一种环境监测用浮标及其集群控制方法

1.本发明属于环境监测技术领域，具体为一种环境监测用浮标及其集群控制方法。


背景技术：

2.清洁和优美的水环境是经济与民生可持续发展的重要基础。传统的水环境指标评估主要采用人工或定点浮标采集，存在采样主观、时空覆盖度低、预报时间滞后、人力物力投入大等缺点。目前水环境的密集时空序列监测技术尚缺乏，极大地制约了如水圈碳足迹标定、生物多样性宏基因组采样、新污染物溯源等国际热点研究的发展，同时也限制了我国新一代水环境监测系统与评估体系的建立。环境监测用浮标是一种常见的用于航道、湖泊、水库等水域的水环境监测工具，而现有的用于监测环境的浮标装置稳定性不够、智能机动性与协同作业能力不足，容易受外部环境载荷如风、浪的冲击造成摇摆甚至倾翻，从而影响装置的正常运行。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种环境监测用浮标及其集群控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种环境监测用浮标及其集群控制方法，包括移动浮标本身机构和多智能体规划系统，所述移动浮标本身机构包括有：螺旋桨模块、环境传感监测模块、水流侧线传感模块、gps模块、rgbd模块、可展开的太阳能充电板模块、雨量风速传感器、浮力调节模块等模块组成，所述多智能体规划系统包括有充电系统和回收决策系统。
5.优选地，所述螺旋桨模块主要由三个水下螺旋桨组成，通过不同螺旋桨的正反转和转速大小，达到直线行走、实现最小转弯半径的功能。
6.优选地，所述环境传感监测模块，主要由集成式的环境传感器组成，可周期性地定量对水质环境的离子和化学量进行监测。
7.优选地，所述水流侧线传感模块，主要由在舱体外面布置的多个压力传感器组成，多传感器之间形成的压力场，从而帮助浮标辨别周围的流场速度数据，达到感知周围水下速度场变化趋势，从而调节浮力装置和推进器功率等调节加速度大小来更省能量地调整运动轨迹。
8.优选地，所述gps模块主要由gps芯片，可实时获得浮标和水质环境监测量的经纬度信息。
9.优选地，所述rgbd模块主要由深度相机组成，其可监控障碍物和没电回收时位置推算。
10.优选地，所述可展开的太阳能充电板模块，由可随太阳升起角度倾斜的太阳能追踪器和太阳能板组成，在阳光充足且直射情况下，太阳板可彻底展开，提供能源。
11.优选地，所述雨量风速传感器主要提供雨量监测，基本原理为监测水的阻抗信息
和风速，如果遇到暴雨等天气，可提前预测出，并可指导浮标的结构变化。
12.优选地，所述浮力调节模块主要由双向泵和气囊组成，当遇到强干扰天气时，如强降雨和强风时，可利用调节浮力将吃水深度加大。
13.优选地，所述多智能体规划系统，主要依靠全局规划和动态二次规划算法，主要为多智能体回收和应急充电问题提供解决方案。
14.优选地，所述充电系统在工作的时候，当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b地伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量。
15.优选地，所述回收决策系统在工作的时候，当浮标群中，有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略。利用充电系统中所提到的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能。
16.本发明的有益效果如下：
17.1、本发明通过提出针对强干扰天气和环境下的具有结构变化功能的浮标装置和控制方法，例如，当浮标外部监测到较强的风力和流速时，为节省能量，智能浮标可以根据环境中的干扰量对吃水模式进行改进，进而减少与空气流动的有效面积有效地减少了空气阻力，而当风力逐渐变小时，浮标则自动回到普通的吃水深度，从而方便进行移动。
18.2、本发明通过在多浮标的情况下，提出集群内部能量补充策略，例如，当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b地伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量，从而完成了能量的补充。
19.3、本发明通过设置回收系统，从而当浮标群中，有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略，利用策略3中伸出的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能。
20.4、本发明通过设置可展开的太阳板追随模式，通过光敏传感器充分合理地利用太阳能作为供电能源，当太阳光的入射角度不同时，可通过光敏传感器传递信号给太阳能板控制电机，从而控制太阳能板的俯仰角度随着太阳光的入射角度发生改变。
附图说明
21.图1为本发明整体外观结构示意图；
22.图2为本发明吃水模式变换图；
23.图3为本发明太阳能板俯仰机构图；
24.图4为本发明多浮标供给充电装置和拖曳回收机构图；
25.图5为本发明救援模式控制流程图；
26.图6为本发明充电模式控制流程图。
27.图中：1、螺旋桨模块；2、环境传感监测模块；3、水流侧线传感模块；4、gps模块；5、rgbd模块；6、可展开的太阳能充电板模块；7、雨量风速传感器；8、浮力调节模块。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种环境监测用浮标及其集群控制方法，包括移动浮标本身机构和多智能体规划系统，移动浮标本身机构包括有：螺旋桨模块1、环境传感监测模块2、水流侧线传感模块3、gps模块4、rgbd模块5、可展开的太阳能充电板模块6、雨量风速传感器7、浮力调节模块8等模块组成，多智能体规划系统包括有充电系统和回收决策系统。
