CN115201832A - 一种水陆两用挖掘机的监控系统及监控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水陆两用挖掘机的监控系统及监控方法，涉及清淤技术领域，包括机械体、控制中心、浮体吃水监测系统；控制中心与所述浮体吃水监测系统连接；机械体包括分布在所述机身上的至少一对浮体，浮体上设有定位装置；浮体吃水监测系统包括至少一组深度监测装置，深度监测装置分布在所述机械体的底部并用于检测机械体底部至水底的距离及底部地形状态；还包括压力传感器组和定位倾角传感器组，压力传感器组和定位倾角传感器组分别用于检测浮体和定位装置的倾斜程度。本发明实时获取深度信息及沉积物形态，深度信息反应了水陆两用挖掘机的吃水量，通过清淤前后的深度信息变化判断是否完成清淤工作。

Description

一种水陆两用挖掘机的监控系统及监控方法
技术领域
本发明属于清淤技术领域，具体涉及一种水陆两用挖掘机的监控系统及监控方法。
背景技术
清淤作业一般是利用清淤设备清除水底沉积物，清淤设备从沉积物所在地挖走沉积物之后，再搬运到指定的地点，在清淤的过程中，由于现有的水陆两用挖掘机具备浮箱，因此可以实现在水上浮航，适应在土壤承载能力极低的泥沼地行驶和作业，但是实际在浮航的过程中容易出现稳定性差，易受到杂草或水草的缠绕等问题，在浮航的同时也需要时刻对水底进行清淤效果的检查，因此，需要提供一种水陆两用挖掘机的监控系统，可以针对当前水陆两用挖掘机的位置信息进行实时监控，同时确保水陆两用挖掘机的吃水深度和稳定性。
申请号为CN201810071277.1的中国专利提供了一种刚性机械臂小型清淤船清淤效果实时监控系统，包括船体、清淤主体、控制显示装置、GPS基准站和GPS流动站，所述船体上固定清淤主体，且该船体上设置控制显示装置，所述清淤主体上设置两组信号接收装置，两组所述信号接收装置通过无线电通讯链接收GPS基准站的差分信息与卫星定位信息，以采集确定信号接收装置的相位中心的位置信息，所述位置信息包括平面坐标信息和高程信息，且两组信号接收装置均设置为通过数据线电性连接控制显示装置，所述控制显示装置用于接收信号接收装置(60)采集的位置信息，所述GPS基准站与船体之间的间距设置为小于5千米，且该GPS基准站设置于河岸上，所述GPS流动站用于采集控制点的坐标信息，且将该坐标信息反馈至控制显示装置。该装置通过接收导入的原始水下地形图将其作为底图，以底图中的高程信息和监控模块所记录的绞吸头的高程信息进行清淤量的计算，但是仅对清淤船的位置信息进行了定位，并未对清淤船吃水信息进行定位，无法确保清淤船的浮潜深度。
申请号为CN201811151848.9的中国专利公开了一种宽适应高效智能环保清淤清浮疏浚机器人系统，包括有自平衡可原地回转式防绞机身、可变角度防扩散同轴互逆螺旋式清淤清浮机构、低阻尼自浮式快速锁紧防堵输送机构、自适应清淤精控系统和智能控制及系统效率协同优化系统；考虑到清淤疏浚环境底部淤泥软硬不均以及水面作业可能遭遇风浪而造成的设备中心不稳定的问题，设计自平衡结构，采用浮筒与旋转浮体相配合结构，浮筒用来平衡前置清淤机构的重力以及抽吸造成的不平稳性，当设备发生倾斜时，旋转浮体可绕活动轴承迅速响应产生偏转，改变自身吃水深度，机身在自身重力的作用下保持水平，实现设备运行过程的稳定性。该发明采用超声波测深模块，实现对开挖深度的实时监测，并进行时间延迟估计算法的优化，最大程度减少测量误差，但是该机器人系统并未说明该如何改变自身吃水深度，以及如何进行吃水深度的监控。
现有的水陆挖掘机为了要达到一定的平稳性，通常会增加浮体，并在浮体上设置相应的定位装置，便于将水路挖掘机固定在环境底部，但是在工作过程中，需要根据沉积物的情况进行吃水深度的调整，因此需要提供相应的监测系统，可以监测水陆挖掘机的自动吃水深度，以沉积物的分布情况，进一步判断是否清淤完成。
传统的监测方式一般为压力传感法，将压力传感器固定在船身，通过压力传感器的数值来确定水下深度值，或者基于图像处理的水尺识别法，在设备吃水测测区域的不同位置安装多个高清相机，对不同位置的水池位置进行拍照，然后对图像进行算法处理，提取相应的水尺刻度值。但是高清相机容易受到环境和天气的影响，对图像质量有较高的要求；且在清淤过程中无法保证浮体及水陆挖掘机的平稳性。
