CN219027565U - 一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及装有操纵装置的容器技术领域，具体涉及适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成。提供一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，不仅适用于自动化水产养殖等需要定时定点巡检的场景，且利用无线充电技术对系统中的巡检机器人进行充电，方便且安全。本实用新型具有如下有益效果：第一，机器人利用无线充电来补充电能，无惧高温高湿的环境影响；第二，无线充电设置了用于提前减速的RFID，确保机器人在停车时可以将无线充电受电模块与给电模块对齐；第三，依靠设置在养殖池上的巡检轨道移动机械结构，保证机器人的平稳可靠运行；第四，机器人包括多个检测模块，各个模块相互独立，对于不同的应用场景可定制化使用。

Description

一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成

技术领域

本实用新型涉及装有操纵装置的容器技术领域，具体涉及适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成。

背景技术

工厂化水产养殖的场景下，关注的养殖水质参数有：溶氧浓度、PH、亚硝酸盐浓度、氨氮浓度等。以上参数与鱼类的生存强相关，因此需要持续关注参数的变化。采用人工收集的方法效率低下，且工作繁琐。现场的温度、空间等均会增加人工收集的困难。使用机器人定时采集数据可做到高频率采集、节省人工投入。

然而独立运行的机器人，无法进行集中供电，需要定期对其进行充电，才能持续使用，例如公开号为CN106981890，公开日为2017.07.25的中国发明专利公开了一种轨道式机器人的充电方法和系统，所述方法包括：判断轨道式机器人是否到达充电站的充电桩位置或者轨道式机器人上的金属接近开关是否被触发，若否，则继续向充电桩位置移动直至到达充电桩位置或者金属接近开关被触发;若是,则刹车;检测是否有充电电流;若没有充电电流,则轨道式机器人在充电桩位置预设范围内移动直至检测到有充电电流。

然而在水产养殖环境中，在鱼类活动情况下经常有水检溅出，淋到带有金属片的充电桩上，会导致短路，十分危险。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，不仅适用于自动化水产养殖等需要定时定点巡检的场景，且利用无线充电技术对系统中的巡检机器人进行充电，方便且安全。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，包括巡检轨道，安装在所述巡检轨道上的巡检机器人单元，用于给所述巡检机器人单元充电的无线充电单元，以及设置在所述巡检机器人单元上，并用于检测水质的传感器单元。

作为本实用新型的优选，所述巡检机器人单元包括车架，设置在所述车架上，且安装在所述巡检轨道上的轨道孔，设置在所述轨道孔内侧面，且卡合在所述巡检轨道上的驱动轮和辅助轮。

作为本实用新型的优选，所述巡检机器人单元还包括用于给所述驱动轮提供动力的电池，设置在所述车架上，且用于给所述电池充电的无线充电受电部；所述无线充电单元包括维护平台，以及设置在所述维护平台上，且用于对所述无线充电受电部供电的无线充电给电部。

