一种用于煤矿沉陷区水资源监测的新型水域测量机器人
阅读说明：本技术 一种用于煤矿沉陷区水资源监测的新型水域测量机器人 (A novel waters measurement robot for colliery subsidence district water resource monitoring ) 是由 叶伟 牛玉亭 张坤 陈从磊 卢克东 牛亚超 李科 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：一种用于煤矿沉陷区水资源监测的新型水域测量机器人,它由地面基准站、遥控器和测量机器人三大部分组成。地面基准站与测量机器人之间通过GPS、捷联惯性导航进行信号、数据传输和自动控制；遥控器在复杂水域对测量机器人进行控制。在根据沉陷水域的复杂程度划分的开阔水域和漂浮障碍物水域中,测量机器人工作状态分别是水上和水下。本发明是一种考虑矿区沉陷水域复杂环境,将GPS技术、捷联惯性导航技术、声波测深技术、试剂法检测水质技术相结合的多功能测量机器人,具有体积小、易运输的优点。通过设定机器人的航线和工作状态可获得矿区特殊水域环境下的包括水深、水下地形、水质等多种水资源数据,为矿区水资源合理利用提供一种良好的监测平台。(A novel water area measuring robot for monitoring water resources in a coal mine subsidence area is composed of a ground reference station, a remote controller and a measuring robot. The ground reference station and the measuring robot transmit signals and data and automatically control through a GPS and a strapdown inertial navigation; the remote controller controls the measuring robot in a complex water area. In an open water area and a floating obstacle water area which are divided according to the complexity of a sunken water area, the working states of the measuring robot are above water and below water respectively. The invention relates to a multifunctional measuring robot which considers the complex environment of a sunk water area in a mining area and combines a GPS technology, a strapdown inertial navigation technology, a sound wave depth sounding technology and a reagent method water quality detection technology, and has the advantages of small volume and easy transportation. By setting the flight path and the working state of the robot, various water resource data including water depth, underwater topography, water quality and the like in the special water area environment of the mining area can be obtained, and a good monitoring platform is provided for reasonable utilization of water resources of the mining area.)
