一种水电站智能巡检无人船

1.本发明涉及环境监测领域，特别涉及一种水电站智能巡检无人船。


背景技术：

2.水电站通过大坝蓄水，利用落差获得水能，水轮机的水流冲击转动水轮机的巨大叶片，通过传动轴与上方的发电机连接驱动发电机发电，因此，水轮发电机组、水轮调速器油压装置、变压器、配电房、gis室的设备安全和坝区上下游的环境安全是水电站最为关注的核心；水电站综合智能巡检系统台是专门针对水力发电站智能化巡检需求而开发的综合巡检管理系统，系统通过统一接入协议实现了多种巡检设备异构接入，模块化功能集可快速针对水电站水轮发电机组、配电房、gis室等场景进行巡检任务定制，模板化任务管理可实现配置的快速部署和高度复用，解决了巡检系统和机器人部署周期长的问题，边缘化分析能力，提高了ai分析的实时性和可靠性；
3.如公开号为：201910921738.4的中国发明专利提供一种用于水质自动采样的无人船装置，包括无人船主体、导航定位器、导航定位处理电路板、高清摄像头、和中央处理电路板，无人船主体的顶端中间部位固定连接有导航定位器，导航定位器的底端外侧与无人船主体的顶端中间部位内侧相连，无人船主体的外侧中间部位固定连接有气囊环，气囊环的内侧与无人船主体的外侧中间部位相连，无人船需要到湖泊或者河水上进行水质采集，在进行水质采集的时候需要无人船平稳的行驶或停在原地，才能保证水质采集的效率，气囊环可以增加无人船两侧的浮力，以达到保证无人船的平衡，避免无人船在进行水质采集的时候，无人船发生翻船的情况，使无人船内收集的水质样本打翻，有效的保证了水质采集的质量；
4.通过对上述一种用于水质自动采样的无人船装置进行研究，发现该专利仅能进行水质采集，不能对水质进行自动检测，也不能对水中杂菌清理和收集水流中的垃圾；
5.因此，我们急需发明一种水电站智能巡检无人船，通过对无人船加装菌剂泵、水质泵及垃圾收集网实现多功能融合来解决上述问题。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种水电站智能巡检无人船通过设置水质检测机构、菌剂混合机构、水面打捞机构、清理截污口机构和高精度建图装置，将水质检测、菌剂混合、垃圾清理等功能集于一体，在自主定位方面：对三维激光雷达、gnss及imu的信号进行融合及卡尔曼滤波后，获取船体的位置及姿态
，
在目标识别方面：无人船采用了yolov5(youonlylookonceversion5)算法，融合激光雷达与相机进行目标检测，能较好地在恶劣环境与夜间识别目标
，
在路径规划方面：无人船采用a*(a-star)算法和dwa(dynamicwindowapproach)算法分别进行全局规划及局部规划，通过高精度建图装置与硬件设备融合，无人船能较好地实现上述功能，达到预期要求。
7.本发明所使用的技术方案是：一种水电站智能巡检无人船包括：水质检测机构、菌
剂混合机构、水面打捞机构、清理截污口机构和高精度建图装置；
8.所述水质检测机构通过支架将转盘和收放线卷固定在无人船的上表面，无人船的上表面还固定着所述菌剂混合机构和高精度建图装置，所述清理截污口机构安装到无人船上表面前端的伸出板上，所述水面打捞机构安装到无人船上表面后侧的转动板支撑架上；
9.所述水质检测机构通过收放线卷使水质泵下放，通过水质泵下放到不同区域和不同高度的时候，使水质泵将不同区域和不同高度的水源抽取上来，通过管道流入到收集桶内部，对水质进行检测，所述菌剂混合机构通过对混合桶内的菌剂进行混合，然后使用其内部的菌剂泵将菌剂喷洒到水中实现对水质的净化，所述水面打捞机构和清理截污口机构能对水中的垃圾进行收集和清理，所述高精度建图装置通过对算法的融合和传感器的使用，能获取船体的位置及姿态，并能较好地在恶劣环境与夜间识别目标。
10.进一步的，所述线路夹紧机构包括：插线孔、控制套筒、螺纹套筒、插线套筒、夹紧控制块和夹紧块；
11.所述控制套筒的一端与所述螺纹套筒连接，所述控制套筒的另一端是所述插线孔，所述螺纹套筒的另一端与插线套筒连接，且所述插线套筒插入到所述螺纹套筒中，并且贯穿到所述控制套筒的中部与所述夹紧控制块连接，所述夹紧控制块的另一端与所述夹紧块连接，所述夹紧控制块和夹紧块均在所述控制套筒的内部。
