CN115959271A - 一种全方位自动追踪水质监测机器人、系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，提供一种全方位自动追踪水质监测机器人、系统及监测方法。该机器人包括主控模块、通信模块、用于实现机器人水下自主定位导航的导航模块、驱动模块和用于监测水质情况监测模块；主控模块包括主控单元和输出单元，主控单元用于计算控制机器人运动的控制信息，输出单元用于接收控制信息，并将控制信息转换为控制电平以驱动驱动模块；导航模块包括捷联惯导系统、多普勒测速仪、深度计和北斗定位系统；监测模块包括水质传感器组和水下摄像机。该机器人及系统能够适用江河湖泊多场景，多天气，在水面和水下全方位进行对水质的参数自动追踪监测，提高水质参数检测的准确度和全面性。

Description

一种全方位自动追踪水质监测机器人、系统及监测方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种全方位自动追踪水质监测机器人、系统及监测方法。

背景技术

对于污水处理流程来说，污水中重要的指标包括需要控制的污染物浓度，以及溶解氧等与污水处理工艺相关的参数浓度。

由于污水的水质、水量和周围环境都在不断变化，需要实时、实地监测污水各项浓度并进行调节控制，使污水处理系统处在最佳运行状态。传统的人工定时现场采样和实验室分析，以及目前污水处理厂常用的定点布放传感器等方法，另外存在一种水质检测机器人，采用遥感控制，本体为船型，并且可通过升降取样水仓对水域内不同深度位置进行取样检测，但无法根据所测浓度自主规划路径并追踪反应终点，不可避免地存在数据片面化问题，工作人员难以精准分析出生物反应池内的反应终点，造成后续处理过程中电力和药剂资源浪费，甚至出现水质不达标即排放的风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种全方位自动追踪水质监测机器人、系统及监测方法，用于当前对污水浓度监测片面化和现有机器人适应性差的问题，实现了水面水下全方位均可以适用，对污水进行大范围和实时地监测，同时在污水监测和处理过程中能够把握水质整体情况，并能自行根据水质浊度和其他参数自行寻找反应终点提供更精确的监测。

本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人，包括主控模块、通信模块、用于实现机器人水下自主定位导航的导航模块、驱动模块和用于监测水质情况监测模块；

所述主控模块包括主控单元和输出单元，所述主控单元用于计算控制机器人运动的控制信息，所述输出单元用于接收所述控制信息，并将所述控制信息转换为控制电平以驱动所述驱动模块，所述主控单元的输出端与所述输出单元的输入端电连接；

所述导航模块包括捷联惯导系统、多普勒测速仪、深度计和北斗定位系统，所述捷联惯导系统的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述多普勒测速仪的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述深度计的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述北斗定位系统的输出端与所述主控单元的输入端电连接；

所述监测模块包括水质传感器组和水下摄像机，所述水质传感器组的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述水下摄像机的输出端与所述主控单元的输入端电连接。

根据本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人，所述水质传感器组包括浊度传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器；

所述浊度传感器的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述氨氮传感器的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述溶解氧传感器的输出端与所述主控单元的输入端电连接。

根据本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人，所述驱动模块包括前垂推电机、前侧推电机、后垂推电机、后侧推电机和尾主推电机；

所述前垂推电机的输入端、所述前侧推电机的输入端、所述后垂推电机的输入端、所述后侧推电机的输入端和所述尾主推电机的输入端分别与所述输出单元的输出端电连接。

根据本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人，还包括供电模块，所述供电模块的输出端分别与所述导航模块的输入端、所述驱动模块的输入端和所述主控模块的输入端电连接。

根据本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人，还包括壳体，所述壳体为仿生鱼形结构。

根据本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人，在所述壳体内填充有浮力材，用于平衡机器人运行中受到的上浮和下潜阻力。

本发明还提供一种全方位自动追踪水质监测系统，包括如以上任一项所述的全方位自动追踪水质监测机器人，水面浮标和上位机，所述全方位自动追踪水质监测机器人的输出端与所述水面浮标的输入端无线连接，所述水面浮标的输出端与所述上位机的输入端无线连接。

