一种多功能水面智能机器人

技术领域：

本发明涉及视觉图像实时处理应用的机器人技术领域，尤其涉及一种多功能水面智能机器人。

背景技术：
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我国小型水产养殖技术的快速发展，人们健康意识不断增加，对鱼虾类水产品的需求快速增加。为适应市场的需求，我国水产养殖面积不断扩大，各类水产品的产量快速增加，由此也带来各种水域水质下降、水质污染等问题。为了水产养殖业的健康发展，国家实施水产绿色健康养殖，推出了生态健康养殖、尾水治理、用药减量、饲料替代杂鱼和种业质量提升五大行动。

目前，影响小型水域环境的主要有水面漂浮物、蓝藻、水葫芦等水生有害物，过度使用调节剂等。为解决小型水域存在的污染问题，迫切需要小型灵活、自动化程度高适应性强的水面智能机器人，实现水域快速自动清洁、水质实时监测与调控。因此，展开小型水域环境水质检测及调控研究与产品的研发具有重要的工程应用价值。

技术实现要素：
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本发明针对现有技术的不足和缺陷，主要针对养殖水域中传统的水质检测及人工养殖效率低下的问题，发明了一种小型水域环境水质监测及调控水面机器人，能够进行图像识别和自主路径规划，具有自动捕捞水面漂浮物(包括蓝藻等有害生物)、水质检测、喷洒药品或饲料等功能。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种多功能水面智能机器人，其特征在于:包括双船体、捕捞机构、图像识别和路径规划系统、水质检测系统、物料喷洒系统和驱动控制系统；其中，由安装在双船体尾部的驱动控制系统来驱动双船体运行，双船体由两个平行对称设置的单船体连接后组成，在双船体前部的上方设置图像识别和路径规划系统，在双船体的前部安装捕捞机构，在双船体的中部安装水质检测系统，在双船体的后部安装物料喷洒系统；连接桥安装在两个单船体的内侧。

在一个实施例中，在所述双船体的外侧安装紫外线灯。

在一个实施例中，在所述双船体的顶部设有太阳能板机构，以太阳能作为补充能源进行供能。

在一个实施例中，在所述双船体的内腔设有能源系统。

在一个实施例中，所述捕捞机构包括网兜框架和安装在网兜框架上的捕捞网，通过船体前行将漂浮于水面上的垃圾装入捕捞网内，网兜框架安装在所述双船体前部。

在一个实施例中，所述图像识别及路径规划系统包括视觉识别装置和防水盒；在视觉识别装置中包含摄像机、树莓派和摄像机支架，摄像机支架安装在所述双船体前部，摄像机安装在摄像机支架上并保持固定俯角和高度，以获得一定视觉范围，由摄像机捕捉视觉范围内的图像并传输给树莓派。

在一个实施例中，所述水质检测系统安装在所述连接桥前端，包括蓄水筒、水质检测传感器、连接板、低压泵、水质采样用电机、水质检测机构的专用电池、联轴器、第一转盘和防水帆布架；其中，连接板安装在所述连接桥上，蓄水筒安装在连接板下方，用于储存待检测水样；水质检测用电机安装在连接板上侧，通过单片机控制水质检测用电机的转角；低压泵安装在连接板上侧，将水抽入蓄水筒内；第一转盘通过联轴器安装在连接板下侧，以控制水力软管收放；水质检测专用电池安装在连接板上侧，为水质检测用电机和低压泵供电；防水帆布架罩在连接板上，作为低压泵、水质检测用电机和水质检测机构专用电池的防水帆布；第一转盘设有霍尔传感器，水力软管设有磁铁片，水质检测用电机运行时，水力软管实现收放，当随磁铁片接近霍尔传感器时，霍尔传感器的输出电压发生变化，由单片机进行判定从而实现对水质检测测量位置的确定。

在一个实施例中，所述物料喷洒系统系统安装在所述连接桥的后方，包括漏斗、绞料机构和喷洒机构，物料由漏斗流出后进入绞料机构将物料打碎，再通过喷洒机构喷出。

在一个实施例中，所述绞料机构包括水平放置的绞龙用电机和绞龙，绞龙设在漏斗的下方，由绞龙用电机的输出端驱动；所述喷洒机构包括竖直安装的转盘电机和带叶片的第二转盘，由转盘电机的输出端控制其第二转盘转动，由绞龙打碎的物料通过第二转盘的叶片旋转后喷洒至水面。

