一種水質檢測機器人的運行方法與流程
2023-04-29 04:11:05 1
本發明屬於環境保護和機器人領域，尤其涉及一種水質檢測機器人的運行方法。
背景技術：
近年來，隨著國民經濟的飛速發展，工業生產規模的擴大，帶來的環境問題也愈發嚴峻，環境保護成為了政府和人民群眾關心的核心話題。水體環境保護是環境保護中的一個重要方面，雖然現在的法律法規日趨嚴格，但是違法企業向水體偷偷排放有害廢水的情況屢禁不止，這其中的一個原因就是廢水的排放不易監測。現有技術中，環保部門通常在企業的排水口設置水質自動檢測設備，與舊有的人工檢測相比，自動化的檢測設備提高了檢測頻率和檢測數據的準確性和時效性。但是，由於水下環境複雜，違法企業可以偷偷地在水下另設排水口而不易被發現，使得這種固定位置的水質檢測設備失去效用。
為了應對這種情況，現在出現了可移動的水質檢測機器人，有在水面移動的船型機器人，也有在水下移動的潛水型機器人。相對而言，由於潛水型機器人可以調節下潛深度，在水下進行採樣和水質檢測，其檢測範圍更廣，水質檢測更加符合實際情況。但是，現有的潛水型機器人具有一些缺陷，第一，在下潛到一定深度後，由於GPS信號無法穿透水體，機器人無法為自己定位，這限制了潛水機器人的工作範圍；第二，由於無線電波在水中的衰減，機器人與外界通信中斷，控制和信息傳輸都比較困難；第三，機器人在運動中對水體的採樣和檢測都是固定間隔進行的，沒有考慮不同地點的重要性。
對於現有技術的上述缺點，還沒有一種完善的解決方案。
技術實現要素：
為了解決現有技術中的上述問題，本發明提出了一種水質檢測機器人的運行方法。
本發明採用的技術方案如下：
一種水質檢測機器人的預先方法，該方法包括如下步驟：
(1)為水質檢測機器人設置巡查路線，所述巡查路線由n個有序關鍵點按序連接組成；
(2)設上述n個有序關鍵點從起點到終點為K1，K2，……，Kn，為每個關鍵點Ki設置一個關鍵值Vi。
(3)所述水質檢測機器人下水並啟動，所述水質檢測機器人通過GPS裝置獲取當前位置，如果當前位置不是關鍵點K1，則水質檢測機器人直接向K1航行；
(4)當所述水質檢測機器人到達關鍵點K1時，所述水質檢測機器人下潛到預定深度，並按照巡查路線航行；
(5)所述水質檢測機器人在航行過程中，每隔一定的採樣距離，採樣並檢測當前水質，所述採樣距離取決於當前位置兩端關鍵點的關鍵值，假設所述水質檢測機器人正在從關鍵點Ki航行向關鍵點Ki+1，則該水質檢測機器人當前的採樣距離Si為：
其中，S是預定義的最小採樣距離；
(6)所述水質檢測機器人根據水下航行的航速和方向，預計到達下一個關鍵點Ki+1時，就上浮到水面，通過GPS裝置獲取當前的位置，如果當前位置與下一個關鍵點Ki+1的距離大於預定閾值時，則再次下潛到預定深度，繼續向下一個關鍵點Ki+1航行；如果當前位置與下一個關鍵點Ki+1的距離小於或等於預定閾值時，所述水質檢測機器人通過通信系統與遠程控制人員的計算機進行通信，報告水質檢測數據，並接受控制人員的遠程控制或調整，通信完畢後，所述水質檢測機器人判斷當前位置，如果此時已到達終點Kn，則巡查結束，否則再次下潛到預定深度，向下一個關鍵點航行。
進一步地，所述關鍵值Vi是滿足1≤Vi≤Vmax的整數值，其中Vmax是一個預定義的最大關鍵值。
進一步地，Vmax＝10。
進一步地，所述預定深度為固定值。
進一步地，所述預定深度通過以下方法計算：
(a)預先設置一個最大深度值Dmax，該最大深度值是機器人可承受的最大潛水深度。
(b)當所述水質檢測機器人到達關鍵點Ki時(1≤i＜n)，通過聲納裝置測量關鍵點Ki的深度Di。
(c)如果Di＞3Dmax，則設置當前預定深度D＝Dmax，否則設置當前預定深度D＝Di/3。
進一步地，所述水質檢測機器人在碰到障礙物時，使用避障算法繞過障礙物繼續航行；如果該機器人在使用避障算法後仍然不能達到下一個關鍵點，該機器人就上浮到水面，通過通信系統向遠程控制人員報告巡查失敗。
