一种遥控式水质监测水下机器人系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种遥控式水质监测水下机器人系统，包括水下机器人和船载控制箱；在所述水下机器人中设置有水下控制模块、水下数据采集模块、舱内传感器单元、舱外传感器单元、摄像头、视频采集模块和通信模块；所述水下控制模块将监测数据通过通信模块上传至船载控制箱；所述视频采集模块将水下环境影像数据通过通信模块上传至船载控制箱。本实用新型的遥控式水质监测水下机器人系统携带方便、操作简单、显示直观，不仅可以实现对不同水域的不同深度的不同水质参数和水下环境影像的实时采集，还可以对水下机器人仪器舱的密闭性进行实时监测，满足了对不同水域不同深度水质的实时监测要求，增强了对水质生态环境的监测和预警能力。
【专利说明】一种遥控式水质监测水下机器人系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于水质监测【技术领域】，具体地说，是涉及一种用于监测水质生态环境的水下机器人系统。
【背景技术】
[0002]水质环境监测在开发水质资源、预警水质环境灾害、保护水质环境等方面都有着重大意义。
[0003]目前，我国的水质监测仍然存在很多问题:一是各级水质监测中心的采样能力不足，监测效率低，水质监测实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡；二是机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低；三是自动水质监测站数量较少，缺乏自动测报的能力；四是仅限于水表面的水质监测，对一定深度的水质缺乏监测手段。
【发明内容】
[0004]本实用新型针对传统水质监测系统监测能力不足，仅限于对水表面的水质进行监测的问题，提供了一种遥控式水质监测水下机器人系统，实现了对不同水域不同深度的水质的实时监测，增强了对水质生态环境的监测和预警能力。
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现:
[0006]一种遥控式水质监测水下机器人系统，包括水下机器人和船载控制箱；在所述水下机器人中设置有水下控制模块、水下数据采集模块、舱内传感器单元、舱外传感器单元、摄像头、视频采集模块和通信模块；所述水下数据采集模块连接舱外传感器单元，采集舱外传感器单元检测输出的水质监测信号并传输至水下控制模块；所述水下控制模块连接舱内传感器单元，接收舱内传感器单元检测输出的舱内环境监测信号，并对接收到的水质监测信号和舱内环境监测信号进行处理后，通过通信模块上传至船载控制箱；所述视频采集模块连接摄像头，采集水下环境影像并通过通信模块上传至船载控制箱。
[0007]进一步的，所述水下控制模块、水下数据采集模块、舱内传感器单元、视频采集模块和通信模块设置在水下机器人的仪器舱中；所述舱外传感器单元和摄像头安装在水下机器人本体的下支架上。
[0008]为了满足水下数据采集模块对监测信号的准确接收要求，在所述水下数据采集模块中设置有信号调理放大电路和AD转换电路，所述信号调理放大电路接收舱外传感器单元输出的水质监测信号，并进行调理放大处理后，输出至AD转换电路将模拟信号转换成相应的数字信号输出至所述的水下控制模块。
[0009]优选的，在所述通信模块中设置有串口通信芯片，连接所述的水下控制模块和视频采集模块，并通过防水电缆连接船载控制箱。
[0010]作为所述水下机器人的一种优选供电方式，在所述的水下机器人中还设置有稳压电路，通过内置于防水电缆中的电源线缆连接船载控制箱。[0011 ] 为了能够驱动水下机器人在水下运动，在所述的水下机器人中还设置有电机驱动模块、电机和推进器；所述电机驱动模块连接水下控制模块，接收水下控制模块输出的动作指令，并驱动电机运转，通过电机运转带动推进器的螺旋桨旋转，进而推动水下机器人动作。
[0012]作为所述船载控制箱的一种优选电路设计方案，在所述船载控制箱中设置有船载数据采集模块、船载控制模块、遥控手柄和显示模块；所述船载数据采集模块接收水下机器人上传的监测数据，并传输至所述的船载控制模块，经由船载控制模块传输至显示模块进行显示；所述遥控手柄将操作动作转换成操作指令输出至所述的船载控制模块。
[0013]为了能够定位船载控制箱的位置，在所述的船载控制箱中还设置有北斗通信模块，接收定位信息并传输至所述的船载数据采集模块。
[0014]为了将船载电源转换成船载控制箱及水下机器人中各用电负载所需的电压，在所述的船载控制箱中还设置有电压转换模块，连接船载电源，将船载电源转换成直流稳压电压传输至船载控制箱中的各用电负载，并通过防水线缆下传至水下机器人。
[0015]进一步的，在所述的船载控制箱中还设置有蓄电池和电源切换控制模块，通过所述电压转换模块输出的直流稳压电源输出至蓄电池，为蓄电池充电；所述电源切换控制模块分别连接所述的电压转换模块和蓄电池，选择其中一路直流稳压电压输出至船载控制箱中的各用电负载，并通过防水线缆下传至水下机器人。
