CN107021196A - 河长使用的监测河水的水质的无人潜航器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，属于智能无人潜航器应用技术领域。无人潜航器在河水中航行，安装在无人潜航器的前部的顶面上的水中摄像机拍摄水体的浊度、污染物、排污管道的图像，图像信息通过导电线、无线通信设备甲、无线通信天线甲发送给陆地上的无线通信装置接收。安装在水中摄像机后方的PH传感器、水质分析传感器和水质监测传感器分别将测量到的污染物数据信息通过导电线输入水质信息采集储存装置，从水质信息采集储存装置输出的数据信息通过电子计算机甲、无线通信设备乙和无线通信天线乙发送给陆地上的无线通信装置接收。河长根据接收到的图像信息和数据信息进行分析和研究，采取针对性措施治理河水污染。

Description

河长使用的监测河水的水质的无人潜航器

技术领域

本发明涉及河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，属于智能无人潜航器应用技术领域。

背景技术

2007年5月29日到6月3日下午，无锡太湖蓝藻集中爆发，影响了二百万人口的生活饮用水。自来水的水源地附近蓝藻大量堆积，厌氧分解过程中产生了大量的NH3、硫醇、硫醚以及硫化氢等异味物质。全球气候变暖，湖水中氮磷超标的富营养化，太湖周边乡镇的工业、农业和生活污水通过河道排放到太湖里，这些都是造成蓝藻集中爆发的原因。从那时到2017年，无锡每年都要花大量的人力和物力来打捞蓝藻。由于通往太湖的部分河道存在水污染严重，长时间没有清淤整治，加上部分企业违法排污、农业面源污染严重，为了落实治理河水污染的责任，无锡市首创‘河长制’，无锡市党政主要负责人分别担任了64条河流的河长，真正把各项治污措施落实到位。2008年，江苏省推广河长制，设立了市、县、镇、村的四级‘河长制’管理体系，强化了对入湖河道水质达标的责任。2016年12月11日中共中央办公厅、国务院办公厅印发了“关于全面推行河长制的意见”，决定在全国推广河长制。

有一位河长的工作责任心很强，他的一只手拿笔，另一只手拿笔记本，沿河步行，逐段记录河水的污染情况。这位河长用眼睛观察河面上的颜色及其变化，在河边用鼻子闻河水散发的气味，工作得十分累。然而，他仍然不知道造成河水污染的有那几种化学元素，河道底层的河水的污染情况是不是比表层的河水更加严重，这位河长干得虽累，但工作效率并不高，工作效果也不够理想。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，采用河长使用的监测河水的水质的无人潜航器。

无人潜航器是靠遥控或自动控制在水下航行的器具，也可以浮到水面上用无线通信天线发送在水下采集的信息，是进行水下作业的智能化***。无人潜航器可分为遥控式无人潜航器和自动式无人潜航器，主要用于采集水下信息和通信等任务。目前，无人潜航器以军用为主，技术已相当成熟，并开始转向民用。无人潜航器的船体为鱼雷外形，采用铝材料或复合材料制造外壳。动力装置采用三自由度推进器，由可充电的锂离子电池提供动力。导航与控制，其推进***由产生不同方向运动的推进器组成，航行控制装置控制摇摆、浪涌、升降、俯仰和偏航方向运动，设计有右水中平衡翼、左水中平衡翼，可以防止无人潜航器滚动，具有自校正功能。任务载荷有水中摄像机、避撞探杆、航行控制装置、水质信息采集储存装置、PH传感器、水质分析传感器、水质监测传感器、无线通信天线甲、无线通信设备甲、电子计算机甲、无线通信天线乙、无线通信设备乙、电动推进装置、螺旋桨。通信方面配备有北斗全球定位***。本无人潜航器配备了水面无线电通信。监测水质的小型无人潜航器多数航行在中、小河道中，在河岸、船上、桥上采用手持式发射与回收。少数航行在黄河、长江等大的河道中的大型无人潜航器可采用起重机发射与回收。