作为本实用新型的优选，所述无线充电受电部包括受电模块，以及设置在所述受电模块上的RFID识别设备；所述无线充电给电部包括给电模块，以及充电点RFID。

作为本实用新型的优选，所述无线充电给电部还包括减速用RFID。

作为本实用新型的优选，所述充电点RFID与减速用RFID之间的水平距离为50-100cm。

作为本实用新型的优选，所述传感器单元包括设置在所述车架上的检测伸缩臂，以及设置在所述检测伸缩臂上的pH传感器。

作为本实用新型的优选，所述传感器单元还包括设置在所述检测伸缩臂上的水下摄像头。

作为本实用新型的优选，所述传感器单元还包括设置在所述检测伸缩臂上的水溶氧传感器。

作为本实用新型的优选，所述巡检机器人单元还包括设置在所述车架上的充电端罩壳，前罩壳，后罩壳以及动力侧罩壳。

综上所述，本实用新型具有如下有益效果：

第一，机器人利用无线充电来补充电能，无惧高温高湿的环境影响；

第二，无线充电部分设置了用于提前减速的RFID，确保机器人在停车时可以将无线充电受电模块与给电模块对齐，保证充电电流强度；

第三，依靠设置在养殖池上的巡检轨道移动机械结构，保证机器人的平稳可靠运行；

第四，机器人包括pH测量，溶解氧测量，图像检测的多个模块，各个模块相互独立，对于不同的应用场景可定制化使用。

附图说明

图1是实施例一的示意图；

图2是图1水平旋转180°后的示意图；

图3是图1的爆炸示意图；

图4是图3中检测伸缩臂进一步的细节示意图；

图5是巡检轨道在工厂的分布示意图，以及无线充电单元与巡检轨道的相对位置；

图6是RFID与无线充电给电部的相对位置示意图；

图7是无线充电流程图。

附图中，各标号所代表的部件如下：巡检轨道1，巡检机器人单元2，无线充电单元3，传感器单元4，车架201，轨道孔202，驱动轮203，辅助轮204，电池205，无线充电受电部206，充电端罩壳207，前罩壳208，后罩壳209，动力侧罩壳210，维护平台301，无线充电给电部302，受电模块206a，RFID识别设备206b，给电模块302a，充电点RFID302b，减速用RFID302c，检测伸缩臂401，pH传感器402，水下摄像头403，水溶氧传感器404。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例一，如图1-2、5所示，一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，包括巡检轨道1，安装在所述巡检轨道1上的巡检机器人单元2，用于给所述巡检机器人单元2充电的无线充电单元3，以及设置在所述巡检机器人单元2上，并用于检测水质的传感器单元4。

<关于巡检轨道1>

现有技术中，轨道类巡检机器人所使用的轨道多为定制轨道，工艺复杂，布设难度高，布设条件多。例如常见的工字型轨道，米重大，且不易弯折，对成本敏感的应用实用性较低。本实施例使用巡检轨道1为标准型方钢，成本低，布设简单。针对此轨道，本实施例介绍的机器人为其定制了专门的移动机械结构，保证机器人的平稳可靠运行。

轨道设计考虑的主要因素是可靠的同时尽量降低成本。放弃使用定制轨道，采用标准的型材成为必然的选择。依据机器人的重量需求，选择合适的型材。型材的选择过程中，测试过不同形状及型号的材料。工字钢型号少，且不宜安装；钢板条容易弯折，需要更多的吊件。中空方钢型号多，强度高，且易于安装。综上材料考虑，最终选择使用方钢作为最终的轨道选择。方钢轨道的安装方式采用将方钢钻孔，将两条方钢平行组合，上方的方钢做安装，下方的作为机器人的行进轨道。

<关于巡检机器人单元2>

现有巡检机器人使用场景单一且固定。本发明介绍机器人使用模块化设计，整体结构分为移动基座，伸缩臂，传感器挂载平台。各个模块相互独立，对于不同的应用场景可定制化使用。移动基座提供控制，行动，及电源功能；伸缩臂可根据需要选择安装；传感器挂载平台可安装不同类型传感器以适配不同的检测对象。大大提高了巡检机器人的使用场景，并为未来的升级提供了基础。

使用机器人进行数据采集的好处在于，工厂内空间狭小，环境复杂，多个鱼池中间仅有不到一米宽的过道，地面为塑料栅格板，且鱼池面积较大，综上考虑，采用吊装的方式安装机器人为较合理的方案。采取吊装方案，机器人无需占用狭窄的地面空间，即可通过轨道灵活抵达任意位置。也能轻易到达鱼池中间进行数据的收集。机器人能到达鱼池中间同样对未来升级具有意义。如鱼池自动投料功能需要机器人在鱼池中间进行操作已达到最理想的投料效果。

机器人固件在Linux平台下运行，以C/C++为主要语言编写实现。固件将机器人整体功能以模块做划分，使用多个文件实现。以父进程作为总控制，多线程实现单功能，并采用独立进程作通信，以此设计逻辑保证机器人整体功能的模块独立性、运行鲁棒性，并为未来升级提供便利性，为用户使用提供自定义的可行性。嵌入式固件将在未来升级为ROS系统，以更为标准和通用的接口实现。

机器人上设有转接控制板，转接控制板实现接口的扩展和对硬件设备的供电功能。机器人系统中不同的设备，如中控机、传感器、电机具有不同的供电要求，且机器人高温高湿的工作环境提出了更高的安全要求。同时，机器人需要大量的接口以适配多种传感器及各类设备。针对上述需求，应用PCB技术、模拟技术设计了专用的转接控制板。对于安全性，转接控制板使用了专用的线对板连接器，及PTC、TVS等器件保证使用安全。考虑高温高湿的工作环境，全板应用了防水漆处理，使用三防盒密封以避免凝水造成短路。

对于转接供电部分，此控制提供了5V，12V，24V三种供电，且对RS485接口进行拓展，提高了设备的兼容能力。除了电机驱动、电池驱动外，转接板还可支持供电电压可选的（12V，24V，不供电）6个RS485接口。

