基于视觉导航的自动巡航水质监测浮标系统的制作方法

本实用新型涉及自动巡航技术领域，尤其是一种基于视觉导航的自动巡航水质监测浮标系统。

背景技术：

在鱼塘、水库水产品养殖过程中，水质的环境因素对养殖物的生产起着很关键的作用。有些水质参数如水的温度、水中含氧量以及pH值如果不达标，都会直接造成养殖物的发育不良，严重的还会影响产量。目前传统的养殖方式包括调节水温、氧气供给等都需通过人工判断然后进行操作，由于测试点比较多，人工监测很容易造成漏检，并且在夜间无人值守期间，无法全方位了解养殖水域的水质情况，以致水温不稳，影响水产品的生长，另外如果水体溶解氧监测不到位，也会影响水产物通化作用的进行，造成水体危害，从而导致水产物产量降低，造成直接的经济损失。现有的大部分自动巡航系统的巡航功能主要是依赖于GPS定位，通过GPS定位来确定船的航行路线，但是在复杂的水面上，单靠GPS定位是远远不够的，带避障功能导航的巡航系统才能在水面上更加安全的航行。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于视觉导航的自动巡航水质监测浮标系统，能够通过检测前方是否存在障碍物，通过视觉避障和视觉导航进行航行，达到能够在复杂水面上安全航行的目的。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

基于视觉导航的自动巡航水质监测浮标系统，包括浮标主体，设置于浮标主体顶部的视觉导航单元，设置于浮标主体内部的控制单元、定位单元、动力驱动单元，设置于浮标主体底部用于调整行驶方向的舵叶、水质监测传感器单元；所述视觉导航单元包括红外传感器模块和摄像头模块，所述红外传感器模块的红外输出端与控制单元的输入端连接，摄像头模块的图像输出端与控制单元的输入端连接；定位单元的定位输出端与控制单元的输入端连接，控制单元的动力输出端与动力驱动单元的输入端连接，动力驱动单元的输出端与舵叶传动连接；水质监测传感器单元的输出端与控制单元的输入端连接。

进一步地，所述红外传感器模块包括红外线发射管、红外线接收管和电压比较器，红外线接收管的正极与电压比较器的正输入端连接，电压比较器的负输入端与电位调节器的调节端连接，电压比较器的输出端与控制单元的红外输入端连接。

进一步地，所述摄像头模块包括设置于浮标主体顶部的摄像头和摄像头驱动芯片U2，摄像头驱动芯片U2的数据输出端与控制单元的数据输入端连接。

进一步地，所述定位单元包括北斗定位芯片U4和时钟芯片U8，北斗定位芯片U4的数据发送端和接收端分别与控制单元的数据端连接，北斗定位芯片U4的复位端与时钟芯片U8的复位端连接，时钟芯片U8的时钟输入输出端口与控制单元的时钟端连接。

进一步地，所述动力驱动单元包括电机驱动芯片U5，所述电机驱动芯片U5的输入端与控制单元的控制输出端连接，电机驱动芯片U5的第一输出端与第一电机的控制端连接，控制第一电机的正转和反转；电机驱动芯片U5的第二输出端与第二电机的控制端连接，控制第二电机的正转和反转。

本实用新型的有益效果是，

本实用新型导航单元包括红外导航与视觉导航，红外传感器检测前方是否存在障碍物，如果有障碍物则执行基于视觉的避障，没有障碍执行基于视觉的导航，避免了单纯采用视觉导航导致在视觉盲区无法进行合理避障和导航，从而实现对船体前进方向的调整，从而能够有效避开处于船体前方的障碍物，达到能够在复杂水面上安全航行的目的。