12.进一步的，所述水质检测机构包括：转盘、收集桶、凸轮、检测仪、水质泵、收放线卷、圆环a、圆环b、电机a和蓄水池；
13.所述转盘的背面通过固定到无人船上表面的两个支架固定连接，所述转盘的背面中心安装有所述电机a，所述电机a能带动转盘转动，所述电机a通过皮带与顶部的凸轮连接，与所述凸轮通过转动接触的所述检测仪安装到固定板上，固定板安装到固定在无人船上表面的竖直支架上，所诉圆环a和圆环b安装在转盘上，所诉圆环a的内侧有尺，所述圆环b的外侧有尺，所述收集桶上装有齿轮，其通过齿轮啮合的方式均匀的装到圆环a和圆环b之间，所述蓄水池放置在收集桶的正下方，所述收放线卷被安装到无人船上表面的架子上，所述收放线卷的伸出线拴住水质泵，所述水质泵将水沿出水管抽到收集桶中。
14.进一步的，所述菌剂混合机构包括：储物桶、转动盘、固定盘、开关门、混合桶、支架、摆动杆a、摆动杆b、晃动杆、电机b和电机c；
15.所述储物桶与其下方的转动盘固定连接，所述转动盘与其下方的固定盘转动连接，所述固定盘的下表面边缘处安装有电机b，所述固定盘的下方设置有所述混合桶，所述混合桶的上方与开关门转动连接，所述混合桶的下表面与支架的杆连接，所述晃动杆套在杆上，所述摆动杆b与晃动杆转动连接，所述摆动杆b还与摆动杆a转动连接，所述摆动杆a装在电机c上，所述混合桶的下面还设置有一个出水管。
16.进一步的，所述储物桶有三个，所述电机b和电机c为步进电机。
17.进一步的，所述水面打捞机构包括：打捞网、移动夹取机构、移动丝杠机构a、收集箱a和电机d；
18.所述收集箱a安装到无人船上的转动板支撑架上，所述移动丝杠机构a安装在对称分布的两侧支撑架上，所述移动夹取机构安装到移动丝杠机构a上，所述收集箱a设置在移动夹取机构的下方，所述电机d设置在收集箱a的转动杆上。
19.进一步的，所述清理截污口机构包括：移动丝杠机构b、伸缩架、打捞叉、收集箱b和
电机e；
20.所述收集箱b安装到无人船上表面前端的伸出板上，所述移动丝杠机构b固定到无人船的伸出杆顶端，所述移动丝杠机构b中间的伸出板与伸缩架连接，所述伸缩架对称分布在收集箱b的两端，两个所述伸缩架的底部连接有打捞叉，所述电机e安装在打捞叉的转动轴上。
21.进一步的，所述高精度建图装置优化了floam算法(fastlidarodometryandmapping)并基于此实现了高精度建图，同时采用“frontier_exploration”算法实现了自主建图。
22.由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：
23.1)在自主定位方面：对三维激光雷达、gnss及imu的信号进行融合及卡尔曼滤波后，获取船体的位置及姿态；
24.2)在目标识别方面：无人船采用了yolov5(youonlylookonceversion5)算法，融合激光雷达与相机进行目标检测，能较好地在恶劣环境与夜间识别目标；
25.3)在路径规划方面：无人船采用a*(a-star)算法和dwa(dynamicwindowapproach)算法分别进行全局规划及局部规划；
26.4)在硬件设备方面：无人船加装菌剂泵、水质泵及垃圾收集网实现了多功能融合。
附图说明
27.图1为本发明的整体结构示意图。
28.图2-3为本发明的水质检测机构示意图。
29.图4-5为本发明的菌剂混合机构示意图。
30.图6为本发明的水面打捞示意图。
31.图7为本发明的清理截污口构示意图。
32.附图标号：1-水质检测机构；2-菌剂混合机构；3-水面打捞机构；4-清理截污口机构；5-高精度建图装置；101-转盘；102-收集桶；103-凸轮；104-检测仪；105-水质泵；106-收放线卷；107-圆环a；108-圆环b；109-电机a；110-蓄水池；201-储物桶；202-转动盘；203-固定盘；204-开关门；205-混合桶；206-支架；207-摆动杆a；208-摆动杆b；209-晃动杆；210-电机b；211-电机c；301-打捞网；302-移动夹取机构；303-移动丝杠机构a；304-收集箱a；305-电机d；401-移动丝杠机构b；402-伸缩架；403-打捞叉；404-收集箱b；405-电机e。
具体实施方式