在无人潜航器的前部的顶面上分别安装接触水体的PH传感器、水质分析传感器、水质监测传感器，能有效监测河水的水质状况。PH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器，PH传感器的测量范围是0—14PH。精确度为正负0.02PH，分辨率达0.01PH，由于被污染的河水的酸碱度不会发生PH值小于2和PH值大于12的情况，所以本发明采用测量PH 值的范围是PH2——PH12的PH传感器。PH传感器将感知到的水体的酸碱度PH数值转换成电信号通过导电线输入水质信息采集储存装置，水质分析传感器将感知到的、分析出来的水体中重金属离子、氨氮、总磷的数值信息转换成电信号、通过导电线输入水质信息采集储存装置。水质监测传感器将感知到的、监测出来的的水体的浊度、余氯、悬浮物、氟化物、硫酸盐的数值信息转换成电信号通过导电线输入水质信息采集储存装置。从水质信息采集储存装置输出的全部水质数据信息通过导电线输入电子计算机甲进行处理，接着通过导电线输入无线通信设备乙，由安装在无线通信设备乙上面的无线通信天线乙在无人潜航器浮出水面时，发送无线电波将信息传送给陆地上的无线通信天线接收。安装在无人潜航器前面的避撞探杆碰上硬质异物时，会将碰撞信息通过导电线输入航行控制装置，航行控制装置会自动调整航向、绕道航行，并将航行路线信息通过导电线输入无线通信设备甲，水中摄像机在水中拍摄的水中图像信息通过导电线输入无线通信设备甲，由安装在无线通信设备甲上的无线通信天线甲在无人潜航器浮出水面时，将水中图像信息和航行路线信息发送给陆地上的无线通信天线接收，陆地上的无线通信天线将接收到的全部信息通过内置导电线输入陆地上的无线通信设备、电子计算机乙和水质信息储存处理装置进行处理和储存。在无人潜航器的中部和后部内，锂离子电池乙通过导电线向浮体供电，在电力的作用下，这种特制的浮体的体积会根据需要变大或变小。锂离子电池乙通过导电线向电动推进装置提供动力，由电动推进装置带动螺旋桨旋转产生推力，推动无人潜航器在水体中航行。本发明采用低压电力线载波通信传输线作为导电线，这种导电线既能导电，又能传输信息。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

由无人潜航器1、复合材料外壳2、浮体3、电动推进装置4、螺旋桨5、避撞探杆6、航行控制装置7、导电线8、锂离子电池甲9、水中摄像机10、水质信息采集储存装置11、PH传感器12、水质分析传感器13、水质监测传感器14、无线通信天线甲15、无线通信设备甲16、右水中平衡翼17、左水中平衡翼18、电子计算机甲19、无线通信天线乙20、无线通信设备乙21、锂离子电池乙22共同组成；

无人潜航器1航行在河水27中，在无人潜航器1的复合材料外壳2的右侧的外表面上安装右水中平衡翼17，在无人潜航器1的复合材料外壳2的左侧的外表面上安装左水中平衡翼18，在无人潜航器1的复合材料外壳2的前部的顶面上安装水中摄像机10，在无人潜航器1的复合材料外壳2的前部的顶面上、在水中摄像机10的后方依次安装PH传感器12、水质分析传感器13、水质监测传感器14，在PH传感器12、水质分析传感器13和水质监测传感器14下方的、复合材料外壳2的内部安装水质信息采集储存装置11，在避撞探杆6后方的、复合材料外壳2内安装航行控制装置7，航行控制装置7位于锂离子电池甲9和水质信息采集储存装置11的前方，锂离子电池甲9位于水质信息采集储存装置11的下方，在航行控制装置7的上方安装无线通信设备甲16，在无线通信设备甲16的上面安装无线通信天线甲15，无线通信设备甲16安装在复合材料外壳2的内部，无线通信天线甲15安装在复合材料外壳2的外表面上，在复合材料外壳2内的中后部的下半部安装浮体3，在浮体3的上方安装锂离子电池乙22，在锂离子电池乙22的上方安装无线通信设备乙21，在无线通信设备乙21的上面安装无线通信天线乙20，无线通信设备乙21安装在复合材料外壳2的内部，无线通信天线乙20安装在复合材料外壳2的外部的外表面上，在无线通信设备乙21和锂离子电池乙22的前方安装电子计算机甲19，在无人潜航器1的后部安装电动推进装置4，电动推进装置4安装在复合材料外壳2的内部，螺旋桨5安装在从电动推进装置4伸出到复合材料外壳2的外面的旋转轴的顶端，从无人潜航器1的无线通信天线甲15和无线通信天线乙20发出的全部信息通过无线电波发送到陆地上的无线通信天线23接收，在无线通信天线23的下面安装陆地上的无线通信设备24，在陆地上的无线通信设备24的下面安装电子计算机乙25，在电子计算机乙25的下面安装水质信息储存处理装置26，在陆地的旁边有河水27，无人潜航器1在河水27中有时潜入水中采集储存水质信息，有时浮出水面发送水质信息的无线电波；

