一種自供電、供氧的水面機器人的制作方法

技術領域

本發明屬于機器人領域，尤其涉及一種自供電、供氧的水面機器人。

背景技術：

為了對污水、廢水進行處理，傳統污染水域的凈化方法通常是在水域中設立相應污水凈化裝置，如曝氣池等進行水域凈化。一般情況下，污水凈化裝置設置于較易受污染的水域中，如污水入水口，而突發性的化工污水往往具有不可預測性，被污染的水域不一定會設有污水凈化裝置，使得突發性的化工污染水域得不到及時處理。而污染帶形成至其完全稀釋需要較長的時間，在發生化工污染后，常常因缺乏快速的應急處理措施，使得污染帶對江河、湖泊及海洋等流域的生態造成極大影響。因此研發一種具有能夠實現全天候、高可靠性、效率高，且能夠實現自主路勁設置自動化作業的自供電供氧水面機器人，具有較好的市場前景。

目前在市面上的船載式水處理系統如實用新型201520725867.3，其通過船載式實現水面移動，船體的智能化程度低，僅能實現水面浮動。中國專利201210022522.2公開的水處理系統采用紫外線殺菌和臭氧凈化工藝，但船體不具有自動化功能且其水質凈化系統工藝復雜，凈化速率慢，對于突發性的水污染事件不具有針對性。因此本發明目的在于研發一種用于快速解決湖泊、河道、池塘水環境修復、改善、治理使用的智能化設備。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能夠實現全天候、高可靠性、效率高，可在水域中實現點源和面源供氧，且能自主路徑移動自動化作業的自供電、供氧的水面機器人。

本發明所采用的技術方案是：

一種自供電、供氧的水面機器人，包括由鋰電池進行動力的電動船，所述電動船的上表面平鋪有用于收集太陽能并將其轉化為電能的太陽能電池板，所述電動船中間架設有半環形支撐架，所述半環形支撐架的下方懸掛有風力發電機；所述電動船的船艙內固設有汽油發電機；所述太陽能電池板、風力發電機和汽油發電機的輸出端均通過混合動力控制器與鋰電池連接而對其充電；所述電動船上固設有超微米氣泡發生器，所述超微米氣泡發生器的底端設有噴嘴。

進一步方案，所述電動船是由兩個船形艙體、連接兩個船形艙體的船骨架以及鋪設于船骨架上的支撐板組成；所述半環形支撐架的兩底端分別固定在兩個船形艙體上，所述超微米氣泡發生器架設在所述支撐板上，其噴嘴穿過支撐板而位于水中。

進一步方案，所述半環形支撐架的頂端分別固定設有避障檢測裝置和傳輸天線；所述鋰電池的輸出端通過多路開關電源與電動船的螺旋槳連接驅動其工作。

進一步方案，所述電動船上設有避障檢測裝置、錨定裝置、自主導航系統、電子羅盤和中央控制器，所述避障檢測裝置固設于所述半環形支撐架的頂端；所述避障檢測裝置、電子羅盤均與中央控制器的輸入端連接，所述中央控制器的輸出端分別與螺旋槳、錨定裝置、微納米氣泡發生器進行電連接。

更進一步方案，所述避障檢測裝置包括用于避障礙物的激光雷達、視頻攝像機、聲光報警器和水下聲納；所述激光雷達、視頻攝像機、聲光報警器和水下聲納的輸出端均與所述的中央控制器進行電連接，所述視頻攝像機采集水面視頻并通過中央控制器進行圖像處理，然后驅動電動船到達指定水域通過微納米氣泡發生器實現水域供氧，實現水質凈化或供氧修復。

進一步方案，所述自主導航控制系統包括固設于半環形支撐架頂端的傳輸天線，所述傳輸天線包括GPS傳輸天線和GPRS傳輸天線，所述GPS傳輸天線的輸出端通過GPS衛星定位傳感器與所述中央控制器連接；所述GPRS傳輸天線的輸出端通過GPRS無線數傳模塊與中央控制器連接。

進一步方案，所述混合動力控制器是由電源控制器和電源逆變器組成，電源控制器分別將太陽能電池板、風力發電機和汽油發電機所產生的交流電轉換成直流電，再通過電源逆變器轉換成交流電。

本發明中混合動力控制器、鋰電池、多路開關電源、中央控制器均架設于船形艙體上，并且中央控制器、電子羅盤、錨定裝置、螺旋漿等均是電動船上自帶的已知設備，其結構與工作原理是已知，本發明在此不對其進行詳細說明。如中央控制器的型號為STM32，錨定裝置包括船錨、船錨絞車、絞車電機、減速器，電機轉動時通過減速器驅動船錨絞車轉動，實現所述船錨的起降。