本发明还提供一种全方位自动追踪水质监测系统的监测方法，包括如下步骤：

S10：上位机经由水面浮标，将预设监测水域范围发送至全方位自动追踪水质监测机器人；

S20：通信模块接收上位机所述预设监测水域范围并发送至主控模块；

S30：所述主控模块控制驱动模块驱动机器人至所述预设监测水域范围，监测模块运行工作；

S40：导航模块根据所述监测模块反馈的水质参数，生成导航信息，并将所述导航信息发送至所述主控模块，所述主控模块控制所述驱动模块追踪所需监测水域运行；

S50：机器人在监测过程中实时将反馈的水质参数经由所述水面浮标，发送至所述上位机。

根据本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测系统监测方法，步骤S50包括：

S501：所述监测模块将反馈的所述水质参数发送至所述通信模块，所述导航模块将自身的运行参数发送至所述通信模块；

S502：所述通信模块接收所述水质参数和所述运行参数，并对所述水质参数和所述运行参数进行数字化处理转换为声波信号；

S503：所述通信模块将所述声波信号发送至所述水面浮标；

S504：所述水面浮标接收所述声波信号，并对所述声波信号进行数字化处理转换为电波信号；

S505：所述水面浮标将所述电波信号发送至地面监测中心的所述上位机；

S506：所述上位机接收所述电波信号，并对所述电波信号解码破译转换为所述水质参数和所述运行参数。

本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人、系统及监测方法，能够适用广深度、多天气，能够在水面、水下对水质的参数自动追踪监测，提高水质参数检测的准确度，解决了当前污水浓度监测数据片面化的问题，同时本发明提供的机器人作为平台，能按用户需求，可快速更换搭载的水质传感器模块，把握污水处理过程中整体反应情况、寻找反应终点提供精准指导，加快城市污水处理流程，降低成本，另外还受环境和气候影响小，适应污水处理池中恶臭水气等高污染环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种全方位自动追踪水质监测系统的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种全方位自动追踪水质监测系统的监测方法流程图。

图4为本发明实施例提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人的信号流程图。

附图标记：

1、主控模块；2、通信模块；3、导航模块；4、供电模块；5、驱动模块；6、监测模块；7、全方位自动追踪水质监测机器人；8、水面浮标；9、上位机；10、声通机；11、输出单元；12、主控单元；31、捷联惯导系统；32、多普勒测速仪；33、深度计；34、北斗定位系统；51、前垂推电机；52、前侧推电机；53、后垂推电机；54、后侧推电机；55、尾主推电机；61、水质传感器组；62、水下摄像机；611、浊度传感器；612、氨氮传感器；613、溶解氧传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

下面结合图1至图3描述本发明提供的实施例。

本发明提供一种全方位自动追踪水质监测机器人，包括主控模块1、通信模块2、用于实现机器人水下自主定位导航的导航模块3、驱动模块5和监测模块6；

进一步的，导航模块通过232总线与主控模块通讯，监测模块通过485总线传输数据至主控模块，监测模块通过I2C总线传输至主控模块，供电模块主要为整个机器人供电，内部装有两个锂电池，输出两路24V供电。

主控模块包括主控单元12和输出单元11，主控单元12用于计算控制机器人运动的控制信息，输出单元11用于接收控制信息，并将控制信息转换为控制电平以驱动驱动模块5，主控单元12的输出端与输出单元11的输入端电连接；

进一步的，主控单元通过传输PWM信号控制输出单元。

导航模块3包括捷联惯导系统31、多普勒测速仪32、深度计33和北斗定位系统34，用于实现机器人水下自主定位导航，捷联惯导系统31的输出端与主控单元12的输入端电连接，多普勒测速仪32的输出端与主控单元12的输入端电连接，深度计33的输出端与主控单元12的输入端电连接，北斗定位系统34的输出端与主控单元12的输入端电连接；

进一步的，导航模块主要实现导航数据的采集、转发，为机器人提供组合导航信息。捷联惯导系统、多普勒测速仪、深度计将输出信息进行卡尔曼滤波算法后可实现水下高精度自主定位导航，无需外接辅助，同时再结合北斗定位系统确保机器人定位误差控制在误差允许范围内。

进一步的，导航舱主要包括数据采集模块、导航解算模块、数据记录模块、电源转换模块、对外通信模块等五部分组成，构成总体的数据采集，输出，接收，控制的系统结构。

进一步的，当机器人在水面运动时运用捷联惯导系统的15维导航参数误差作为滤波器的状态，利用北斗导航系统与速度、位置差值作为观测量，通过卡尔曼滤波后估计出最优导航定位参数。