在一个实施例中，所述驱动控制系统包括螺旋桨和安装在所述连接桥上的防水盒及安装在防水盒内的单片机，螺旋桨机构通过螺旋桨支架安装在船体后方，由单片机控制螺旋桨的转速来实现水面智能机器人的前进与转向。

本发明的主要有益效果是：本发明的一种小型水域环境水质监测及调控水面机器人，能够进行图像识别和自主路径规划，具有自动捕捞水面漂浮物(包括蓝藻等有害生物)、水质检测、喷洒药品或饲料等功能。

附图说明：

图1揭示了本发明一实施例中，一种多功能水面智能机器人中的船体整体结构示意图；

图2揭示了本发明一实施例中，一种多功能水面智能机器人中的网兜框架构示意图；

图3揭示了本发明一实施例中，一种多功能水面智能机器人中的水质监测系统结构示意图；

图4揭示了本发明一实施例中，一种多功能水面智能机器人中的物料喷洒系统结构的正视图；

图5揭示了本发明一实施例中，一种多功能水面智能机器人中的物料喷洒系统结构的侧视图。

在图示中：

1-螺旋桨机构

2-太阳能板机构

3-紫外线灯管机构

4-船体外壳

5-视觉识别装置

6-水质检测系统

7-连接桥

8-防水盒

9-物料喷洒机构

10-网兜框架

61-蓄水筒

62-水质检测传感器、

63-连接板

64-低压泵

65-水质检测用电机

66-水质检测机构专用电池

67-联轴器

68-转盘

69-防水帆布架

91-底部连接板

92-第一连接件

93-带叶片转盘

94-转盘用电机

95-漏斗

96-第二连接件

97-绞龙用电机

98-联轴器

99-第三连接件

910-绞龙

911-第四连接件

912-转盘及转盘外壳

913-出料口

914-连接件。

具体实施方式：

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”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，或者是该发明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发明和简化描述，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发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

请参考图1并结合图2到图5，图1揭示了本发明一实施例中的一种多功能水面智能机器人，双船体结构，包括左右两个船体外壳4、连接桥7和紫外线灯管机构3，船体外壳4分别由多块钢板折弯焊接而成，船体外壳4的骨架由多根型钢焊接而成，放置于船体外壳4内部，作为固定和支撑，两个船体外壳4间由连接桥7通过螺栓进行固定和连接。船体两侧安装有紫外线灯管机构3；

捕捞机构，包括网兜框架10，网兜框架10通过螺栓连接固定于船体前下方，框架上安装捕捞网，通过船体前行将漂浮于水面上的垃圾装入捕捞网内。

图像识别及路径规划系统，包括视觉识别装置5和防水盒8、视觉识别装置中包含摄像机、树莓派和摄像机支架，摄像机支架安装于船体前部，摄像机安装于摄像机支架上，保持固定俯角以及高度，以获得一定的视觉范围，摄像机捕捉视觉范围内图像并传输给树莓派。

水质检测系统6安装于连接桥7前端，包括蓄水筒61、水质检测传感器62、连接板63、低压泵64、水质检测用电机65、水质检测机构专用电池66、联轴器67、转盘68和防水帆布架69，连接板63通过螺栓连接固定于连接桥7前部，作为水质检测系统6的基座，蓄水筒61通过螺栓连接装在连接板63下方，用于储存待检测水样，水质检测用电机65通过螺栓连接在连接板63上侧，用于控制水质检测传感器62所处的水深，通过单片机控制水质检测用电机65转角，低压泵64通过螺栓连接安装于连接板63上侧，将水抽入蓄水桶61，转盘68通过联轴器67安装于连接板63下侧，以控制水力软管收放，水质检测专用电池66安装在连接板上侧，为水质检测用电机65和低压泵64供电，防水帆布架69安装于连接板63上，用于安装为低压泵64、水质检测用电机65和水质检测机构专用电池66防水的防水帆布。

