具有自主避障巡航功能的河道水质检测无人船
阅读说明：本技术 具有自主避障巡航功能的河道水质检测无人船 (Unmanned ship for river water quality detection with autonomous obstacle avoidance and cruise functions ) 是由 孙张涛 李祖松 宣阳 梁亚萍 林晨 孙荣文 朱正平 黄美琴 王诗堃 韦宗师 蒋志 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有自主避障巡航功能的河道水质检测无人船,在船体的外侧壁设有一圈防撞气囊壁,在船体的船舱顶部盖有盖板,在盖板安装一块太阳能电池板和一个360°全景摄像头,船舱中设有主控系统、锂电池包、一对推进器、水样采集及检测装置、气囊充放气装置,主控系统包括主控芯片、动力驱动模块、水质检测控制模块、障碍物检测模块、导航定位模块、自动避障巡航模块、充放气控制模块、无线通信模块和远程通信模块,360°全景摄像头接障碍物检测模块,障碍物检测模块和导航定位模块接自动避障巡航模块,远程通信模块连接地面站和/或移动终端,无线通信模块连接移动终端。本无人船可自主实现对监测水域内的水质进行检测并远程实时反馈检测数据。(The invention relates to a riverway water quality detection unmanned ship with an autonomous obstacle avoidance and cruise function, wherein a circle of anti-collision air bag wall is arranged on the outer side wall of a ship body, cover the apron at the cabin top of hull, at apron installation solar cell panel and a 360 panorama camera, be equipped with major control system in the cabin, the lithium cell package, a pair of propeller, water sample collection and detection device, gasbag inflation and deflation device, major control system includes main control chip, power drive module, water quality testing control module, obstacle detection module, navigation orientation module, automatically, keep away barrier cruise module, inflate gassing control module, wireless communication module and telecommunication module, 360 panorama camera connect obstacle detection module, obstacle detection module and navigation orientation module connect automatically and keep away barrier cruise module, telecommunication module connects ground station and/or mobile terminal, wireless communication module connects mobile terminal. The unmanned ship can automatically detect the water quality in the monitored water area and feed back the detection data in a remote and real-time manner.)
技术领域
本发明涉及水质检测设备技术领域，尤其涉及一种具有自主避障巡航功能的河道水质检测无人船。
背景技术