进一步的，多普勒测速仪是一种广泛使用的基于多普勒效应的测速系统，将它与捷联惯导系统组合在一起形成组合导航子系统，一方面能抑制纯惯导误差随时间发散的问题，另一方面将使系统输出准确度更高的速度信息。

监测模块6包括水质传感器组61和水下摄像机62，用于监测水质情况，水质传感器组61的输出端与主控单元12的输入端电连接，水下摄像机62的输出端与主控单元12的输入端电连接。

进一步的，水下摄像机通过TCP/IP协议与通信模块通讯，水下摄像机在水下运行时，由于机器人工作环境复杂，水质较为浑浊，一般配合照明灯使用，能够拍摄水质颜色及水中杂物。

其中，水质传感器61组包括浊度传感器611、氨氮传感器612和溶解氧传感器613；

浊度传感器611的输出端与主控单元12的输入端电连接，氨氮传感器612的输出端与主控单元12的输入端电连接，溶解氧传感器613的输出端与主控单元12的输入端电连接。

进一步的，浊度传感器用来监测水体浑浊度参数，氨氮传感器可以测定水中的氮氨根离子浓度，溶解氧传感器则用来监测并获得水体富含溶解氧的浓度数据。

其中，驱动模块5包括前垂推电机51、前侧推电机52、后垂推电机53、后侧推电机54和尾主推电机55；

前垂推电机51的输入端、前侧推电机52的输入端、后垂推电机53的输入端、后侧推电机54的输入端和尾主推电机55的输入端分别与输出单元11的输出端电连接。

进一步的，在机器人运动过程中，五个电机相互配合达到相应的运动状态，在已知相关参数的情况下建立机器人运动学方程，使用“北-东-地”坐标系，通过实时计算力矩矢量，然后通过对应的分配到各个电机，实现电机的运动控制，从而达到控制机器人纵向、横向、垂向、横滚、俯仰、转向运动的目的。

进一步的，检测模块获取水质参数后，利用导航模块实现机器人水中的位置控制，根据导航模块反馈的实时位置信息来确定机器人当前的位置，以此位置与预设位置进行对比，然后控制相应电机工作，实现机器人在水中位置调整，达到预设控制位置。

根据在水中机器人的运行方向规划，根据导航模块反馈回来的姿态角度，进行算法预算，保持机器人前进的航向、俯仰和横滚角的不断修正，确保按预定方向航行。并利用深度计的深度反馈值，再实时利用深度数据进行PID控制，反馈垂直的两个电机的转向和转速的改变，实现自主的深度控制。

其中，还包括供电模块4，供电模块4的输出端分别与导航模块3的输入端、驱动模块5的输入端和主控模块1的输入端电连接。

其中，还包括壳体，壳体为仿生鱼形结构。

进一步的，本发明提供的机器人整体采用仿生鱼形结构，也类似于潜水艇一类的结构，减少水下作业的阻力，整体结构氛围头部、腹部、尾部三部分，便于拆装内部设备，各部分间采用螺丝连接固定。

进一步的，在机器人头部装配有两个电机，分别为前垂推电机和前侧推电机，另外头部前侧可以根据实际需要选择放置两个鱼雷发射管，可以用于为水下反应点送药，水下摄像头和照明灯也装配在头部。在机器人腹部则装配有提手和翻盖，腹部上方还设有开孔便于工作人员查看内部状态指示，腹部下方也设有开孔便于导航模块中所需外部探测仪器探出机器人底部，以便更精确导航。而在机器人尾部装配有三个电机，分别为后侧推电机、后垂推电机和尾主推电机，同时尾部设有尾鳍，减小机器人整体行进中的阻力。

进一步的，在机器人腹部的内部设有装配架，便于将主控模块、通信模块、导航模块、供电模块、监测模块装配，在机器人整体运行时其中的电气件也不会受到外部环境影响造成损伤。

其中，在壳体内填充有浮力材，用于平衡机器人运行中受到的上浮和下潜阻力。

进一步的，填充的浮力材一般在机器人腹部，并且采用浮力材和铅块配合使用的方法，铅块使机器人保持一定用于下沉的负浮力状态，填充的浮力材质量和铅块质量可以在使用机器人时提前测量工作水域的平均密度，填充后使平均密度接近工作水域的平均密度，一般初始时默认为海水的平均密度，旨在平衡机器人在运行时上浮与下潜阻力，另外还能保证机器人的质心与重心重合，保证机器人在运行时的平衡。