33.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员能够在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.实施例，如图1-7所示，一种水电站智能巡检无人船包括：水质检测机构1、菌剂混合机构2、水面打捞机构3、清理截污口机构4和高精度建图装置5；
36.水质检测机构1通过支架将转盘101和收放线卷106固定在无人船的上表面，无人船的上表面还固定着菌剂混合机构2和高精度建图装置5，清理截污口机构4安装到无人船上表面前端的伸出板上，水面打捞机构3安装到无人船上表面后侧的转动板支撑架上；
37.水质检测机构1通过收放线卷106使水质泵105下放，通过水质泵105下放到不同区域和不同高度的时候，使水质泵105将不同区域和不同高度的水源抽取上来，通过管道流入到收集桶102内部，对水质进行检测，菌剂混合机构2通过对混合桶205内的菌剂进行混合，然后使用其内部的菌剂泵将菌剂喷洒到水中实现对水质的净化，水面打捞机构3和清理截污口机构4能对水中的垃圾进行收集和清理，高精度建图装置5通过对算法的融合和传感器的使用，能获取船体的位置及姿态，并能较好地在恶劣环境与夜间识别目标。
38.本发明实施例的一个可选实施方式中，如图2-3所示，水质检测机构1包括：转盘101、收集桶102、凸轮103、检测仪104、水质泵105、收放线卷106、圆环a107、圆环b108、电机a109和蓄水池110；
39.转盘101的背面通过固定到无人船上表面的两个支架固定连接，转盘101的背面中心安装有电机a109，电机a109能带动转盘101转动，电机a109通过皮带与顶部的凸轮103连接，与凸轮103通过转动接触的检测仪104安装到固定板上，固定板安装到固定在无人船上表面的竖直支架上，所诉圆环a107和圆环b108安装在转盘101上，所诉圆环a107的内侧有尺，圆环b108的外侧有尺，收集桶102上装有齿轮，其通过齿轮啮合的方式均匀的装到圆环a107和圆环b108之间，蓄水池110放置在收集桶102的正下方，收放线卷106被安装到无人船上表面的架子上，收放线卷106的伸出线拴住水质泵105，水质泵105将水沿出水管抽到收集桶102中；
40.在对水质进行检测的时候，通过收放线卷106使水质泵105下放，通过水质泵105下放到不同区域和不同高度的时候，使水质泵105将不同区域和不同高度的水源抽取上来，通过管道流入到收集桶102内部，通过电机a109带动转盘101转动，进而带动多个收集桶102发生移动，进而使不同的收集桶102内部存放不同的水源，同时带动凸轮103转动，进而带动检测仪104下降插入到收集桶102内部，对收集桶102内部的水质进行检测，当凸轮103转动一圈的过程中，与检测仪104脱离，检测仪104在弹簧的作用下回弹，当收集桶102移动与圆环b108的齿啮合的时候，收集桶102发生翻转，进而将收集桶102内部的水倒入下方蓄水池110中，收集桶102继续移动会与圆环a107内侧的齿啮合，进而翻转回到原位，方便下次继续使用，蓄水池110的出水口处设有电动阀门，电动阀门可以控制将蓄水池110中的水流出。
41.本发明实施例的一个可选实施方式中，如图4-5所示，菌剂混合机构2包括：储物桶201、转动盘202、固定盘203、开关门204、混合桶205、支架206、摆动杆a207、摆动杆b208、晃动杆209、电机b210和电机c211；
42.储物桶201与其下方的转动盘202固定连接，转动盘202与其下方的固定盘203转动连接，固定盘203的下表面边缘处安装有电机b210，固定盘203的下方设置有混合桶205，混合桶205的上方与开关门204转动连接，混合桶205的下表面与支架206的杆连接，晃动杆209套在杆上，摆动杆b208与晃动杆209转动连接，摆动杆b208还与摆动杆a207转动连接，摆动杆a207装在电机c211上，混合桶205的下面还设置有一个出水管；
