轨道式水质监测机器人研究

轨道式水质监测机器人研究

何胜辉

深圳市七善科技有限公司  广东深圳 518083

摘要：随着计算机技术的不断推广，智能机器人已被广泛地用于水质监测领域，目前，机器人市场规模也在不断地扩大，并逐渐步入高品质发展的新时期。当前，在我们的日常工作方式中，轨道式监测机器人的使用范围最广，它的稳定性要比其他模式的机器人要好很多，而且，它的主要功能是可以帮助或者代替工作人员完成各种水质监测工作，从而将人们在繁重的工作中的重复劳动释放出来，从而节约了由人工巡检耗费的人力、财力和时间。

关键词：轨道式水质监测机器人；智能化监测；应用

前言

传统水产业已无法满足可持续发展的要求，实现生态养殖的转型升级是当务之急。与国内外的新型水产养殖模式相结合，一种新的水产养殖模式——工厂化循环水产养殖模式，因为它具有节能、节水、节地等优点，所以被大量地用于淡水鱼虾、贝类和海水鱼虾养殖。它具有养殖密度高、可控性好、经济节能等优点，是水产养殖实现绿色可持续发展的一个重要方向。为解决常规的手工巡视工作量大，人力成本高，进度慢等问题，有学者提出了一种轨道式水质监测机器人在轨作业的新方法。实现了的实时探测，并实现了高清视频、红外热图像及周围环境信息的采集。

一、轨道式水质监测机器人研发背景

随着社会经济的发展，水产养殖工作也逐渐规模化。工厂化循环水如果不能得到及时的检测和处置，很可能会引起水体和环境的污染，从而带来巨大的经济损失。所以，在工厂化循环水养殖模式中，需要采用一种数字化、自动化、智能化的水体环境监控方法，能够对水体的污染进行快速、精确的检测，并对其进行相应的处理，从而提升水体的环境管理能力，这在现实的生产过程中是非常有必要的。对收集到的数据展开及时、高效地分析和处理，了解水质环境的状况和变化趋势，并以此为依据，制定相应的对策，从而实现对养殖水质环境进行科学地管理，从而提升养殖水产存活率、质量和产量的目标[1]。在对水质进行综合评价时，会受到很多的水质环境因素的影响，它们彼此间存在着一定的相关性，并且呈现出了一种非线性、高维的特征。在环境变化、生物活动等因素的作用下，这些因素很容易发生变化，导致水环境的退化，从而对水产品的质量和产量产生不利的影响，所以，对水质环境因素展开分析和处理，有着非常重要的研究价值。当前，多参数的水质综合评价和水质状况预测是水质分析处理的重要内容。多参数的水质综合评价指的是以收集到的多种水质环境因子数据为基础，利用信息融合技术，对水质环境的污染程度或等级进行全面评估。对水质状况进行预测，指的是以多种水质环境因素的历史数据为基础，利用数学模型对将来的水质环境变化趋势进行预测，从而为对水质环境进行科学的管理提供依据。

二、轨道式水质监测机器人控制系统设计

（一）硬件系统

1、硬件系统方案

根据轨道式水质监测机器主要的工作原理，本文提出了一种基于无线通信技术的基于卫星导航定位的卫星导航定位技术，并将卫星导航定位到卫星导航定位上。在此基础上，提出了一种基于主控制器和辅助控制器的水质监控系统的控制模块。该控制系统包括了一个主控系统和一个辅助系统。其中，主控制器的作用是:对图像信号进行采集，并对传感信号进行处理;对所获得的信息进行了简单的前处理，利用无线通信系统将所获得的信息传输到地面监测系统;接受来自于地面监测中心的控制命令，并将动作控制命令传送给辅助控制器;负责对水环境检测设备的工作情况进行监视，并将结果反馈给地面检测中心;监视水处理机器人的电池状况，并将充电命令传递给辅助控制器[2]。该辅助控制系统的工作包括:对各传感器的数据进行收集，并将收集到的数据传送给上级系统，包括:水质信息、位置信息、机器人的速度、加速度等;接收主机发出的控制命令，对各驱动组件进行动作控制。传感器输入模块由高清摄像头、水质数据采集模块(包括温度、 PH值、溶氧量、盐度、含氮量和叶绿素等传感器)、惯性测量模块、漏水检测模块和定位模块等构成，它们的工作主要是对各种信息数据的采集进行工作。该系统由移动控制器、充电伸缩机构以及横向推进机构等三部分构成，其功能是接受来自控制系统的命令，并对其进行控制。该系统包括车载和地面两个部分，包括车载和地面两个部分。其中，电池的功率管理部分包括电池的充电与放电调节部分，其功能包括电池的充电与放电调节部分。

