海洋牧场水下可视化实时监控方法及监控装置与流程

本发明涉及监控系统技术领域，特别涉及一种海洋牧场水下可视化实时监控方法及监控装置。

背景技术：

海洋牧场是一种国际公认的有效培育渔业资源、营造海洋人工生态系统的方法。海洋牧场的研究、开发和应用已成为主要海洋国家的战略选择，也是世界发达国家渔业发展的主攻方向之一。海洋牧场是指在特定海域里，为有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工渔场：即通过在特定海域内建设适宜生物资源增殖的人工环境，采用放流、底播增殖、移植等方法，充分利用天然饵料，集成生物管理、环境控制技术，实现海洋生物资源量的提高和可持续捕捞；海洋牧场建设需要一整套系统设施和管理体制，如人造上升流、自动投饵机、鱼群控制设施、水下监视系统、环境监测监控系统和资源管理系统等。海洋牧场环境实时在线监测系统建设是建设海洋牧场的重要内容。

受以往技术、资金、政策等条件制约，我国海洋牧场长期存在局部利用过度和发展空间尚未充分挖掘的矛盾问题。我国拥有42亿亩的大陆架渔场，其中浅海滩涂面积就有2亿亩，目前我国海水养殖面积约3000万亩，仅占浅海滩涂可利用面积15％左右，水域滩涂利用空间和潜力依然很大。现在我国海洋渔业主要依赖海洋捕捞和海水养殖两大产业类型，但都面临着不同问题，发展余地也显得不大。同时，由于近海渔业资源日趋枯竭、捕捞强度过大等原因，迫使我国作业渔场不断向外海转移，而相关区域的海水养殖受当前生产装备技术水平限制，很难扩展到30米等深线以外的海域。在30～80米等深线的海域范围内，相对形成一个渔业利用空白区域，处于“没鱼捞”和“没法养”的状态。

公开号为“cn207894455u”的专利申请公开了一种海洋牧场监测系统，涉及海洋监测技术领域，该海洋牧场监测系统包括海上监测平台和岸基终端；海上监测平台与岸基终端通信连接；海上监测平台用于对指定的海洋牧场进行监测得到海洋牧场信息，并将海洋牧场信息发送至岸基终端；岸基终端用于显示接收的海洋牧场信息；其中，海洋牧场信息包括海面环境信息、海中环境信息和养殖生物状态信息，该专利能够长期实时地对海洋牧场进行全面监控；但是它只能放置在海洋牧场里，从固定的角度监测海洋牧场内有限范围内的环境信息和生物信息，无法无死角的监测到海洋牧场内所有角度的环境信息和生物信息，也无法根据实际情况需要，对摄像机和光源进行调整，来拍摄到具体想重点监测的区域画面。

因此，现有用于海洋牧场的监测装置，存在监测范围有限、监测角度不可调、无法用于30米以外的深线海域和监测灵活性较差的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有海洋牧场监测装置所存在的上述技术问题，提供了一种海洋牧场水下可视化实时监控方法及监控装置，它具有监测范围全面、监测角度可调和监测灵活性较好的特点。

本发明的第一种技术方案：海洋牧场水下可视化实时监控装置的控制方法，包括以下步骤，

ⅰ、位于水面外的控制箱通过有线通信模块或无线通信模块将电机控制信号和照明控制信号传递至电路板上的主控板；

ⅱ、主控板根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第一电机在水平方向上的往复转动；

主控板根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第二电机在竖直方向上的转动；

主控板通过有线通信模块和/或无线通信模块将部分电机控制信号和照明控制信号传递至照明控制器；

ⅲ、照明控制器根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第三电机在竖直方向上的转动；

照明控制器将接收到的照明控制信号传递至照明驱动器，照明驱动器根据接收到的照明控制信号调控照明装置的亮度；

照明控制器接收摄像装置采集的视频数据信号，并将接收到的视频数据信号传递至主控板。

本发明中位于水面外的控制箱用于对海洋牧场内整个监测装置的总控制，为主控板发送控制信息，并对主控板返回的信息进行处理，了解整个监测装置的工作情况；本发明中的主控板用于接收控制箱的控制信息，来对第一电机和第二电机进行分别控制，从而实现摄像装置和照明装置在水平方向上的移动，使得摄像装置能够对海洋牧场内水平方向360度范围内的环境情况进行无死角清晰拍摄，也实现摄像装置和照明装置在竖着方向上的上下移动和左右摆动，使得摄像装置能够对海洋牧场内竖直纵向维度所有范围的环境情况进行无死角清晰拍摄；同时主控板用于对照明控制器发送控制信息，并对照明控制器返回的信息进行处理；本发明中的照明控制器用于接收主控板的控制信息，来对第三电机进行控制，来对照明装置的照明角度进行调节，让照明装置可以根据需要照亮海洋牧场内的所有角度，来为摄像装置的摄像作业清洗度提供亮度支撑；照明控制器还用于接收摄像装置采集的视频数据信号，并将接收到的视频数据信号传递至主控板，再由主控板传递至水面外的控制箱；照明驱动器用于根据照明控制器的控制信息对照明装置的照明亮度进行调节；本发明整体采用有线通信和/或无线通信的方式，具体采用有线通信或是无线通信可以根据实际需要进行选择，使得整个装置可以满足30米以外的深线海域海洋牧场监测的信息传递要求。

作为优选，还包括步骤，照明控制器根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第四电机在水平方向上的转动。接收到了照明控制器的控制信号之后，第四电机可以为照明灯相对于聚光镜的上下距离调节提供动力。

作为优选，对第一电机的部分控制信号是在水平方向0～360度范围内往复转动的控制信号。第一电机在水平方向0～360度范围内往复转动，使得摄像装置能够对海洋牧场内水平方向360度范围内的环境情况进行无死角清晰拍摄。

作为优选，对第一电机的部分控制信号是在水平方向0～320度范围内往复转动的控制信号。第一电机在水平方向0～320度范围内往复转动，就已经能满足摄像装置在360度范围内的无死角拍摄了。

作为优选，对第二电机的部分控制信号是在竖直方向0～320度范围内转动的控制信号。第二电机在水平方向0～360度范围内转动，使得摄像装置能够对海洋牧场内竖直纵向维度所有范围的环境情况进行无死角清晰拍摄。

作为优选，对第三电机的部分控制信号是在竖直方向-90～90度范围内转动的控制信号。若第三电机有一个，该第三电机的转动范围优选为0～90度；若第三电机有至少两个，靠近摄像装置的第三电机的转动范围优选为0～90度，其他第三电机的转动范围为-90～90度；使得照明装置可以根据需要照亮海洋牧场内的所有角度，来为摄像装置的摄像作业清洗度提供亮度支撑。

