述航行命令控制所述航行控制系统工作，以使所述航行控制系统根据所述航行命令调整所述机器人本体的航行姿态信息。

可选地，在所述利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域方面，所述终端控制器，具体用于：

确定第一临界点和第二临界点；所述第一临界点与所述第二临界点位于同一第一垂直临界面上，且所述第一临界点位于所述第二临界点的下方；所述第一临界点为测量装置上部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；所述第二临界点为测量装置下部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；

确定机器人本体在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点；所述第一水平临界面为所述第一临界点所在的水平平面；所述第二水平临界面为所述第二临界点所在的水平平面；

确定所述机器人本体在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点；所述第二垂直临界面为确定多个水平临界点之后的所述机器人本体所处的垂直平面；

根据所述水平临界点和所述垂直临界点确定目标湖库的缺氧区域。

可选地，所述水下机器人还包括：

避障系统，设置在所述机器人本体内部，与所述终端控制器连接，用于检测水下障碍，并将得到的障碍信息发送至所述终端控制器；

所述终端控制器，用于根据所述障碍信息更新所述航行命令，并将更新后的所述航行命令发送至所述中央控制器；

所述中央控制器用于根据更新后的所述航行命令控制所述航行控制系统工作，以使所述航行控制系统根据更新后的所述航行命令调整所述机器人本体的航行姿态信息。

可选地，所述监测系统包括声呐系统、环境监测系统和溶解氧检测系统；

所述声呐系统用于监测目标湖库的地形信息；

所述环境监测系统包括流速计、叶绿素a传感器、蓝绿藻传感器、氨氮传感器、温度传感器、总磷传感器和总氮传感器，所述环境监测系统用于监测目标湖库的水生态环境信息；

所述溶解氧检测系统用于监测目标湖库的溶解氧数据。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

首先利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域，其中随机覆盖法为采用未重复路径扫描覆盖目标湖库的内部区域，从而获得更完备、更广泛的缺氧区域数据，进而提高了对缺氧区域的监测精度；然后获取缺氧区域中带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息；最后根据缺氧区域、地形信息和水生态环境信息确定出目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图。本发明实现了对目标湖库的缺氧区域的智能化监测，克服了人工监测费时费力的弊端；并且最后确定出的三维空间立体图能够更加直观、快速、实时地缺氧区域的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于湖库缺氧区监测的方法的流程示意图；

图2为本发明用于湖库缺氧区监测的水下机器人的结构示意图；

图3为本发明中机器人本体的俯视图；

图4为本发明中机器人本体的运动流程图。

符号说明：

1—终端控制器，2—机器人本体，310—第一溶解氧传感器，311—第二溶解氧传感器，312—第三溶解氧传感器，313—第四溶解氧传感器，4—中央控制器，5—导航定位系统，6—航行控制系统，7—中继器，8—通信电缆，9—信息采集与传输系统，10—垂向推进器，11—水平推进器，12—照明灯，13—摄像头。

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。

本发明的目的是提供一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法，实现对深水湖库的水下缺氧区域分布范围的三维空间立体监测，明确湖库的水下缺氧区域的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种用于湖库缺氧区监测的方法，所述方法包括：

步骤100，利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域；所述缺氧区域为多个且带有位置标记的临界点围成的区域；所述随机覆盖法用于采用未重复路径扫描覆盖所述目标湖库的内部区域。

步骤200，获取所述缺氧区域的环境信息；所述环境信息包括带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息。

步骤300，根据所述缺氧区域、所述环境信息确定所述目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图。

其中，步骤100具体包括：

步骤1001，确定第一临界点和第二临界点；所述第一临界点与所述第二临界点位于同一第一垂直临界面上，且所述第一临界点位于所述第二临界点的下方；所述第一临界点为测量装置上部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；所述第二临界点为测量装置下部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置。具体地，所述设定阈值为2.0m/L。

步骤1002，确定所述测量装置在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点；所述第一水平临界面为所述第一临界点所在的水平平面；所述第二水平临界面为所述第二临界点所在的水平平面。

步骤1003，确定所述测量装置在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点；所述第二垂直临界面为确定多个水平临界点之后的所述测量装置所处的垂直平面。

步骤1004，根据所述水平临界点和所述垂直临界点确定目标湖库的缺氧区域。

进一步地，步骤1002具体包括：

A)当测量装置位于所述第一水平临界面时，控制所述测量装置在所述第一水平临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平临界面上的多个第一水平临界点。具体地，所述测量装置为实施例二中的机器人本体。