2、软件系统

轨道式水质监测机器人的软件设计直接影响到水处理设备的整体性能和整体功能，一个好的水处理设备能够大大提升水处理设备的使用价值。其中，软件部分分为两个部分:监测中心的软件部分和嵌入式的软件部分。我们着重阐述了监测中心软件系统和嵌入式软件系统的软件架构以及它们之间的合作模式，同时着重探讨了人机交互设计、水质数据采集及处理、水质数据库设计及数据可视化等方面。笔者介绍了一种基于计算机视觉技术的水质检测机器人的设计方法。该控制中心的控制软件是通过设置在遥控器的 PC机上实现的，可以被用户控制和应用

[3]。监控中心软件系统的工作内容包括:任务管理、人机交互、水质数据分析、故障诊断、数据库管理以及数据可视化等。笔者介绍了一种基于计算机程序的智能水处理技术，并将该技术应用于水质监控机器人的监控模块中。在此基础上，提出了一种基于嵌入式软件的水质监控机器人设计方案。在此基础上，提出了一种基于计算机视觉技术的污水自动检测方法，并对其检测结果进行了分析。监控中心软件系统主要对水质数据分析处理、视频及定位数据处理、数据库管理、任务管理、故障诊断与报警、巡航控制等方面进行了具体的工作。此外，还设计了一个人性化的人机交互操作界面，它可以对监测机器人上传的视频数据及其他各项传感器数据进行实时显示，在人工输入巡航速度和巡航周期后，可以一键切换控制模式。嵌入式软件系统主要完成了视频数据采集、传感器数据采集及预处理、执行器控制等工作，它能够与监控中心系统进行通信，还能够对水质监测机器人的安全性进行检查。由于在运行过程中，环境卫生检测的机械臂在不同的空间和地点之间不停地运动，因此，通过有线方式实现对环境卫生的有效控制是十分困难的。采用无线通信的方法，利用多台高增益的路由器，将监控范围内的所有设备都分布在监控范围内，构成了一个 WLAN网络。经实验证明，在不超过30%的条件下，该系统的通信半径可以达到100米，能够适应大部分通信环境。在此基础上，本文提出了一种基于视频数据、传感器数据和控制命令的数据交换方法。现在，最常见的是 TCP和 UDP两种网络通信协议， TCP的特征是传输可靠、可控，通过三次握手机制来确保传输的数据的完整性， UDP则没有这种方式，它是将数据直接发送到接收方，它并不能确保数据被发送到接收方，但是它的传输效率比较高。一般情况下，视频数据的数量很多，因此需要画面流畅、延时小。但是，它对稳定性的要求并不高，而且还会有一定的丢包，因此，视频传输可以采用 UDP协议。

三、结语

总体来说，在轨道式水质监测机器人的结构设计上，还有一些可以改进的地方，比如，我们所设计的这种在轨道上运行的水质监控机器人是在一个固定的高度上运行的，在以后，我们还可以将它作为一个可以在水中进行各种深度监控的升降机。文中所述的水质分级评估及预报模式，所选取的水质参数及所述模式，以仅限于单个水生习性指数，之后可转换为其它水生习性指数来进行培训及试验，以增强模式的通用性。在此基础上，结合气象因子、局部气候因子、鱼类生活习性等各种因素，建立更加科学的水体质量评价模式。

参考文献

[1]智超群. 水质监测机器人集群通信网络部署及路径规划策略研究[D].中北大学,2023.

[2]何小龙. 轨道式水质监测机器人研究[D].宁波大学,2021.

[3]刘昊,王鑫,李静等.水质监测机器人编队通信节点优化部署策略[J].火力与指挥控制,2020,45(11):123-129.