作为优选，所述有线通信模块为rs485总线和/或can总线；所述无线通信模块为4g模块、5g模块或wifi模块。

作为优选，所述控制箱与主控板之间的有线通信模块为rs485总线；所述主控板与第一电机和照明控制器之间的有线通信模块均为can总线。

作为优选，所述照明控制器通过pwm模块将接收到的照明控制信号传递至照明驱动器。

本发明的第二种技术方案：海洋牧场水下可视化实时监控装置，包括底座，所述底座上密封设有第一驱动装置，所述第一驱动装置的驱动端在水平方向转动，第一驱动装置的驱动端密封设有机械臂关节摆动组件，所述机械臂关节摆动组件的摆动为竖直方向上的摆动，所述机械臂关节摆动组件远离底座一端的关节上通过连接段密封连接有第一机械臂，所述第一机械臂位于机械臂关节摆动组件远离底座一端关节的下方，所述第一机械臂的内部设有照明驱动装置，所述第一机械臂上远离连接段的一端设有摄像装置，所述第一机械臂上或所述照明驱动装置上设有至少一个照明关节摆动组件，所述照明关节摆动组件的摆动方向为竖直方向上的摆动，所述照明关节摆动组件的摆动端设有照明装置，所述照明装置和照明关节摆动组件与照明驱动装置之间均为电连接；所述海洋牧场监测装置为密封结构。本发明通过设置底座来对整个监测装置进行支撑，保证整个监测装置工作的稳定性，其中底座是通过螺栓或是铆钉牢固固定在海洋牧场内的海底面上的，当需要移动底座时，解除螺栓或铆钉的固定，移动底座到需要位置时再次固定就好了；本发明通过设置第一驱动装置来实现摄像装置和照明装置在水平方向上的移动，在第一驱动装置水平方向的驱动作用力下，摄像装置能够对海洋牧场内水平方向360度范围内的环境情况进行无死角清晰拍摄，具有了水平方向监测范围全面、监测角度可调和监测灵活性较好的特点；本发明通过设置机械臂关节摆动组件来实现摄像装置和照明装置在竖着方向上的上下移动和左右摆动，在机械臂关节摆动组件竖直方向的上下摆动和左右摆动作用力下，摄像装置能够对海洋牧场内竖直纵向维度所有范围的环境情况进行无死角清晰拍摄，具有了竖直方向监测范围全面、监测角度可调和监测灵活性较好的特点；本发明通过设置连接段来实现第一机械臂与机械臂关节摆动组件端部之间的稳定过度连接；通过设置第一机械臂来传递机械臂关节摆动组件的摆动作用力，同时为照明驱动装置和摄像装置提供合适的安装位置；本发明通过设置照明驱动装置来对照明关节摆动组件的摆动角度进行调节，同时也对照明装置的照明亮度进行调节；本发明通过设置至少一个照明关节摆动组件来对照明装置的照明角度进行调节，让照明装置可以根据需要照亮海洋牧场内的所有角度，来为摄像装置的摄像作业清洗度提供亮度支撑，具有照明角度可调和照明灵活性较好的特点；本发明整体设计为全密封结构，来保证设备在水中的长期稳定工作，其中的全密封包括焊接密封和使用密封圈进行的密封。

本发明具有如下有益效果：

(1)位于水面外的控制箱用于对海洋牧场内整个监测装置的总控制，为主控板发送控制信息，并对主控板返回的信息进行处理，了解整个监测装置的工作情况；

(2)主控板用于接收控制箱的控制信息，来对第一电机和第二电机进行分别控制，从而实现摄像装置和照明装置在水平方向上的移动，使得摄像装置能够对海洋牧场内水平方向360度范围内的环境情况进行无死角清晰拍摄，也实现摄像装置和照明装置在竖着方向上的上下移动和左右摆动，使得摄像装置能够对海洋牧场内竖直纵向维度所有范围的环境情况进行无死角清晰拍摄；同时主控板用于对照明控制器发送控制信息，并对照明控制器返回的信息进行处理；本发明中的照明控制器用于接收主控板的控制信息，来对第三电机进行控制，来对照明装置的照明角度进行调节，让照明装置可以根据需要照亮海洋牧场内的所有角度，来为摄像装置的摄像作业清洗度提供亮度支撑；照明控制器还用于接收摄像装置采集的视频数据信号，并将接收到的视频数据信号传递至主控板，再由主控板传递至水面外的控制箱；照明驱动器用于根据照明控制器的控制信息对照明装置的照明亮度进行调节；

(3)整体采用有线通信和/或无线通信的方式，具体采用有线通信或是无线通信可以根据实际需要进行选择，使得整个装置可以满足30米以外的深线海域海洋牧场监测的信息传递要求。

附图说明

图1是本发明在展开状态时的结构示意图；

图2是本发明在未展开状态时的结构示意图；

图3是本发明中底座的第一结构示意图；

图4是本发明中底座的第二结构示意图；

图5是本发明中底座的第三结构示意图；

图6是本发明中第一驱动装置的结构示意图；

图7是本发明中第一电机的结构示意图；

图8是本发明中第二旋转套筒处的结构示意图；

图9是本发明中第二固定套筒处的结构示意图；

图10是本发明中第一机械臂处的结构示意图；

图11是本发明中照明驱动装置处的结构示意图；

图12是本发明中驱动支架处的结构示意图；

图13是本发明中照明驱动器的结构示意图；

图14是本发明中摄像机处的结构示意图；

图15是本发明中第三驱动装置处的第一结构示意图；

图16是本发明中折弯连接头处的结构示意图；

图17是本发明中第一密封连接件的结构爆炸图；

图18是本发明中第三密封座处的结构示意图；

图19是本发明中第三驱动装置处的第二结构示意图；

图20是本发明中第三驱动装置处的第三结构示意图；

图21是本发明中照明装置的结构示意图；

图22是本发明中照明装置的结构爆炸图；

图23是本发明中照明装置去掉第二壳体时的结构示意图；

图24是本发明中螺纹套管处的结构示意图；

图25是本发明中控制箱的控制电路图；

图26是本发明中控制箱上操纵杆对各机械臂的控制电路图；

图27是本发明中控制箱上操纵杆对摄像机的控制电路图；

图28是本发明中控制箱上操纵杆对照明装置中照明灯灯光的控制电路图；

图29是本发明中控制箱内的dc-dc降压电路图；

图30是本发明中控制箱上的按键电路图；

图31是本发明中控制箱内rs485总线的通信电路图；

图32是本发明中主控板上芯片的控制电路图；

图33是本发明中主控板上rs485总线的通信电路图；

图34是本发明中电路板上的外部flash存储电路图；

图35是本发明中主控板上can总线的通信电路图；

图36是本发明中电路板上的第一dc-dc降压电路图；

图37是本发明中电路板上的第二dc-dc降压电路图；

图38是本发明中电路板上对电机的电源控制电路图；

图39是本发明中电路板上对电池电压的检测电路图；

图40是本发明中给底座内的电池或备用电池充电时的电路图；

图41是本发明中照明控制器内控制第三电机时的第一电路图；

图42是本发明中照明控制器的控制电路图；

图43是本发明中控制箱上的操作面板图；

图44是本发明中照明控制器内控制第三电机时的第二电路图；

图45是本发明中照明控制器内控制第三电机时的第三电路图；

图46是本发明中照明控制器内的第一dc-dc降压电路图；

图47是本发明中照明控制器内的第二dc-dc降压电路图；

图48是本发明中照明控制器内的第三dc-dc降压电路图；

图49是本发明中照明控制器内can总线的通信电路图。

附图中的标记为：100-底座，101-第一壳体，102-第一挡块，103-第一滑道，104-第一滑板，105-电池，106-电路板，107-第二安装孔，108-第二密封座，109-第二出线孔，110-第三密封盖板，111-第一限定杆，112-限定区域，113-第一安装孔，114-插头，115-第一密封盖板，116-第二密封盖板，117-第一支架，118-第三安装孔，119-法兰，120-第一挡板，200-第一驱动装置，201-第一固定套筒，202-第一电机，203-第一旋转套筒，204-第一转接盘，300-机械臂关节摆动组件，301-第二驱动装置，3011-第二固定套筒，3012-第二电机，3013-第二旋转套筒，3014-第四密封盖板，302-第二机械臂，400-连接段，500-第一机械臂，600-照明驱动装置，601-驱动支架，6011-第一固定板，6012-第二固定板，6013-第三固定板，6014-固定条，6015-卡槽，602-第一安装部，603-第二安装部，604-照明控制器，605-照明驱动器，6051-卡接部，606-调节件，6061-固定块，6062-腰型孔，607-散热件，700-摄像装置，701-第四壳体，702-第一支撑柱，703-第一支撑板，704-摄像机，705-压圈，706-透镜视窗，707-第二支撑柱，708-第二挡板，709-第二安装孔，800-照明关节摆动组件，801-第三驱动装置，8011-第三壳体，8012-第三电机，8013-第一限位段，8014-第一切面，8015-支撑轴，8016-第二限位段，8017-第二切面，8018-第三安装孔，8019-第三密封座，80110-第五密封盖板，80111-第三出线孔，802-折弯连接头，8021-开口槽，8022-第三挡板，8023-缺口，803-第三机械臂，900-照明装置，901-第二壳体，902-第四电机，903-升降调节件，9031-丝杆，9032-螺纹套管，904-导向杆，905-托盘，906-照明灯，907-聚光镜，908-透光板，909-压盖，1000-第一密封连接件，1001-第一密封连接块，1002-垫片，1003-第一螺栓，1004-第一出线孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