進一步地，遠程控制人員在每次機器人上浮報告時，能對該機器人進行遠程控制。
進一步地，所述遠程控制包括：根據具體的水質檢測情況、天氣水文情況，調整該機器人後續的巡查路線。
進一步地，所述關鍵點是需要所述水質檢測機器人重點檢查的位置。
進一步地，所述水質檢測機器人包括推進系統、潛水系統、傳感器系統、通信系統、GPS裝置、控制計算機系統和電源模塊。
本發明的有益效果包括：可以根據不同地點的重要性，動態調整水質檢測的頻率，並且適時遠程報告檢測結果，接受遠程調整。
【附圖說明】
此處所說明的附圖是用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，但並不構成對本發明的不當限定，在附圖中：
圖1是本發明水質檢測機器人的邏輯結構圖。
【具體實施方式】
下面將結合附圖以及具體實施例來詳細說明本發明，其中的示意性實施例以及說明僅用來解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。
參見附圖1，其示出了本發明水質檢測機器人的邏輯結構圖，該水質檢測機器人包括推進系統、潛水系統、傳感器系統、通信系統、GPS裝置、控制計算機系統和電源模塊。
所述推進系統是驅動該機器人在水面或水下運動的系統，可以控制機器人的航行速度和航行方向，具體的推進方式可以採用本領域中的任意一種推進方式，例如螺旋槳推進或者噴射推進方式，本發明對此不作限制。
所述潛水系統是用於控制機器人上浮和下潛的裝置，例如可以採用充氣泵充氣氣囊的方式控制上浮和下潛。所述潛水系統可以根據水壓傳感器來判斷和控制下潛深度。
所述傳感器系統包括機器人航行和水質檢測所需的各種傳感器和設備，包括但不限於：水壓傳感器、多種水質參數傳感器、DVL導航設備、聲納裝置、陀螺儀。
所述水質參數傳感器包括水溫傳感器、濁度傳感器、藍綠藻傳感器、葉綠素a傳感器、溶解氧傳感器、PH傳感器、PRP傳感器、鹽度傳感器、氨氮傳感器、原油傳感器等，具體的水質參數傳感器取決於需要測量的水質參數，上述列舉的各種水質參數傳感器都是可選項，本領域技術人員可以根據實際需求選擇，或者增加本領域中的其他水質參數傳感器。
所述通信系統是機器人與外界通信的接口，在本發明中，通信系統包括移動通信模塊和北鬥通信模塊。所述移動通信模塊可以是GPRS通信模塊、3G通信模塊或者4G通信模塊，因此機器人只要在現有的移動通信基站的覆蓋範圍內，就可以與外界進行無線通信。在正常情況下，目前中國國內的主要湖泊、江河和近海基本上都在移動通信的覆蓋範圍內，但是也有少部分不在移動通信覆蓋範圍內，或者如果需要檢測遠海地區的水質，也不在移動通信的覆蓋範圍內。因此，在無法使用移動通信模塊情況下，本發明可以採用北鬥通信模塊進行通信，或者其他本領域中公知的衛星通信模式與外界通信。需要說明的是，由於無線電波信號在水內的衰減，當機器人需要與外界通信時，必須上浮到水面上進行。
所述GPS裝置用於通過GPS衛星獲取機器人的定位信息，但是與通信系統類似，GPS信號無法穿透水體，機器人需要上浮到水面才能接收GPS信號。
所述控制計算機系統是機器人的核心控制部件，用於控制機器人的航行，獲取和整理傳感器信息，通過通信系統與外界交流並接受控制人員的遠程控制。所述電源模塊用於向整個機器人的各個系統供給電力，其可以包括本領域中任意一種公知的蓄電池。
上面說明了本發明水質檢測機器人的基本邏輯結構，在此結構的基礎上，本發明的水質檢測機器人通過本發明的運行方法來巡查和檢測水質。下面對該方法進行詳細說明：
(1)為水質檢測機器人設置巡查路線，所述巡查路線由n個有序關鍵點組成。
所述巡查路線由控制人員預先存儲在機器人的控制計算機系統中，控制人員可以根據已知的水體地圖，在地圖上按順序指定n個GPS坐標，作為n個關鍵點的坐標，所述n個關鍵點按序連接在一起，就是該機器人的巡查路線。通常而言，控制人員設置關鍵點的位置都是機器人需要重點巡查的關鍵位置，例如某個重點關注企業的排汙口。