航行控制装置7通过导电线8与锂离子电池甲9连接，航行控制装置7通过导电线8与无线通信设备甲16连接，锂离子电池甲9通过导电线8与水中摄像机10连接，无线通信设备甲16通过导电线8与水中摄像机10连接，锂离子电池甲9通过导电线8与无线通信设备甲16连接，锂离子电池甲9通过导电线8与水质信息采集储存装置11连接，水质信息采集储存装置11通过导电线8与PH传感器12连接，水质信息采集储存装置11通过导电线8与水质分析传感器13连接，水质信息采集储存装置11通过导电线8与水质监测传感器14连接，水质信息采集储存装置11通过导电线8与电子计算机甲19连接，电子计算机甲19通过导电线8与无线通信设备乙21连接，电子计算机甲19通过导电线8与锂离子电池乙22连接，锂离子电池乙22通过导电线8与浮体3连接，锂离子电池乙22通过导电线8与电动推进装置4连接，电动推进装置4通过传动轴与螺旋桨5连接，陆地上的无线通信天线23通过内置导电线与陆地上的无线通信设备24连接，陆地上的无线通信设备24通过内置导电线与电子计算机乙25连接，电子计算机乙25通过内置导电线与水质信息储存处理装置26连接。

锂离子电池甲9和锂离子电池乙22是钴酸锂锂离子电池或锰酸锂锂离子电池或钛酸锂锂离子电池或磷酸铁锂锂离子电池；水中摄像机10是CCD水中摄像机或CMOS水中摄像机；复合材料外壳2的长度是30公分—360公分；复合材料外壳2的横截面的直径为10公分—120公分；PH传感器12检测河水的PH值的范围是PH2—PH12。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：①监测河水的水质的工作效率高，无人潜航器航行到那个水域，这个水域里的水质状况立即测量清楚。②同时进行多项水质指标的监测。③无人潜航器下潜到水中采集数据信息和图像信息后，可以上浮到水面用无线通信方式发送信息给陆地上的无线通信天线接收。④河长可以迅速看到河道中的水质信息数据和水体实时图像。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

河长根据河道的长短、河水的水体的宽度、河水的深度、河水的水质污染状况来选用长度和体积合适的、任务载荷齐全、传感器和设备先进的无人潜航器，将无人潜航器发射到河水中，河长用无线通信手段遥控无人潜航器在河水中航行，通过PH传感器、水质分析传感器和水质监测传感器来采集河水的相关数据信息。

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

有一家化工厂在河水深度达二米的河岸边埋设地下暗排水管道向河水的下层水体中偷偷排放氟化物、硫酸盐等污染物质。河长观察河面上的水色，发现了蛛丝马迹般的异状，但没有掌握该化工厂破坏河水环境的直接证据。河长发射无人潜航器到河水中，并遥控无人潜航器迅速潜航到可疑水域，水质监测传感器监测到一定浓度的氟化物和硫酸盐，追踪到污染物浓度越来越大的排污管口，用水中摄像机拍摄暗排水管道的偷排污水的图像，将采集到的图像信息转换成电信号通过导电线输入无线通信设备甲，当无人潜航器浮上水面时，由安装在无线通信设备甲上的无线通信天线甲发送无线电波将图像信息发送给陆地上的无线通信天线接收。无人潜航器上的PH传感器、水质分析传感器和水质监测传感器分别将各自测量到的污染物数据转换成电信号输入水质信息采集储存装置，从水质信息采集储存装置输出的数据信息通过导电线输入电子计算机甲储存，当无人潜航器浮上水面时，从电子计算机甲输出的数据信息通过无线通信天线乙发射无线电波，将数据信息发送给陆地上的无线通信天线接收，陆地上的无线通信天线通过内置导电线将全部信息输入陆地上的无线通信设备储存，接着输入电子计算机乙进行处理，从电子计算机乙输出的处理过的全部信息通过内置导电线输入水质信息储存处理装置。河长从水质信息储存处理装置中看到全部数据信息和图像信息，对该化工厂私埋地下暗管偷排污水的情况有了全面的认识。河长当机立断，通知环保执法人员责令化工厂挖出私埋的地下排污暗管，并依法对偷排污水的行为进行了处罚，有力保护了河水的洁净。