技术领域
本发明涉及一种用于煤矿沉陷区水资源监测的新型水域测量机器人，它是一种用于沉陷水域等复杂水域水资源的水深、库容和水质监测的多功能水下机器人，它整合了GPS技术、捷联惯性导航技术、声波测深技术、离子探头检测水质技术的功能，以矿区沉陷水域水深和水体质量检测为主，属于机器人领域。
背景技术
随着国家对煤炭资源的开采力度的加大，造成沿淮地带的高潜水位地区出现大范围的采煤沉陷水域。为了对沉陷水域水资源进行合理开发利用，比如挖深垫浅、人工渔业及水库建立等，不仅需要水深数据，还需要水体容量、水体质量等数据，以期对沉陷水域合理开发利用起到指导作用。
水深数据、水体质量数据的获取，对于水库建设，人工渔业发展，水区变农田等工程建设都有重要意义；在抵抗洪涝灾害方面也显示了巨大的经济效益和人民效益。随着目前 GPS技术、捷联惯性导航技术以及声波测深技术的发展，采用的水深数据获取是GPS-RTK技术结合，GPS-RTK技术工作原理是基站与测量机器人上的GPS流动站建立通信连接，将获取的观测值和坐标数据传递给流动站，流动站将基站传来的数据和自身GPS观测值组成差分观测值进行实时处理，可达到精度为为原来的定位结果。用GPS获取平面坐标，再利用声波测深装置获得相应水深数据，结合水域分布图，结合ArcGIS软件即可获得水体库容量及水下地形。对于沉陷水域中大面积杂草覆盖或网箱养鱼情况下，需进行水下作业，需结合捷联惯性导航技术与声波测深技术获取水深数据。在水下作业时，需事先调研水面漂浮物的吃水深度，以确定测量机器人的下潜深度，根据水域分布图规划测量机器人的水下航行路线，在水下获取的水深数据为测量机器人到达水底和水面的两个深度，实际水深为两者之和。水质探测采用多种投入式离子探测器，用于探测水体中的溶解氧、叶绿素A、氨氮等元素含量，投入式离子探测器可输出RS485信号，具有较强抗干扰性，传输距离远，数据传输采用Modbus通信协议，可与其他设备集成和组网。
自动避障系统装载在测量机器人上可以克服沉陷水域复杂水上、水下水文环境对测量造成的影响。
测量机器人已经广泛用于水上、水下工作，可全天候作业，也可代替人类完成一些恶劣极限条件下的工作。同时，使用机器人可降低风险成本和人力成本。虽然现阶段已出现无人船等水域测量的小型设备，但仍难以适应矿区沉陷水域复杂环境下的测量，无法自主避障、无法潜水测量，无法完成水深、水质数据的同时采集。以小型ROV水下机器人为平台搭载GPS、捷联惯性导航系统、离子探测系统、声波测深系统以及自动避障系统进行矿区沉陷水域水深测量和水质探测，使原本无人船难以测量，需人工调研的水域以及需要对测量水质的工作变成只需要1～2人和一个水下测量机器人就能完成，节约人力物力，节约成本，降低安全风险，具有较高的经济和社会效益、环境效益。
发明内容
目的：本发明的目的是提供一种沉陷水域水深数据及水质检测的新型测量机器人，它是一种整合了GPS技术、捷联惯性导航技术、声波测深技术、离子探测水质技术的多功能机器人，主要用来获取水利工程及矿区沉陷水域治理工程所需的水深、水体库容、水体质量数据，给沉陷水域的利用和治理工作提供资料参考，为科研活动的展开提供基础数据。
技术方案：本发明是一种沉陷水域水资源监测的水下测量机器人，它由地面基准站和测量机器人两大部分组成。两者之间的关系是：地面基站系统在岸上，测量机器人在水中，地面基站与机器人系统之间通过无线通信进行连接，通过地面基站系统来控制机器人系统进行工作；测量机器人的工作状态分为水上状态和水下状态。当水域开阔时，机器人为水上作业状态，当水面有大面积杂草或网箱等障碍物，为水下作业状态。
