CN209178087U - 一种生态浮岛 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种生态浮岛，包括载体、浮体、电源系统、中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统；载体设置于浮体上；控制单元、监测系统分别与中控系统相连接；中控系统通过通讯单元分别与环境监视站、地面控制站远程通信连接；控制单元与导航单元数据信号连接；控制单元还与动力单元控制连接。本实用新型通过增加生态浮岛的移动性和机动性，以便于人们能够远程控制浮岛并使其到达指定位置，保证浮岛在浅水区时依然能够自动航行，具有一定的普适性，同时结构设计相对合理，运行更加稳定可靠，维护及保养成本相对较低，能够被广泛应用于多种水体环境中。

Description

一种生态浮岛

技术领域

本实用新型涉及园林水生态修复技术领域，特别涉及一种生态浮岛，其具有适用范围更广、方便远程控制、高效快速并节省人力的优点。

背景技术

近年来，随着水体环境治理工艺的发展，水生植物因其能够有效减轻水体封闭或自循环不足带来的水体腥臭、富营养化现象，并且具有美化环境的功能，因此围绕水生植物构建的生态浮岛纷纷涌现。

然而，现有的生态浮岛多采用水中立桩或者锚绳等方式固定在水中，这使得生态浮岛的应用受到两方面限制：1、只能以固定方式定点治污或者修复，若要循环利用则需要由拖船带动浮岛到达其它位置，这无疑增加人力、物力成本；2、日常的管理维护只能在固定位置处，由于目前管理维护多由人工操作完成，因而只能人工坐船到达浮岛位置，这使得增加了维护管理的成本和难度。特别是，如果在较浅的水域，一般船只难以航行的情况下，更进一步增加了浮岛移动再利用以及安装维护方面的劳动强度。

为了增加生态浮岛的移动性，现有技术中多采用传统船只的动力装置，例如两推力发动机和转向舵，但生态浮岛的机动性能仍然较差，甚至无法保证浮岛靠岸后自动换向离岸操作。因此，有必要针对生态浮岛改进其移动性、机动性，并设计一套方便操控的控制系统，以拓展生态浮岛的适用范围，方便生态浮岛的再利用和管理维护操作。

实用新型内容

针对现有技术中生态浮岛存在的上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种生态浮岛，旨在通过增加生态浮岛的移动性和机动性，以便于人们能够远程控制浮岛并使其到达指定位置，保证浮岛在浅水区时依然能够自动航行，具有一定的普适性，同时结构设计相对合理，运行更加稳定可靠，维护及保养成本相对较低，能够被广泛应用于多种水体环境中。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案实现：

一种生态浮岛，该浮岛包括载体、浮体、电源系统、中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统；其中，载体设置于浮体上；电源系统、中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统均设置于载体上；控制单元、监测系统分别与中控系统相连接；中控系统通过通讯单元分别与环境监视站、地面控制站远程通信连接；控制单元与导航单元数据信号连接；控制单元还与动力单元控制连接；电源系统分别电连接连接中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统。

作为上述方案的进一步优化，电源系统包括光伏面板、锂电池、电源管理系统；光伏面板搭设在浮体以及载体的四周位置处；所述光伏面板与锂电池相连接，所述电源管理系统与锂电池相连接；所述电源管理系统设置于防水密封外壳中；所述电源管理系统通过电源线与中控系统电连接。

作为上述方案的进一步优化，所述动力单元设置于载体底部四周的外周面上；所述动力单元包括电调和喷泵，所述电调分别与控制单元和喷泵相连接用于控制浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动；或者所述动力单元包括电调和涵道风扇，所述电调分别与控制单元和涵道风扇相连接用于控制浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动，通过气流带动浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动移动。

作为上述方案的进一步优化，所述载体为方形结构；所述动力单元分别设置于载体底部的四个边角处；任意两对角处喷泵的喷射角度或者涵道风扇的气流喷射方向相互平行且不共线，四个喷泵的输出线或者涵道风扇的气流喷射输出线在载体平面的投影不与载体中心位置的焦点相交。

作为上述方案的进一步优化，所述载体上设置有植物种植区，所述植物种植区上设置有芦苇、美人蕉、香蒲中任一种或任意组合；所述载体上还设置有与中控系统相连接的防碰撞系统，所述防碰撞系统包括红外测距传感器或者超声波传感器和灯光闪烁器；所述红外测距传感器或者超声波传感器用于实时监测生态浮岛与相邻生态浮岛或带生态修复水域上其他漂浮物的间距，并将实时监测值发送至中控系统，中控系统根据接收到的实时间距监测值与预设的间距阈值进行比较，当实时监测值小于预设的间距阈值时，中控系统控制灯光闪烁器发出灯光提醒信号，同时中控系统向控制单元发出切断动力单元前进指令。