海洋牧场水下可视化实时监控方法，包括以下步骤，

ⅰ、位于水面外的控制箱通过有线通信模块或无线通信模块将电机控制信号和照明控制信号传递至电路板106上的主控板；

ⅱ、主控板根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第一电机202在水平方向上的往复转动；

主控板根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第二电机3012在竖直方向上的转动；

主控板通过有线通信模块和/或无线通信模块将部分电机控制信号和照明控制信号传递至照明控制器604；

ⅲ、照明控制器根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第三电机8012在竖直方向上的转动；

照明控制器将接收到的照明控制信号传递至照明驱动器605，照明驱动器根据接收到的照明控制信号调控照明装置900的亮度；

照明控制器接收摄像装置700采集的视频数据信号，并将接收到的视频数据信号传递至主控板。

还包括步骤，照明控制器根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第四电机902在水平方向上的转动。

对第一电机的部分控制信号是在水平方向0～360度范围内往复转动的控制信号。

对第一电机的部分控制信号是在水平方向0～320度范围内往复转动的控制信号。

对第二电机的部分控制信号是在竖直方向0～320度范围内转动的控制信号。

对第三电机的部分控制信号是在竖直方向-90～90度范围内转动的控制信号。

有线通信模块为rs485总线和/或can总线；无线通信模块为4g模块、5g模块或wifi模块。

控制箱与主控板之间的有线通信模块为rs485总线；主控板与第一电机和照明控制器之间的有线通信模块均为can总线。

照明控制器通过pwm模块将接收到的照明控制信号传递至照明驱动器。

如图1和图2所示的海洋牧场水下可视化实时监控装置，包括底座100，底座上密封设有第一驱动装置200，第一驱动装置的驱动端在水平方向转动，第一驱动装置的驱动端密封设有机械臂关节摆动组件300，机械臂关节摆动组件的摆动为竖直方向上的摆动，机械臂关节摆动组件远离底座一端的关节上通过连接段400密封连接有第一机械臂500，第一机械臂位于机械臂关节摆动组件远离底座一端关节的下方，第一机械臂的内部设有照明驱动装置600，第一机械臂上远离连接段的一端设有摄像装置700，第一机械臂上或照明驱动装置上设有至少一个照明关节摆动组件800，照明关节摆动组件的摆动方向为竖直方向上的摆动，照明关节摆动组件的摆动端设有照明装置900，照明装置和照明关节摆动组件与照明驱动装置之间均为电连接。

如图1和图2所示的海洋牧场水下可视化实时监控装置，包括如图3所示的底座100，底座上密封设有如图6所示的第一驱动装置200，第一驱动装置的驱动端在水平方向转动，第一驱动装置的驱动端密封设有机械臂关节摆动组件300，机械臂关节摆动组件的摆动为竖直方向上的摆动，机械臂关节摆动组件远离底座一端的关节上通过连接段400密封连接有如图10所示的第一机械臂500，第一机械臂位于机械臂关节摆动组件远离底座一端关节的下方，第一机械臂的内部设有照明驱动装置600，第一机械臂上远离连接段的一端设有摄像装置700，第一机械臂上或照明驱动装置上设有至少一个照明关节摆动组件800，照明关节摆动组件的摆动方向为竖直方向上的摆动，照明关节摆动组件的摆动端设有照明装置900，照明装置和照明关节摆动组件与照明驱动装置之间均为电连接；海洋牧场监测装置为密封结构。本发明通过设置底座来对整个监测装置进行支撑，保证整个监测装置工作的稳定性，其中底座是通过螺栓或是铆钉牢固固定在海洋牧场内的海底面上的，当需要移动底座时，解除螺栓或铆钉的固定，移动底座到需要位置时再次固定就好了；本发明通过设置第一驱动装置来实现摄像装置和照明装置在水平方向上的移动，在第一驱动装置水平方向的驱动作用力下，摄像装置能够对海洋牧场内水平方向360度范围内的环境情况进行无死角清晰拍摄，具有了水平方向监测范围全面、监测角度可调和监测灵活性较好的特点；本发明通过设置机械臂关节摆动组件来实现摄像装置和照明装置在竖着方向上的上下移动和左右摆动，在机械臂关节摆动组件竖直方向的上下摆动和左右摆动作用力下，摄像装置能够对海洋牧场内竖直纵向维度所有范围的环境情况进行无死角清晰拍摄，具有了竖直方向监测范围全面、监测角度可调和监测灵活性较好的特点；本发明通过设置连接段来实现第一机械臂与机械臂关节摆动组件端部之间的稳定过度连接；通过设置第一机械臂来传递机械臂关节摆动组件的摆动作用力，同时为照明驱动装置和摄像装置提供合适的安装位置；本发明通过设置照明驱动装置来对照明关节摆动组件的摆动角度进行调节，同时也对照明装置的照明亮度进行调节；本发明通过设置至少一个照明关节摆动组件来对照明装置的照明角度进行调节，让照明装置可以根据需要照亮海洋牧场内的所有角度，来为摄像装置的摄像作业清洗度提供亮度支撑，具有照明角度可调和照明灵活性较好的特点；本发明整体设计为全密封结构，来保证设备在水中的长期稳定工作，其中的全密封包括焊接密封和使用密封圈进行的密封。连接段和第一机械臂为一体结构或分体密封连接结构。

底座包括第一壳体101，第一壳体的内部并列设有一对第一挡块102，第一挡块上设有第一滑道103，一对第一挡块上的第一滑道相对设置，第一滑道内设有第一滑板104，第一滑板上设有如图4所示的电池105；第一壳体的内部设有电路板106，电路板与电池电连接；第一壳体上靠近电路板的位置设有至少一个第二安装孔107，第二安装孔内设有第二密封座108，第二密封座上设有第二出线孔109；第一壳体上的电池放入口处设有第三密封盖板110；第一驱动装置固设在第一壳体上，第一驱动装置与电路板电连接。本发明通过设置一对第一挡块来对滑入一对第一滑道内的第一滑板进行支撑；通过设置第一滑板来对电池进行支撑，为电池提供安装位置，同时也便于电池的跟换，电池用于为整个监测装置中的驱动装置供电，其中电池为可充电电池或不可充电电池，可以选择使用锂电池；电路板上集成的或单独安装的主控板用于控制机械臂关节摆动组件的摆动和照明驱动装置的工作；第二出线孔用于使用有线通信时线路的输出，或用于电线的输出，第二出线孔内设有碗形密封圈，保证在线路输出时仍然保持密封的状态；其中第二密封座和第三密封盖板都为了保证底座的整体密封而设置的。

第一滑板上设有多根第一限定杆111，多根第一限定杆在第一滑板上围成如图5所示的限定区域112，电池位于限定区域内。通过设置多根第一限定杆限定出一个适合电池形状的限定区域，保证电池在第一滑板上安装的稳定性，不会发生电池在第一滑板上移动的情况发生。

第一壳体上靠近电路板的位置设有第一安装孔113，第一安装孔内设有插头114，插头与电路板电连接，第一安装孔的孔口处设有第一密封盖板115。插头用于给电池充电使用，或是设备在水面以外时，直接对设备通电，来对设备进行维修或校验后性能检测时使用。

第二密封座上设有第二密封盖板116。第二密封盖板用于保证第二安装孔处的绝对密封。

第一壳体的内部设有第一支架117，电路板设置在第一支架上；第一壳体的顶部设有第三安装孔118，第一驱动装置密封设置在第三安装孔内；第一壳体上的电池放入口处密封设有法兰119，第三密封盖板密封连接在法兰上。第一支架为电路板提供安装位置，保证电路板在底座内安装的稳定性；第三安装孔为第一驱动装置在第一壳体上提供安装位置，保证第一驱动装置在第一壳体上的牢固密封连接；法兰能更好的保证第三密封盖板安装之后的密封效果。

第一滑道的入口处设有第一挡板120。第一挡板能够有效防止第一滑板从第一滑道的入口滑出，保证第一滑板安装在第一滑道内的稳定性。

第一驱动装置包括密封设置在底座上的第一固定套筒201，第一固定套筒内固设有如图7所示的第一电机202，第一电机的驱动端在水平方向转动，第一电机的驱动端固设有第一旋转套筒203，第一旋转套筒密封转动套设在第一固定套筒上，机械臂关节摆动组件固定设置在第一固定套筒上。第一固定套筒用于第一驱动装置在底座上的稳定密封安装；第一电机为摄像装置和照明装置在水平方向上的移动提供水平转动力；第一旋转套筒用于对第一电机的水平转动力进行传导，也为机械臂关节摆动组件提供稳定的安装位置。