基准站外观结构：基准站外观包括倒立的正四棱台式塑料外壳，液晶显示屏，微型键盘，光学对中器，圆水准器，管水准器，电源按键，模式选择按键，电池组盒，信号传输 /接收天线，基站脚架连接孔，数据传输接口。
基准站内部结构：基准站内部构成包括中海达GPS系统，数据存储系统，数据管理系统，程序设置模块，机器人控制系统，模式规划系统，捷联惯性导航控制系统，屏幕显示系统，速度控制系统，GPS连接系统，机器人控制连接系统。
GPS系统：该基准站GPS系统采用中海达iRTK主机中的主要模块并固定于基准站内部，其通信天线固定于塑料外壳顶端，电力供应来源于电池组盒。
其他内部结构：数据存储模块为一块SD卡，安插在内部主板上并且可拆卸；数据管理系统、程序设置模块、机器人控制模块、模式规划模块、捷联惯性导航控制模块以及屏幕显示模块均通过程序设计集成于单片机芯片上，安装在基准站塑料外壳内部。
模式规划系统：基准站中的模式规划系统由航线规划模式和遥控器模式构成。
航线规划模式：航线规划模式系统由嵌入式地图搜索系统和航线规划系统两者构成。
机器人遥控器外观：遥控器外观结构包括方向操纵杆，电池组盒，电源按键，浮力大小控制旋钮，速度控制旋钮，悬停控制开关，涡轮动力装置脱落按钮。
机器人遥控器内部结构：遥控器内部结构由方向控制系统，电路系统，浮力控制系统，速度控制系统构成。
新型水域测量机器人外观：测量机器人外观结构包括UAV型钛合金外壳，引擎盖，防水螺丝，防撞橡胶护栏，GPS流动站，GPS流动杆，传输天线，喷水推进器。
新型水域测量机器人内部结构：机器人内部系统由捷联惯性导航系统，声波测深系统，障碍探测器，自动避障系统，数据传输系统，多离子探头水质检测系统，浮力控制装置，电池组盒，机器人控制接收系统，故障预报系统，隔水板。
GPS流动站模块结构：GPS流动站采用中海达GPS iRTK二代，有与船相连的船控传输线。
浮力控制模块(充气放气结构：利用遥控装置完成)：浮力控制系统由充放气气囊，椭球形塑料固定外壳，具有磁性的充放气活塞，控制活塞运动的继电器组成。浮力控制气囊的活塞能够在遥控器浮力控制旋钮中控制放气量来确保不同的潜水深度，其中最大浮力要确保机器人机身一半在水面之上。
捷联惯性导航系统结构：采用基于环形激光陀螺技术的捷联惯性导航系统——NATO SNIS，这种惯性导航系统采用3个机载等级环形激光陀螺和3个高精度力反馈摆式加速度计，这些惯性仪表被封装在敏感器内，单个的温度传感器用于陀螺和加速度计的在线实时温度补偿。在水面上测量时，系统可以接受GPS流动站提供的定位更新，其内部集成的卡尔曼滤波器将这些信息进行处理后用于辅助惯性导航系统导航并约束系统时间累积误差。
声波测深系统结构：采用型号为MH-SY/SF的分体式声波测深仪作为测深系统封装在测量机器人的钛合金外壳内部，其中声波换能器需要***水中，在安装时，将声波换能器外露，并且周围采用防水橡胶圈，确保机器人外壳内部的绝对无水状态。这种测深仪工作水流速度最大为3m/s，因此在进行测量工作时，需要根据实测水流速度数据控制好机器人航线速度。
障碍探测器/自动避障系统：采用纳雷科技测距雷达防碰撞方案，即采用1+N个测距雷达，一个长距离测距雷达和N个中短距离测距雷达进行组合作为测量机器人的障碍探测和防碰撞系统。
投入式离子探测器结构：水质探测采用多种投入式离子探测器，用于探测水体中的溶解氧、叶绿素A、氨氮等元素含量，投入式离子探测器可输出RS485信号，具有较强抗干扰性，传输距离远，数据传输采用Modbus通信协议，可与其他设备集成和组网。共安装测量溶解氧，叶绿素A，氨氮化合物，镉四种离子探测器。
测量机器人动力装置(喷水推进器)：喷水推进器是用水泵作动力，将水从船底孔吸入，经舷部管子，把水从船后方向排出，靠水的反作用力来推进船舶，具有操纵性能好,装有喷水推进器的新型水域测量机器人可以方便地转向,机动性好并且是喷水推进器不受吃水影响，可在浅水水域航行。