B)将所述测量装置从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面。

C)控制所述测量装置在所述第一水平面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平面上的多个第二水平临界点。

D)判断所述测量装置是否上升至第二水平临界面。

E)当所述测量装置没有上升至第二水平临界面时，将所述第一水平临界面更新为第一水平面，并返回至步骤将所述测量装置从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面。

F)当所述测量装置上升至第二水平临界面时，控制所述测量装置停止水平方向的移动。

进一步地，所述步骤1002还包括：输出所有所述第一水平临界点和所述第二水平临界点。

优选地，步骤A)具体包括：

控制所述测量装置沿第一方向水平移动至第一标定水平临界点；所述第一方向为所述测量装置的前方、后方、上方或下方。

将所述测量装置旋转第一角度后，控制所述测量装置沿第二方向移动至第二标定水平临界点；所述第二方向与所述第一方向相反；所述第一标定水平临界点和所述第二标定水平临界点均为所述第一水平临界点，且所述第一标定水平临界点与所述第二标定水平临界点为不同的第一水平临界点。

判断所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度是否达到360°；所述第一状态为所述测量装置处于所述第一标定水平临界点时的状态；所述第二状态为所述测量装置的当前状态。

若所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度没有达到360°，则将所述第一方向更新为所述第二方向，并返回步骤将所述测量装置旋转第一角度后，控制所述测量装置沿第二方向移动至第二标定水平临界点。

若所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度达到360°，则控制所述测量装置停止旋转。

同理可得步骤C)的具体实现步骤。

具体地，步骤1003具体包括：

A1)当测量装置位于所述第一垂直临界面时，控制所述测量装置在所述第一垂直临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一垂直临界面上的多个第一垂直临界点。

B1)将所述测量装置从所述第一垂直临界面移动第二距离至第一垂直面。

C1)控制所述测量装置在所述第一垂直面上移动，以确定所述测量装置在所述第一垂直面上的多个第二垂直临界点。

D1)判断所述测量装置是否移动至第二垂直临界面。

E1)当所述测量装置没有移动至第二垂直临界面时，将所述第一垂直临界面更新为第一垂直面，并返回至步骤将所述测量装置从所述第一垂直临界面移动第二距离至第一垂直面。

F1)当所述测量装置移动至第二垂直临界面时，所述测量装置结束垂直方向的移动。

进一步地，所述步骤1003还包括：输出所有所述第一垂直临界点和所述第二垂直临界点。

在一个具体实施例中，测量装置在第一垂直临界面上的移动过程与测量装置在第一水平临界面上的移动过程相同。

实施例二

如图2和图3所示，本实施例提供一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人，所述水下机器人包括终端控制器1以及与所述终端控制器1通信的机器人本体2；所述机器人本体2用于获取所述缺氧区域的环境信息；所述环境信息包括带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息。

所述终端控制器1，用于利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域，以及根据所述缺氧区域、所述环境信息确定所述目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图；所述缺氧区域为多个且带有位置标记的临界点围成的区域；所述随机覆盖法用于采用未重复路径扫描覆盖目标湖库的内部区域。

具体地，所述机器人本体2放弃了传统框架式结构，转而参考飞机流线型结构，采用钛合金耐压舱设计，比重小，比强度高，耐腐蚀，水下低温性能好，弹性模量低。所述机器人本体2内部设置有监测系统、中央控制器4、导航定位系统5和航行控制系统6。

所述监测系统用于监测目标湖库的溶解氧数据、地形信息和水生态环境信息。具体地，所述监测系统包括声呐系统、环境监测系统和溶解氧检测系统。所述声呐系统用于监测目标湖库的地形信息；进一步地，声呐系统为水下地形侧扫声呐，所述声呐系统的型号为中海达iSide4900多用途声呐，具备400kHz和900kHz双频同步发射接收以及Chirp调频信号处理技术，既可以实现大范围扫宽，也能保证高分辨率成像。所述环境监测系统包括流速计、叶绿素a传感器、蓝绿藻传感器、氨氮传感器、温度传感器、总磷传感器和总氮传感器，所述环境监测系统用于监测目标湖库的水生态环境信息；具体地，所述环境监测系统监测目标湖库的流速、叶绿素、蓝绿藻、温度、含磷量、含氮量等水生态环境信息。所述溶解氧检测系统用于监测目标湖库的溶解氧数据；进一步地，所述溶解氧检测系统包括设置在机器人本体2前部的第一溶解氧传感器310、设置在机器人本体2上部的第二溶解氧传感器311、设置在机器人本体2后部的第三溶解氧传感器312以及设置在机器人本体2下部的第四溶解氧传感器313。