第一旋转套筒上固设有第一转接盘204，第一转接盘为表面内凹的圆弧形结构，机械臂关节摆动组件固定设置在第一转接盘上。表面内凹圆弧形结构的第一转接盘为机械臂关节摆动组件提供稳定的安装位置，保证第一电机产生的水平转动作用力能够良好的传递给机械臂关节摆动组件，实现机械臂关节摆动组件在水平方向上的转动。

第一电机的驱动端在320度的范围内来回转动。第一电机的驱动端设定在320度的范围内来回转动，就已经能满足摄像装置在360度范围内的无死角拍摄了。

第一固定套筒密封设置在第三安装孔内。第三安装孔为第一固定套筒在第一壳体上提供安装位置，保证第一固定套筒在第一壳体上的牢固密封连接。

机械臂关节摆动组件包括至少两个第二驱动装置301，第二驱动装置的驱动端在竖直方向上转动，相邻第二驱动装置通过第二机械臂302连接，第二机械臂的两端与相对应两个第二驱动装置的固定段和驱动端分别连接，位于一个端部的第二驱动装置的固定段固定设置在第一转接盘上，与第一转接盘连接的第二驱动装置的驱动端与相对应第二机械臂的一端连接，连接段与远离底座一端的第二驱动装置的驱动端密封连接。通过设置至少两个第二驱动装置，相邻第二驱动装置通过第二机械臂连接，既保证摄像装置和照明装置在竖着方向上的上下移动和左右摆动功能的实现，又保证了摄像装置和照明装置距离底座有基本的长度，满足摄像装置对海洋牧场内所有区域都能够监测到的长度要求；其中第二机械臂要分别与两个第二驱动装置的固定段和驱动端连接，目的是要能实现摄像装置和照明装置在竖着方向上的上下移动和左右摆动的功能。

第二驱动装置包括如图8所示的第二固定套筒3011，第二固定套筒内固设有第二电机3012，第二电机的驱动端在竖直方向上转动，第二电机的驱动端固设有如图9所示的第二旋转套筒3013，第二旋转套筒密封转动套设在第二固定套筒上；位于一个端部的第二驱动装置的第二固定套筒固定设置在第一转接盘上，与第一转接盘连接的第二驱动装置的第二旋转套筒与相对应第二机械臂的一端密封连接，连接段与远离底座一端的第二驱动装置的第二旋转套筒密封连接。第二固定套筒用于第二驱动装置在第一转接盘上的稳定安装；第二电机为摄像装置和照明装置在竖直方向的上下摆动和左右摆动提供转动力；第二旋转套筒用于对第二电机的竖向转动力进行稳定传导。

第二旋转套筒的端部设有第四密封盖板3014。第四密封盖板用于保证第二驱动装置的绝对密封。

照明驱动装置包括驱动支架601，驱动支架设置在第一机械臂的内部，驱动支架上分别设有第一安装部602和至少一对第二安装部603，第一安装部上设有照明控制器604，照明控制器分别与电路板和照明装置电连接，第二安装部上可拆卸设有如图13所示的照明驱动器605，照明驱动器分别与照明控制器和照明装置电连接；驱动支架上通过调节件606设有至少一个如图11所示的散热件607，散热件与照明驱动器相对应，散热件与相对应的照明驱动器相接触。驱动支架为照明控制器和照明驱动器提供安装位置，保证照明控制器和照明驱动器良好的工作稳定性；第一安装部可以为第一安装孔位，为照明控制器提供安装位置，保证照明控制器良好的工作稳定性；第二安装部可以为第二安装孔位，为照明驱动器提供安装位置，保证照明驱动器良好的工作稳定性；照明控制器用于对照明关节摆动组件的摆动角度进行调节，同时也为照明驱动器发送对照明装置的照明亮度调节信号；照明驱动器可拆卸设置在第二安装部上，具有安装和拆卸方便的特点；散热件用于对照明驱动器运行产生的热量进行疏散，保证照明驱动器不会因发热过高而使正常工作受到影响；调节件用于调节散热件与照明驱动器之间的夹紧程度，在继续限定照明驱动器在第二安装部上安装稳固程度的同时，能够与照明驱动器进行更紧密的接触，从而保证稳定高效的热量疏散；其中一个照明驱动器对应至少一个散热件，散热件可以采用铝材质。

驱动支架包括依次并列设置的第一固定板6011、第二固定板6012和第三固定板6013，第一固定板、第二固定板和第三固定板通过多根如图12所示的固定条6014连接在一起，第一安装部设置在第一固定板上，一对第二安装部分别相对设置在第二固定板和第三固定板上，一对第二安装部上均相对设有卡槽6015，照明驱动器上设有卡接部6051，卡接部与相对应的卡槽相匹配。第一固定板、第二固定板、第三固定板和多根固定条限定出驱动支架的整体框架，是根据照明控制器和照明驱动器位置和形状而专门设计的形状，都是为了保证照明控制器和照明驱动器的安装稳定性；第一安装孔位开设在第一固定板上，至少一对第二安装孔位分别开设在第二固定板和第三固定板上；卡槽与卡接部之间的配合实现照明驱动器在第二固定板和第三固定板上的可拆卸安装，具有安装和拆卸都很方便的特点。

调节件包括固定块6061，固定块固定设置在固定条上，固定块上设有至少一个腰型孔6062，散热件通过调节螺栓设置在腰型孔内。使用调节螺栓和腰型孔相配合的结构，来实现散热件与照明驱动器之间的夹紧限定作用，保证了稳定高效的热量疏散。

散热件为l形板状结构。l形板状结构的散热件在与照明驱动器夹紧之后具有较大的接触面积，能够更好的疏散照明驱动器上的热量。

照明关节摆动组件通过第一密封连接件1000设置在第一机械臂上或设置在照明驱动装置上。第一密封连接件用于照明关节摆动组件与第一机械臂或照明驱动装置之间的过度连接，在保证照明关节摆动组件安装稳定性的同时，也保证了连接处的密封性，第一密封连接件还用于在有线通信时，照明驱动装置内的通信线路和电线从第一密封连接件的内部顺利到达对应的第三电机，可以尽可能少的使用外部走线，降低外部走线时产生的密封问题。

第一密封连接件为如图17所示的第一密封连接块1001、垫片1002和第一螺栓1003相配合的结构，第一螺栓上设有第一出线孔1004。第一密封连接块能够保证连接的密封性；垫片能够增加第一螺栓固定时的牢固锁紧程度；第一出线孔用于在有线通信时，照明驱动装置内的通信线路和电线顺利到达对应的第三电机，第一出线孔内设有碗形密封圈。

照明关节摆动组件包括第三驱动装置801，第三驱动装置通过第一密封连接件设置在第一机械臂上或设置在照明驱动装置上，第三驱动装置的驱动端在竖直方向上转动，第三驱动装置的驱动端设有折弯连接头802，照明装置固设在折弯连接头上。第三驱动装置为照明装置在竖直方向上的摆动提供动力；折弯连接头用于将第三驱动装置产生的竖直方向上的摆动作用力顺利的传递给照明装置，使得照明装置能够根据需求顺利摆动合适的角度，同时也为照明装置提供安装位置，保证照明装置的工作稳定性。