工作原理分述(水深测量、水体库容、水下地形、水质测量)：测量之前根据水域实际情况进行分类，分为大面积开阔型水域、水面有障碍物的复杂水域和小型普通水域，在基准站上设置好测量模式，对于开阔型水域和水面有障碍物的复杂水域采用航线规划模式辅以遥控器模式，对于小型普通水域，采用遥控器模式；利用激光对中器让基准站测量中心对准GPS基准点中心，再利用圆水准器进行粗略整平，利用管水准器进行精平，对中整平后开机，新建测量文件夹，设置好相关参数后，选择测量模式，对于航线规划模式，需要搜索水域地图，并进行航线规划，利用电子手簿连接基准站和GPS流动站，待信号固定，再建立基准站与机器人之间的通信连接，设置好潜水深度和航行速度，方可让新型水域测量机器人下水。新型水域测量机器人按照航行路线或由遥控器控制航行，数据采集密度一般设置成 5m间隔，GPS流动站进行定位以确保测量间隔的精确性，每隔5m通过声波测深仪采集深度数据，并通过离子探测器采集对应位置的水质数据。对于水面有大面积网箱覆盖和房屋建筑等水域，需要事先进行调研网箱的吃水深度和房屋的分布位置，从而在测量前设置好平均潜水深度和航线规划，结合测量机器人的自动避障功能即可在避开部分障碍的情况下完成测量任务。利用水深数据，结合ArcGIS软件，导入水域分布图，即可进行水域库容的计算和水下地形的构建。根据水质数据绘制水质评价图并可以利用多期数据综合分析沉陷水域的重金属时空演变规律。
优点及功效：本发明采用地面基站系统、遥控系统和新型水域测量机器人组合，多方面对测量机器人进行控制，采用不同范围浮力控制以适应沉陷水域不同潜水深度的需求，将水质检测融入到水深测量机器人中可同时完成水深、水质的测量，节约了人力财力物力。
附图说明
图1为地面基准站示意图；
图2为发明机器人俯视图；
图3为发明机器人侧视图；
图4为发明机器人正视图；
①电源 ②菜单 ③机器人操控微键盘 ④圆水准器 ⑤管水准器
⑥连接孔 ⑦液晶显示屏 ⑧GPS基准站天线 ⑨GPS流动站 ⑩GPS-机器人连接线
图5为地面基站内部模块架构；
图6为遥控器内部架构；
图7为新型水域测量机器人内部架构。
具体实施方式
本发明是一种沉陷水域水资源监测的水下测量机器人，它由地面基准站和测量机器人两大部分组成。两者之间的关系是：地面基站系统在岸上，测量机器人在水中，地面基站与机器人系统之间通过无线通信进行连接，通过地面基站系统来控制机器人系统进行工作；测量机器人的工作状态分为水上状态和水下状态。当水域开阔时，机器人为水上作业状态，当水面有大面积杂草或网箱等障碍物，为水下作业状态。
该基准站主要包括一个塑料外壳、一些基本外部结构以及10个主要内部模块构成。外部塑料外壳是倒立正四棱台式形状，外部基本结构包括①电源，②菜单，③机器人操控微键盘，④圆水准器，⑤管水准器，⑥连接孔，⑦液晶显示屏，⑧GPS基准站天线，呈塔状结构，外部涂有防水材料。10个主要内部结构分别是GPS模块，数据存储模块，数据管理模块，程序设置模块，程序设置模块，通信模块，船控模块，模式规划模块，捷联惯性导航控制模块，屏幕显示模块，速度控制模块。
该机器人遥控器分为外部结构和内部模块。外观结构包括方向操纵杆，电池组盒，电源按键，浮力大小控制旋钮，速度控制旋钮，悬停控制开关，涡轮动力装置脱落按钮。遥控器内部结构由方向控制系统，电路系统，浮力控制系统，速度控制系统构成。浮力控制旋钮所标刻度为相应浮力所能保持的潜水深度，可根据实际调研结果旋转浮力控制旋钮来设置合适的潜水深度。
基准站电池组类型：采用徕卡GEB242锂电池，电池盒按照电池形状设计，并根据电池供电情况选择合适的电路电线。遥控器所用电池：遥控器采用通用5号南孚电池。
菜单②可以调出程序设置界面、数据管理界面、机器人控制界面、模式规划界面、速度设置界面、新建文件夹和作业界面。
机器人操控微键盘③由数字键盘、字母键盘组成、#和*两个符号键、方向键以及清除键。不用切换选择，方便快捷。
圆水准器④类型：采用徕卡全站仪制造的圆水准器。
管水准器⑤类型：采用徕卡全站仪制造的管水准器。
液晶显示屏⑦采用点阵LCD液晶显示屏，型号为QMLY631，安装在塑料外壳的管水准器左上方凹槽内，显示器与程序设置模块、数据管理模块、机器人控制模块、模式规划模块、地图搜索模块以及速度控制模块等用数据线相连接。