因此，针对现有的水陆挖掘机存在的缺陷，需要提供一种新的水陆两用挖掘机的监控系统及监控方法，可以保证浮体及水陆挖掘机的平稳性，同时具有吃水监测及清淤效果监测功能。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的是针对上述问题提供一种水陆两用挖掘机的监控系统及监控方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水陆两用挖掘机的监控系统，包括机械体、控制中心、浮体吃水监测系统；所述控制中心与所述浮体吃水监测系统连接；
所述机械体包括分布在机身上的至少一对浮体，所述浮体上设有定位装置；所述浮体吃水监测系统包括至少一组深度监测装置，所述深度监测装置分布在所述机械体的底部并用于检测所述机械体底部至水底的距离及底部地形状态；还包括压力传感器组和定位倾角传感器组，所述压力传感器组和所述定位倾角传感器组分别用于检测所述浮体和所述定位装置的倾斜程度。
优选地，所述深度监测装置包括排列在所述浮体底部的多个图像声呐。
优选地，所述定位装置包括固定在所述浮体上的定位桩和升降结构；所述升降结构包括与所述定位桩配合的升降杆，且该升降杆在所述定位桩内沿着垂直于所述浮体的方向上下移动。
优选地，所述定位倾角传感器组包括若干个定位倾角传感器，所述定位倾角传感器分布在所述升降杆上。
优选地，所述压力传感器组包括若干个压力传感器，所述压力传感器分布在所述浮体和所述机械体的底部。
优选地，所述压力传感器的排布方式为一列，均匀排布在所述浮体和所述机械体的底部。
优选地，还包括位置信息采集系统，所述位置信息采集系统与所述控制中心相连，用于发送所述机械体的位置信息。
一种水陆两用挖掘机的监控方法，基于所述的监控系统，具体方法包括：
步骤一、获取机械体的位置信息，深度监测装置获取深度信息及水底地形状态，压力传感器组实时获取所述机械体不同位置的水压，结合所述深度监测装置进行误差补偿；构建水底地形三维图；
步骤二、水陆两用挖掘机到达指定清淤位置后，定位装置进行定位，将机械体固定在清淤位置，所述深度监测装置获取当前深度信息记为第一深度；
步骤三、所述水陆两用挖掘机进行清淤，清淤过程中，定位倾角传感器组获取所述定位装置的倾斜角度，判断所述机械体与水底的结合强度；清淤完成后，定位装置释放，此时所述深度监测装置获取当前深度信息记为第二深度；记录所述第一深度和所述第二深度的差距为清淤深度差，并传输至控制中心；
步骤四、所述水陆两用挖掘机到达指定释放位置，定位装置进行定位，将机械体固定在释放位置，所述深度监测装置获取当前深度信息记为第三深度；所述水陆两用挖掘机释放清理的物质，定位装置释放，此时所述深度监测装置获取当前深度信息记为第四深度；记录所述第三深度和所述第四深度为释放深度差，并传输至控制中心；
步骤五、判断是否清淤完成，若未清淤完成，则重复步骤二至步骤四；若清淤完成，所述水陆两用挖掘机返回地面。
优选地，所述深度监测装置包括的多个图像声呐，所述图像声呐向水底发送脉冲并接收反射波；所述图像声呐将反射波传输至控制中心，生成三维图。
优选地，所述压力传感器组结合所述深度监测装置进行误差补偿，设所述压力传感器的数量为N，相邻两个所述压力传感器的距离为L，首尾两端的所述压力传感器所测得高度变化值为△H1，△H2，则所述浮体的倾斜角度为：
Figure BDA0003660997440000041
则其中第i个压力传感器的偏移量为：
ΔHi＝ΔH1+(i-1)×L×sinα
优选地，所述定位倾角传感器组用于获取所述定位装置的倾斜角度，设定倾角阈值为β，每个定位装置上的所述倾角传感器组偏离垂直方向角度为γ，若γ<β，则所述机械体与水底的结合强度较强，若γ>β，则停止清淤，且所述控制中心控制所述定位装置的升降杆下降，持续插入水底，直至γ<β停止，且保持γ<β连续5分钟，继续进行清淤工作。
优选地，在步骤五中，判断是否清淤完成的方法为，控制中心内设定水路深度阈值，比较所述第二深度和所述水路深度阈值，若所述第二深度与所述水路深度阈值的差值控制在5％以内，则说明已经清淤完成。