[0016]与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是:本实用新型的遥控式水质监测水下机器人系统携带方便、操作简单、显示直观，不仅可以实现对不同水域的不同深度的不同水质参数和水下环境影像的实时采集，还可以对水下机器人仪器舱的密闭性进行实时监测，满足了对不同水域不同深度水质的实时监测要求，增强了对水质生态环境的监测和预警能力。
[0017]结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型所提出的遥控式水质监测水下机器人系统的一种实施例的整体架构示意图；
[0019]图2是图1中水下机器人的一种实施例的部分结构示意图；
[0020]图3是图1中水下机器人的一种实施例的部分电路原理框图；
[0021]图4是图1中船载控制箱的一种实施例的部分结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
[0023]实施例一，本实施例的遥控式水质监测水下机器人系统主要由水下机器人和船载控制箱两部分组成，参见图1所示。其中，水下机器人用于检测待测水域的水质参数以及水下机器人仪器舱内环境状况，主要包括水下控制模块、水下数据采集模块、舱内传感器单元、舱外传感器单元、摄像头、视频采集模块和通信模块。具体来讲，将所述舱外传感器单元和摄像头置于水下机器人的仪器舱外部，舱外传感器单元用于对被测水域预定深度的水质参数进行采样监测，摄像头用于采集被测水域预定深度的水下环境影像。将水下控制模块、水下数据采集模块、舱内传感器单元、视频采集模块和通信模块内置于水下机器人的仪器舱内，利用舱内传感器单元监测仪器舱的密闭情况。将舱内传感器单元检测输出的舱内环境监测信号传输至水下控制模块，水下控制模块对接收到的舱内环境监测信号进行处理后，通过通信模块上传至船载控制箱。将舱外传感器单元采样输出的水质监测信号传输至水下数据采集模块，通过水下数据采集模块对监测信号进行转换处理后，生成监测数据并传输至水下控制模块，水下控制模块将监测数据通过通信模块上传至船载控制箱。将摄像头采集的水下环境影像信号传输至视频采集模块，通过视频采集模块对水下环境影像信号进行处理后，生成水下环境影像数据，并经由通信模块上传至船载控制箱。
[0024]所述船载控制箱主要包括船载数据采集模块、船载控制模块、遥控手柄和显示模块，参见图1所示。其中，所述船载数据采集模块通过防水电缆与水下机器人连接通信，接收通信模块上传的监测数据和水下环境影像数据，并传输至船载控制模块。所述船载控制模块将接收到的监测数据和水下环境影像数据传输至显示模块进行显示，供监测人员观测。遥控手柄用于采集监测人员的操控动作，并转换成操作指令传输至船载控制模块，船载控制模块将接收到的操作指令传输至船载数据采集模块，并通过通信模块传输至水下控制模块，从而控制水下机器人做出相应的动作，以到达待测深度的水域，实现对该深度水域的监测。
[0025]为了能够驱动水下机器人在水下自由运动，在水下机器人的仪器舱内还设置有电机驱动模块、电机和推进器，参见图2所示。水下控制模块通过防水电缆2接收船载控制箱I发送的操作指令，并根据接收到的操作指令生成相应的控制信号发送至电机驱动模块，通过电机驱动模块产生足以驱动电机运转的驱动电源输出至电机，驱动电机运转，进而通过电机运转带动推进器的螺旋桨旋转，以推动水下机器人在水中动作。
[0026]作为本实施例的一种优选设计方案，所述电机优选磁耦合电机，所述推进器优选同时安装垂直推进器和水平推进器，垂直推进器推动水下机器人上升和下潜，水平推进器推动水下机器人前进、后退和旋转。为了防止海水通过防水电缆2与水下机器人的连接部位进入到水下机器人的仪器舱内部，破坏仪器舱的密闭性，在防水电缆2与水下机器人的连接部位处设置有水密接口 3，从而保证了仪器舱的密闭性。
[0027]对于舱外传感器单元4来说，可以具体安装在水下机器人的下支架5上，参见图2所示，舱外传感器单元4将检测到的监测信号通过防水电缆传输至水下机器人仪器舱内的数据采集模块，并在防水电缆和水下机器人的连接部位设有水密接口 3，从而保证了仪器舱的密闭性。
[0028]本实施例的水下机器人为了实现对水质多种参数的检测，在其舱外传感器单元中设置了温度传感器、盐度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器，参见图3所示，分别用于对海水的温度、盐度、PH值、溶解氧含量、氨氮含量进行检测。作为本实施例的一种优选设计方案，在所述舱外传感器单元中还设置有压力传感器，用于监测水下机器人的下潜深度，实现对预定深度的水质参数的采样监测。通过各类传感器检测输出的采样监测信号通过防水电缆传输至水下机器人仪器舱内的水下数据采集模块。在所述舱外传感器单元中同时预留扩展口，方便增加其他类型的传感器。