物料喷洒系统9安装于连接桥7后方，包括底部连接板91、第一连接件92、带叶片转盘93、转盘用电机94、漏斗95、第二连接件96、绞龙用电机97、联轴器98、第三连接件99、绞龙910、第四连接件911、转盘及转盘外壳912、出料口913和第五连接件914，底板连接板91通过螺栓固定于连接桥7后方，作为物料喷洒系统9的基座，漏斗95通过铝型材支架安装在底部连接板91上，放置物料后，物料会从漏斗95流入下方绞龙910中，漏斗95通过铝型材支架和螺栓连接固定于底部连接板91上，出料口913安装在漏斗95下方，出料口913内部为圆弧形状，用于防止物料外漏，绞龙用电机97通过第二连接件96安装于底部连接板91上，其输出轴水平，并通过联轴器98与绞龙910相连接，由单片机控制绞龙用电机97转动，绞龙910通过第五连接件914由螺栓固定于绞龙用电机97后方，位于漏斗95正下方，通过联轴器98与绞龙用电机97连接。物料从漏斗95流出后，储存在绞龙910与第五连接件914之间；当绞龙用电机97转动时，带动绞龙910转动完成送料动作，转盘用电机94通过第一连接件92安装于绞龙910末端处的底部连接板91上，转盘用电机94输出轴竖直，由单片机控制电机转动，转盘及转盘外壳912安装于底板底部连接板91上侧，与电机连接，转盘及转盘外壳912上安装有叶片，电机转动时带动转盘及转盘外壳912转动，物料在转动的叶片作用下喷洒出去，完成喷洒动作，转盘外壳通过螺栓连接安装于转盘外侧，用于限制物料喷洒方向朝外。

驱动控制系统，包含螺旋桨机构1和安装在连接桥上的防水盒8)内的单片机，螺旋桨机构1通过螺旋桨支架安装在船体后方，由单片机控制，通过控制左右螺旋桨转速来实现水面智能机器人的前进与转向动作。

能源系统，包括太阳能板机构2和安装在船体外壳4内的蓄电池，蓄电池通过焊接在船体外壳4的蓄电池固定架固定，用于给螺旋桨机构1和物料喷洒系统9供电，太阳能板机构2通过焊接在船体骨架上的螺栓实现固定。

进一步地，所述图像识别及路径规划系统的树莓派作为图像识别及路径规划程序的载体，安装于连接桥上的防水盒内，树莓派接收到摄像头采集到的图像后，通过内置的视觉算法识别图中的垃圾与障碍后进行定位，输出物体与水面智能机器人的相对位置坐标。之后由经过路径规划算法，得到水面智能机器人的行进路线。

进一步地，所述图像识别及路径规划系统的工作原理为预先将水域地图及水质检测点位置信息输入树莓派中，在树莓派中编写图像识别定位和路径规划程序，首先按照初始的水域地图与水质检测点规划好基本路径，在水面智能机器人按照基本路径行驶过程中摄像头保持周期性的图像采集并通过运行图像识别和定位程序获取垃圾或者障碍物的位置之后通过路径规划程序规划好水面智能机器人后续路径进行后续垃圾捕捞或避障行动。

进一步地，所述水质检测系统的工作原理为：转盘控制水力软管收放，自吸泵吸取不同深度水样注入蓄水桶，水位达到测量线后，传感器测得数据并传输将其至主控板。

进一步地，转盘设有霍尔传感器，水力软管设有磁铁片，水质检测用电机运行时，水力软管实现收放，当随磁铁片接近霍尔传感器时，霍尔传感器的输出电压发生变化，由单片机进行判定从而实现对水质检测测量位置的确定。

可以理解的是：其中水体流速、电机转速、传感器灵敏度、预先实验的准确性等因素均会对测量位置的确定有一定影响，因此，水质检测测量位置可以为一定范围。

进一步地，所述物料喷洒系统工作原理为在漏斗中放入物料，物料顺漏斗流入绞龙与下方连接件之间；之后在送料用电机驱动下，物料被送入转盘中；之后喷洒用电机驱动转盘转动，物料随叶片转动而向外喷洒。

进一步地，所述能源系统工作原理为以蓄电池作为主要能源，同时通过太阳能板将太阳能转化为电能作为补充能源。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。