30.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行使用的时候，可以根据环境传感监测模块2、水流侧线传感模块3、gps模块4、rgbd模块5、雨量风速传感器7对浮标外界的天气、气流等方面的因素进行实时监测，而水流过大的时候，可以通过控制浮力调节模块8，使得浮标的吃水深度增加，从而增加与水体的接触面积而增大阻力，降低加速度，通过控制螺旋桨模块1来优化轨迹，从而更节能地控制浮标进行位置移动。
31.如图1所示，在一个实施例中，螺旋桨模块1主要由三个水下螺旋桨组成，通过不同螺旋桨的正反转和转速大小，达到直线行走、实现最小转弯半径的功能。
32.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行使用的时候，通过控制不同方位的螺旋桨的正反转和转速大小，从而达到了直线行走，实现最小转弯半径的功能。
33.如图1所示，在一个实施例中，环境传感监测模块2，主要由集成式的环境传感器组成，可周期性地定量对水质环境的离子和化学量进行监测。
34.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行工作的时候，环境传感监测模块2会周期性地定量对水质环境的离子和化学量进行监测。基于监测量分析水域水环境变化，构建环境分析模型。
35.如图1所示，在一个实施例中，水流侧线传感模块3，主要由在舱体外面布置的多个压力传感器组成，多传感器之间形成的压力场，从而帮助浮标辨别水下的流场速度数据，进而指导浮标进行吃水改变和位置移动。
36.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行工作的时候，水流侧线传感模块3会实时对浮标周围的水流流动时产生的压力进行监测，从而方便帮助浮标根据周围的流场速度数据进行吃水变化和位置移动。例如：当水中的流速加大，而此时浮标需要转弯时，压力传感系统能根据压力变化预测出流速信息，从而选择增加吃水体积从而增加阻力，减少加速度，选择合适的策略进行减速转弯。
37.如图1所示，在一个实施例中，gps模块4主要由gps芯片，可实时获得浮标和水环境监测量的经纬度信息。
38.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行使用的时候，浮标通过gps芯片实时监控浮标的所在位置。分析水环境参数的时空变化，构建环境分析模型。
39.如图1所示，在一个实施例中，rgbd模块5主要由深度相机组成，其可监控障碍物和没电回收时位置推算。
40.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行使用的时候，通过rgbd模块5监测
浮标附近的环境和障碍物，从而避免发生碰撞，以及没电回收时进行位置推算。
41.如图1所示，在一个实施例中，可展开的太阳能充电板模块6，由可随太阳升起角度倾斜的太阳能追踪器和太阳能板组成，在阳光充足且直射情况下，太阳板可彻底展开，提供能源。
42.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行工作的时候，通过利用太阳能追踪器(即光敏传感器)，从而当太阳光入射角度不同时，可传递信号给太阳能板控制电机，控制器输出太阳能板的俯仰角度。
43.如图1所示，在一个实施例中，雨量风速传感器7主要提供雨量监测，基本原理为监测水的阻抗信息和风速，如果遇到暴雨等天气，可提前预测出，并可指导浮标的结构变化。
44.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行工作的时候，雨量风速传感器7根据预测的暴雨等天气，控制浮标进行上升和下降的活动。
45.如图1所示，在一个实施例中，浮力调节模块8主要由双向泵和气囊组成，当遇到强干扰天气时，如强降雨和强风时，可利用调节浮力将吃水深度加大。
46.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行使用的时候，浮力调节模块8可以实时根据外界天气控制双向泵启动将外界的水吸入，使得气囊膨胀，从而使得浮标的吃水深度提高，从而不易发生晃动，继而提高了浮标的稳定性。待环境干扰降低时，将自身的水进行排出。从而恢复正常状态。
47.如图1所示，在一个实施例中，多智能体规划系统，主要依靠全局规划和动态二次规划算法，主要为多智能体回收和应急充电问题提供解决方案。
48.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行使用的时候，多智能体规划系统通过全局规划和动态二次规划算法，进行多智能体的回收和应急充电工作。
49.如图4和图6所示，在一个实施例中，充电系统在工作的时候，当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b地伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量。
50.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行充电的时候，控制低电量的浮标a移动到高电量的浮标b附近，然后控制浮标b伸出正负两个电极，同时浮标a会根据浮标b伸出的机械臂中的电极杆的位置，自动调整位姿，最终使得浮标b的电极杆插入到锥形卡槽中，然后控制浮标b进行放电，从而对浮标a进行充电。
51.如图4和图5所示，在一个实施例中，回收决策系统在工作的时候，当浮标群中，有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略，利用充电系统中所提到的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能。
52.上述技术方案的工作原理和有益效果为：当进行回收工作的时候，可以通过一个或者多个正常工作的浮标拖拽一个故障或缺电的浮标，从而利用充电系统中所提到的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能。
53.工作原理及使用流程：