随着我国城市化的不断推进，水污染问题严重影响着人们的生产生活安全，对城市内河的水环境治理和水质安全保障受到社会各方力量的高度重视。当前城市内河的许多水体都出现不同程度的污染问题，水体发臭及富营养化现象比较严重，现有的水质监测站多为定点建造，造成当前水质监测站的数量和覆盖率严重不足，无法全面反映河流水环境的真实状况。另外，对于面积巨大的水源地，人工检测费时费力，对于一些环境比较恶劣的水源地，检测人员也存在人身安全。因此，亟需一种能够沿河道移动的、实时对内河河道不同水域水质进行自动抽样检测的智能化无人水质监测平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单可靠、体积紧凑、配置性能佳并且具有优异适航性、结构稳定性、操纵性及安全性的具有自主避障巡航功能的河道水质检测无人船。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种具有自主避障巡航功能的河道水质检测无人船，包括船体、地面站和/或移动终端，在船体的外侧壁上布设有由若干个气囊并排构成的一圈防撞气囊壁，在船体的中部开设有船舱，船舱的顶部盖设有可拆卸的盖板，在盖板顶部固定安装一块太阳能电池板和一个360°全景摄像头，盖板与船舱之间形成密闭的腔体，腔体中设有主控系统、锂电池包、一对推进器、水样采集及检测装置、气囊充放气装置，一对推进器对称安装在腔体中部两侧的安装孔中，水样采集及检测装置的抽水口通过管道伸出至船舱底部，太阳能电池板通过线缆连接锂电池包，锂电池包连接主控系统、推进器、360°全景摄像头、水样采集及检测装置、气囊充放气装置，气囊充放气装置与所有气囊相连通，主控系统包括主控芯片及与主控芯片连接的动力驱动模块、水质检测控制模块、障碍物检测模块、导航定位模块、自动避障巡航模块、充放气控制模块、无线通信模块和远程通信模块，推进器通过线缆连接动力驱动模块，360°全景摄像头通过线缆连接障碍物检测模块，障碍物检测模块和导航定位模块连接自动避障巡航模块，水样采集及检测装置通过线缆连接水质检测控制模块，气囊充放气装置通过线缆连接充放气控制模块，远程通信模块无线通讯连接地面站和/或移动终端，无线通信模块无线通讯连接移动终端。
作为本发明的一种改进， 所述锂电池包包括盒体及设于盒体中的锂电池组、充放电控制器、稳压电源模块，锂电池组通过充放电控制器分别连接太阳能电池板和稳压电源模块，稳压电源模块连接主控系统、推进器、360°全景摄像头、水样采集及检测装置、气囊充放气装置。
作为本发明的一种改进， 所述推进器采用Tecnadyne 公司的Model 1020直流无刷推进器。
作为本发明的一种改进， 所述水样采集及检测装置包括水样循环抽取机构和水样检测单元，水样循环抽取机构包括抽水泵、具有锥底的储水箱、多个水样检测腔、三通接头、电磁阀，抽水泵的进水口通过管道连接抽水口，抽水泵的出水口通过管道连接储水箱的入口，储水箱的下部为一锥体，在锥体的侧壁开设一圈均布的出水孔以及在锥底开设一个出水孔，所有水样检测腔并排设于储水箱的下方，所有出水孔通过管道一一对应连接所有水样检测腔的进水口，在所有水样检测腔的底部开设排水口，所有排水口通过管道和三通接头连接抽水口，在位于末端的排水口与三通接头之间的管道上设置电磁阀；水样检测单元包括但不限于水温传感器、PH值传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、盐度传感器、浊度传感器、ORP传感器，所有传感器均一一对应嵌入设置在水样检测腔的内部，传感器的探头与水样检测腔内的水样充分接触，抽水泵、电磁阀和水样检测单元均通过线缆连接水质检测控制模块。
作为本发明的一种改进， 所述防撞气囊壁包括3个或5个防撞气囊体，每个防撞气囊体均由多个气囊并排连接构成，各气囊之间相连通，每个防撞气囊体通过防水背胶与船体的外侧壁相粘贴，每个防撞气囊体的两端分别设有充气口和排气口，在船体的侧壁对应位置上开设通孔，设于每个防撞气囊体的充气口和排气口上的气嘴嵌入安装在通孔中；所述气囊充放气装置包括充气泵、微控制器、3个或5个气压传感器、自动气阀、抽气泵，充气泵通过管道连接所有防撞气囊体的充气口气嘴，抽气泵通过管道连接所有防撞气囊体的排气口气嘴，在各防撞气囊体的充气口处和排气口处的管道上分别设置一个自动气阀，各气压传感器的探头伸入至各防撞气囊体的排气口气嘴中，气压传感器通过防撞气囊体的排气口对防撞气囊体内部的气压进行检测，所有气压传感器、所有自动气阀、充气泵和抽气泵均通过线缆连接微控制器，微控制器通过线缆连接主控系统的充放气控制模块。
作为本发明的一种改进， 还包括红外线或超声波测距传感器，红外线或超声波测距传感器嵌入安装在船体的头部及左右两侧壁，位于船体头部的红外线或超声波测距传感器设于防撞气囊壁的上方，位于船体左右两侧壁的红外线或超声波测距传感器设于船体的中部，所述360°全景摄像头通过支架凸出设于盖板的上部，所有红外线或超声波测距传感器通过线缆连接障碍物检测模块。