所述导航定位系统5用于采集所述机器人本体2的位置信息；具体地，所述导航定位系统5采用捷联惯导系统(SINS)和多普勒速度声呐系统(DVS)的组合导航系统。所述导航定位系统5包括惯性测量装置、光纤陀螺和运动传感器、压力传感器、多普勒声呐计程仪(DVL)以及DGPS接收机的组合导航传感器。在具体实施例中，所述导航定位系统5具体为MAPPOS多普勒/惯性水下定位系统，在距离水下深度不超过200m的条件下，定位精度可以达到航程的0.03％，具有低成本和高性能的优势，能够满足国内各种湖库的定位导航功能，满足科研的精度要求。

中央控制器4用于控制所述监测系统和所述导航定位系统5，将所述溶解氧数据、所述地形信息、所述水生态环境信息和所述机器人本体2的位置信息发送至所述终端控制器1。所述终端控制器1用于：根据所述溶解氧数据和所述机器人本体2的位置信息确定目标湖库的临界点，根据所述临界点、所述地形信息和所述机器人本体2的位置信息确定航行命令，并将所述航行命令发送至所述中央控制器4，以及当确定出目标湖库的缺氧区域时，根据所述临界点、所述机器人本体2的位置信息、所述地形信息和所述水生态环境信息确定所述缺氧区域的三维空间立体图。

进一步地，中央控制器4接收第一溶解氧传感器310、第二溶解氧传感器311、第三溶解氧传感器312和第四溶解氧传感器313所监测到的溶解氧数据，并对四个溶解氧传感器监测到的溶解氧数据进行实时分析。具体地，所述中央控制器4内部设置有PLC控制器，通过PLC控制器对溶解氧浓度进行判断。若溶解氧浓度小于2.0mg/L，则表示机器人本体2进入到缺氧区域。

在一个具体实施例中，以A01_DO表示设置在机器人本体上部A01处的第二溶解氧传感器在时间t时监测到的溶解氧浓度，以A02_DO表示设置在机器人本体下部A02处的第四溶解氧传感器在时间t时监测到的溶解氧浓度，以A03_DO表示设置在机器人本体前部A03处的第一溶解氧传感器在时间t时监测到的溶解氧浓度，以A04_DO表示设置在机器人本体后部A04处的第三溶解氧传感器在时间t时监测到的溶解氧浓度。

即，若机器人本体上设置的溶解氧传感器满足以下情形：

A0n_D0＜2.0mg/L

则认为机器人本体到达临界点；其中，n为正整数，A_D0＝f(A,t)，A_D0表示时间t时机器人本体所在的A(x,y)点监测到的溶解氧浓度，单位为mg/L。

所述中央控制器4还用于根据所述航行命令控制所述航行控制系统6工作，以使所述航行控制系统6根据所述航行命令调整所述机器人本体的航行姿态信息。具体地，所述航行姿态信息包括机器人本体的加速度、深度、方向、温度、压力以及电压电流等；并且所述机器人本体支持手动遥控航行和自主巡航两种模式。进一步地，所述航行控制系统6能够保证机器人本体进行定深度运动、定倾角运动、横倾和纵倾运动以及失稳自恢复。

在本发明具体实施例中，所述机器人本体还包括避障系统。所述避障系统设置在所述机器人本体内部，与所述终端控制器1连接，用于检测水下障碍，并将得到的障碍信息发送至所述终端控制器1。所述终端控制器1用于根据所述障碍信息更新所述航行命令，并将更新后的所述航行命令发送至所述中央控制器4；所述中央控制器4用于根据更新后的所述航行命令控制所述航行控制系统6工作，以使所述航行控制系统6根据更新后的所述航行命令调整所述机器人本体的航行姿态信息。