43.三个储物桶201内部装着各种不同物质的菌剂，通过电机b210带动转动盘202转动，进而带动储物桶201转动，从而使储物桶201下端的出口与固定盘203的孔配合，进而使储物桶201内部的物质能够从固定盘203内部流入混合桶205内部，当多种物质全部流入到混合桶205内部之后，通过开关门204关闭，使混合桶205内部保持密闭状态，再通过电机c211带动摆动杆a207转动，进而带动摆动杆b208摆动，从而带动晃动杆209摆动，从而使混合桶205内部的物质混合，混合好之后，通过混合桶205内部的菌剂泵将菌剂喷洒到水流中。
44.本发明实施例的一个可选实施方式中，如图6所示，水面打捞机构3包括：打捞网301、移动夹取机构302、移动丝杠机构a303、收集箱a304和电机d305；
45.收集箱a304安装到无人船上的转动板支撑架上，移动丝杠机构a303安装在对称分布的两侧支撑架上，移动夹取机构302安装到移动丝杠机构a303上，收集箱a304设置在移动夹取机构302的下方，电机d305设置在收集箱a304的转动杆上；
46.通过打捞网301侧面的电机d305使打捞网301竖直起来，这样当无人船移动的过程中，水面的漂浮物会被打捞网301网住，再通过打捞网301翻转成水平状态，通过移动丝杠机构a303带动移动夹取机构302移动到打捞网301的内部，通过移动夹取机构302夹住打捞网301内部的垃圾，再通过移动丝杠机构a303带动移动夹取机构302移动到收集箱a304内部，通过移动夹取机构302将垃圾放在收集箱a304内部，使垃圾收集起来。
47.本发明实施例的一个可选实施方式中，如图7所示，清理截污口机构4包括：移动丝杠机构b401、伸缩架402、打捞叉403、收集箱b404和电机e405；
48.收集箱b404安装到无人船上表面前端的伸出板上，移动丝杠机构b401固定到无人船的伸出杆顶端，移动丝杠机构b401中间的伸出板与伸缩架402连接，伸缩架402对称分布在收集箱b404的两端，两个伸缩架402的底部连接有打捞叉403，电机e405安装在打捞叉403的转动轴上；
49.通过无人船带动机构移动到需要清理的区域附近，通过移动丝杠机构b401带动打捞叉403向前移动插入拦污栅中，再通过伸缩架402带动打捞叉403上升，将垃圾从拦污栅的缝隙中清理出来，随后再通过移动丝杠机构b401带动打捞叉403移动到收集箱b404上方，通过打捞叉403侧面的电机e405带动打捞叉403进行翻转，从而将垃圾倒入收集箱b404中。
50.本发明实施例的一个可选实施方式中，高精度建图装置5优化了floam算法(fastlidarodometryandmapping)并基于此实现了高精度建图，同时采用“frontier_exploration”算法实现了自主建图，在自主定位方面：我们对三维激光雷达、gnss及imu的信号进行融合及卡尔曼滤波后，获取船体的位置及姿态；在目标识别方面：无人船采用了yolov5(youonlylookonceversion5)算法，融合激光雷达与相机进行目标检测，能较好地在恶劣环境与夜间识别目标。

技术特征：
1.一种水电站智能巡检无人船，其特征在于，包括：水质检测机构(1)、菌剂混合机构(2)、水面打捞机构(3)、清理截污口机构(4)和高精度建图装置(5)；所述水质检测机构(1)通过支架将转盘(101)和收放线卷(106)固定在无人船的上表面，无人船的上表面还固定着所述菌剂混合机构(2)和高精度建图装置(5)，所述清理截污口机构(4)安装到无人船上表面前端的伸出板上，所述水面打捞机构(3)安装到无人船上表面后侧的转动板支撑架上；所述水质检测机构(1)通过收放线卷(106)使水质泵(105)下放，通过水质泵(105)下放到不同区域和不同高度的时候，使水质泵(105)将不同区域和不同高度的水源抽取上来，通过管道流入到收集桶(102)内部，对水质进行检测，所述菌剂混合机构(2)通过对混合桶(205)内的菌剂进行混合，然后使用其内部的菌剂泵将菌剂喷洒到水中实现对水质的净化，所述水面打捞机构(3)和清理截污口机构(4)能对水中的垃圾进行收集和清理，所述高精度建图装置(5)通过对算法的融合和传感器的使用，能获取船体的位置及姿态，并能较好地在恶劣环境与夜间识别目标。2.