一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人及其检测方法与流程

本发明涉及水质检测领域，特别是一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人及其检测方法。

背景技术：

随着人们对江河湖海开发的日益频繁和迫切，以及人们对水质安全方面的深入关注，水下机器人作为一种重要的工具得到了大量的应用。由于水下机器人应用环境复杂多变，对水下机器人监控就变得非常重要。尤其是auv(autonomousunderwatervehicle)由于和母船没有线缆连接，通过通信设备对在水下工作的机器人进行监控。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人及其检测方法，能够增大水域检测方位，减少人力物力。

本发明采用以下方案实现：一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人，包括鱼雷型外壳、核心舱、外部供电电源、第一无线通信模块、第二无线通信模块、水质传感器、第一降压模块、第二降压模块、bnc转接模块、第一主控板、第二主控板、内部电源、直流电机、直流电机驱动模块、第一直流步进电机、第二直流步进电机、双口直流步进电机驱动模块、尾浆和尾部螺旋桨；

所述鱼雷型外壳包括前端盖、后端盖和中间壳体，所述前端盖和所述后端盖均通过螺栓与所述中间壳体连接；所述核心舱设置在所述鱼雷型外壳内部；所述第二降压模块、第二主控板、内部电源、直流电机、直流电机驱动模块、第二无线通信模块、第一直流步进电机、第二直流步进电机和双口直流步进电机驱动模块均设置在所述核心舱内部；所述外部供电电源、bnc转接模块、第一主控板、第一降压模块、第一无线通信模块和水质传感器均设置在所述鱼雷型外壳外部；

所述水质传感器通过所述bnc转接模块与所述第一主控板相连，用以将所述水质传感器的测量信号传输到所述第一主控板；所述第一无线通信模块与所述第一主控板电性相连，所述第一无线通信模块还与外部工控机通信相连，用以通过所述第一主控板控制所述无线通信模块将所述测量信号传输到所述外部工控机上；所述外部供电电源与所述第一降压模块电性相连；所述第一降压模块与所述第一主控板电性相连，用以向所述第一主控板提供电能；

所述内部电源分别与所述直流电机驱动模块、所述第二降压模块和所述双口直流步进电机驱动模块电性相连，用以向所述直流电机驱动模块、所述第二降压模块和所述双口直流步进电机驱动模块提供电能；所述直流电机驱动模块还与所述直流电机电性相连用以驱动所述直流电机；所述第二降压模块还与所述第二主控板电性相连，用以向所述第二主控板提供电能；所述第二主控板还分别与所述直流电机驱动模块、所述双口直流步进电机驱动模块和所述第二无线通信模块电性相连；所述第二无线通信模块还与外部工控机通信相连，用以通过所述第二无线通信模块向所述第二主控板发送信号，从而使所述第二主控板控制所述直流电机驱动模块和所述双口直流步进电机驱动模块驱动电机进行工作；所述双口直流步进电机驱动模块分别与所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机电性相连，用以驱动所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机；所述直流电机与所述尾部螺旋桨连接，用以驱动所述尾部螺旋桨；所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机均各连接一个所述尾浆，用以驱动所述尾浆。

进一步地，所述第一主控板与所述第二主控板均采用型号为dfrduinounor3的控制器。

进一步地，：所述直流电机采用的是永磁直流电机，所述永磁直流电机工作电压12v，额定电流2.42a，空载转数3500r/min。

进一步地，所述水质传感器采用溶解氧传感器。

进一步地，所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块均采用obloq-iotwifi模块。

进一步地，所述双口直流步进电机驱动模块采用的型号为a4988；所述第一降压模块与所述第二降压模块均采用cs5173降压芯片。

进一步地，所述直流电机驱动模块采用的型号为l298n。

进一步地，所述第一直流步进电机与所述第二直流步进电机采用的直流步进电机型号相同，均为mdn3bt3sca300电机。

进一步地，所述内部电源与所述电源均采用12v,5a的蓄电池。

较佳的，本发明提供一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤s1：开启所述内部电源与所述外部供电电源，并将所述机器人放入待测水域；