无人潜航器日日夜夜在河道的河水中正常巡航，发现并追查各种形式的污染源，采集河水的上层水体、中层水体、下层水体中的多项科学证据和实物图像，通过无线通信方式，将数据信息和图像信息输入电子计算机乙和水质信息储存处理装置进行储存和处理。在积累大量的河水信息的基础上，逐步构建河水的水体物联网，对河道里的河水的治污进行智能管理。无人潜航器提高了河长的工作效率，让河长采用信息化、电子化的科学手段有效管控河水的水质。无人潜航器必将成为河水的健康卫士。

现举出实施例如下：

实施例一：

河长采用轻型发射器向小河的河水中发射小型无人潜航器，小型无人潜航器的复合材料外壳的长度为80公分，复合材料外壳的横截面的直径为25公分，动力装置配备采用直流无刷电机的电动推进装置，由钴酸锂锂离子电池供电。采用水下全球定位***导航。任务载荷包括水中摄像机、避撞探杆、航行控制装置、水质信息储存处理装置、PH传感器、水质分析传感器、水质监测传感器、无线通信天线甲、无线通信设备甲、电子计算机甲、无线通信天线乙、无线通信设备乙、电动推进装置、螺旋桨。安装在无人潜航器的前部的顶面上的CCD水中摄像机在水中对污染水体、污染物和暗藏水中的排污管道拍照，获取图像信息。无人潜航器将在水体中采集的污染物的数据信息和图像信息、用无线通信的方式，发送到陆地上的电子计算机乙和水质信息储存处理装置中，供河长全面掌控河水的水质，采取治理河水污染的措施。

实施例二：

河长选用与河流的体量相匹配的无人潜航器，也可以为河流定制专用的无人潜航器。河长采用起重机向大河的河水中投放大型无人潜航器，大型无人潜航器的复合材料外壳的长度为260公分，复合材料外壳的横截面的直径为75公分，动力装置配备采用直流无刷电机的电动推进装置，由锰酸锂锂离子电池供电。采用水下全球定位***导航。任务载荷包括水中摄像机、避撞探杆、航行控制装置、水质信息储存处理装置、PH传感器、水质分析传感器、水质监测传感器、无线通信天线甲、无线通信设备甲、无线通信设备甲、电子计算机甲、无线通信天线乙、无线通信设备乙、电动推进装置、螺旋桨。安装在无人潜航器的前部的顶面上的CMOS水中摄像机在水中对污染水体、污染物和暗藏水中的排污管道拍照，获取图像信息。无人潜航器将在水体中采集的污染物的数据信息和图像信息、用无线通信的方式，发送到陆地上的电子计算机乙和水质信息储存处理装置中，供河长全面掌控河水的水质，采取治理河水污染的措施。

Claims (6)

1.河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，其特征是，由无人潜航器（1）、复合材料外壳（2）、浮体（3）、电动推进装置（4）、螺旋桨（5）、避撞探杆（6）、航行控制装置（7）、导电线（8）、锂离子电池甲（9）、水中摄像机（10）、水质信息采集储存装置（11）、PH传感器（12）、水质分析传感器（13）、水质监测传感器（14）、无线通信天线甲（15）、无线通信设备甲（16）、右水中平衡翼（17）、左水中平衡翼（18）、电子计算机甲（19）、无线通信天线乙（20）、无线通信设备乙（21）、锂离子电池乙（22）共同组成；