采用本实用新型生态浮岛具有如下有益效果：

1、减小劳动强度；浮岛运营后，不需要人工校准、人工拖动。

2、提高浮岛重复利用效率；浮岛能够自动运动到指定位置，可循环使用，方便对多个区域治污，并且无须人力、拖船干预。

3、节约运营成本；工作人员可以远程监控浮岛状态，且浮岛可自主移动到方便维修的区域。

4、拓展浮岛应用场景；浮岛能够在更浅的水域、岸边或者水草更多的那些拖船无法驶入的环境下应用。

附图说明

图1为本实用新型生态浮岛的整体示意图。

图2为本实用新型生态浮岛的动力单元的分布示意图。

图3为本实用新型生态浮岛整体控制系统的接口架构图。

图4为本实用新型生态浮岛的供电示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本实用新型生态浮岛作以详细说明。

一种生态浮岛，该浮岛包括载体5、浮体6、电源系统、中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统；其中，载体设置于浮体上；电源系统、中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统均设置于载体上；控制单元、监测系统分别与中控系统相连接；中控系统通过通讯单元分别与环境监视站、地面控制站远程通信连接；控制单元与导航单元数据信号连接；控制单元还与动力单元控制连接；电源系统分别电连接连接中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统。在本具体实施方式中，(参见说明书附图1)生态浮岛可为湿式浮岛，即浮岛上的植物能够与水相接触。浮岛具有主体，主体具体可以表现为载体5，在载体5上可种植植被。载体5的材质具体例如可以是PE材料，其具有植被根系能够穿过的孔，因而植被的根系通过载体5与水环境相接触。浮岛还可额外设置有浮体6，以增加浮岛整体在水面上的漂浮稳定性。载体5可以为多种形状，例如圆形、椭圆形、四边形、六边形等，在本实施方式中，载体5具体为正四边形，边长为 4m。因而浮体6可以为四个中间充有气体的长型浮体，分设在载体5的四边。

电源系统包括光伏面板、锂电池、电源管理系统；光伏面板搭设在浮体以及载体的四周位置处；所述光伏面板与锂电池相连接，所述电源管理系统与锂电池相连接；所述电源管理系统设置于防水密封外壳中；所述电源管理系统通过电源线与中控系统电连接。光伏面板可以搭设在浮体7以及载体5的四周位置处，因而能够充分利用太阳能进行供电，光伏面板可以为锂电池进行储能，再通过电源管理系统进行有效供电。本实施方式中浮岛控制系统可设置白天开启，夜晚自动关闭，以节省电力。如此设置的生态浮岛可以在水面上自动运行1年以上。锂电池、电源管理系统以及其它电子设备可布设在载体5上面。在实际使用中，各类电子设备可以集中放置在封闭箱体内，以便于安装和维护，也可以按照强弱电分类分布式防止，以便于防止相互干扰。所有电子设备都进行密封防水处理，以保证系统能够正常运行。

所述动力单元设置于载体底部四周的外周面上；所述动力单元包括电调和喷泵，所述电调分别与控制单元和喷泵相连接用于控制浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动；或者所述动力单元包括电调和涵道风扇，所述电调分别与控制单元和涵道风扇相连接用于控制浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动，通过气流带动浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动移动。本实施方式使用多套电调、喷泵组成，其数量可以根据浮岛重量、喷泵的动力以及浮岛的形状进行调整。针对载体5是正四边形的情况，电调、喷泵具体可以设置为四套，分别布置在正四边形的四角位置，挂设固定在载体5的下面。因而四个喷泵可以响应执行控制单元发出的指令，通过在水面以下相互配合，以喷水的方式带动浮岛进行移动。参见说明书附图2，优选地，本实施方式中，对角设置的两个喷泵输出线相互平行，但并不共线，因而四个喷泵的输出线不具有位于载体中心位置的焦点，基于此设置，喷泵的输出更容易产生力矩，将更有利于控制浮岛进行旋转，增加浮岛的机动性。浮岛采用如说明书附图 2所示动力分布，可灵活进行前后、左右平移以及定点旋转。喷泵的动力输出线既可以水平并相对于载体四周向外，也可以水平并相对于载体四周向内。喷泵动力输出方向不同，动力分配方式也有区别。当然，如果浮岛重量大，或者喷泵动力不足，还可以在四角或者侧边增加喷泵数量，并相应更改动力分配和控制策略。