54.实施例1：吃水模式的变换：当外部监测到较强的风力和流速时，为节省能量，智能浮标可以根据环境中的干扰量对吃水模式进行改进，具体方法为通过浮标内部的双向泵对水进行吸入，以增加吃水深度h。在这种变化作用下，通过减少与空气流动的有效面积有效
地减少了空气阻力，提升推进效率。当风力变小时，水泵可以将内部的水进行排出，浮标自动回到普通的吃水深度；当压力传感器辨识出水下的流速增加，而浮标此时需要转弯时，则加大吃水体积，增加与水体的接触面积，增加阻力，使其降低加速度，平缓地实现转弯功能。
55.实施例2：可展开的太阳板追随模式：考虑到合理利用太阳能作为供电能源，本发明提出一种追随者模式，利用光敏传感器，当太阳光入射角度不同时，可传递信号给太阳能板控制电机，控制器输出太阳能板的俯仰角度；
56.实施例3：浮标集群的充电控制系统：当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b地伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量；
57.实施例4：浮标集群的自动回收策略：当浮标群中，有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略。利用策略3中伸出的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能。
58.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
59.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种环境监测用浮标及其集群控制方法，包括移动浮标本身机构和多智能体规划系统，其特征在于：所述移动浮标本身机构包括有：螺旋桨模块(1)、环境传感监测模块(2)、水流侧线传感模块(3)、gps模块(4)、rgbd模块(5)、可展开的太阳能充电板模块(6)、雨量风速传感器(7)、浮力调节模块(8)等模块组成，所述多智能体规划系统包括有充电系统和回收决策系统。2.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述螺旋桨模块(1)主要由三个水下螺旋桨组成，通过不同螺旋桨的正反转和转速大小，达到直线行走、实现最小转弯半径的功能，所述环境传感监测模块(2)，主要由集成式的环境传感器组成，可周期性地定量对水质环境的离子和化学量进行监测。3.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述水流侧线传感模块(3)，主要由在舱体外面布置的多个压力传感器组成，多传感器之间形成的压力场，从而帮助浮标辨别周围的流场速度数据，达到感知周围水下速度场变化趋势，从而调节浮力装置和推进器功率等调节加速度大小来更省能量地调整运动轨迹。4.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述gps模块(4)主要由gps芯片，可实时获得浮标和水质环境监测量的经纬度信息，所述rgbd模块(5)主要由深度相机组成，其可监控障碍物和没电回收时位置推算。5.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述可展开的太阳能充电板模块(6)，由可随太阳升起角度倾斜的太阳能追踪器和太阳能板组成，在阳光充足且直射情况下，太阳板可彻底展开，提供能源。6.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述雨量风速传感器(7)主要提供雨量监测，基本原理为监测水的阻抗信息和风速，如果遇到暴雨等天气，可提前预测出，并可指导浮标的结构变化。7.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述浮力调节模块(8)主要由双向泵和气囊组成，当遇到强干扰天气时，如强降雨和强风时，可利用调节浮力将吃水深度加大。8.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述多智能体规划系统，主要依靠全局规划和动态二次规划算法，主要为多智能体回收和应急充电问题提供解决方案。9.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述充电系统在工作的时候，当发现浮标群中有低电量的浮标a电量接近报警值时，其邻域范围内搜索电量最多的浮标b，浮标b会伸出电池的正负两个电极，与此同时，浮标a，会根据浮标b伸出的机械臂中的电极杆的位置，进行主动调整位姿，最终插入到锥形卡槽中，然后浮标b进行放电，直到浮标a有一定的电量。10.根据权利要求1所述的一种环境监测用浮标及其集群控制方法，其特征在于：所述回收决策系统在工作的时候，当浮标群中有单个浮标由于不可抗力原因失灵或者需要回收的情况，采取1对1或者多对1的策略。利用充电系统中所提到的机械杆插入需回收的浮标中，进行拖拽，实现自动化回收功能和智能移动监测功能。

技术总结
本发明属于环境监测技术领域，且公开了一种环境监测用浮标及其集群控制方法，包括移动浮标本身机构和多智能体规划系统，所述移动浮标本身机构包括有：螺旋桨模块、环境传感监测模块、水流侧线传感模块、GPS模块、RGBD模块、可展开的太阳能充电板模块、雨量风速传感器、浮力调节模块等模块组成。本发明通过提出针对强干扰天气和环境下的具有结构变化功能的浮标装置和控制方法，例如，当浮标外部监测到较强的风力和流速时，为节省能量，智能浮标可以根据环境中的干扰量对吃水模式进行改进，进而减少与空气流动的有效面积有效地减少了空气阻力，而当风力逐渐变小时，浮标则自动回到普通的吃水深度，从而方便进行移动。浮标集群能够实现分布式地移动监测和集群内部的充放电和救援功能。救援功能。


技术研发人员：梁敖铭 李瑞鹏 范迪夏
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/4/18