作为本发明的一种改进， 所述导航定位模块采用北斗和GPS双模定位模块。
作为本发明的一种改进， 所述自动避障巡航模块包括PID导航数据运算单元、避障控制运算单元，导航定位模块连接PID导航数据运算单元的输入端，PID导航数据运算单元的输出端连接避障控制运算单元的输入端，避障控制运算单元的输出端连接动力驱动模块。
作为本发明的一种改进，所述主控芯片采用STM32微控制器，所述无线通信模块采用Si4463数据收发模块，远程通信模块采用GPRS模块、3G/4G/5G模块中的任一种。
作为本发明的一种改进， 所述主控系统还包括外部存储器，外部存储器连接主控芯片。
相对于现有技术，本发明所提出的河道水质检测无人船的整体结构设计巧妙，结构合理稳定，体积紧凑，配置性能佳并具有优异适航性、结构稳定性、操纵性及安全性；无人船采用太阳能电池板和锂电池包作为自供电系统进行供电，自供电系统结构简单可靠且使用方便；通过使用水样采集及检测装置和主控系统实现自主到达指定的水样检测点进行水样采集并对水样的水质进行pH值、温度、溶解氧、氨氮、盐度、浊度等多种参数精确监测，并能实时将监测数据无线远传至地面站和/或移动终端供用户远程实时查看；通过使用一圈防撞气囊壁、一对推进器、360°全景摄像头、红外线或超声波测距传感器、气囊充放气装置及主控系统实现无人船的自主避障巡航功能，并在无人船需要检修维护时可在导航定位模块的辅助下利用移动终端与主控系统中的无线通信模块将无人船召回。
附图说明
图1为本发明优选实施例的无人船的外观结构示意图。
图2为本发明优选实施例的无人船的电气控制结构框图。
图3为本发明优选实施例的无人船中的水样采集及检测装置的结构示意图。
图4为本发明优选实施例的无人船中的防撞气囊壁与气囊充放气装置的连接结构示意图。
图中：1-船体，2-盖板，3-太阳能电池板，4-360°全景摄像头，5-防撞气囊壁，6-超声波测距传感器，7-换气防雨格栅，8-抽水泵，9-储水箱，10-水样检测腔，11-三通接头，12-电磁阀，13-抽水口，14-机架，15-防撞气囊体，16-充气口气嘴，17-排气口气嘴，18-充气泵，19-微控制器，20-抽气泵，21-自动气阀，22-气压传感器。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
如图1-2所示，为本发明优选实施例所示出的具有自主避障巡航功能的河道水质检测无人船，包括船体1、地面站和/或移动终端，在船体1的外侧壁上布设有由若干个气囊并排构成的一圈防撞气囊壁5，利用防撞气囊壁5一方面可有效避免船体1与障碍物发生碰撞时对船体1造成的破坏，另一方面也可有效提高整船的浮力，增强船体1的航行稳定性及操纵性，有效解决了船体1因大风大浪而发生侧翻的问题。在船体1的中部开设有船舱，船舱的顶部盖设有可拆卸的盖板2，以便于对放置在船舱内的设备进行检修维护。在盖板2顶部固定安装一块太阳能电池板3和一个360°全景摄像头4，船舱内的所有电气设备均通过太阳能电池板3进行供电，360°全景摄像头4用于在无人船航行过程中拍摄船体1周围的环境，同时用户可远程实时查看无人船的所处位置环境。盖板2与船舱之间形成密闭的腔体，腔体中设有主控系统、锂电池包、一对推进器、水样采集及检测装置、气囊充放气装置，腔体可对置于其内的所有设备进行防尘防水防风隔离保护。一对推进器对称安装在腔体中部两侧的安装孔中，推进器作为无人船的航行动力系统，可实现无人船的前进、后退、减速驻停及转向等功能。水样采集及检测装置的抽水口13通过管道伸出至船舱底部，用于在无人船到达指定检测点后抽取水样，并将检测后的水样排出至船体1外部，以适时减小无人船的重量，实现节能降耗的有益效果。太阳能电池板3通过线缆连接锂电池包，为锂电池包进行充电，锂电池包连接主控系统、推进器、360°全景摄像头4、水样采集及检测装置、气囊充放气装置，通过锂电池包为船体1上的所有电气设备进行供电。气囊充放气装置与所有气囊相连通，在必要时通过气囊充放气装置为部分气囊实现充气/排气的操作。主控系统包括主控芯片及与主控芯片连接的动力驱动模块、水质检测控制模块、障碍物检测模块、导航定位模块、自动避障巡航模块、充放气控制模块、无线通信模块和远程通信模块。推进器通过线缆连接动力驱动模块，由动力驱动模块来控制推进器的动作执行。360°全景摄像头4通过线缆连接障碍物检测模块，由摄像头采集的图像经过障碍物检测模块的图像识别处理后判定船体1前方及周围有无障碍物以及障碍物的形态，障碍物检测模块和导航定位模块连接自动避障巡航模块，通过障碍物检测模块、导航定位模块、自动避障巡航模块的相互配合使用，可实现无人船的自主避障巡航功能。水样采集及检测装置通过线缆连接水质检测控制模块，由水质检测控制模块控制水样采集及检测装置的水样采集及检测操作。气囊充放气装置通过线缆连接充放气控制模块，由充放气控制模块控制气囊充放气装置的充放气操作。远程通信模块无线通讯连接地面站和/或移动终端，无人船通过远程通信模块与地面站和/或移动终端进行实时数据传输。无线通信模块无线通讯连接移动终端，通过移动终端与无线通信模块通信可将无人船召回。