[0029]在所述水下数据采集模块中设置有信号调理放大电路和AD转换电路，参见图3所示。所述信号调理放大电路优先采用低噪声、高精度的电路设计，能够有效地采集舱外传感器单元输出的微小信号。所述信号调理放大电路包括前置放大电路和低通滤波电路，将采集到的舱外传感器单元的微弱信号传输到前置放大电路进行前置放大，所述前置放大电路采用低噪声设计，在增加信号驱动的同时防止信号变差，放大后的信号经过所述低通滤波电路传输到AD转换电路，通过AD转换电路将传感器监测输出的模拟信号转换成相应的数字信号输出至水下控制模块。
[0030]所述水下控制模块作为水下机器人的核心单元，控制着整个水下机器人的工作状态。本实例中优先采用低功耗的单片机对整个水下机器人的工作状态进行统一控制。在水下机器人上电启动时，水下控制模块首先检测水下机器人中其他功能单元的运行状态，在各功能单元均无故障时，启动通信模块，与船载控制箱建立通信链接，以进行信息交互。
[0031]在本实施例中，将所述水下控制模块连接舱内传感器单元，所述舱内传感器单元中优选设置温度传感器、湿度传感器和三轴加速度传感器，分别用于对水下机器人仪器舱内的温度、湿度以及加速度进行监测，并生成监测信号传输至水下控制模块。
[0032]将所述水下控制模块连接通信模块，通过通信模块连接防水电缆(优选使用铠装的脐带电缆)，进而与船载控制箱连接通信。
[0033]将所述视频采集模块连接通信模块，通过通信模块连接防水电缆，从而将水下环境影像数据上传至船载控制箱。
[0034]作为本实施例的一种优选设计方案，所述通信模块优选采用具有良好抗噪声、抗干扰性的RS485串口通信芯片设计实现，采用RS485串行通信技术实现通信模块与船载数据采集模块之间的通信。
[0035]在本实施例中，RS485串口通信芯片在没有串口设备连接时，自动进入休眠模式，以有效减小电源消耗。
[0036]为了对采集到的水质监测数据和舱内环境监测数据进行保存，本实施例在所述的水下机器人中还设置了存储单元，参见图3所示，连接所述的水下控制模块，对水下控制模块处理输出的监测数据以及监测发生的时间数据进行关联保存。
[0037]对于水下机器人中各用电负载所需的工作电源，优选通过船载控制箱提供，并经由设置在水下机器人中的稳压电路转换而成，参见图1所示。在水下机器人中设置一稳压电路，通过防水电缆中的电源线缆连接船载控制箱，接收船载控制箱输出的直流供电。在所述稳压电路中优选设置有DC-DC电压转换电路和低压差线性稳压器，通过两级稳压为水下机器人中的各用电负载提供稳定的工作电源。
[0038]所述船载控制模块作为船载控制箱的核心单元，控制着整个遥控式水质监测水下机器人系统的工作状态，本实例中优选采用低功耗的单片机对整个遥控式水质监测水下机器人系统的工作状态进行统一控制。在遥控式水质监测水下机器人系统上电启动时，船载控制模块首先检测整个遥控式水质监测水下机器人系统中其他功能单元的运行状态，并在各功能单元均无故障时，启动北斗通信模块，接收定位信息并传输至所述的船载数据采集模块。
[0039]在所述的船载控制箱中设置有电压转换模块，参见图1所示，电压转换模块连接船载电源，在电压转换模块中优选设置有AC-DC电压转换电路，将船载电源转换成直流稳压电压传输至船载控制箱中的各用电负载，并通过防水电缆下传至水下机器人。[0040]为了在船载电源发生意外中断情况时，仍能保持整个遥控式水质监测水下机器人系统不间断运行，本实施例在所述船载控制箱中还进一步设置了蓄电池和电源切换控制模块，参见图1、图4所示。将电压转换模块转换输出的直流稳压电源输送至蓄电池，为蓄电池充电蓄能。在本实施例中，所述电压转换模块优选将220V的交流船载电源转换成24V的直流稳压电源，输出至24VDC的蓄电池，为蓄电池充电。将电源切换控制模块分别连接至所述的电压转换模块和蓄电池，所述电源切换控制模块对电压转换模块输出的直流稳压电源进行检测，当检测到电压转换模块没有电源输出时(即船载电源中断时)，自动切换至蓄电池，利用蓄电池输出的直流电源继续为船载控制箱中的各用电负载供电，并通过防水电缆传输至水下机器人，以确保整个遥控式水质监测水下机器人系统在船载电源断电时仍能持续运行。当船载电源恢复供电后，自动切换至电压转换模块，利用电压转换模块转换输出的直流稳压电源继续为船载控制箱中的各用电负载和水下机器人供电。与此同时，通过电压转换模块转换输出的直流稳压电源传输至蓄电池，为蓄电池补充电力。
[0041]为了能够确定遥控式水质监测水下机器人系统的工作位置，在所述的船载控制箱中还设置有北斗通信模块，参见图1所示，接收定位信息并传输至所述的船载数据采集模块，通过船载数据采集模块发送至船载控制模块，进而将地理坐标显示在显示屏上。