第三驱动装置包括如图15所示的第三壳体8011，第三壳体通过第一密封连接件设置在第一机械臂上或设置在照明驱动装置上；第三壳体的内部设有如图16所示的第三电机8012，第三电机的驱动端在竖直方向上转动，第三电机的驱动轴延伸至第三壳体的外部，位于第三壳体外部的驱动轴上设有第一限位段8013，第一限位段上设有如图19所示的第一切面8014，第三壳体上与第三电机的驱动轴相对的一侧设有支撑轴8015，支撑轴上设有第二限位段8016，折弯连接头的两端头均设有开口槽8021，开口槽的槽底面与第一切面相匹配，折弯连接头上的开口槽处设有如图20所示的第三挡板8022。第三电机为照明装置在竖直方向上的摆动提供动力；第一限位段用于折弯连接头的安装，为折弯连接头与第三电机的驱动轴提供连接位置，第一切面用于与折弯连接头端部的开口槽相配合，从而将第三电机的驱动力良好的作用在折弯连接头上，使得折弯连接头能随着第三电机的驱动轴一起根据需要稳定的来回转动；支撑轴与第三电机的驱动轴相对，其作用相对于第三电机的驱动轴为从动，第二限位段用于折弯连接头另一端的安装；第三挡板用于防止折弯连接头安装在第一限位段和第二限位段上后的脱出，从而保证了折弯连接头工作的稳定性。

第三挡板上设有缺口8023，缺口的形状与相应第一限位段和第二限位段的表面相匹配。与第一限位段和第二限位段的表面相匹配的缺口，在保证防止折弯连接头安装在第一限位段和第二限位段上后脱出的同时，又不会对折弯连接头相对于第一限位段和第二限位段的转动产生影响，就算是两者相接触了，也能进行顺利的转动，不会相对产生过多的磨损。

折弯连接头为u形结构。u形结构的折弯连接头加工制造方便，与第一限位段和第二限位段之间的安装和拆卸也很方便，而且还能对照明装置提供良好的安装位置。

第三壳体上设有第三安装孔8018，第三安装孔内设有第三密封座8019，第三密封座上设有如图18所示的第五密封盖板80110，第三密封座和第五密封盖板上均设有第三出线孔80111，第三出线孔与第三安装孔相连通。第三出线孔用于使用有线通信时线路的输出，或用于电线的输出，第三出线孔内设有碗形密封圈，保证在线路输出时仍然保持密封的状态；其中第三密封座和第五密封盖板都为了保证第三壳体的整体密封而设置的。

照明关节摆动组件中的第三驱动装置至少有两个，相邻第三驱动装置通过第三机械臂803连接，第三机械臂的两端分别与相应第三驱动装置的第三壳体和与第三驱动装置连接的折弯连接头相连接，照明装置固设在折弯连接头上，远离照明装置一端的第三驱动装置的第三壳体通过第一密封连接件设置在第一机械臂上或设置在照明驱动装置上。通过设置至少第三驱动装置，相邻的第三驱动装置通过第三机械臂的连接来保证照明装置相对于摄像装置的距离，使得对摄像装置的拍摄达到更好的照明效果，每个第三驱动装置都可以进行竖直方向的摆动，从而可以让照明装置具有更宽的角度调整范围，具有更大的灵活性，照明装置相对于摄像装置的距离，可以根据第三驱动装置的设置多少和第三机械臂的长度来进行设计；相邻第三驱动装置之间有线通信时的通信线路和电线是通过第三出线孔来进行走线的，属于外部走线的方式。

照明装置包括如图21所示的第二壳体901，第二壳体固设在折弯连接头上，第二壳体内固设有第四电机902，第四电机的驱动端设有升降调节件903，第二壳体内固设有如图24所示的导向杆904，导向杆上滑动设有如图23所示的托盘905，托盘与升降调节件连接，托盘上设有照明灯906；第二壳体内设有如图22所示的聚光镜907，聚光镜与照明灯相对应，第二壳体远离第四电机的一端密封设有透光板908。第四电机用于为照明灯相对于聚光镜的上下距离调节提供动力；升降调节件用于在第四电机的驱动作用力下，将第四电机的转动作用力转换为托盘的上下移动作用力；导向杆为托盘在升降调节件的升降作用力下的上下运动提供导向，使得托盘只能在限定的方向进行上下运动；托盘为照明灯提供安装位置，用于接收升降调节件传递过来的升降作用力；聚光镜用于照明灯在上下移动时调整发射角的大小，从而调整射出的光照强度；透光板一方面将照明灯射出的光投向海洋牧场内部，另一方面起密封作用；照明装置在有线通信时，需要的通信线路和电线从第二壳体顶部的密封出线孔进入。

升降调节件包括丝杆9031，丝杆设置在第四电机的驱动端，丝杆上螺纹连接有螺纹套管9032，螺纹套管的端部与托盘连接。丝杆与螺纹套管相配合的结构，整体结构简单，对第四电机作用力的传递效果较好，对托盘的上下调节作用稳定。

透光板由高硼硅玻璃制成，透光板通过压盖909密封设置在第二壳体远离第四电机的一端。由高硼硅玻璃制成的透光板透光效果较好，强度也较高；压板使得透光板在第二壳体上安装的密封性和稳固性均更好。照明灯为led灯。

摄像装置包括第四壳体701，第四壳体的端部密封设置在第一机械臂远离连接段的一端，第四壳体的内部设有至少一根第一支撑柱702，第一支撑柱远离连接段的一端设有第一支撑板703，第一支撑板上设有如图14所示的摄像机704，第四壳体上远离连接段的一端通过压圈705密封设有透镜视窗706。至少一根第一支撑柱和第一支撑板协同，为摄像机提供稳定的安装位置，保证摄像机拍摄的稳定性；透镜视窗在起透光作用的同时，也起着密封作用；压圈使得透镜视窗在第四壳体上安装的密封性和稳固性均更好。

第四壳体的内部设有至少一根第二支撑柱707，第二支撑柱与第一支撑柱相平行，第二支撑柱远离连接段的一端设有第二挡板708，第二挡板位于摄像机的下方，第二挡板上设有第二安装孔709，摄像机位于第二安装孔内。至少一根第二支撑柱、第二挡板和第二安装孔一起为摄像机提供进一步的支撑，因为对于海洋牧场内的整个监测，摄像机起到了至关重要的作用，所以需要保证摄像机工作的绝对稳定。

海洋牧场水下可视化实时监控装置的零浮力实现方法，包括以下步骤，

a、得到底座100的质量m1、第一驱动装置200的质量m2、机械臂关节摆动组件300的质量m3、连接段400的质量m4、第一机械臂500的质量m5、照明驱动装置600的质量m6、摄像装置700的质量m7、照明关节摆动组件800的质量m8、照明装置900的质量m9和第一密封连接件1000的质量m10；

b、得到底座的排出水体积v排1、第一驱动装置的排出水体积v排2、机械臂关节摆动组件的排出水体积v排3、连接段的排出水体积v排4、第一机械臂的排出水体积v排5、照明驱动装置的排出水体积v排6、摄像装置的排出水体积v排7、照明关节摆动组件的排出水体积v排8、照明装置的排出水体积v排9和第一密封连接件的排出水体积v排10；

c、判断m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8+m9+m10与ρ液×(v排1+v排2+v排3+v排4+v排5+v排6+v排7+v排8+v排9+v排10)是否相等，

若相等，则实现零浮力设计；

若不相等，则调整相应零部件的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使之相等；

ρ液表示液体密度。

本发明通过事先设计出装置中各零部件的底面直径d、底面长度a、底面宽度b、高度h和壁厚z，然后计算出m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8+m9+m10与ρ液×(v排1+v排2+v排3+v排4+v排5+v排6+v排7+v排8+v排9+v排10)的大小，判断两个数值是否相等，若是不相等，再通过调整底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z的大小，使之相等，从而达到理论上物体在水中重力与浮力相等的目的，在工作过程中，动力电机只需要克服水的阻力和运动件之间的摩擦力等阻力即可，不在需要克服重力与浮力之间的差值，从而大大降低了电机的扭矩，采用本发明零浮力的设计方法，就对动力传递臂或机械臂的长度和自身强度关系不大了，强度方面只需满足普通机械强度的要求即可，从而就可以灵活设计动力传递臂或机械臂的数量和长度了，满足海洋牧场内的所有监控范围；本发明采用零浮力的设计，整体结构设计合理，可以适用于30米以外的深线海域海洋牧场的监测。

步骤a中，

m1＝m11+m12+…+m1n；m2＝m21+m22+…+m2p；m3＝m31+m32+…+m3q；m4＝m41+m42+…+m4r；m5＝m51+m52+…+m5s；m6＝m61+m62+…+m6t；m7＝m71+m72+…+m7u；m8＝m81+m82+…+m8v；m9＝m91+m92+…+m9w；m10＝m101+m102+…+m10x；