与现有技术相比，本发明有以下优势：
1.本发明的机械体包括分布在所述机身上的至少一对浮体，所述浮体上设有定位装置，浮体可以提供足够的浮力供水陆两用挖掘机在水中悬浮，且定位装置可插入水底，保证机械体的稳定性；且在所述定位装置上分布有定位倾角传感器组。可以实时监测所述定位装置的倾角，若出现定位装置插入水底不稳定的情况，则在水流的波动下，所述定位装置发生倾斜，所述定位装置的倾斜程度连续超过倾角阈值，此时控制中心判断定位装置不稳定，控制所述定位装置的升降杆下降，持续插入水底，直至停止，且保持倾斜程度低于倾角阈值，才继续进行清淤工作。定位装置和定位倾角传感器组的设置，可以保证在清淤工作过程中的稳定性。
2.本发明设有浮体吃水监测系统，浮体吃水监测系统包括至少一组深度监测装置，所述深度监测装置分布在所述机械体的底部并用于检测所述机械体底部至水底的距离及底部地形状态，根据分布在所述浮体上的压力传感器组上每个压力传感器的深度值，补偿水面波动对深度监测装置的测量结果的影响。
3.本发明还提供了一种水陆两用挖掘机的监控方法，利用深度监测装置和压力传感器组构建水底地形三维图，获取深度信息及沉积物形态，深度信息反应了所述水陆两用挖掘机的吃水量，通过清淤前后的深度信息变化判断是否完成清淤工作。
附图说明
图1为本发明一种水陆两用挖掘机的监控方法的示意图；
图2是本发明一种水陆两用挖掘机的监控系统中水陆两用挖掘机的倾斜摆动的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
一种水陆两用挖掘机的监控系统，包括机械体、控制中心、浮体吃水监测系统；所述控制中心与所述浮体吃水监测系统连接；
所述机械体包括分布在机身上的至少一对浮体，所述浮体上设有定位装置；定位装置包括定位桩、贯穿定位桩的升降杆，所述定位桩包括外壳、设于外壳侧壁的开口、设于开口处的外套、套设于外套内的内套，所述内套内设有第一轴承体，所述第一轴承体的两端依次设有第一轴封、压盖，所述第一轴承体的中间套设有第一转轴，所述第一转轴套设有齿轮，所述第一转轴的一端穿过第一轴封与压盖转动连接，所述第一转轴的另一端依次穿过第一轴封、压盖且连接有减速齿轮，所述外壳外安装有与减速齿轮相啮合的液压减速马达，所述升降杆上设有与齿轮相啮合的齿条，所述定位装置包括固定在所述浮体上的定位桩和升降结构；所述升降结构包括与所述定位桩配合的升降杆，且该升降杆在所述定位桩内沿着垂直于所述浮体的方向上上下移动，使得水陆挖掘机在水中能够将下体固定住，进行挖掘、回旋等施工。所述定位倾角传感器组包括若干个定位倾角传感器，所述定位倾角传感器分布在所述升降杆上。
浮体可以提供足够的浮力供水陆两用挖掘机在水中悬浮，且定位装置可插入水底，保证机械体的稳定性；且在所述定位装置上分布有定位倾角传感器组。可以实时监测所述定位装置的倾角，若出现定位装置插入水底不稳定的情况，则在水流的波动下，所述定位装置发生倾斜，所述定位装置的倾斜程度连续超过倾角阈值，此时控制中心判断定位装置不稳定，控制所述定位装置的升降杆下降，持续插入水底，直至停止，且保持倾斜程度低于倾角阈值，才继续进行清淤工作。所述定位倾角传感器组用于获取所述定位装置的倾斜角度，定位装置和定位倾角传感器组的设置，可以保证在清淤工作过程中的稳定性。
所述浮体吃水监测系统包括至少一组深度监测装置，所述深度监测装置分布在所述机械体的底部并用于检测所述机械体底部至水底的距离及底部地形状态；所述深度检测装置包括排列在所述浮体底部的多个图像声呐，所述图像声呐向水底发送脉冲并接收反射波；所述图像声呐将反射波传输至控制中心，生成三维图。
还包括分布在所述浮体和所述机械体上的压力传感器组，所述压力传感器组用于检测所述浮体倾斜程度。所述压力传感器组包括若干个压力传感器，所述压力传感器的排布方式为一列，均匀分布在所述浮体和所述机械体的底部。由于水下波动对图像声呐的影响力较大，因此测量的水下深度及三维图像会产生一定的误差值，且该误差值会随着水波的增大而增大；且机械体上两侧浮体的上下浮动会引起图像声呐的反射波接收产生信息误差。如图2所示，当两侧浮体在垂直方向高度发生变化，通过两侧浮体左右两端的压力传感器可以测量出首尾两端的高度变化值为△H1，△H2。本系统压力传感器的数量为N，相邻两个所述压力传感器的距离为L，则压力传感器组总长度为(N-1)×L，利用几何知识可以计算出两侧浮体的倾斜角度:
所述压力传感器组结合所述深度监测装置进行误差补偿，设所述则所述浮体的倾斜角度为：
Figure BDA0003660997440000061
则其中第i个压力传感器的偏移量为：
ΔHi＝ΔH1+(i-1)×L×sinα
进一步获得相应的误差补偿数组，通过改数据补偿，可以避免外界环境因素对深度信息测量结果的影响。
利用深度监测装置和压力传感器组构建水底地形三维图，获取深度信息及沉积物形态，深度信息反应了所述水陆两用挖掘机的吃水量，通过清淤前后的深度信息变化判断是否完成清淤工作。
本监测装置还包括位置信息采集系统，所述位置信息采集系统与所述控制中心相连，用于发送所述机械体的位置信息。所述位置信息采集系统为GPS定位系统，该GPS定位系统包括卫星导航仪，所述卫星导航仪用于发出所述水陆两用挖掘机的GPS定位信息和航速信息，然后GPS定位信息和航速信息传输至控制中心，并分别转换为GPS定位显示数据和船舶航速显示数据后显示在操作台上。所述位置信息采集系统向操作人员显示出船舶的定位信息，让操作人员即时了解所处的位置信息。
本发明还提供了一种水陆两用挖掘机的监控方法，基于上述的监控系统，如图1所示，具体方法包括：
步骤一、获取机械体的位置信息，深度监测装置获取深度信息及水底地形状态，压力传感器组实时获取所述机械体不同位置的水压，结合所述深度监测装置进行误差补偿；构建水底地形三维图；
步骤二、水陆两用挖掘机到达指定清淤位置后，定位装置进行定位，将机械体固定在清淤位置，所述深度监测装置获取当前深度信息记为第一深度；
步骤三、所述水陆两用挖掘机进行清淤，清淤过程中，定位倾角传感器组获取所述定位装置的倾斜角度，判断所述机械体与水底的结合强度；清淤完成后，定位装置释放，此时所述深度监测装置获取当前深度信息记为第二深度；记录所述第一深度和所述第二深度的差距为清淤深度差，并传输至控制中心；清淤深度差表示该次清淤过程中挖掘机吃水量的变化，并将其传输至控制中心，控制中心可通过计算得到该次清淤所清理的沉积物的重量。
步骤四、所述水陆两用挖掘机到达指定释放位置，定位装置进行定位，将机械体固定在释放位置，所述深度监测装置获取当前深度信息记为第三深度；所述水陆两用挖掘机释放清理的物质，定位装置释放，此时所述深度监测装置获取当前深度信息记为第四深度；记录所述第三深度和所述第四深度为释放深度差，并传输至控制中心；释放深度差表示该次沉积物释放过程中挖掘机吃水量的变化，控制中心可通过计算得到该次沉积物释放的重量，并与清淤深度差及其对应的重量数据进行比较，判断每次清淤过程中的沉积物是否完全释放。
在步骤三和步骤四中定位装置均需要判断水陆两用挖掘机的定位是否坚固，设定倾角阈值为β，每个定位装置上的所述倾角传感器组偏离垂直方向角度为γ，若γ<β，则所述机械体与水底的结合强度较强，若γ>β，则停止清淤，且所述控制中心控制所述定位装置的升降杆下降，持续插入水底，直至γ<β停止，且保持γ<β连续5分钟，继续进行清淤工作。
步骤五、判断是否清淤完成，若未清淤完成，则重复步骤二至步骤四；若清淤完成，所述水陆两用挖掘机返回地面。判断是否清淤完成的方法为，控制中心内设定水路深度阈值，比较所述第二深度和所述水路深度阈值，若所述第二深度与所述水路深度阈值的差值控制在5％以内，则说明已经清淤完成；同时由于深度监测装置的存在，操作人员可实时观察水底形态，即清淤位置的沉积物变化情况。
以上仅为本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种水陆两用挖掘机的监控系统，其特征在于：
包括机械体、控制中心、浮体吃水监测系统；所述控制中心与所述浮体吃水监测系统连接；
所述机械体包括分布在机身上的至少一对浮体，所述浮体上设有定位装置；
所述浮体吃水监测系统包括至少一组深度监测装置，所述深度监测装置分布在所述机械体的底部并用于检测所述机械体底部至水底的距离及底部地形状态；