[0042]为了使监测人员能够方便的控制水下机器人运动，在所述船载控制箱中设有遥控手柄，连接至所述船载控制模块。监测人员通过操作遥控手柄控制水下机器人到达预定水域的预定深度。在本实施例中，所述遥控手柄优选设置前进/后退/左转/右转控制柄B1、上下运动控制柄B2和摄像头旋转控制柄B3，参见图4所示。遥控手柄将监测人员的操控动作转换成操作指令并传输至船载控制模块，船载控制模块将接收到的操作指令传输至船载数据采集模块，并通过通信模块传输至水下控制模块，从而控制水下机器人做出相应的动作。其中，前进/后退/左转/右转控制柄BI能够控制水下机器人作前进、后退、左转、右转运动；所述上下运动控制柄B2能够控制水下机器人作上升和下潜运动；所述摄像头旋转控制手柄B3能够控制摄像头旋转。
[0043]显然，由于结构相似的缘故，本实用新型的遥控式水质监测水下机器人系统还可以推广应用到湖泊、江河、水库等其它需要进行水质监测的领域中。
[0044]当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本【技术领域】的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:包括水下机器人和船载控制箱；在所述水下机器人中设置有水下控制模块、水下数据采集模块、舱内传感器单元、舱外传感器单元、摄像头、视频采集模块和通信模块；所述水下数据采集模块连接舱外传感器单元，采集舱外传感器单元检测输出的水质监测信号并传输至水下控制模块；所述水下控制模块连接舱内传感器单元，接收舱内传感器单元检测输出的舱内环境监测信号，并对接收到的水质监测信号和舱内环境监测信号进行处理后，通过通信模块上传至船载控制箱；所述视频采集模块连接摄像头，采集水下环境影像并通过通信模块上传至船载控制箱。
2.根据权利要求1所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:所述水下控制模块、水下数据采集模块、舱内传感器单元、视频采集模块和通信模块设置在水下机器人的仪器舱中；所述舱外传感器单元和摄像头安装在水下机器人本体的下支架上。
3.根据权利要求1所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述水下数据采集模块中设置有信号调理放大电路和AD转换电路，所述信号调理放大电路接收舱外传感器单元输出的水质监测信号，并进行调理放大处理后，输出至AD转换电路将模拟信号转换成相应的数字信号输出至所述的水下控制模块。
4.根据权利要求1所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述通信模块中设置有串口通信芯片，连接所述的水下控制模块和视频采集模块，并通过防水电缆连接船载控制箱。
5.根据权利要求4所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述的水下机器人中还设置有稳压电路，通过内置于防水电缆中的电源线缆连接船载控制箱。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述的水下机器人中还设置有电机驱动模块、电机和推进器；所述电机驱动模块连接水下控制模块，接收水下控制模块输出的动作指令，并驱动电机运转，通过电机运转带动推进器的螺旋桨旋转，进而推动水下机器人动作。
7.根据权利要求6所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述船载控制箱中设置有船载数据采集模块、船载控制模块、遥控手柄和显示模块；所述船载数据采集模块接收水下机器人上传的监测数据，并传输至所述的船载控制模块，经由船载控制模块传输至显示模块进行显示；所述遥控手柄将操作动作转换成操作指令输出至所述的船载控制|吴块。
8.根据权利要求7所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述的船载控制箱中还设置有北斗通信模块，接收定位信息并传输至所述的船载数据采集模块。
9.根据权利要求7所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述的船载控制箱中还设置有电压转换模块，连接船载电源，将船载电源转换成直流稳压电压传输至船载控制箱中的各用电负载，并通过防水线缆下传至水下机器人。
10.根据权利要求9所述的遥控式水质监测水下机器人系统，其特征在于:在所述的船载控制箱中还设置有蓄电池和电源切换控制模块，通过所述电压转换模块输出的直流稳压电源输出至蓄电池，为蓄电池充电；所述电源切换控制模块分别连接所述的电压转换模块和蓄电池，选择其中一路直流稳压电压输出至船载控制箱中的各用电负载，并通过防水线缆下传至水下机器人。
【文档编号】G01N33/18GK203502405SQ201320581982
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】周忠海, 袁健, 徐娟, 金光虎, 臧鹤超, 牟华, 姚璞玉, 华志励, 李俊晓 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所