无人潜航器（1）航行在河水（27）中，在无人潜航器（1）的复合材料外壳（2）的右侧的外表面上安装右水中平衡翼（17），在无人潜航器（1）的复合材料外壳（2）的左侧的外表面上安装左水中平衡翼（18），在无人潜航器（1）的复合材料外壳（2）的前部的顶面上安装水中摄像机（10），在无人潜航器（1）的复合材料外壳（2）的前部的顶面上、在水中摄像机（10）的后方依次安装PH传感器（12）、水质分析传感器（13）、水质监测传感器（14），在PH传感器（12）、水质分析传感器（13）和水质监测传感器（14）下方的、复合材料外壳（2）的内部安装水质信息采集储存装置（11），在避撞探杆（6）后方的、复合材料外壳（2）内安装航行控制装置（7），航行控制装置（7）位于锂离子电池甲（9）和水质信息采集储存装置（11）的前方，锂离子电池甲（9）位于水质信息采集储存装置（11）的下方，在航行控制装置（7）的上方安装无线通信设备甲（16），在无线通信设备甲（16）的上面安装无线通信天线甲（15），无线通信设备甲（16）安装在复合材料外壳（2）的内部，无线通信天线甲（15）安装在复合材料外壳（2）的外表面上，在复合材料外壳（2）内的中后部的下半部安装浮体（3），在浮体（3）的上方安装锂离子电池乙（22），在锂离子电池乙（22）的上方安装无线通信设备乙（21），在无线通信设备乙（21）的上面安装无线通信天线乙（20），无线通信设备乙（21）安装在复合材料外壳（2）的内部，无线通信天线乙（20）安装在复合材料外壳（2）的外部的外表面上，在无线通信设备乙（21）和锂离子电池乙（22）的前方安装电子计算机甲（19），在无人潜航器（1）的后部安装电动推进装置（4），电动推进装置（4）安装在复合材料外壳（2）的内部，螺旋桨（5）安装在从电动推进装置（4）伸出到复合材料外壳（2）的外面的旋转轴的顶端，从无人潜航器（1）的无线通信天线甲（15）和无线通信天线乙（20）发出的全部信息通过无线电波发送到陆地上的无线通信天线（23）接收，在无线通信天线（23）的下面安装陆地上的无线通信设备（24），在陆地上的无线通信设备（24）的下面安装电子计算机乙（25），在电子计算机乙（25）的下面安装水质信息储存处理装置（26），在陆地的旁边有河水（27），无人潜航器（1）在河水（27）中有时潜入水中采集储存水质信息，有时浮出水面发送水质信息的无线电波；

航行控制装置（7）通过导电线（8）与锂离子电池甲（9）连接，航行控制装置（7）通过导电线（8）与无线通信设备甲（16）连接，锂离子电池甲（9）通过导电线（8）与水中摄像机（10）连接，无线通信设备甲（16）通过导电线（8）与水中摄像机（10）连接，锂离子电池甲（9）通过导电线（8）与无线通信设备甲（16）连接，锂离子电池甲（9）通过导电线（8）与水质信息采集储存装置（11）连接，水质信息采集储存装置（11）通过导电线（8）与PH传感器（12）连接，水质信息采集储存装置（11）通过导电线（8）与水质分析传感器（13）连接，水质信息采集储存装置（11）通过导电线（8）与水质监测传感器（14）连接，水质信息采集储存装置（11）通过导电线（8）与电子计算机甲（19）连接，电子计算机甲（19）通过导电线（8）与无线通信设备乙（21）连接，电子计算机甲（19）通过导电线（8）与锂离子电池乙（22）连接，锂离子电池乙（22）通过导电线（8）与浮体（3）连接，锂离子电池乙（22）通过导电线（8）与电动推进装置（4）连接，电动推进装置（4）通过传动轴与螺旋桨（5）连接，陆地上的无线通信天线（23）通过内置导电线与陆地上的无线通信设备（24）连接，陆地上的无线通信设备（24）通过内置导电线与电子计算机乙（25）连接，电子计算机乙（25）通过内置导电线与水质信息储存处理装置（26）连接。

2.根据权利要求1所述的河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，其特征是，所述的锂离子电池甲（9）和锂离子电池乙（22）是钴酸锂锂离子电池或锰酸锂锂离子电池或钛酸锂锂离子电池或磷酸铁锂锂离子电池。

3.根据权利要求1所述的河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，其特征是，所述的水中摄像机（10）是CCD水中摄像机或CMOS水中摄像机。

4.根据权利要求1所述的河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，其特征是，所述的复合材料外壳（2）的长度是30公分—360公分。

5.根据权利要求1所述的河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，其特征是，所述的复合材料外壳（2）的横截面的直径为10公分—120公分。

6.根据权利要求1所述的河长使用的监测河水的水质的无人潜航器，其特征是，所述的PH传感器（12）检测河水的PH值的范围是PH2—PH12。