对于控制部分，设有独立的3V供电特设用以机器人升降情况检测。通过与机械结合，实现上行限位、下行限位、遇阻即停三功能。在机器人升降过程中触发上下限位或者遇到阻力时，继电器会立即启动阻断升降驱动控制，确保机器人整体安全。同时会将信号通知给中控，由中控检测并修复后恢复正常工作。控制部分还包含整机运作情况灯的控制，正常运作时会有绿色灯显，出现故障时转换为红色灯显。灯显由中控GPIO直接控制，可及时准确反映整个系统的运作情况，使现场人员可即时观测系统运作情况。

对于机器人运行行为的控制，采用运行于64位Windows平台上的终端控制软件，软件使用Java语言编写而成。运行软件依赖 JVM 11，JavaFX 14，VLC-64bit。终端程序UI界面基于JavaFx，主逻辑由Java语言，UI界面由XML以及CSS编写。数据库部分使用Java内嵌的H2轻量级数据库，此数据库不需要安装其余依赖，内嵌于Java语言。中断控制软件与巡检机器人通过局域网内WebSocket协议进行连接，通过Json格式的数据包进行通讯与文件发送。终端控制软件与摄像头使用RTSP协议连接，摄像头连接于巡检机器人工控机的以太网接口上，通过工控机端口转发后与控制软件连接。控制软件使用VLC播放器进行直播流的抓取以及解码播放。

<关于无线充电单元3>

机器人设计的工作环境经常保持高温高湿状态，因此放弃一切具有物理接头的供电方案，包括轨道输电，触电充电（扫地机器人常见）等。无线充电无需接触，无触点，没有静电风险。机器人使用采购的完善无线充电解决方案。其方案具有发送端、接收端两个模块。接收端安装在机器人机身上，由机器人中控控制充电的开启或关闭。发送端制作成充电桩安装连接到市电安装在合适位置。每当机器人回到充电位置，无线充电将自动测试对准状态，校准无误后在机器人的控制下充电。

<关于传感器单元4>

如图3所示，机器人上用于关注的养殖水质参数包括溶氧浓度、PH、亚硝酸盐浓度、氨氮浓度的传感器，均安装在检测伸缩臂401上，检测伸缩臂401与设置在车架201中的升降绞盘连接，通过绞盘的运动带动检测伸缩臂401的升降行为进行，并且检测伸缩臂401设有测距传感器，以实现对检测伸缩臂401下端进入水深的感知。

pH传感器402是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器。电极长度120-450mm，安装在检测伸缩臂401上时通常先将pH传感器402加上不锈钢保护套，使用前用标准的pH缓冲液校准。通常pH传感器402的测定范围是0～14，精度达±(0.05～0.1)，响应时间为5-10s，灵敏度为0.1。

水下摄像头403功能与传统摄像头类似，不同点在于其具有优秀的防水性能，可达IPX7级，且画面在1080p之上，具有识别可移动物体的能力，并将识别信息传递回终端。

水溶氧传感器404是一种用于测量氧气在水中的溶解量的传感设备。当水体受到有机物与还原性物质污染，溶解氧浓度下降，此时厌氧菌得以繁殖，使水体恶化，所以溶解氧浓度能够反映出水质的受污染程度。同时，对于水产养殖业来说，水中溶解氧对鱼类等的生长也有着至关重要的影响。当溶解氧低于4mg/L时，就可能引起鱼类缺氧死亡。因此，水体溶解氧含量的测量，对水环境保护和渔业的发展都具有重要意义。水溶氧传感器404化学电极法是通过测量氧分子参与反应产生的电流的大小来测定溶解氧的含量。氧分子透过透氧膜进入溶液后，当传感器两电极直接加上极化电压，氧化还原反应随即发生，在此过程中产生的电子在电解液中形成电流，而透过膜的氧量与水中溶解氧浓度成正比，通过检测电流强度来确定水中溶解氧含量。

以上大体介绍了本实施例中机器人的功能功效，关于机器人具体的运行方式将在下文中进一步阐述。

<巡检机器人单元2在巡检轨道1上的运行方式>

如图4所示，巡检机器人单元2包括车架201，设置在车架201上，且安装在巡检轨道1上的轨道孔202，设置在轨道孔202内侧面，且卡合在巡检轨道1上的驱动轮203和辅助轮204，并且利用充电端罩壳207，前罩壳208，后罩壳209，动力侧罩壳210在四个方向将车架201封闭。其中驱动轮203设置在巡检轨道1上方，辅助轮204设置在巡检轨道1下方，驱动轮203和辅助轮204每组各设两个，驱动轮203通过设置在车架201中的电机驱动，通过电池205供电，使车架201在巡检轨道1上移动。