根据实际用户使用需求，喷泵动力输出动力可以向外或向内，一般而言，动力输出向外，可以提供较高的推进效率；动力输出向内，则可以减少喷泵水流对外界的影响。作为替换实施方式，有时生态浮岛所处环境水域较浅或者水草较多，结合浮岛本身具有一定重量，如果再在载体下挂设喷泵可能会造成浮岛搁浅，因而将水下的喷泵替换为固定设置在载体上的涵道风扇，通过气流带动浮岛进行移动，以防止浮岛触底或缠绕。

所述载体为方形结构；所述动力单元分别设置于载体底部的四个边角处；任意两对角处喷泵的喷射角度或者涵道风扇的气流喷射方向相互平行且不共线，四个喷泵的输出线或者涵道风扇的气流喷射输出线在载体平面的投影不与载体中心位置的焦点相交。

每个喷泵的动力输出方向或涵道风扇的气流喷射方向为朝向载体内侧或则朝向载体外侧；所述控制单元包括三个输入控制通道，分别为前进/后退通道、左/右平移通道、左/右旋转通道，每个输入控制通道通过PWM方波脉冲进行信号传输；通过三个通道的叠加，实现多种运动模式的融合控制；所述控制单元根据导航单元实时获取的浮岛姿态和位置数据，控制动力单元的运动方向、速度及浮岛的运动位置。

所述控制单元还包括两通道串级PID控制器，其中一个通道串级PID控制器控制位置，另一个串级PID控制器通道控制方向，分别调节位置和方向；所述控制单元的控制方式分为三种控制模式，分别为手动模式、定向模式、自动模式，其中，所述手动模式工作时不使用上述两个通道串级PID控制器，浮岛接收三个输入控制通道指令向动力单元输出浮岛运动方向、速度及浮岛的运动位置指令；所述定向模式工作时仅使用控制方向的串级PID控制器，浮岛接收三个输入控制通道指令向动力单元输出浮岛运动方向、速度及浮岛的运动位置指令，在平移过程中保持方向不变；所述自动模式同时使用控制位置和方向的串级PID控制器，接收位置指令，由控制单元解算，控制浮岛到达指定位置。控制单元采用ARM架构32位嵌入式控制板，运行实时操作系统及运动控制程序，从单独设置的导航单元获取浮岛姿态和位置数据，并做最优估计，进而控制运动方向、速度及位置。在选择多个喷泵动力单元时，可根据实际需求采用不同推理等级的喷泵推进系统相互组合，由运动控制器进行统一的动力调度。这样做的好处是可以根据浮岛的常用运动模式，独立的对其主要作用喷泵选择大推力喷泵，有针对性的提高浮岛的运动性能。

所述监测系统包括环境传感器和视频采集器，所述环境传感器包括光照强度传感器、温度传感器、硝氮浓度传感器、氨氮浓度传感器、ORP浓度传感器、pH值检测器；所述视频采集器包括多个摄像头分别对浮岛周围以及浮岛上的植被进行定时监拍；所述光照强度传感器、温度传感器、硝氮浓度传感器、氨氮浓度传感器、ORP浓度传感器、pH值检测器、摄像头均与中控系统数据信号相连接用于将实时监测的相应值发送至中控系统；中控系统将接收到的实时监测值及图像数据进行数据转换后通过通讯单元上传至服务器并发送至环境监视站和地面控制站。

所述通讯单元选用4G透传模块，利用移动通讯网络在中控系统和服务器间传递信息；所述电源系统的输出电压包括48V的动力电压以及5V设备电压，所述5V设备电压分别为监测系统、中控系统、控制单元独立供电；所述48V的动力电压为运动单元独立供电；所述导航单元包括卫星定位设备和惯性测量设备；所述控制单元通过UART、SPI接口分别与卫星定位设备、惯性测量设备连接，实现浮岛姿态和位置信息的获取，并以PWM控制方式对电调、喷泵/涵道风扇进行调控。导航单元能够为控制单元提供浮岛的姿态和位置数据，为了保证浮岛控制系统的稳定、抗干扰能力，以及避免人工校准，航向由差分定位设备提供。因而控制单元能够从差分定位设备获取经纬度和方位角，对浮岛姿态和位置做最优估计。