具体地，避障系统包括分别设置在所述机器人本体的前后左右及下部这五个方向的超声波避障传感器，所述超声波避障传感器的感知距离能够达到5m，且能够在水下探测到水底、岩石、滩涂等的距离，避免沉底、碰撞等情况的发生。进一步地，所述超声波避障传感器为安布雷拉XIHU-URS5000超声波避障传感器。

优选地，所述机器人本体内部还设置有信息采集与传输系统9；信息采集与传输系统9包括数据存储器和数据传输器；数据存储器能够实时存储目标湖库的溶解氧数据、地形信息、水生态环境信息、机器人本体的位置信息和机器人本体的航行姿态信息；所述数据传输器为中继器7，中继器7通过通信电缆8与终端控制器1连接，数据存储器中存储的数据经过中继器和通信电缆传输至终端控制器1，同时，也经过通信电缆接收终端控制器1发送来的航行命令。其中，通信线缆采用聚氨酯外皮，线皮耐压，线缆内部用阻水层等填充；通信电缆将数据存储器中的数据传递给终端控制器1，实现了监测数据及航行数据的实时显示和分析，保证了数据的一站式获取，实现了高效率的水下作业。

进一步地，机器人本体上设置有推进器。所述推进器为无刷水下推进器，其采用的是ABS高效率对转螺旋桨，并且所述推进器包括两个垂向推进器10和四个水平推进器11，并且采用了前四后二排布模式，在保证稳定航行的基础上增加了灵活性。所述推进器的光面采用聚氨酯缆线，进行密封处理，能够保证水下长时间的工作状态。所述推进器的型号为BFTZ-100。

在一个具体实施例中，机器人本体上还设置照明灯12和摄像头13；所述照明灯12和所述摄像头13均设置在所述机器人本体的前段；通过设置摄像头13能够实现全角度水下高清摄像，并配备水下照明灯，适用各种水质状况下的工作环境。所述摄像头采集得到的数据信息(水下高清视频)存储至所述数据存储器。

具体地，所述水下机器人还包括供电系统；所述供电系统通过通信电缆对机器人本体和终端控制器1提供电力，以蓄电池作能源供应方式。

在本发明具体实施例中，终端控制器1为水面装置，终端控制器1用于监视和遥控和监测水下的机器人本体，下达航行和监测命令，实时显示航行状态信息，并对监测数据进行存储、分析及可视化显示。

优选地，在所述利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域方面，所述终端控制器1，具体用于：

确定第一临界点和第二临界点；所述第一临界点与所述第二临界点位于同一第一垂直临界面上，且所述第一临界点位于所述第二临界点的下方；所述第一临界点为机器人本体上部的溶解氧浓度小于设定阈值时机器人本体所处的位置；所述第二临界点为机器人本体下部的溶解氧浓度小于设定阈值时机器人本体所处的位置。具体地，所述设定阈值为2.0m/L。

确定机器人本体在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点；所述第一水平临界面为所述第一临界点所在的水平平面；所述第二水平临界面为所述第二临界点所在的水平平面；

确定所述机器人本体在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点；所述第二垂直临界面为确定多个水平临界点之后的所述机器人本体所处的垂直平面；

根据所述水平临界点和所述垂直临界点确定目标湖库的缺氧区域。

进一步地，在确定机器人本体在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点方面，所述终端控制器1，具体用于：

当机器人本体位于所述第一水平临界面时，控制所述机器人本体在所述第一水平临界面上移动，以确定所述机器人本体在所述第一水平临界面上的多个第一水平临界点。

将所述机器人本体从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面。

控制所述机器人本体在所述第一水平面上移动，以确定所述机器人本体在所述第一水平面上的多个第二水平临界点。

判断所述机器人本体是否上升至第二水平临界面。

当所述机器人本体没有上升至第二水平临界面时，将所述第一水平临界面更新为第一水平面，并返回至步骤将所述机器人本体从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面。

当所述机器人本体上升至第二水平临界面时，控制所述机器人本体停止水平方向的移动。

输出所有所述第一水平临界点和所述第二水平临界点。

再进一步地，在所述当机器人本体位于所述第一水平临界面时，控制所述机器人本体在所述第一水平临界面上移动，以确定所述机器人本体在所述第一水平临界面上的多个第一水平临界点方面，所述终端控制器1具体包括：