<巡检机器人单元2利用无线充电单元3充电方式>

如图6所示，巡检机器人单元2包括无线充电受电部206，无线充电单元3包括无线充电给电部302，安装在维护平台301上，最大充电电流可到6A。无线充电原理为电磁感应，发射端线圈将电能通过磁场发送，接收端线圈捕获能量将其重新转换为电能。从而实现无物理接触充电。因上述原理，无线充电对无线充电受电部206、无线充电给电部302的相对位置要求较高，理想的情况需要两个线圈中心对齐，所在平面平行，线圈的相对位置对充电效率有着显著影响。因此，如何在机器人自动运行条件下保证线圈对准精度是十分重要的。

在本实施例中，实现了一个自动位置校准机制，通过充电信息，及定位点，使机器人调整自身位置，以达到较理想的充电效果。机器人使用充电点RFID302b作为位置标记。由于反应延迟、及机器人行动惯性等原因，机器人不可直接将检测到充电点RFID302b标签后停车视为充电模块对准。实际的应对办法是：

设置减速用RFID302c：在充电桩及两侧设有用于辅助充电定位的减速用RFID302c，其中充电桩充电发射端中心正对一个充电点RFID302b，中心两侧50厘米处各一个减速用RFID302c。机器人接收到充电命令后，返回充电位置的过程中，首先将检测减速用RFID302c。检测到减速用RFID302c后调整机器人行进速度，以较低的速度继续前进。检测到充电点RFID302b后停车，以较低的速度降低惯性对停车位置的影响。本次使用的较低速度记忆到机器人系统中，用于下一次充电使用的低速参考。如果本次充电进入到微调位置程序中，即认为本次采用的低速仍需要减小，机器人记忆的低速更新为本次低速再降低3%的满速（如果没有达到设定的最低速度）。

充电电流检测：由于受电模块206a与给电模块302a对准效果会显著影响充电电流大小。因此，设置充电电流阈值，认为充电电流在4A以下对准效果较差；充电电流4A~5.2A为对准效果一般；充电电流在5.2A以上为对准效果较好。在机器人停车后启动充电并检测充电电流，判断充电模块对准情况。如果对准情况较差，则启动电机，微调位置。

微调位置：首先向与停车前相反的方向运行5毫米，重新开启充电并检测电流，如果充电电流增大，但仍然未处于对准情况较好的情况，则继续向相同方向移动5毫米。以上述方式进行位置微调，检测到充电电流开始减小。充电电流减小后返回充电电流最大的调整位置进入持续充电过程。图7中简要的说明了无线充电的整个流程，其中“充电点前一个RFID”即为减速用RFID302c。

另外，在本实用新型的实施例中所提到的术语“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“上”、“下”、“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，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，包括巡检轨道（1），安装在所述巡检轨道（1）上的巡检机器人单元（2），用于给所述巡检机器人单元（2）充电的无线充电单元（3），以及设置在所述巡检机器人单元（2）上，并用于检测水质的传感器单元（4）。

2.根据权利要求1所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述巡检机器人单元（2）包括车架（201），设置在所述车架（201）上，且安装在所述巡检轨道（1）上的轨道孔（202），设置在所述轨道孔（202）内侧面，且卡合在所述巡检轨道（1）上的驱动轮（203）和辅助轮（204）。

3.根据权利要求2所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述巡检机器人单元（2）还包括用于给所述驱动轮（203）提供动力的电池（205），设置在所述车架（201）上，且用于给所述电池（205）充电的无线充电受电部（206）；所述无线充电单元（3）包括维护平台（301），以及设置在所述维护平台（301）上，且用于对所述无线充电受电部（206）供电的无线充电给电部（302）。

4.根据权利要求3所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述无线充电受电部（206）包括受电模块（206a），以及设置在所述受电模块（206a）上的RFID识别设备（206b）；所述无线充电给电部（302）包括给电模块（302a），以及充电点RFID（302b）。

5.根据权利要求4所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述无线充电给电部（302）还包括减速用RFID（302c）。

6.根据权利要求5所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述充电点RFID（302b）与减速用RFID（302c）之间的水平距离为50-100cm。

7.根据权利要求2所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述传感器单元（4）包括设置在所述车架（201）上的检测伸缩臂（401），以及设置在所述检测伸缩臂（401）上的pH传感器（402）。

8.根据权利要求7所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述传感器单元（4）还包括设置在所述检测伸缩臂（401）上的水下摄像头（403）。

9.根据权利要求7所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述传感器单元（4）还包括设置在所述检测伸缩臂（401）上的水溶氧传感器（404）。

10.根据权利要求2所述的一种适用于工厂化水产养殖的水质巡检总成，其特征在于，所述巡检机器人单元（2）还包括设置在所述车架（201）上的充电端罩壳（207），前罩壳（208），后罩壳（209）以及动力侧罩壳（210）。

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