本发明还提供一种全方位自动追踪水质监测系统，包括如以上任一项所述的全方位自动追踪水质监测机器人7，水面浮标8和上位机9，全方位自动追踪水质监测机器人7的输出端与水面浮标8的输入端无线连接，水面浮标8的输出端与上位机9的输入端无线连接。

在一些实施例中，全方位自动追踪水质监测系统还包括多个声通机10，分别设于全方位自动追踪水质监测机器人7与水面浮标8上，用于全方位自动追踪水质监测机器人7与水面浮标8进行无线通讯。

本发明还提供一种全方位自动追踪水质监测系统的监测方法，包括如下步骤：

开始：启动全方位自动追踪水质监测机器人7、水面浮标8、上位机9和多个声通机10；

S10：上位机9经由水面浮标8，将预设监测水域范围发送至全方位自动追踪水质监测机器人7；

进一步的，由于电磁波在水下的传播距离衰减和噪声因素的双重限制，采用电磁波无线传输的方式并不适用与水下通信；由于机器人在水下工作环境复杂，浑浊度高的水下区域光通信性能表现较差，所以在污水池内也并不适用光、无线电等传输方式，因此本发明采用水下声波无线传输方式。

进一步的，本发明在水面设置有水上浮标，作为中继站，解决了水下机器人与地面站的上位机的跨水、气两种介质通信问题，并有效增强了传输的稳定性。

S20：通信模块2接收上位机9预设监测水域范围并发送至主控模块1；

S30：主控模块1控制驱动模块5驱动全方位自动追踪水质监测机器人7至预设监测水域范围，监测模块6运行工作；

S40：导航模块3根据监测模块6反馈的水质参数，生成导航信息，并将导航信息发送至主控模块1，主控模块1控制驱动模块5追踪所需监测水域运行；

进一步的，在监测模块获取水质参数后，利用导航模块实现机器人水中的位置控制，下面结合图4描述本发明提供的全方位自动追踪水质监测机器人的自动跟踪过程，过程为根据监测模块获取到的当前位置的水质参数与周围水质参数的差异确定机器人运动过程中的预设位置，根据导航模块反馈的机器人实时位置信息判定机器人的当前位置，并以当前实时位置与预设位置进行对比，如超出设定误差阈值，其中根据水质传感器的敏感距离，误差阈值一般情况下为0.5m，则主控模块控制驱动模块相应的推动电机工作，实现机器人在水中的位置调整，到达预设位置。

S50：全方位自动追踪水质监测机器人7在监测过程中实时将反馈的水质参数经由水面浮标8，发送至上位机9。

在一些实施例中，是由机器人上的声通机完成信号发送，并由水面浮标上的声通机完成接收，完成一次水质参数和机器人运动信息的实时采集。

进一步的，水下机器人通过监测模块获取到水质参数，通过导航模块获取到机器人自身的运行参数，两参数均发送至通信模块并被获取，之后通信模块将获取到的两参数通过编码器进行数字化处理生成电信号，电信号被水声换能器转换为声波信号，在水中发送并传播；

水上浮标位于水面，水上浮标接收到在水中传送的声波信号，并将携带信息的声波信号转换为电波信号，再将电波信号通过无线电数传装置发送并传播至地面监测中心的计算机上；

上位机位于地面站，上位机接收到在空中传送的电波信号，并将携带信息的电波信号通过解码器转换为原始机器人发送的水质参数和运行参数。

进一步的，地面站中上位机接收到机器人发送的各类参数后，可以判别水下水质情况和机器人运行情况，可以根据水质实际情况选择是否加药种类和剂量，另外可以根据机器人运行状态情况选择是否需要手动操作。

结束：关闭全方位自动追踪水质监测机器人7、水面浮标8、上位机9和多个声通机10。

本发明提供的一种全方位自动追踪水质监测机器人、系统及监测方法解决了之前使用现场人工取样结合实验室分析，建立水质监测站，走航式监测船这一类的水质监测方法，第一，具有灵活的姿态控制和跟踪功能，可以自主在需监测的水质区域进行运行和工作，安装的监测设备也可以自行观察判别所需要跟踪的水体并寻找反应终点；第二，设置有导航多源信息融合的方式，位置、姿态、深度和速度信息的精度高，结合其他模块，实现了全方位的自主导航；第三，采用了模块化设计，可以搭载多种多个传感器，在水质参数变化时，按用户需求，可以更换传感器组件，以拓展监测指标，能为解决内江、内河、水库的各种水污染工程问题提供解决方案；第四，采用仿生鱼形设计，体积小并且灵活程度高，不易因水下环境复杂而被缠绕或丢失，能够与水域生态系统实现较好融合，并且操控性强，能快速到达所需监测的水面和水下区域；第五，集成度高，投入使用后可以减少污水处理过程中的人力物力财力消耗。