所述锂电池包包括盒体及设于盒体中的锂电池组、充放电控制器、稳压电源模块，锂电池组通过充放电控制器分别连接太阳能电池板3和稳压电源模块，锂电池组采用标准电压为60V、容量为30Ah的动力锂电池，在充放电控制器中设有过放与过充保护单元，避免锂电池组的电芯因过放或过充而失效或***。稳压电源模块连接主控系统、推进器、360°全景摄像头4、水样采集及检测装置、气囊充放气装置，为各设备提供电源。
所述推进器采用Tecnadyne 公司的Model 1020直流无刷推进器，可产生25kg向前的推力，14.5kg反向的推力，采用了Tecnadyne公司成熟的磁耦合设计，可有效阻止卡在推进器上的物体损坏推进器，大大提高了推进器的稳定性，其结构紧凑、重量轻、易维护，并且其独特的设计比同类推进器推力更大、工作效率更高、稳定性更高。
如图3所示，所述水样采集及检测装置包括水样循环抽取机构和水样检测单元，水样循环抽取机构包括抽水泵8、具有锥底的储水箱9、多个水样检测腔10、三通接头11、电磁阀12，抽水泵8、储水箱9、所有水样检测腔10设于机架14上，抽水泵8的进水口通过管道连接抽水口13，抽水泵8的出水口通过管道连接储水箱9的入口，储水箱9的下部为一锥体，在锥体的侧壁开设一圈均布的出水孔以及在锥底开设一个出水孔，可确保进入储水箱9内部的所有水样完全排尽，水样无残留，在避免不同检测点处水样不发生交叉污染的前提下，也能够有效降低船体1的重量。所有水样检测腔10并排设于储水箱9的下方，所有出水孔通过管道一一对应连接所有水样检测腔10的进水口，在所有水样检测腔10的底部开设排水口，所有排水口通过管道和三通接头11连接抽水口13，在位于末端的排水口与三通接头11之间的管道上设置电磁阀12。并且储水箱9的容量略大于所有水样检测腔10的容量总和，抽进储水箱9中的水样水量可通过控制抽水泵8的抽水时间，然后结合抽水泵8的水速计算得出。使得所有水样检测腔10内充满水样后，位于其下部的管道中也存在水样。在所有水样检测腔10内部的水样检测完毕后，打开电磁阀12将所有水样检测腔10内的水样全部由抽水口13排出，并在启动下一次的水样采集时将电磁阀12关闭。相邻的两次水样采集时间间隔约在30-60分钟，在此期间，储水箱9、所有水样检测腔10及管道中的水样均已经排放干净。水样检测单元包括但不限于水温传感器、PH值传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、盐度传感器、浊度传感器、ORP传感器，所有传感器均一一对应嵌入设置在水样检测腔10的内部，传感器的探头与水样检测腔10内的水样充分接触，抽水泵8、电磁阀12和水样检测单元均通过线缆连接水质检测控制模块。
如图4所示，所述防撞气囊壁5由5个防撞气囊体15组成，分别在船头对称设置2个防撞气囊体15，在船身两侧设置2个防撞气囊体15，以及在船尾设置1个防撞气囊体15。每个防撞气囊体15均由多个气囊并排连接构成，各气囊之间相连通，所有气囊采用弹性的橡胶制成，每个防撞气囊体15通过3M强力防水双面胶与船体1的外侧壁相粘贴，包裹住船体1的外周侧壁，能够在船体1与障碍物发生碰撞时起到弹性缓冲作用，有效减少碰撞时对船体1造成的损伤，同时防撞气囊体15在充气后可有效增加船体1的浮力，有助于增加船体1的行驶安全。每个防撞气囊体15的两端分别设有充气口和排气口，充气口和排气口均朝向船体1的侧壁开设，在船体1的侧壁对应位置上开设通孔，设于每个防撞气囊体15的充气口和排气口上的气嘴嵌入安装在通孔中。所述气囊充放气装置包括充气泵18、微控制器19、5个气压传感器22、自动气阀21、抽气泵20，充气泵18通过管道连接所有防撞气囊体15的充气口气嘴16，抽气泵20通过管道连接所有防撞气囊体15的排气口气嘴17，在各防撞气囊体15的充气口处和排气口处的管道上分别设置一个自动气阀21，使用时，在船体1正常行驶过程中，所有的防撞气囊体15内部均充满气体，充气时要先打开需要充气的防撞气囊体15充气口处管道上的自动气阀21，由充气泵18通过充气口气嘴16向防撞气囊体15内充气。