步骤s2:所述内部电源为所述第二主控板、所述双口直流步进电机驱动模块、所述直流电机驱动模块和所述第二降压模块提供电能，所述双口直流步进电机驱动模块驱动所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机，从而带动尾浆摆动；所述直流电机驱动模块驱动所述直流电机，从而带动所述尾部螺旋桨转动；所述机器人在所述尾浆和所述尾部螺旋桨的推进下前进；

步骤s3:外部工控机与所述第二无线通信模块通信相连，外部工控机通过所述第二无线通信模块向所述第二主控板发送信号，从而使所述第二主控板控制所述直流电机驱动模块和所述双口直流步进电机驱动模块驱动电机进行工作，到达待检测的目标位置；

步骤s4:所述水质检测器对目标位置的水质进行检测，并将测量信号反馈到所述第一主控板，所述第一主控板控制所述第一无线通信模块将测量信号发送到所述外部工控机，所述外部工控机接收所述测量信号，完成检测。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明加装了无线通信模块，极大的加强了水域的探测范围，使水质检测设备更加便携，易用性更强。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构框图。

图2为本发明实施例的水质检测机器人外部结构图。

图3为本发明实施例的水质检测机器人内部结构图。

图4为本发明实施例的水质检测机器人水质检测模块图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

随着移动通讯网络技术的发展，2g/3g移动网络已经覆盖了我国大部分近海和内陆地区。而2g/3g移动网络通讯具有设备和通讯成本低廉，技术成熟可靠的特点。将2g/3g移动网络通讯和水质监测监控设备相结合，开发一种用于水下机器人的远程监控水质系统，能够极大的降低水下机器人监控的成本和监控人员的劳动强度。

具体的，如图1所示，本实施例提供了一种用于水质检测的水下鱼雷型机器人，包括鱼雷型外壳、核心舱、外部供电电源、第一无线通信模块、第二无线通信模块、水质传感器、第一降压模块、第二降压模块、bnc转接模块、第一主控板、第二主控板、内部电源、直流电机、直流电机驱动模块、第一直流步进电机、第二直流步进电机、双口直流步进电机驱动模块、尾浆和尾部螺旋桨；

所述鱼雷型外壳包括前端盖、后端盖和中间壳体，所述前端盖和所述后端盖均通过螺栓与所述中间壳体连接；所述核心舱设置在所述鱼雷型外壳内部；所述第二降压模块、bnc转接模块、第一主控板、第二主控板、内部电源、直流电机、直流电机驱动模块、第二无线通信模块、第一直流步进电机、第二直流步进电机和双口直流步进电机驱动模块均设置在所述核心舱内部；所述外部供电电源、第一降压模块、第一无线通信模块和水质传感器均设置在所述鱼雷型外壳外部；

所述水质传感器通过所述bnc转接模块与所述第一主控板相连，用以将所述水质传感器的测量信号传输到所述第一主控板；所述第一无线通信模块与所述第一主控板电性相连，所述第一无线通信模块还与外部工控机通信相连，用以通过所述第一主控板控制所述无线通信模块将所述测量信号传输到所述外部工控机上；所述外部供电电源与所述第二降压模块电性相连；所述第二降压模块与所述第一主控板电性相连，用以向所述第一主控板提供电能；

所述内部电源分别与所述直流电机驱动模块、所述第二降压模块和所述双口直流步进电机驱动模块电性相连，用以向所述直流电机驱动模块、所述第二降压模块和所述双口直流步进电机驱动模块提供电能；所述直流电机驱动模块还与所述直流电机电性相连用以驱动所述直流电机；所述第二降压模块还与所述第二主控板电性相连，用以向所述第二主控板提供电能；所述第二主控板还分别与所述直流电机驱动模块、所述双口直流步进电机驱动模块和所述第二无线通信模块电性相连；所述第二无线通信模块还与外部工控机通信相连，用以通过所述第二无线通信模块向所述第二主控板发送信号，从而使所述第二主控板控制所述直流电机驱动模块和所述双口直流步进电机驱动模块驱动电机进行工作；所述双口直流步进电机驱动模块分别与所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机电性相连，用以驱动所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机；所述直流电机与所述尾部螺旋桨连接，用以驱动所述尾部螺旋桨；所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机均各连接一个所述尾浆，用以驱动所述尾浆。