根据权利要求1所述一种水电站智能巡检无人船，其特征在于，所述水质检测机构(1)包括：转盘(101)、收集桶(102)、凸轮(103)、检测仪(104)、水质泵(105)、收放线卷(106)、圆环a(107)、圆环b(108)、电机a(109)和蓄水池(110)；所述转盘(101)的背面通过固定到无人船上表面的两个支架固定连接，所述转盘(101)的背面中心安装有所述电机a(109)，所述电机a(109)能带动转盘(101)转动，所述电机a(109)通过皮带与顶部的凸轮(103)连接，与所述凸轮(103)通过转动接触的所述检测仪(104)安装到固定板上，固定板安装到固定在无人船上表面的竖直支架上，所诉圆环a(107)和圆环b(108)安装在转盘(101)上，所诉圆环a(107)的内侧有尺，所述圆环b(108)的外侧有尺，所述收集桶(102)上装有齿轮，其通过齿轮啮合的方式均匀的装到圆环a(107)和圆环b(108)之间，所述蓄水池(110)放置在收集桶(102)的正下方，所述收放线卷(106)被安装到无人船上表面的架子上，所述收放线卷(106)的伸出线拴住水质泵(105)，所述水质泵(105)将水沿出水管抽到收集桶(102)中。3.根据权利要求1所述一种水电站智能巡检无人船，其特征在于，所述菌剂混合机构(2)包括：储物桶(201)、转动盘(202)、固定盘(203)、开关门(204)、混合桶(205)、支架(206)、摆动杆a(207)、摆动杆b(208)、晃动杆(209)、电机b(210)和电机c(211)；所述储物桶(201)与其下方的转动盘(202)固定连接，所述转动盘(202)与其下方的固定盘(203)转动连接，所述固定盘(203)的下表面边缘处安装有电机b(210)，所述固定盘(203)的下方设置有所述混合桶(205)，所述混合桶(205)的上方与开关门(204)转动连接，所述混合桶(205)的下表面与支架(206)的杆连接，所述晃动杆(209)套在杆上，所述摆动杆b(208)与晃动杆(209)转动连接，所述摆动杆b(208)还与摆动杆a(207)转动连接，所述摆动杆a(207)装在电机c(211)上，所述混合桶(205)的下面还设置有一个出水管。4.根据权利要求3所述一种水电站智能巡检无人船，其特征在于，所述储物桶(201)有三个，所述电机b(210)和电机c(211)为步进电机。5.根据权利要求1-4任意一条权利要求所述一种水电站智能巡检无人船，其特征在于，所述水面打捞机构(3)包括：打捞网(301)、移动夹取机构(302)、移动丝杠机构a(303)、收集箱a(304)和电机d(305)；
所述收集箱a(304)安装到无人船上的转动板支撑架上，所述移动丝杠机构a(303)安装在对称分布的两侧支撑架上，所述移动夹取机构(302)安装到移动丝杠机构a(303)上，所述收集箱a(304)设置在移动夹取机构(302)的下方，所述电机d(305)设置在收集箱a(304)的转动杆上。6.根据权利要求5所述一种水电站智能巡检无人船，其特征在于，所述清理截污口机构(4)包括：移动丝杠机构b(401)、伸缩架(402)、打捞叉(403)、收集箱b(404)和电机e(405)；所述收集箱b(404)安装到无人船上表面前端的伸出板上，所述移动丝杠机构b(401)固定到无人船的伸出杆顶端，所述移动丝杠机构b(401)中间的伸出板与伸缩架(402)连接，所述伸缩架(402)对称分布在收集箱b(404)的两端，两个所述伸缩架(402)的底部连接有打捞叉(403)，所述电机e(405)安装在打捞叉(403)的转动轴上。7.根据权利要求6所述一种水电站智能巡检无人船，其特征在于，所述高精度建图装置(5)优化了floam算法(fastlidarodometryandmapping)并基于此实现了高精度建图，同时采用“frontier_exploration”算法实现了自主建图。

技术总结
一种水电站智能巡检无人船包括：水质检测机构、菌剂混合机构、水面打捞机构、清理截污口机构和高精度建图装置；通过设置水质检测机构、菌剂混合机构、水面打捞机构、清理截污口机构和高精度建图装置，将水质检测、菌剂混合、垃圾清理等功能集于一体，在自主定位方面：对三维激光雷达、GNSS及IMU的信号进行融合及卡尔曼滤波后，获取船体的位置及姿态


技术研发人员：叶彤 张冠杰 李勇 于月森
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/12