控制所述机器人本体沿第一方向水平移动至第一标定水平临界点；所述第一方向为所述机器人本体的前方、后方、上方或下方。

将所述机器人本体旋转第一角度后，控制所述机器人本体沿第二方向移动至第二标定水平临界点；所述第二方向与所述第一方向相反；所述第一标定水平临界点和所述第二标定水平临界点均为所述第一水平临界点，且所述第一标定水平临界点与所述第二标定水平临界点为不同的第一水平临界点。

判断所述机器人本体从第一状态旋转至第二状态的角度是否达到360°；所述第一状态为所述机器人本体处于所述第一标定水平临界点时的状态；所述第二状态为所述机器人本体的当前状态。

若所述机器人本体从第一状态旋转至第二状态的角度没有达到360°，则将所述第一方向更新为所述第二方向，并返回步骤将所述机器人本体旋转第一角度后，控制所述机器人本体沿第二方向移动至第二标定水平临界点。

若所述机器人本体从第一状态旋转至第二状态的角度达到360°，则控制所述机器人本体停止旋转。

本实施例提供的水下机器人还包括多种扩展模块，能够根据现实工作需求满足多种功能。

实施例三

本实施例提供一种用于湖库缺氧区监测的方法，包括：

当水下机器人开始缺氧区域自动监测时，机器人本体下水，并开始采用随机覆盖法进行运动(以本机器人本体为基准，设定向上运动方向为D01、向下运动方向为D02、向前运动方向为D03、向后运动方向为D04)，也称为随机碰撞式导航，但这并非是指机器人本体真正与环境中的物体产生碰撞，也非毫无章法的在空间随机移动，随机覆盖法是指机器人根据一定的移动算法，如果遇到临界点，则执行对应的转向函数指令，该指令由中央控制器4将判定的水下缺氧条件信息传递给终端控制器1，终端控制器1控制航行控制系统6执行相应的航行运动及姿态控制。

具体地，由水下机器人运动路径构成平面，并由多层水平平面与垂向平面构成三维亏氧区区域。如图4所示，对湖库的缺氧区域进行监测时，水下机器人运动路径判断及缺氧区形态识别分析的实现方法如下：

1)当机器人开始工作，第二溶解氧传感器、第四溶解氧传感器启动感应，当A01_DO<2.0mg/L<A02_DO时，即机器人本体到达临界点A(第二临界点)，机器人本体开始垂直沿D02方向运动；到达缺氧区域底部临界点(第一临界点)或避障系统距底部临界阈值点B时，根据导航定位系统5，确定机器人本体从临界点A至临界点B的距离L1。然后将第二溶解氧传感器和第四溶解氧传感器关闭感应，将第一溶解氧传感器和第三溶解氧传感器启动感应，控制机器人本体开始进行水平运动。

2)机器人本体沿D03方向进行水平运动至临界点B0(第一标定临界点)，然后机器人本体执行水平顺时针旋转15°的命令，并沿D04方向进行水平运动至临界点B1(第二标定临界点)，重复上述运动24次后停止水平运动，将第一溶解氧传感器和第三溶解氧传感器关闭感应，将第二溶解氧传感器和第四溶解氧传感器启动感应，然后机器人本体上升L1/20。

3)重复20次步骤2)后，机器人本体运动至临界点A所在水平面(第二水平临界面)，且完成步骤2)水平运动后，返回临界点A，记录机器人本体返回至临界点A的这段路径长度为L2，端点分别为临界点A、临界点C。

4)将第一溶解氧传感器和第三溶解氧传感器关闭感应，将第二溶解氧传感器和第四溶解氧传感器启动感应，机器人沿A03、A04连接点中轴线顺时针旋转15°，并沿D02方向运动至临界点，继续旋转15°，并沿D01方向运动至临界点，重复运动24次后停止运动，

5)机器人本体按平行于AC线段路径沿D03方向运动L2/20，并重复步骤4)，直至机器人本体运动至C点所在垂直平面且完成在该垂直平面的所有运动。

在机器人本体的运动过程中，操作人员可通过终端屏幕实时观察机器人本体的运动轨迹，通过运动轨迹与临界点以及定位系统，可清晰确定缺氧区域的体积形状以及位置。

水体热分层(水温)是决定水体溶解氧状况及缺氧区演化的主要驱动因素；藻类浓度通过对溶解氧结构及底层水体耗氧条件的影响驱动了缺氧区的年内演化规律；湖库的水下地形条件变化是水体缺氧区形成的重要辅助性因素；水动力学条件则主要影响水库缺氧区的稳定性，因此在缺氧区三维立体监测的过程中，中央控制器4同时进行缺氧区形成机制的其他环境因素的监测，如水下地形、水流流速、叶绿素a浓度、蓝绿藻浓度、水环境状况和水下高清摄像等，为自然条件、水动力条件和水环境条件变化下湖库溶解氧响应机理研究提供了技术支撑。