混合動力控制器為已知產品，是由電源控制器LWSLAM-400W-12V、電源逆變器CARMAER-500W構成。其中電源控制器將風力發電機和太陽能發電機、汽油發電機輸出的交流電轉換為直流電，同時起到穩壓和變壓的作用，電源控制器還有顯示剩余電量的功能；電源逆變器將直流電轉變為交流電的功能。

風力發電機是現有已知產品，是將風能轉換為機械功，機械功再帶動轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。其由葉片、機頭、轉體、尾翼組成，葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能；轉體能使機頭靈活地轉動以實現尾翼調整方向的功能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能。

汽油發電機是現有已知產品是當能源不足時，給電動船補充能源，如型號為ONOFF-3000W，其以汽油為燃料，以汽油機為原動力驅動發電機運轉，將汽油的化學能轉化為電能的動力機械。其由汽油機、發電機、中央控制器、燃油箱、保護裝置等組成。汽油機氣缸內燃料通過復雜的物理化學變化，對活塞做功帶動曲軸旋轉；同時驅動同軸安裝的發電機轉子，利用“電磁感應”原理，發電機輸出感應電動勢，經閉合負載回路產生電流。

微納米氣泡發生器為已知產品，由控制電路、水泵、氣泵、電磁閥、壓力傳感器、進水管、噴嘴、混合室等組成。微納米氣泡發生器工作時，噴嘴浸沒于水中，氣泵置于水面上通過輸氣管為裝置供氣，同時水泵將水與進氣口進來的空氣混合后被吸入到混合室中，在水泵葉輪渦流作用下壓力上升，水中的氣泡逐漸溶解在水中，當經水泵增壓后的含大量過飽和空氣的水流經噴嘴出口的節流孔時，流速加快，壓力迅速降低，溶解在水中的空氣被迅速釋放出來，生成大量微納米級別的氣泡。

激光雷達是以激光為工作光束的雷達，是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。它是由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送給中央控制器來驅動船體避開障礙物。

視頻攝像機采集視頻并通過中央控制器對視頻圖像進行處理，將采集到的水域自動識別信號通過控制所述驅動裝置完成自動移動，避免水域供氧不均勻，可節約能量。

水下聲納即聲納探測儀是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉換和信息處理，利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的探測設備。

GPS傳輸天線將衛星信號通過GPS衛星定位傳感器傳輸給中央控制器，確定當前電動船的位置坐標；同時GPRS傳輸天線接收人工遠程控制指令，并將控制指令通過GPRS無線數傳模塊傳輸給中央控制器，確定其航行的目的地；再通過電子羅盤確定出電動船的當前方向傳輸給中央控制器。中央控制器分別獲取GPS經緯度坐標信號、控制指令信號和電子羅盤指示的電動船當前行駛方向信號，通過處理運算，即可根據預先巡航規劃設定的路線，實時驅動電動船進行自主巡航并完成水域供氧的目的。

本發明中的自供電、供氧的水面機器人的供電電源是通過風力發電機、汽油發電機和太陽能電池板進行提供，它們均通過混合動力控制器將其轉化為電能，儲存在鋰電池中，鋰電池輸出的電源經多路開關電源的轉換、降壓等功能后再分別按需提供給螺旋槳、GPS衛星定位傳感器、中央控制器、電子羅盤、激光雷達、視頻攝像機、微納米氣泡發生器等工作元器件做工作電源，用來驅動并控制自供電、供氧的水面機器人行駛，通過自主巡航完成區域內水域的供氧功能，使污染水域內的水質得到凈化或供氧修復的目的。

本發明的有益效果是：

1、本發明采用風能、太陽能及汽油做為燃料提供混合動力供自供電供氧機器人提供工作能量，充分利用風能和太陽能的自然清潔能源，同時汽油發電機保證所述自供電供氧水面機器人能夠不受陰雨天氣或高負荷工作影響，全天候工作，提高供氧工作效率。

2、本發明通過微納米氣泡發生裝置能夠實現任意水域的自供氧功能，通過自動避障和自主導航控制系統實現水域的智能移動控制，可實現水域高效、均勻供氧，特別是對于突發性水環境事故時，具有迅速、遠程控制，從而可保證工作人員的人身安全，減少人員的投入，降低人工成本。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明的后視示意圖。