步骤b中，

v排1＝v排11+v排12+…+v排1n；v排2＝v排21+v排22+…+v排2p；v排3＝v排31+v排32+…+v排3q；v排4＝v排41+v排42+…+v排4r；v排5＝v排51+v排52+…+v排5s；v排6＝v排61+v排62+…+v排6t；v排7＝v排71+v排72+…+v排7u；v排8＝v排81+v排82+…+v排8v；v排9＝v排91+v排92+…+v排9w；v排10＝v排101+v排102+…+v排10x；

v排1n＝π(d11/2)²h11+a11b11h11+π(d12/2)²h12+a12b12h12+…+π(d1n/2)²h1n+a1nb1nh1n，v排2p＝π(d21/2)²h21+a21b21h21+π(d22/2)²h22+a22b22h22+…+π(d2p/2)²h2p+a2pb2ph2p，v排3q＝π(d31/2)²h31+a31b31h31+π(d32/2)²h32+a32b32h32+…+π(d3q/2)²h3q+a3qb3qh3q，v排4r＝π(d41/2)²h41+a41b41h41+π(d42/2)²h42+a42b42h42+…+π(d4r/2)²h4r+a4rb4rh4r，v排5s＝π(d51/2)²h51+a51b51h51+π(d52/2)²h52+a52b52h52+…+π(d5s/2)²h5s+a5sb5sh5s，v排6t＝π(d61/2)²h61+a61b61h61+π(d62/2)²h62+a62b62h62+…+π(d6t/2)²h6t+a6tb6th6t，v排7u＝π(d71/2)²h71+a71b71h71+π(d72/2)²h72+a72b72h72+…+π(d7u/2)²h7u+a7ub7uh7u，v排8v＝π(d81/2)²h81+a81b81h81+π(d82/2)²h82+a82b82h82+…+π(d8v/2)²h8v+a8vb8vh8v，v排9w＝π(d91/2)²h91+a91b91h91+π(d92/2)²h92+a92b92h92+…+π(d9w/2)²h9w+a9wb9wh9w，v排10x＝π(d101/2)²h101+a101b101h101+π(d102/2)2h102+a102b102h102+…+π(d10x/2)²h10x+a10xb10xh10x，

m表示零部件的质量；n表示底座中零部件的数量；p表示第一驱动装置中零部件的数量；q表示机械臂关节摆动组件中零部件的数量；r表示连接段中零部件的数量；s表示第一机械臂中零部件的数量；t表示照明驱动装置中零部件的数量；u表示摄像装置中零部件的数量；v表示照明关节摆动组件中零部件的数量；w表示照明装置中零部件的数量；x表示第一密封连接件中零部件的数量；d表示零部件为圆柱体形状时的底面直径；a表示零部件为立方体形状时的底面长度；b表示零部件为立方体形状时的底面宽度；h表示零部件为圆柱体形状或立方体形状时的高度。

装置中各零部件的质量和数量可以根据实际要求灵活设计，只要满足实际对海洋牧场内全范围的监测要求和零浮力的设计要求即可，当m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8+m9+m10与ρ液×(v排1+v排2+v排3+v排4+v排5+v排6+v排7+v排8+v排9+v排10)的大小数值不相等时，通过调整底面直径d、底面长度a、底面宽度b、高度h和壁厚z中的一个或多个即可。

m的数值为通过称重的方式得到，或m的数值为材料密度乘以零部件体积的方式得到。

步骤c中，

若m1≠ρ液v排1，则调整相应零部件的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m1＝ρ液v排1；

若m2≠ρ液v排2，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m2＝ρ液v排2；

若m3≠ρ液v排3，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m3＝ρ液v排3；

若m4≠ρ液v排4，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m4＝ρ液v排4；

若m5≠ρ液v排5，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m5＝ρ液v排5；

若m6≠ρ液v排6，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m6＝ρ液v排6；

若m7≠ρ液v排7，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m7＝ρ液v排7；

若m8≠ρ液v排8，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m8＝ρ液v排8；

若m9≠ρ液v排9，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m9＝ρ液v排9；

若m10≠ρ液v排10，则调整相应的底面直径d、和/或底面长度a、和/或底面宽度b、和/或高度h、和/或壁厚z，使得m10＝ρ液v排10。

通过调整装置中每个零部件的底面直径d、底面长度a、底面宽度b、高度h和壁厚z中的一个或多个，来使得装置中每个零部件的质量和排出水体积相等，进而就可以保证整个装置的质量和排出水体积相等，来保证整个装置理论上在水中零浮力功能的实现，使得对整个装置零浮力的设计和实现过程较为简单。

海洋牧场水下可视化实时监控方法，包括以下步骤，

ⅰ、位于水面外的控制箱通过有线通信模块或无线通信模块将电机控制信号和照明控制信号传递至电路板106上的主控板；

ⅱ、主控板根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第一电机202在水平方向上的往复转动；

主控板根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第二电机3012在竖直方向上的转动；

主控板通过有线通信模块和/或无线通信模块将部分电机控制信号和照明控制信号传递至照明控制器604；

ⅲ、照明控制器根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第三电机8012在竖直方向上的转动；

照明控制器将接收到的照明控制信号传递至照明驱动器605，照明驱动器根据接收到的照明控制信号调控照明装置900的亮度；

照明控制器接收摄像装置700采集的视频数据信号，并将接收到的视频数据信号传递至主控板。

本发明中位于水面外的控制箱用于对海洋牧场内整个监测装置的总控制，为主控板发送控制信息，并对主控板返回的信息进行处理，了解整个监测装置的工作情况；本发明中的主控板用于接收控制箱的控制信息，来对第一电机和第二电机进行分别控制，从而实现摄像装置和照明装置在水平方向上的移动，使得摄像装置能够对海洋牧场内水平方向360度范围内的环境情况进行无死角清晰拍摄，也实现摄像装置和照明装置在竖着方向上的上下移动和左右摆动，使得摄像装置能够对海洋牧场内竖直纵向维度所有范围的环境情况进行无死角清晰拍摄；同时主控板用于对照明控制器发送控制信息，并对照明控制器返回的信息进行处理；本发明中的照明控制器用于接收主控板的控制信息，来对第三电机进行控制，来对照明装置的照明角度进行调节，让照明装置可以根据需要照亮海洋牧场内的所有角度，来为摄像装置的摄像作业清洗度提供亮度支撑；照明控制器还用于接收摄像装置采集的视频数据信号，并将接收到的视频数据信号传递至主控板，再由主控板传递至水面外的控制箱；照明驱动器用于根据照明控制器的控制信息对照明装置的照明亮度进行调节；本发明整体采用有线通信和/或无线通信的方式，具体采用有线通信或是无线通信可以根据实际需要进行选择，使得整个装置可以满足30米以外的深线海域海洋牧场监测的信息传递要求。

还包括步骤，照明控制器根据接收到的部分电机控制信号通过有线通信模块和/或无线通信模块控制第四电机902在水平方向上的转动。接收到了照明控制器的控制信号之后，第四电机可以为照明灯相对于聚光镜的上下距离调节提供动力。

对第一电机的部分控制信号是在水平方向0～360度范围内往复转动的控制信号。第一电机在水平方向0～360度范围内往复转动，使得摄像装置能够对海洋牧场内水平方向360度范围内的环境情况进行无死角清晰拍摄。

对第一电机的部分控制信号是在水平方向0～320度范围内往复转动的控制信号。第一电机在水平方向0～320度范围内往复转动，就已经能满足摄像装置在360度范围内的无死角拍摄了。

对第二电机的部分控制信号是在竖直方向0～320度范围内转动的控制信号。第二电机在水平方向0～360度范围内转动，使得摄像装置能够对海洋牧场内竖直纵向维度所有范围的环境情况进行无死角清晰拍摄。

对第三电机的部分控制信号是在竖直方向-90～90度范围内转动的控制信号。若第三电机有一个，该第三电机的转动范围优选为0～90度；若第三电机有至少两个，靠近摄像装置的第三电机的转动范围优选为0～90度，其他第三电机的转动范围为-90～90度；使得照明装置可以根据需要照亮海洋牧场内的所有角度，来为摄像装置的摄像作业清洗度提供亮度支撑。