在本实施例中，所述第一主控板与所述第二主控板均采用型号为dfrduinounor3的控制器。

其主要技术参数为：工作电压5v；输入电压：接上usb时无须外部供电或外部7v~12vdc输入；输出电压：5vdc输出和3.3vdc输出和外部电源输入；微处理器：atmega328；时钟频率：16mhz；支持usb接口协议及供电(不需外接电源)数字i/o端口：14（6个pwm输出口）；模拟输入端口：6；直流电流i/o端口：40ma；直流电流3.3v端口：50ma；尺寸：75x55x15mm。

在本实施例中，所述直流电机采用的是永磁直流电机，所述永磁直流电机工作电压12v，额定电流2.42a，空载转数3500r/min。

在本实施例中，所述水质传感器采用溶解氧传感器。

其主要技术参数为：电极类型：原电池；检测范围：0~20mg/l；温度范围：0~40℃；响应时间：90秒达到98%全响应（25℃）；压力范围：0~50psi；流动条件：0.3ml/s；电极芯寿命：1年（正常使用情况下）；连线接口：bnc。

在本实施例中，所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块均采用obloq-iotwifi模块。

技术参数为：供电电压：3.3~5.0v；工作电流：<240ma；接口类型：uart4pin；接口速率：9600；无线模式：ieee802.11b/g/n；加密类型：wpawpa2/wpa2–psk；无线频率：2.4ghz；产品尺寸：35mm*32mm/1.38inch*1.26inch；内置协议：tcp/ip协议栈。

在本实施例中，所述双口直流步进电机驱动板采用的型号为a4988；适用于两相四线步进电机；可以通过四个数字i/o轻松驱动2个步进电机，占用端口少；兼容arduinounor3、leonardo、mega等控制器，具备完整端口扩展功能。支持xbee，xbeewi-fi，蓝牙和射频模块；每个步进电机有一个拨码开关设置步进分辨率。技术参数为：供电电压：3.3~5.5v；输出电压：0~3.0v；电极接口：bnc；信号接口：gravity接口(ph2.0-3p)；板子尺寸：42mm*32mm。所述第一降压模块与所述第二降压模块均采用cs5173降压芯片。

在本实施例中，所述直流电机驱动模块采用的型号为l298n。技术规格：逻辑部分输入电压vd：5v；驱动部分输入电压vs：4.8～35v；逻辑部分工作电流iss：≤36ma；驱动部分工作电流io：≤2a；最大耗散功率：25w（t=75℃）；pwm、pll两种驱动模式；控制信号输入电平：高电平：2.3v≤vin≤5v，低电平：-0.3v≤vin≤1.5v；工作温度：-25℃～＋130℃；驱动形式：双路大功率h桥驱动；模块重量：约29g。

在本实施例中，所述第一直流步进电机与所述第二直流步进电机采用的直流步进电机型号相同，均为mdn3bt3sca300电机。工作电压5v的小型电机。

在本实施例中，所述内部电源与所述外部供电电源均采用12v,5a的蓄电池。

12v2800mah锂电池电源其他技术参数为：重量：158g；可持续电流：5a；过流保护值：10a；适用电器功率：12v60w以内。

较佳的，本实施例还提供一种基于所述的用于水质检测的水下鱼雷型机器人的检测方法，包括以下步骤：

步骤s1：开启所述内部电源与所述外部供电电源，并将所述机器人放入待测水域；

步骤s2:所述内部电源为所述第二主控板、所述双口直流步进电机驱动模块、所述直流电机驱动模块和所述第二降压模块提供电能，所述双口直流步进电机驱动模块驱动所述第一直流步进电机和所述第二直流步进电机，从而带动尾浆摆动；所述直流电机驱动模块驱动所述直流电机，从而带动所述尾部螺旋桨转动；所述机器人在所述尾浆和所述尾部螺旋桨的推进下前进；

步骤s3:外部工控机与所述第二无线通信模块通信相连，外部工控机通过所述第二无线通信模块向所述第二主控板发送信号，从而使所述第二主控板控制所述直流电机驱动模块和所述双口直流步进电机驱动模块驱动电机进行工作，到达待检测的目标位置；