所述载体上设置有植物种植区，所述植物种植区上设置有芦苇、美人蕉、香蒲中任一种或任意组合；所述载体上还设置有与中控系统相连接的防碰撞系统，所述防碰撞系统包括红外测距传感器或者超声波传感器和灯光闪烁器；所述红外测距传感器或者超声波传感器用于实时监测生态浮岛与相邻生态浮岛或带生态修复水域上其他漂浮物的间距，并将实时监测值发送至中控系统，中控系统根据接收到的实时间距监测值与预设的间距阈值进行比较，当实时监测值小于预设的间距阈值时，中控系统控制灯光闪烁器发出灯光提醒信号，同时中控系统向控制单元发出切断动力单元前进指令。

本实用新型上述生态浮岛的工作原理如下：

1)将生态浮岛设置于待生态修复的水域中；

2)光照强度传感器、温度传感器、硝氮浓度传感器、氨氮浓度传感器、ORP浓度传感器、 pH值检测器、摄像头实时监测待生态修复水域的相应值及图像，并将实时监测的相应值及图像发送至中控系统；

3)中控系统将接收到的实时监测值及图像数据进行数据转换后通过通讯单元上传至服务器并发送至环境监测站和地面控制站，环境监测站和地面控制站根据获取的实时相应值及图像发送浮岛运动指令；

4)控制单元根据导航单元发送的浮岛姿态和位置信息，启动动力单元，并通过手动模式、定向模式、自动模式三种模式中的任一种，选择控制动力单元中需要开启或关闭的喷泵或涵道风扇使浮岛前进/后退、左/右平移、左/右旋转运动至期望位置。

经过现场试验发现：使用本实用新型的生态浮岛，能够拓展生态浮岛的使用范围，在浅水区域也能够方便使用，并且充分提高生态浮岛重复利用的效率，运行的成本可有效降低 30％-40％；通过远程控制可以便捷地令浮岛进行移动，大大减小浮岛维护以及管理的劳动强度，深受操作人员的好评；此外，生态浮岛的控制系统还能够具有较高的兼容性，方便集成更多其它实用功能，例如整合环境实施监测、水域特定参数监控、浮岛植物简单维护等等，进一步提高生态浮岛的机械化和使用性能。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种生态浮岛，其特征在于：该浮岛包括载体(5)、浮体(6)、电源系统、中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统；其中，载体设置于浮体上；电源系统、中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统均设置于载体上；控制单元、监测系统分别与中控系统相连接；中控系统通过通讯单元分别与环境监视站、地面控制站远程通信连接；控制单元与导航单元数据信号连接；控制单元还与动力单元控制连接；电源系统分别电连接中控系统、控制单元、通讯单元、导航单元、动力单元和监测系统。

2.根据权利要求1所述的一种生态浮岛，其特征在于：电源系统包括光伏面板、锂电池、电源管理系统；光伏面板搭设在浮体以及载体的四周位置处；所述光伏面板与锂电池相连接，所述电源管理系统与锂电池相连接；所述电源管理系统设置于防水密封外壳中；所述电源管理系统通过电源线与中控系统电连接。

3.根据权利要求2所述的一种生态浮岛，其特征在于：所述动力单元设置于载体底部四周的外周面上；所述动力单元包括电调和喷泵，所述电调分别与控制单元和喷泵相连接，用于控制浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动；或者所述动力单元包括电调和涵道风扇，所述电调分别与控制单元和涵道风扇相连接用于控制浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动，通过气流带动浮岛进行前后运动、左右运动和定点旋转运动移动。

4.根据权利要求3所述的一种生态浮岛，其特征在于：所述载体为方形结构；所述动力单元分别设置于载体底部的四个边角处；任意两对角处喷泵的喷射角度或者涵道风扇的气流喷射方向相互平行且不共线，四个喷泵的输出线或者涵道风扇的气流喷射输出线在载体平面的投影不与载体中心位置的焦点相交。

5.根据权利要求4所述的一种生态浮岛，其特征在于：所述载体上设置有植物种植区，所述植物种植区上设置有芦苇、美人蕉、香蒲中任一种或任意组合；所述载体上还设置有与中控系统相连接的防碰撞系统，所述防碰撞系统包括红外测距传感器或者超声波传感器和灯光闪烁器；所述红外测距传感器或者超声波传感器用于实时监测生态浮岛与相邻生态浮岛或带生态修复水域上其他漂浮物的间距，并将实时监测值发送至中控系统，中控系统根据接收到的实时间距监测值与预设的间距阈值进行比较，当实时监测值小于预设的间距阈值时，中控系统控制灯光闪烁器发出灯光提醒信号，同时中控系统向控制单元发出切断动力单元前进指令。