有线通信模块为rs485总线和/或can总线；无线通信模块为4g模块、5g模块或wifi模块。

控制箱与主控板之间的有线通信模块为rs485总线；主控板与第一电机和照明控制器之间的有线通信模块均为can总线。

照明控制器通过pwm模块将接收到的照明控制信号传递至照明驱动器。

本发明中的水下可视化海洋牧场监测装置主要用于水下视频监控，利用该装置了解水下植物、生物等生长发育过程及与环境的关系；该装置既可用于浑浊水域，也能用于水质相对较清晰的水域；鉴于水下环境的复杂程度，和水下光学成像的局限性，本发明中的水下可视化海洋牧场监测装置在水下监控范围较大，所获得的图像清晰度较高，在设计过程中所使用的方法为零浮力设计，我们命名为“零浮力设计法”。

零浮力即物体在水中重力与浮力相等，可以浮在水中，当物体在水中移动或者转动时，只需要克服水的阻力及摩擦力，这就大大降低了物体运动时所需要的驱动力。

扭矩公式m＝f×l，f包括重力、浮力、摩擦力和水的阻力等，l表示力臂；

以在机械臂在水中向上转动为例，f＝f重力+f阻力-f浮力；

假设浮力远小于重力，则f＝f重力+f阻力，m＝(f重力+f阻力)×l；

当力臂很大时，一方面需要很大力矩的电机，另一方面，机械臂的强度需要很大，当大到一定程度，从功能上难以实现，并且成本也会提高很多。

为了解决上述难题，本发明中水下可视化海洋牧场监测装置采用了零浮力设计方法，即在设计时，机械臂及关节等零部件的重力与浮力相同，在工作过程中，电机只需要克服水的阻力，运动件之间的摩擦力等阻力就可以了，大大降低了电机的扭矩，而且从理论上，采用零浮力设计方法，可以根据需求，增大或减小水下监控的范围；零浮力设计方法不仅适用于机械臂长的情况，机械臂短的设备亦可以使用。

零浮力实现过程：

各零部件零浮力设计方法基本相同，现以一个关节处的第二驱动装置301为例说明实现重力与浮力相等的过程：

根据物体在水中的浮力公式f浮＝ρ液gv排，可知，物体是水中的浮力与水的密度ρ液，重力加速度g和物体排开水的体积有关，ρ液和g为定值，在设计时只需要考虑物体排开水的体积就可以了；

重力g＝mg，当需要重力与浮力相同时，f浮＝g，ρ液gv排＝mg，即ρ液v排＝m，零浮力设计时，需要零部件的质量等于排开水的体积与水的密度乘积；

设计开始，根据此关节处的第二驱动装置301所用到的第二电机3012的重量，初步设计关节的直径d，壁厚t，长度l。

关节质量m：在solidworks软件中建好3d模型，附上材料密度，可以计算出此关节处的第二驱动装置301的质量m，再加上第二电机3012的质量，即是该此关节处的第二驱动装置的总质量，由于螺栓和线的质量较轻，在初始设计时，先不考虑，后期零部件细化时，根据实际使用的螺栓数量及长度，计算出更准确的数值。

关节ρ液v排：根据关节的外径和长度计算出关节的浮力，水的密度为定值。

计算出的m与ρ液v排比较，若m＜ρ液v排时，需要减小浮力或者加大质量，根据需要可以有几种方法：1、减小直径；2、减小长度；3、增加壁厚；几种方法可以同时调整，也可以只调整其中一项；其中壁厚一般在设计初期根据装置的使用情况先计算好，所以在调整壁厚时，基础壁厚一般不变，可以调整局部壁厚。

调整后重新计算关节处的第二驱动装置301质量与浮力之间的关系，ρ液v排比质量大几十克的时候，因为此时未考虑螺栓和线的质量，详细设计零部件。

例如，第二驱动装置301中第四密封盖板3014的质量用m31表示、第二固定套筒3011的质量用m32表示、第二旋转套筒3013的质量用m33表示、第二电机3012的质量用m34表示和所有的螺栓的质量用m35；

第二旋转套筒3013的直径用d33表示、第二旋转套筒的高度用h33表示、第二固定套筒3011的直径用d32表示、第二固定套筒的高度用h32表示、第四密封盖板3014的直径用d31表示和第四密封盖板的高度用h31表示；

关节总体积：v排33＝π(d31/2)²h31+π(d32/2)²h32+π(d33/2)²h33

也可以直接通过solidworks软件计算

f浮＝ρ液gv排

线和o型圈的质量预计为m

第二驱动装置301总的质量m＝m31+m32+m33+m34+m35

关节总的重力g＝(m+m)g

比较f浮与g的大小，若相等，则设计完成，若不相等，再调整直径、长度或者壁厚；直到浮力与重力相等为止。

由于不锈钢密度比较大，为了实现重力和浮力相等，需要多次调整零件的外径，长度以及壁厚，并且需要做减重设计；由于第二旋转套筒3013与第二机械臂302连接，第二旋转套筒的壁厚要比第二固定套筒3011处的壁厚大一些，一方面可以保证此处的强度，另一方面可以减小关节质量。

由于零件材质和海水的密度一般是一个范围，并非固定值，再加上零部件加工误差的存在，零浮力设计无法达到绝对的零浮力，只能做到零部件的重力与浮力近似相等。本发明中的水下可视化装置在实际工作时，除了要克服水的阻力和摩擦力，还需要克服一部分重力或者浮力，此部分的重力或浮力与机械臂本身的重力相比可以忽略不计。

如图1所示的一个第一电机202和四个第二电机3012为关节电机，用36v的电池105供电，用于控制第二机械臂302运动，第一电机负责水平方向转动，第二电机负责竖直平面上转动。六个小功率的第三电机8012，采用12v供电，用来调节3个led照明灯的照射方向，靠近摄像机704的三个第三电机的转动范围为0～90度，其中0度方向是与摄相机方向平行；远离摄像机的三个第三电机的转动范围为-90～90度，其中0度方向是与第三机械臂803方向平行，其中向内转动为正，向外转动为负；靠近摄像机的三个第三电机同步运动，远离摄像机的三个第三电机同步运动。

共3块电路板，分别为水面上的控制箱、水下底座里的主控板和驱动支架上的照明控制器604，控制箱与主控板之间为rs485总线通信，控制箱为485主机，主控板为485从机，传输距离大约60米；主控板与第一电机202和第二电机3012之间为can总线通信，主控板为can主机，含有内驱动的第一电机和第二电机，以及照明控制器为can从机，can总线并联2个120欧姆电阻，传输速率为1mbps，rs485总线的波特率为115200bps。

照明控制器604作为灯控制板为can总线通信从机受主控板控制，其通过被动接收主控板的信号可以完成控制6个第三电机8012完成灯角度的调节；完成通过pwm模块与照明驱动器605通讯，完成对灯亮度的调控；完成将摄像头采集的视频信号传输到底座100上主控板的工作。

主控板作为rs485从机和can主机，受控制箱控制且自身可以控制第一电机202、第二电机3012和照明控制器604。有两种运行模式，分别为遥控模式和智能模式：在遥控模式下，可以通过水上控制箱实现第一机械臂500末端摄像机704的前后和上下移动，以摄像机镜头为中心上下转，以底座100为中心左右转动。

水面上控制箱作为rs485主机，控制主控板，3个遥感操纵杆用于运动控制和9个按键；遥感1操纵杆控制向前、向后、左转和右转；遥感2操纵杆控制向上、向下、上转和下转；遥感3操纵杆控制六个第三电机的张开闭合，以及控制第四电机902对灯光的聚集和发散；其中1个按键控制开机、关机，启动后会使机械臂进入复位姿态，再次按下进入关机状态，机械臂回到关机位置；其中1个按键控制复位，当机械臂位置出错或不清楚当前位置可按下，使机械臂进入复位姿态；其中两个按键分别控制灯与透镜的距离远近，用于调节光圈大小；其中两个按键用于分别调节led灯的亮度增加和减小。