(2)設上述n個有序關鍵點從起點到終點為K1，K2，……，Kn，為每個關鍵點Ki設置一個關鍵值Vi。
所述關鍵值Vi同樣由控制人員設置並保存於控制計算機系統中，用於表明該關鍵點Ki的重要性，對於重要性高的地點，機器人應當檢查的更加仔細。所述關鍵值Vi是一個從1到Vmax之間的整數值，即1≤Vi≤Vmax；其中Vmax是一個預定義的最大關鍵值。一個優選的方案是Vmax＝10，因而關鍵點的重要性被關鍵值劃分為10個等級。
(3)所述水質檢測機器人被放下水並啟動，所述水質檢測機器人通過GPS裝置獲取當前位置，如果當前位置不是關鍵點K1，則水質檢測機器人直接向K1航行。
所述水質檢測機器人下水的起始點可能並不一定是K1，因此需要航行到K1後再開始巡查，這樣的設計方便了控制人員，使其不必一定在K1點讓機器人下水。
(4)當所述水質檢測機器人到達關鍵點K1時，所述水質檢測機器人下潛到預定深度，並按照巡查路線航行。
所述預定深度是控制人員在控制計算機系統中預先設定好的，其可以是一個固定的深度值。另外，根據本發明的一個優選實施例，所述預定深度值可以是一個動態值，根據一個特定的算法計算，具體的計算方法在後面介紹。
所述巡查路線如前所述，是由n個有序關鍵點組成的路線，即機器人從K1航行到K2，再航行到K3，如此重複，直到航行到Kn。
(5)所述水質檢測機器人在航行過程中，通過DVL導航設備、聲納裝置和陀螺儀，檢測航行速度和航行方向，並且每隔一定的採樣距離，採樣並檢測當前水質。所述採樣距離取決於兩端關鍵點的關鍵值，具體的，假設所述水質檢測機器人正在從關鍵點Ki航行向關鍵點Ki+1(即該水質檢測機器人處於Ki與Ki+1之間)，則該水質檢測機器人當前的採樣距離Si為：
其中，S是預定義的最小採樣距離。通過這種設置，當關鍵點的重要性越高時，其附近的水質採樣越頻繁，從而實現了採樣的自動動態調整。
(6)所述水質檢測機器人根據水下航行的航速和方向，預計到達下一個關鍵點Ki+1時，就上浮到水面，通過GPS裝置獲取當前的位置，如果當前位置與下一個關鍵點Ki+1的距離大於預定閾值時，則再次下潛到預定深度，繼續向下一個關鍵點Ki+1航行。如果當前位置與下一個關鍵點Ki+1的距離小於或等於預定閾值時，就認為已到達Ki+1，此時所述水質檢測機器人通過通信系統與遠程控制人員的計算機進行通信，報告水質檢測數據(即從上一次報告到現在所獲取的水質檢測數據)，並可接受遠程控制人員的遠程控制或調整，通信完畢後，所述水質檢測機器人判斷當前位置，如果此時已到達終點Kn，則巡查結束，否則再次下潛到預定深度，向下一個關鍵點航行。
在上述巡查過程中，所述水質檢測機器人可能會在航行時碰到障礙物，此時可以使用本領域中任意一種公知的避障算法，繞過障礙物繼續航行。本領域中的避障算法有多種，並不是本發明重點所在，不再贅述。但是如果該機器人在使用避障算法後仍然不能達到下一個關鍵點，該機器人就上浮到水面，通過通信系統向遠程控制人員報告巡查失敗。
遠程控制人員在每次機器人上浮報告時，可以對該機器人進行遠程控制或調整，例如可以根據具體的檢測情況、天氣水文情況，調整該機器人後續的巡查路線，可以根據檢測中的異常結果，控制機器人再次返回異常區域。
上述步驟中，所述的預定深度是可以動態計算的，具體計算方法如下：
(a)預先設置一個最大深度值Dmax，該最大深度值是機器人可承受的最大潛水深度。
(b)當所述水質檢測機器人到達關鍵點Ki時(1≤i＜n)，通過聲納裝置測量關鍵點Ki的深度Di。
(c)如果Di＞3Dmax，則設置當前預定深度D＝Dmax，否則設置當前預定深度D＝Di/3。因而機器人從Ki航行向Ki+1的過程中，其預定深度就為D。
其中三分之一深度是經過反覆測試的優選深度，該深度處的水質檢測結果較為理想，且不易受水面船舶的影響。
以上所述僅是本發明的較佳實施方式，故凡依本發明專利申請範圍所述的構造、特徵及原理所做的等效變化或修飾，均包括於本發明專利申請範圍內。