步骤s4:所述水质检测器对目标位置的水质进行检测，并将测量信号反馈到所述第一主控板，所述第一主控板控制所述第一无线通信模块将测量信号发送到所述外部工控机，所述外部工控机接收所述测量信号，完成检测。

较佳的，在本实施例中，该水质检测水下机器人的设计采取的是鱼雷形状，可以更加快速的抵达目标位置，由于采取无线通信设备进行控制，所以可以在没有线缆连接下进行浅水层水质检测。在外壳部分开有三个通口，分别是为了尾桨控制连杆，水质检测器的固定以及扩展功能预留空间。扩展通口内部部属一个与尾桨摆动电机相连接的连杆机构，可以增加前浆来增加水下机器人的转向灵活程度，或者独立安装无线控制的摄像头或者激光雷达的进行探测。前端盖与后端盖按照鱼雷形状设计，采取密封螺栓加橡胶圈进行固定，具有一定的防水能力。

特别的，在本实施例的硬件方面，内部动力模块分为两部分构成，一部分是整体水下机器人的动力，在密封舱内部有蓄电池电源（12v，5a）以提供尾桨摆动以及螺旋桨推进的动力。另一部分是专门为水质检测器以及其配套的无线通信模块提供的外部独立电源（12v，5a）。内部电源通过直流电机驱动板驱动电机，并且连尾部螺旋桨。除此以外通过双口步进电机驱动连接两个小型直流步进电机，并通过降压模块（12v-5v）为内部无线通讯模块与主控板进行供电。外部独立小型电源连接水质检测器专用模块，该模块有两个功能，第一个是为水质检测器提供电源，另一个是为其无线通讯模块提供电源。该无线通讯模块将收到的测量信号通过2.4ghz的tcp/ip协议栈传递给岸上的工控机上面。

操作步骤：1.开启内部电源与外部独立电源；2.通过工控机开启移动网络通信与水下机器人动力系统；3.将水下机器人放入待测水域，使用工控机通过第二wifi模块给第二主控板发布控制命令，该主控板发布pwm信号驱动尾桨以及使能直流电机驱动模块驱动电机，最终驱动水质检测机器人到目标位置；4.读取水质检测器检测到的数据，并用专用的app分析保留数据以待研究；5.回收水下机器人。

内部电路原理为12v电源首先通过两个不同的电机驱动板为直流电机和两个小型步进电器进行供电，其次通过降压模块为主控板进行供电。主控板负责给wifi模块进行供电，除此以外还负责控制直流电机以及两个步进电机的作用，这些操作命令通过wifi模块与岸上工控机进行收发。

外部电路原理原理为通过12v锂电池电源为整个内部电路进行供电（也可以通过一个5v电源模块来实现），主控板首先负责wifi模块的连接以便与岸上工控机进行通信，其次通过扩展的io口连接bnc转接板，该转接板连接水质传感器来收集数据。

图2是本实施例的正视部分，水质检测器模块安装在水下机器人的外壳部分，可以看到侧端有扩展口来进行额外添加前浆或者摄像头。整体采取水雷形状，有利于增加该机器人在水下的移动速度。前端盖与后端盖采用了密封螺栓加橡胶圈来提高防水能力，隔绝了核心舱内部元件与水流的接触。

图3是本实施例外壳下的内部结构，通过两个带有圆形通道的固定环来定位整个桶形结构，圆形通道内有扩展口与尾部电机之间的连杆机构。头与尾有两种不同的密封环，隔绝核心舱与外部的接触，并为电机传动提供了一个接口。

图4为外部独立出来的水质检测器元件，两个密封盒子通过一个通道连接，分别是电源模块与无线通讯模块。传感器部分通过电缆连接通信模块，并且该模块也经由独立电源模块为其供电。

本实施例提出将水质监测与水下机器人技术关联起来，为水下机器人技术的应用领域拓宽了范围；在水质监测领域提供了一个新的想法，即水下检测模块与水下机器人联合起来进行勘测；由于加装了无线通信模块，极大的加强了水域的探测范围，无论是从便携性还是易用性上都有了极大的加强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。