各气压传感器22的探头伸入至各防撞气囊体15的排气口气嘴17中，气压传感器22通过防撞气囊体15的排气口对防撞气囊体15内部的气压进行检测，在充气过程中，当防撞气囊体15内部的气压达到预设的气压值时即关闭自动气阀21，而在正常使用过程中当防撞气囊体15内部的气压低于预设的气压值时，充气泵18及自动气阀21会自动开启并向防撞气囊体15中充气直至气压达标。同时，在当船体1与障碍物发生碰撞时，为了使得船体1能够避开障碍物，可对位于障碍物侧的防撞气囊体15进行排气操作，以缩小船体1的体积而远离障碍物，在对防撞气囊体15进行排气时，先将对应排气口处的自动气阀21打开，然后通过抽气泵20将防撞气囊体15内部的气体抽出，并在气压传感器22检测到防撞气囊体15内部的气压低于预设值后关闭自动气阀21及抽气泵20停止抽气。所有气压传感器22、所有自动气阀21、充气泵18和抽气泵20均通过线缆连接微控制器19，由微控制器19实现自动充放气控制，并且微控制器19通过线缆连接主控系统的充放气控制模块，通过充放气控制模块向微控制器19反馈充放气需求信号。
为了使得气囊充放气装置能够正常工作，并且为了使得船舱的腔体内具备良好的通风散热性能，在盖板2上开设有具有防雨功能的换气防雨格栅7，能够对密闭腔体内部的温度进行有效降温，进而能够很好提升内部各设备的工作稳定性及延长它们的工作寿命。换气防雨格栅7可设于太阳能电池板3的下方，以充分利用盖板2的空间，并可确保太阳能电池板3与换气防雨格栅7互不影响。
为了有效检测船体1与障碍物之间的距离，还设有红外线或超声波测距传感器6，优选采用超声波测距传感器6，进一步可采用深圳市电应普科技有限公司生产的DYP-A02-V2.0系列的封闭式防水测距模组探头，该产品具备一定的防尘防水等级，适用于潮湿、恶劣的测试场合，并仅具有3cm较小盲区，测距精度高且数据输出稳定可靠，响应速度快，抗干扰及抗静电性能强，功耗低。超声波测距传感器6嵌入安装在船体1的头部及左右两侧壁，位于船体1头部的超声波测距传感器6设于防撞气囊壁5的上方，由该超声波测距传感器6对船体1前方的障碍物进行测距，位于船体1左右两侧壁的超声波测距传感器6设于船体1的中部，由左右两个超声波测距传感器6分别对船体1左右两侧的障碍物进行测距。所述360°全景摄像头4通过支架凸出设于盖板2的上部，该摄像头所拍摄的图像能够覆盖整个船体1的四周，可有效反映船体1所处的周围环境，所有超声波测距传感器6通过线缆连接障碍物检测模块，通过所有超声波测距传感器6结合360°全景摄像头4能够全面实现船体1周围障碍物的精确检测。
另外，为了能够使得无人船具备24小时正常执勤的能力，并能在光线昏暗或夜晚的环境下正常避障航行，将360°全景摄像头4采用带有夜视摄像功能的全景摄像头，并可在摄像头的安装支架上位于摄像头的下方设置一个LED照明灯，以增强夜视摄像清晰度。
所述导航定位模块采用北斗和GPS双模定位模块，具体采用ATK-S1216F8-BD模块，该模块体积紧凑小巧，便于安装使用，并支持多种通信波特率，可通过串口进行设置，并可保存在模块内部FLASH。
所述自动避障巡航模块包括PID导航数据运算单元、避障控制运算单元，导航定位模块连接PID导航数据运算单元的输入端，PID导航数据运算单元的输出端连接避障控制运算单元的输入端，避障控制运算单元的输出端连接动力驱动模块。通过PID导航数据运算单元对导航定位模块提供的导航定位数据进行PID运算后输出给避障控制运算单元，避障控制运算单元根据接收到的PID导航数据以及障碍物检测模块发送来的障碍物识别数据进行综合避障运算控制，并输出避障运算结果至动力驱动模块以驱动推进器执行减速驻停、转向、后退等动作。
所述主控芯片采用STM32微控制器19，具体采用STM32F429ZIT6 32位Cortex M4微控制器19。所述无线通信模块采用Si4463数据收发模块，该模块的工作频率可定制在119-1050MHz，具有超低耗关机模式、天线自动匹配及双向开关控制、定时唤醒功能以及64字节收发数据寄存器。远程通信模块采用GPRS模块、3G/4G/5G模块中的任一种。
另外，为了确保无人船的所有数据可追溯，并能保证主控系统在突然断电后能够重新上电后恢复数据，在主控系统中设有外部存储器，外部存储器连接主控芯片。主控芯片可定期将所有数据备份至外部存储器中进行长期存储，并且主控芯片可随时从外部存储器中调取数据，外部存储器可采用大容量SD卡。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。