圖3是本發明的電路原理框圖。

圖中：1-風力發電機，2-太陽能電池板，3-電動船，3-1船形艙體、3-2船骨架、3-3支撐板，4-半環形支撐架，5-避障檢測裝置，5-1激光雷達，5-2視頻攝像機，5-3聲光報警器，5-4水下聲納，6-傳輸天線，6-1-GPS傳輸天線、6-2-GPRS傳輸天線，7-螺旋槳，8-自主導航系統，9-混合動力控制器，9-1電源控制器，9-2逆變器；10-鋰電池，11-多路開關電源，12-GPS衛星定位傳感器，13-GPRS無線數傳模塊，14-電子羅盤，15-中央控制器，16-錨定裝置，17-微納米氣泡發生器，18-噴嘴，19-汽油發電機。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1、2所示，一種自供電、供氧的水面機器人，包括由鋰電池10進行動力的電動船3，所述電動船3的上表面平鋪有用于收集太陽能并將其轉化為電能的太陽能電池板2，所述電動船3中間架設有半環形支撐架4，所述半環形支撐架4的下方懸掛有風力發電機1；所述電動船3的船艙內固設有汽油發電機19；所述太陽能電池板2、風力發電機1和汽油發電機19的輸出端均通過混合動力控制器9與鋰電池10連接而對其充電；所述電動船3上固設有超微米氣泡發生器17，所述超微米氣泡發生器17的底端設有噴嘴18。

進一步方案，所述電動船3是由兩個船形艙體3-1、連接兩個船形艙體3-1的船骨架3-2以及鋪設于船骨架3-2上的支撐板3-3組成；所述半環形支撐架4的兩底端分別固定在兩個船形艙體3-1上，所述超微米氣泡發生器17架設在所述支撐板3-3上，其噴嘴18穿過支撐板3-3而位于水中。

進一步方案，所述半環形支撐架4的頂端分別固定設有避障檢測裝置5和傳輸天線6；所述鋰電池10的輸出端通過多路開關電源11與電動船3的螺旋槳7連接驅動其工作。

進一步方案，所述電動船3上設有避障檢測裝置5、錨定裝置16、自主導航系統8、電子羅盤14和中央控制器15，所述避障檢測裝置5固設于所述半環形支撐架4的頂端；所述避障檢測裝置5、電子羅盤14均與中央控制器15的輸入端連接，所述中央控制器15的輸出端分別與螺旋槳7、錨定裝置16、微納米氣泡發生器17進行電連接。

更進一步方案，所述避障檢測裝置5包括用于避障礙物的激光雷達5-1、視頻攝像機5-2、聲光報警器5-3和水下聲納5-4；所述激光雷達5-1、視頻攝像機5-2、聲光報警器5-3和水下聲納5-4的輸出端均與所述的中央控制器15進行電連接，所述視頻攝像機5-2采集水面視頻并通過中央控制器15進行圖像處理，然后驅動電動船3到達指定水域通過微納米氣泡發生器17實現水域供氧，實現水質凈化或供氧修復。

進一步方案，所述自主導航控制系統8包括固設于半環形支撐架4頂端的傳輸天線6，所述傳輸天線6包括GPS傳輸天線6-1和GPRS傳輸天線6-2，所述GPS傳輸天線6-1的輸出端通過GPS衛星定位傳感器12與所述中央控制器15連接；所述GPRS傳輸天線6-2的輸出端通過GPRS無線數傳模塊13與中央控制器15連接。

進一步方案，所述混合動力控制器9是由電源控制器9-1和電源逆變器9-2組成，電源控制器9-1分別將太陽能電池板2、風力發電機1和汽油發電機19所產生的交流電轉換成直流電，再通過電源逆變器9-2轉換成交流電。

如圖3所示，太陽能電池板2和風力發電機1分別將自然的太陽能和風能收集起來，通過混合動力控制器9進行轉化為電能，汽油發電機19在太陽能電池板2和風力發電機1所產生的電能供應不足的情況下使用，它們均通過混合動力控制器9進行轉化為電能，然后全部輸入鋰電池10中進行儲存。鋰電池10通過多路開關電源11進行轉換、調壓成適配的電壓分別給電動船3的螺旋漿7和微納米氣泡發生器17進行供電，驅動電動船3行駛，驅動微納米氣泡發生器17工作為水域進行供氧。

其中GPS傳輸天線6-1是接收衛星信號，以確定當前電動船3的經緯度；GPRS傳輸天線6-2是用于接收人工遠程控制信號，以控制電動船3將要到達的位置信號；而電子羅盤14是為了確定電動船3的當前方向。中央控制器15分析處理這三路信號，并驅動螺旋漿7進行工作，驅動電動船3進行自主巡航和水域供氧，達到水質凈化或修復目的。電子羅盤14用于對電動船3的行駛方向進行識別。

本裝置使用時，先由操作人員通過無線基站向電動船發送巡航目的地信號，GPRS傳輸天線6-2接收該信號并將其傳輸給中央控制器15來確定其航行的目的地，再通過電子羅盤14確定出當前的航行方向，從而根據GPS傳輸天線6-1提供的當前位置信息，實時驅動電動船3進行自主導航，再通過避障檢測裝置5及時識別水面并避開障礙物，微納米氣泡發生裝置同時工作，為水域供氧，以實現水質凈化或修復。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明的技術方案作任何形式上的限制。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均仍在本發明的技術方案的范圍內且屬于要求保護的本發明的范圍。