该基准站GPS系统采用中海达iRTK主机中的主要模块并固定于基准站内部，其通信天线固定于塑料外壳顶端，电力供应来源于电池组盒。
该基准站内数据存储模块为一块SD卡，安插在内部主板上并且可拆卸
该基准站内的速度控制系统主要通过设置相关程序对机器人的喷水装置的喷水速度进行控制进而达到航行速度的控制。
该基准站内的模式规划系统主要由航线规划模块和遥控器控制模块构成，航线规划模块又由嵌入式地图搜索系统和航线规划系统构成。实际测量时，若选择航线规划模式，则需要根据嵌入的地图进行搜索水域，根据水域形状和范围规划航行路线并设置相应的航行速度，通过设计程序确保自动避障完成后，基准站在收到反馈信号后航线规划模式具有优先权，保证测量机器人仍按照原先设计路线航线；若选择遥控器控制模式，则航行路线和航行速度均由遥控器进行控制。
该新型水域测量机器人包括一个钛合金外壳，一些基本外部结构和12个主要内部结构。外部钛合金外壳为一个类似鲸鱼状的UAV型外壳，基本外部结构包括
该新型水域测量机器人的防撞橡胶护栏采用天然橡胶作为防撞橡胶护栏的主要材料来源，确保可以有效减震，防撞。
该新型水域测量机器人的GPS流动站⑨中的GPS系统采用中海达iRTK接收机中的主要系统和部件，GPS与机器人的连接线接口分别位于流动站底部和机器人上方外壳边缘，机器人上的接口进行隔水措施处理。
该新型水域测量机器人的GPS流动杆
该新型水域测量机器人的传输天线采用塔式结构，外部涂有防水材料。
该新型水域测量机器人的喷水推进器
该新型水域测量机器人内的数据存储系统为数据库系统，可与基准站进行数据共享并能给基准站数据存储系统传输数据，进而由基准站的SD卡导出数据。
该新型水域测量机器人的多离子探头
该新型水域测量机器人的浮力控制系统由充放气气囊
该新型水域测量机器人的捷联惯性导航系统采用基于环形激光陀螺技术的捷联惯性导航系统——NATO SNIS，这种惯性导航系统采用3个机载等级环形激光陀螺和3个高精度力反馈摆式加速度计，这些惯性仪表被封装在敏感器内，单个的温度传感器用于陀螺和加速度计的在线实时温度补偿。在水面上测量时，系统可以接受GPS流动站提供的定位更新，其内部集成的卡尔曼滤波器将这些信息进行处理后用于辅助惯性导航系统导航并约束系统时间累积误差。
该新型水域测量机器人的声波测深系统采用型号为MH-SY/SF的分体式声波测深仪作为测深系统封装在测量机器人的塑料外壳内部，其中声波换能器需要***水中，在安装时，将声波换能器外露，并且周围采用防水橡胶圈，确保机器人外壳内部的绝对无水状态。这种测深仪工作水流速度最大为3m/s，因此在进行测量工作时，需要根据实测水流速度数据控制好机器人航线速度。
该新型水域测量机器人的障碍探测器/自动避障模块采用纳雷科技测距雷达防碰撞方案，即采用1+N个测距雷达，一个长距离测距雷达和N个中短距离测距雷达，长距离可以选择100米～450米的长距离雷达，实现前向防碰撞，根据覆盖区域和船舶大小不同，可以根据实际情况选择N个中短距离测距雷达，实现船舶360°无死角防护。中距离测距雷达采用SP70C型号，这是一款24GHz中距离雷达传感器，采用FMCW体制，能测量目标的距离、速度、角度，最高刷新率50Hz，同时检测多达8个目标，角度覆盖范围达100°，有效探测范围0.5m～50m，最低识别速度0.1m/s，有效测速范围±70m/s。自动避障完成后测量机器人向基准站发射自动避障完成反馈信号，基准站执行优先权程序，测量机器人根据航线规划程序优先权仍然按照原先设定航线继续航行进行测量。
该新型水域测量机器人的数据传输模块通过数据线与数据存储模块、传输天线、GPS-机器人连接线、电源线分别相连接。
该新型水域测量机器人的控制接收模块与传输天线和GPS机器人连接线通过数据线相连接。
该新型水域测量机器人的故障预报模块主要分为电力供应异常报警器。
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