相对于现有技术，本发明还具有以下优点：

(1)本发明提供了一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人及方法，为快速监测湖库缺氧区的分布规律、形成机制和演变特征变化提供了一种有效途径。

(2)本发明用于湖库缺氧区监测的水下机器人克服了人工监测费时费力的弊端，对掌握湖库水下缺氧区三维立体分布提供了一种精细化测量的装置和方法。

(3)本发明用于湖库缺氧区监测的水下机器人实现了湖库缺氧区域三维分布范围数据、水下地形数据、水动力数据和水环境数据以及水下高清视频数据的实时同步传输，为实时查明湖库缺氧区的分布及其相关水生态环境指标的响应关系提供了便利，湖库高清水下图像为直观、快速、实时掌握监测工作状况提供了条件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于湖库缺氧区监测的方法，其特征在于，所述方法包括：

利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域；所述缺氧区域为多个且带有位置标记的临界点围成的区域；所述随机覆盖法用于采用未重复路径扫描覆盖所述目标湖库的内部区域；所述利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域，具体包括：

确定第一临界点和第二临界点；所述第一临界点与所述第二临界点位于同一第一垂直临界面上，且所述第一临界点位于所述第二临界点的下方；所述第一临界点为测量装置上部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；所述第二临界点为测量装置下部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；

确定所述测量装置在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点；所述第一水平临界面为所述第一临界点所在的水平平面；所述第二水平临界面为所述第二临界点所在的水平平面；

确定所述测量装置在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点；所述第二垂直临界面为确定多个水平临界点之后的所述测量装置所处的垂直平面；

根据所述水平临界点和所述垂直临界点确定目标湖库的缺氧区域；

获取所述缺氧区域的环境信息；所述环境信息包括带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息；

根据所述缺氧区域、所述环境信息确定所述目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图。

2.根据权利要求1所述的用于湖库缺氧区监测的方法，其特征在于，所述确定所述测量装置在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点，具体包括：

当测量装置位于所述第一水平临界面时，控制所述测量装置在所述第一水平临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平临界面上的多个第一水平临界点；

将所述测量装置从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面；

控制所述测量装置在所述第一水平面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平面上的多个第二水平临界点；

判断所述测量装置是否上升至第二水平临界面；

当所述测量装置没有上升至第二水平临界面时，将所述第一水平临界面更新为第一水平面，并返回至步骤将所述测量装置从所述第一水平临界面上升第一距离至第一水平面；

当所述测量装置上升至第二水平临界面时，控制所述测量装置停止水平方向的移动。

3.根据权利要求1所述的用于湖库缺氧区监测的方法，其特征在于，所述确定所述测量装置在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点，具体包括：

当测量装置位于所述第一垂直临界面时，控制所述测量装置在所述第一垂直临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一垂直临界面上的多个第一垂直临界点；

将所述测量装置从所述第一垂直临界面移动第二距离至第一垂直面；

控制所述测量装置在所述第一垂直面上移动，以确定所述测量装置在所述第一垂直面上的多个第二垂直临界点；

判断所述测量装置是否移动至第二垂直临界面；

当所述测量装置没有移动至第二垂直临界面时，将所述第一垂直临界面更新为第一垂直面，并返回至步骤将所述测量装置从所述第一垂直临界面移动第二距离至第一垂直面；

当所述测量装置移动至第二垂直临界面时，所述测量装置结束垂直方向的移动。

4.根据权利要求2所述的用于湖库缺氧区监测的方法，其特征在于，所述当测量装置位于所述第一水平临界面时，控制所述测量装置在所述第一水平临界面上移动，以确定所述测量装置在所述第一水平临界面上的多个第一水平临界点，具体包括：

控制所述测量装置沿第一方向水平移动至第一标定水平临界点；所述第一方向为所述测量装置的前方、后方、上方或下方；

将所述测量装置旋转第一角度后，控制所述测量装置沿第二方向移动至第二标定水平临界点；所述第二方向与所述第一方向相反；所述第一标定水平临界点和所述第二标定水平临界点均为所述第一水平临界点，且所述第一标定水平临界点与所述第二标定水平临界点为不同的第一水平临界点；