以上所描述的装置仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种全方位自动追踪水质监测机器人，其特征在于，包括主控模块、通信模块、用于实现机器人水下自主导航定位的导航模块、驱动模块和用于监测水质参数情况的监测模块；

所述主控模块包括主控单元和输出单元，所述主控单元用于计算控制机器人运动的控制信息，所述输出单元用于接收所述控制信息，并将所述控制信息转换为控制电平以驱动所述驱动模块，所述主控单元的输出端与所述输出单元的输入端电连接；

所述导航模块包括捷联惯导系统、多普勒测速仪、深度计和北斗定位系统，所述捷联惯导系统的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述多普勒测速仪的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述深度计的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述北斗定位系统的输出端与所述主控单元的输入端电连接；

所述监测模块包括水质传感器组和水下摄像机，所述水质传感器组的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述水下摄像机的输出端与所述主控单元的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种全方位自动追踪水质监测机器人，其特征在于，所述水质传感器组包括浊度传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器；

所述浊度传感器的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述氨氮传感器的输出端与所述主控单元的输入端电连接，所述溶解氧传感器的输出端与所述主控单元的输入端电连接。

3.根据权利要求1所述的一种全方位自动追踪水质监测机器人，其特征在于，所述驱动模块包括前垂推电机、前侧推电机、后垂推电机、后侧推电机和尾主推电机；

所述前垂推电机的输入端、所述前侧推电机的输入端、所述后垂推电机的输入端、所述后侧推电机的输入端和所述尾主推电机的输入端分别与所述输出单元的输出端电连接。

4.根据权利要求1所述的一种全方位自动追踪水质监测机器人，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块的输出端分别与所述导航模块的输入端、所述驱动模块的输入端和所述主控模块的输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的一种全方位自动追踪水质监测机器人，其特征在于，还包括壳体，所述壳体为仿生鱼形结构。

6.根据权利要求5所述的一种全方位自动追踪水质监测机器人，其特征在于，在所述壳体内填充有浮力材，用于平衡机器人运动中受到的上浮和下潜阻力。

7.一种全方位自动追踪水质监测系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的全方位自动追踪水质监测机器人，水面浮标和上位机，所述全方位自动追踪水质监测机器人的输出端与所述水面浮标的输入端无线连接，所述水面浮标的输出端与所述上位机的输入端无线连接。

8.一种如权利要求7所述的全方位自动追踪水质监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：位于地面监测中心的上位机经由水面浮标，将预设监测水域范围发送至全方位自动追踪水质监测机器人；

S20：通信模块接收上位机所述预设监测水域范围并发送至主控模块；

S30：所述主控模块控制驱动模块驱动机器人至所述预设监测水域范围，监测模块运行工作；

S40：导航模块根据所述监测模块反馈的水质参数，生成导航信息，并将所述导航信息发送至所述主控模块，所述主控模块控制所述驱动模块追踪所需监测水域运行；

S50：所述全方位自动追踪水质监测机器人在监测过程中实时将反馈的水质参数经由所述水面浮标，发送至所述上位机。

9.根据权利要求8所述的一种全方位自动追踪水质监测系统监测方法，其特征在于，步骤S50包括：

S501：所述监测模块将反馈的所述水质参数发送至所述通信模块，所述导航模块将自身的运行参数发送至所述通信模块；

S502：所述通信模块接收所述水质参数和所述运行参数，并对所述水质参数和所述运行参数进行数字化处理转换为声波信号；

S503：所述通信模块将所述声波信号发送至所述水面浮标；

S504：所述水面浮标接收所述声波信号，并对所述声波信号进行数字化处理转换为电波信号；

S505：所述水面浮标将所述电波信号发送至地面监测中心的所述上位机；

S506：所述上位机接收所述电波信号，并对所述电波信号解码破译转换为所述水质参数和所述运行参数。

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