附图说明

图1是实施例自动巡航水质监测浮标系统结构示意图；

图2是实施例自动巡航水质监测浮标系统结构右视图；

图3是实施例控制单元电路原理图；

图4是实施例红外传感器模块电路原理图；

图5是实施例摄像头模块电路原理图；

图6是实施例定位单元电路原理图；

图7是实施例动力驱动单元电路原理图，

其中，1、浮标主体，2、Openmv3视觉摄像头，3、红外传感器，4、北斗定位芯片，5、L298N电机驱动板，6、直流电机，7、舵叶，8、蓄电池组，9、太阳能板，10、无线传输模块，11、水质监测传感器总成。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例基于视觉导航的自动巡航水质监测浮标系统包括浮标主体1、基于视觉的导航系统、浮标动力驱动系统、供电系统以及各种水质监测传感器总成11，浮标主体1之中配置有北斗定位芯片4、L298N电机驱动板5、直流电机6、蓄电池组8。

基于视觉的导航系统包括红外传感器3和Openmv3视觉摄像头2，其中Openmv3视觉摄像头中内置STM32单片机；用于调整浮标行驶方向的舵叶7位于浮标下方由直流电机6驱动，直流电机6与L298N电机驱动板5相连接，L298N驱动板与单片机串口连接，由蓄电池组8直接供电工作，L298N电机驱动板根据由Openmv3视觉摄像头2拍摄到的图像经过处理后，由内置单片机通过串口给L298N电机驱动板5指令驱动直流电机6正反转或停止来调整舵叶7的转动，进而来控制浮标的方向，其中直流电机6与舵叶7直接的传动是通过斜齿轮传动的。浮标供电系统采用太能供电的，具体是由浮标上部的太阳能板9和蓄电池组8构成的。

北斗定位模块4能够对浮标进行准确的定位，从而使得管理人员能够准确获知自动巡航浮标的具体位置，从而方便管理人员对自动巡航浮标进行管理。

本实施例自动巡航水质监测浮标系统还配置有用于与外部设备进行无线数据传输的无线通信模块10，无线通信模块10与单片机相连接。具体地，无线通信模块10能够与管理人员手中的移动终端或者控制终端进行通信，因此，自动巡航浮标能够把其捕捉到的景物图像以及其进行自动巡航时的轨迹路线同步上传到移动终端或者控制终端之中，不仅能够方便管理人员对自动巡航浮标的管理，并且能够便于管理人员了解当前水域的环境情况，从而使得管理人员能够对当前水域采取针对性的管理措施。

如图3至图7所示，单片机可以采用STM的F7系列单片机中的任意一种，例如具体型号为STM32F765VGT6。在单片机的控制作用下，Openmv3视觉摄像头2能够准确捕捉船体前方的景物图像信息，当单片机接收到由Openmv3视觉摄像头2发送过来的景物图像信息后，单片机会对该景物图像信息进行处理，在单片机的控制作用下，Openmv3视觉摄像头2和红外传感器3开始工作，位于浮标边沿的红外传感器3开始扫描检测(红外传感器均匀的分布在浮标外边沿上)，检测前方是否有障碍，如果有障碍则执行基于视觉的避障，如果无障碍则执行基于视觉的导航，当单片机接收到由Openmv3视觉摄像头2发送过来的景物图像信息后，单片机会对该景物图像信息进行图像的边缘检测处理。为了实现避障及导航功能，其核心问题还需了解图像中物体的边缘轮廓。获取物体的边缘轮廓，需设计图像边缘检测的算法，然后对图像中物体进行边缘检测。其本质就是通过某种算法来准确获取图像中目标与背景、目标与目标、区域与区域之间的交线。Openmv3提供了专门用于边缘检测的函数Canny。经Canny函数处理后，灰度图像、边缘检测(反色)后的图像对比，根据图像处理分析出要行驶的轨迹的从而给L298N驱动板5信号，L298N驱动板5根据收到的信号控制直流电机6转动，直流电机6通过斜齿轮传动控制舵叶7的转动，从而实现对船体前进方向的调整，从而能够有效避开处于船体前方的障碍物，达到能够在复杂水面上安全航行的目的；同时监控人员可以通过北斗定位模块4知道浮标的具体位置，可以随时给浮标下达停止指令，浮标收到指令后停止行驶。浮标上还配置有各种水质监测传感器总成11，所使用的传感器可以根据监测需要添加，实时监测数据可以通过无线传输模块10传输到监测人员终端上。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。