整个系统分为未出厂模式和出厂模式。在未出厂模式下，可以将主控板与控制箱的接线换成主控板与上位机电脑连接，通过电脑上位机对主控板进行调试，有专门的指令可以单独调节每个电机转动和每个灯的亮度，此模式用于生产装配时的0角度调整和出现偏差后进行售后维护调整；调整完成后配置成出厂模式，用户可以选择遥控模式或者智能模式；开机复位后系统进入遥控模式，用户可以通过如图43所示的控制箱面板上的遥感操纵杆调节合适的拍摄角度和灯光角度，设置完成后可以进入智能模式，以设置好的摄像机704角度循环拍摄水底，水平旋转到320°完成后前进一段预先设置的距离，再返回水平0度，再前进一段距离，循环扫描，到达向前极限位置后，再向后循环扫描到极限位置，一直往复运动，扫描一片区域的水底。

遥控模式下用户可以通过水面上控制箱操控水下机械臂的运动，

如波动遥感1操纵杆向前，控制箱会通过rs485总线向主控板发送向前运动的指令，主控板收到后进行正逆运动学解算，计算摄像机704向前运动一段距离后各个关节电机的转动角度，此一段距离系统设定，每次收到指令都会移动此距离，然后通过can总线执行各个电机转动以指定速度运动到相应位置，使摄像机到达目标点；在通过rs485总线返回给控制箱执行结果。

主控板与第一电机202、第二电机3012和照明控制器604之间的can总线通信，采用canopen协议sdo方式，遵循ds301标准，第一电机和第二电机的内置驱动器遵循ds402标准。

如图25所示的控制箱芯片采用stm32f103rct6、主控板芯片采用stm32f407vet6、照明控制器芯片采用stm32f103rct6。

如图32所示的水下底座电路板上的主控板，采用stm32f407vet6单片机。

如图34所示的电路板上的外部flash存储电路，采用w25q128flash芯片，16m存储容量，用于存储机械臂设定、运行、故障等数据。与单片机之间采用spi通信方式。

如图35所示的主控板上can总线电路，采用tja1050t芯片，5v供电。

如图33所示的主控板上rs485总线的通信电路，实现485自收发功能，防雷击功能。max485esa是485通信芯片，re低电平接收，高电平无效，de高电平发送，低电平无效，采用74hc14门级和反向器用于收发自动切换，其中tx和rx默认高电平，有信号传输tx拉低，经过反向器拉高re/de，使能发送，实现自收发。d3、d4和d5均为肖特二极管，用于防雷击。

如图36所示的电路板上的第一dc-dc降压电路，采用lm2576-5芯片，将36v降压到5v。d1肖特二极管，l1是150uh功率电感，c13和c14为电解电容。

如图37所示的电路板上的第二dc-dc降压电路，将5v降压到3.3v给单片机供电。

如图39所示的电路板上对电池电压的检测电路，通过r7电阻和r5电阻把电源电压降低20倍，单片机adc采样电压范围是0v-3.3v。c20和c21是电解电容，用于稳压，c22贴片电容用于滤波。监控电源电量变化。

如图38所示的电路板上对电机的电源控制电路，其中k1表示继电器，q1表示三极管，单片机控制引脚高电平导通36v，低电平断开36v。

如图40所示的给底座内的电池或备用电池充电时的3.7v充电电路，用于给3.7v备用电池充电，用于给关节电机编码器供电，时刻保存电机位置，防止掉电丢失。

如图46所示的照明控制器内的第一dc-dc降压电路，把36v电源电压降低至12v，为12v小电机供电。

如图47所示的照明控制器内的第二dc-dc降压电路，把12v降压为5v，为can模块供电。

如图48所示的照明控制器内的第三dc-dc降压电路，把5v降压为3.3v。

如图42所示的照明控制器中的单片机电路，采用stm32f103rct6芯片。c17、c18和y1形成外部晶振电路。r3和c16形成复位电路。

如图41、44和45所示的照明控制器内控制3个有刷第三电机的驱动电路，采用a4950电机驱动芯片。r5、r6和r7采用0.25ω功率电阻。电机12v供电。

如图49所示的照明控制器内can总线的通信电路。

如图25所示的水上控制箱中的单片机电路，采用stm32f103rct6，其中y1、c3和c4形成晶振电路，r2和c5形成复位电路。

如图29所示dc-dc降压电路，电源采用12v供电，78m05把12v降压到5v，ams1117-3.3把5v降压到3.3v。

如图31所示的控制箱内rs485总线通信电路，实现485自收发功能，防雷击功能。max485esa是485通信芯片，re低电平接收，高电平无效，de高电平发送，低电平无效，采用74hc14门级和反向器用于收发自动切换，其中tx和rx默认高电平，有信号传输tx拉低，经过反向器拉高re/de，使能发送，实现自收发。d1、d2和d3为肖特二极管，用于防雷击。

如图30所示的控制箱上的按键电路。

如图26、27和28所示的操纵杆电路，由上拉电阻和滤波电容构成，用于控制箱上的操纵杆对机械臂、摄像机和照明灯灯光的控制。

海洋牧场水下可视化装置，造一个类似于人的城市一样的海洋生物栖息之地，在水下用于观察鱼、虾和藻类等，三个照明灯906，中间都是有电机可以转动的，每个关节都是电机带动的，水平方向上转到320度就没有死角了，再多转动已经没意思了，在整个范围内都可以看得到，底座100要固定的很牢固，可设计为可移动的，也可以设计为不可移动。

底座100就是方形的一个盒子，起支撑作用，里面会放电池105和电路板106等功能性器件，所有结构都是防水不能进水，电池在第一滑板104上，两边有第一滑道103，电池使用寿命在两年左右，两年之后就得换掉，电池可以采用太阳能或风力来发电给充电，以前更换电池是要潜水员下去，六七十米潜水员下去比较困难，现在我们直接不要潜水员下去，预留一个提升装置，需要更换电池的时候直接拉上来，全部采用防水设计，防水原理上都差不多，把第一滑板直接推进第一滑道之后有第一挡板120把它挡住，不让它在前后方向上移动。电路板提供一个线路信号间的控制，密封就是采用密封圈，有个密封槽，有个密封垫片放在里面，外面有压板，也就是盖板，最外面是螺栓孔，只需把盖的这一块密封起来就行了，其他都是焊接起来的，不会再漏水了，更换电池的时候要提出去在外面更换，边上有一个提升装置可以直接提上去，电机是现有的买的，整体320度就是通过第一电机202带动的，旋转是第一旋转套筒203相对于下面的第一固定套筒201转的，第一固定套筒上开了槽，里面是放防水圈的，就算转动水也是进不去的，第一固定套筒里面有线，线都走内部，线的进出都会有槽过线的，第一电机是要水平旋转的，第二电机3012是要实现竖直放置摆动功能的，所以第二电机是水平放着的，密封是有两个状态，一个是动态，一个是静态，单密封就可以了，因为是不动的，直接压死，静态双密封也可以，电机的结构都是一样的，只是大小不一样。线是从中空的第一螺栓1003进入到电机壳里面。散热件607上可以涂一些导热硅胶，散热件与相应的照明驱动器605接触，热量能散出来就好，第一机械臂500内部掏空使得重量变小，腰型孔6062可以调节间隙，可以移动一点，螺栓可以左右移动，三个照明驱动器的具体安装是通过卡槽6015的形式进行卡的，散热件的材质可以用铝，固定条6014也可以是铝的，l型散热件通过腰型孔、圆形孔和螺栓之间的配合进行调节；0浮力设计，浮力和重量相等，相抵消，重量重一点，浮力要大一点；电机里面可以考虑加绝缘油，用于保护电机的，就算万一压力大了水进去了，到不了电机里面去；线的密封问题，在电缆线快出去的地方，有一个碗形槽，碗形槽内放置碗形橡胶，另有环形的压盖，压盖压到橡胶上面，一压往橡胶就向两面走了，中间一个孔，穿过电缆线，达到一个密封的效果；其中照明灯906的发射角会发生变化，发射角变化，光照强度就不一样了，非球面的聚光镜907，如果是球面的设计直径比这个要大多了，透光板使用玻璃视窗，起密封作用，玻璃是平面的易于清洗。