还包括压力传感器组和定位倾角传感器组，所述压力传感器组和所述定位倾角传感器组分别用于检测所述浮体和所述定位装置的倾斜程度。
2.如权利要求1所述的一种水陆两用挖掘机的监控系统，其特征在于：所述深度监测装置包括排列在所述浮体底部的多个图像声呐。
3.如权利要求1所述的一种水陆两用挖掘机的监控系统，其特征在于：所述定位装置包括固定在所述浮体上的定位桩和升降结构；所述升降结构包括与所述定位桩配合的升降杆，且该升降杆在所述定位桩内沿着垂直于所述浮体的方向上下移动。
4.如权利要求3所述的一种水陆两用挖掘机的监控系统，其特征在于：所述定位倾角传感器组包括若干个定位倾角传感器，所述定位倾角传感器分布在所述升降杆上。
5.如权利要求1所述的一种水陆两用挖掘机的监控系统，其特征在于：所述压力传感器组包括若干个压力传感器，所述压力传感器分布在所述浮体和所述机械体的底部。
6.如权利要求5所述的一种水陆两用挖掘机的监控系统，其特征在于：所述压力传感器的排布方式为一列，均匀排布在所述浮体和所述机械体的底部。
7.如权利要求1所述的一种水陆两用挖掘机的监控系统，其特征在于：还包括位置信息采集系统，所述位置信息采集系统与所述控制中心相连，用于发送所述机械体的位置信息。
8.一种水陆两用挖掘机的监控方法，其特征在于：基于如权利要求1-7中任意一项所述的监控系统，具体方法包括：
步骤一、获取机械体的位置信息，深度监测装置获取深度信息及水底地形状态，压力传感器组实时获取所述机械体不同位置的水压，结合所述深度监测装置进行误差补偿；构建水底地形三维图；
步骤二、水陆两用挖掘机到达指定清淤位置后，定位装置进行定位，将机械体固定在清淤位置，所述深度监测装置获取当前深度信息记为第一深度；
步骤三、所述水陆两用挖掘机进行清淤，清淤过程中，定位倾角传感器组获取所述定位装置的倾斜角度，判断所述机械体与水底的结合强度；清淤完成后，定位装置释放，此时所述深度监测装置获取当前深度信息记为第二深度；记录所述第一深度和所述第二深度的差距为清淤深度差，并传输至控制中心；
步骤四、所述水陆两用挖掘机到达指定释放位置，定位装置进行定位，将机械体固定在释放位置，所述深度监测装置获取当前深度信息记为第三深度；所述水陆两用挖掘机释放清理的物质，定位装置释放，此时所述深度监测装置获取当前深度信息记为第四深度；记录所述第三深度和所述第四深度为释放深度差，并传输至控制中心；
步骤五、判断是否清淤完成，若未清淤完成，则重复步骤二至步骤四；若清淤完成，所述水陆两用挖掘机返回地面。
9.如权利要求8所述的一种水陆两用挖掘机的监控方法，其特征在于：所述深度监测装置包括的多个图像声呐，所述图像声呐向水底发送脉冲并接收反射波；所述图像声呐将反射波传输至控制中心，生成三维图。
10.如权利要求9所述的一种水陆两用挖掘机的监控方法，其特征在于：所述压力传感器组结合所述深度监测装置进行误差补偿，设所述压力传感器的数量为N，相邻两个所述压力传感器的距离为L，首尾两端的所述压力传感器所测得高度变化值为△H1，△H2，则所述水陆两用挖掘机的倾斜角度为：
Figure FDA0003660997430000021
则其中第i个压力传感器的偏移量为：
△Hi＝△H1+(i-1)×L×sinα。
11.如权利要求8所述的一种水陆两用挖掘机的监控方法，其特征在于：所述定位倾角传感器组用于获取所述定位装置的倾斜角度，设定倾角阈值为β，每个定位装置上的所述倾角传感器组偏离垂直方向角度为γ，若γ<β，则所述机械体与水底的结合强度较强，若γ>β，则停止清淤，且所述控制中心控制所述定位装置的升降杆下降，持续插入水底，直至γ<β停止，且保持γ<β连续5分钟，继续进行清淤工作。
12.如权利要求8所述的一种水陆两用挖掘机的监控方法，其特征在于：在步骤五中，判断是否清淤完成的方法为，控制中心内设定水路深度阈值，比较所述第二深度和所述水路深度阈值，若所述第二深度与所述水路深度阈值的差值控制在5％以内，则说明已经清淤完成。
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