判断所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度是否达到360°；所述第一状态为所述测量装置处于所述第一标定水平临界点时的状态；所述第二状态为所述测量装置的当前状态；

若所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度没有达到360°，则将所述第一方向更新为所述第二方向，并返回步骤将所述测量装置旋转第一角度后，控制所述测量装置沿第二方向移动至第二标定水平临界点；

若所述测量装置从第一状态旋转至第二状态的角度达到360°，则控制所述测量装置停止旋转。

5.一种用于湖库缺氧区监测的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人包括终端控制器以及与所述终端控制器通信的机器人本体；

所述机器人本体用于获取缺氧区域的环境信息；所述环境信息包括带有位置标记的地形信息和带有位置标记的水生态环境信息；

所述终端控制器，用于：

利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域；所述缺氧区域为多个且带有位置标记的临界点围成的区域；所述随机覆盖法用于采用未重复路径扫描覆盖目标湖库的内部区域；

根据所述缺氧区域、所述环境信息确定所述目标湖库的缺氧区域的三维空间立体图；

在所述利用随机覆盖法确定目标湖库的缺氧区域方面，所述终端控制器，具体用于：

确定第一临界点和第二临界点；所述第一临界点与所述第二临界点位于同一第一垂直临界面上，且所述第一临界点位于所述第二临界点的下方；所述第一临界点为测量装置上部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；所述第二临界点为测量装置下部的溶解氧浓度小于设定阈值时测量装置所处的位置；

确定机器人本体在第一水平临界面与第二水平临界面之间的多个水平临界点；所述第一水平临界面为所述第一临界点所在的水平平面；所述第二水平临界面为所述第二临界点所在的水平平面；

确定所述机器人本体在所述第一垂直临界面与第二垂直临界面之间的多个垂直临界点；所述第二垂直临界面为确定多个水平临界点之后的所述机器人本体所处的垂直平面；

根据所述水平临界点和所述垂直临界点确定目标湖库的缺氧区域。

6.根据权利要求5所述的用于湖库缺氧区监测的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体内部设置有监测系统、中央控制器、导航定位系统和航行控制系统；

所述监测系统用于监测目标湖库的溶解氧数据、地形信息和水生态环境信息；

所述导航定位系统用于采集所述机器人本体的位置信息；

所述中央控制器，用于控制所述监测系统和所述导航定位系统，将所述溶解氧数据、所述地形信息、所述水生态环境信息和所述机器人本体的位置信息发送至所述终端控制器；

所述终端控制器用于：

根据所述溶解氧数据和所述机器人本体的位置信息确定目标湖库的临界点；

根据所述临界点、所述地形信息和所述机器人本体的位置信息确定航行命令，并将所述航行命令发送至所述中央控制器；

当确定出目标湖库的缺氧区域时，根据所述临界点、所述机器人本体的位置信息、所述地形信息和所述水生态环境信息确定所述缺氧区域的三维空间立体图；

所述中央控制器还用于根据所述航行命令控制所述航行控制系统工作，以使所述航行控制系统根据所述航行命令调整所述机器人本体的航行姿态信息。

7.根据权利要求6所述的用于湖库缺氧区监测的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人还包括：

避障系统，设置在所述机器人本体内部，与所述终端控制器连接，用于检测水下障碍，并将得到的障碍信息发送至所述终端控制器；

所述终端控制器，用于根据所述障碍信息更新所述航行命令，并将更新后的所述航行命令发送至所述中央控制器；

所述中央控制器用于根据更新后的所述航行命令控制所述航行控制系统工作，以使所述航行控制系统根据更新后的所述航行命令调整所述机器人本体的航行姿态信息。

8.根据权利要求6所述的用于湖库缺氧区监测的水下机器人，其特征在于，所述监测系统包括声呐系统、环境监测系统和溶解氧检测系统；

所述声呐系统用于监测目标湖库的地形信息；

所述环境监测系统包括流速计、叶绿素a传感器、蓝绿藻传感器、氨氮传感器、温度传感器、总磷传感器和总氮传感器，所述环境监测系统用于监测目标湖库的水生态环境信息；

所述溶解氧检测系统用于监测目标湖库的溶解氧数据。

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