城市河道排污口巡查方法及巡查系统

摘要

本发明公开了一种城市河道排污口巡查方法及巡查系统，包括水上移动基站以及排污口探测机器人，两者之间可通讯且两者之间设置有定位系统，水上移动基站可以调配管理排污口探测机器人并获取排污口探测机器人的数据，通过协同两者的工作可以高效完成河道排污口的搜查与定位工作并将数据反馈至用户手中，效率高；水上移动基站包括巡航载体，巡航载体上设置有控制中心、定位模块以及基站电源；排污口探测机器人包括水下机器人，水下机器人上设置有避障系统、排污口探测单元、机器人电源以及机器人控制器。本发明的城市河道排污口巡查系统包含的排污口探测机器人可在水下进行自动巡航探测排污口的位置，本系统对于河道治理工作意义非凡。

说明书

技术领域

本发明涉及巡查系统领域，特别是涉及一种排污口巡查方法及巡查系统。

背景技术

城市水污染已严重地影响着河道两岸居民的日常生活和健康，水质改善迫在眉睫。 然而，当前对水下排污口的排查与探测还主要依靠人工排查和抽干河道两种方式，排污 口的排查与探测成本较高，效率较低、耗时较长，无法成为普遍适用的排查方式。因此， 城市河道排污口巡查系统的研发具有重大的社会意义，它能精准有效地提供河道受污信 息，一次巡航能发现巡航区域的大部分排污口，并将信息反馈到用户手中，帮助解决长 期以来河道的污染难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种探测到排污口并获取 其精准位置信息的城市河道排污口巡查方法及巡查系统。

技术方案：为实现上述目的，本发明的城市河道排污口巡查方法，包括水上移动基 站以及至少一个排污口探测机器人；

包括如下步骤：

步骤一：水上移动基站带着排污口探测机器人在河道中航行；

步骤二：水上移动基站为排污口探测机器人分配探测任务并释放排污口探测机器人 到水下执行探测任务，所述水上移动基站可与排污口探测机器人之间保持通讯并可获得 各排污口探测机器人的位置；

步骤三：排污口探测机器人在水下自动规划路径航行并探测水质数据，水上移动基 站或排污口探测机器人根据探测的水质数据判断排污口的具体位置；

步骤四：排污口探测机器人完成探测任务，水上移动基站回收所有的排污口探测机 器人。

进一步地，水上移动基站上搭载有避障模块与浊度传感器，其依靠所述避障模块在 河道中自动根据避障算法航行，且其依靠所述浊度传感器初步确定排污口的大致位置， 当浊度传感器检测到当前位置的浑浊度超过一定的阈值，水上移动基站释放排污口探测 机器人去水下进一步探测排污口位置。

进一步地，所述排污口探测机器人寻找排污口的步骤为：首先，探测当前位置的水 质数据，然后，航行到下一点并继续探测水质数据，若该位置的水质数据好于前一位置 的水质数据，则返回前一位置，再从前一位置向另一方向运动，直至找到水质比前一位 置差的位置，再基于此位置寻找下一个水质更差的点，依此循环逐渐找到水质最差的位 置则为排污口的位置。

进一步地，所述排污口探测机器人在水下依据人工势场法进行运动规划导航。

基于上述城市河道排污口巡查方法的巡查系统，所述水上移动基站与所述排污口探 测机器人之间设置有通讯系统与定位系统；所述水上移动基站包括巡航载体，所述巡航 载体上设置有控制中心、定位模块、避障模块、浊度传感器以及基站电源；所述排污口 探测机器人包括可在水下运动的水下机器人，所述水下机器人上设置有避障系统、排污 口探测单元、机器人电源以及机器人控制器。

进一步地，所述通讯系统为水声通讯系统，所述水声通讯系统包括设置在巡航载体 上的接收器以及设置在水下机器人上的发射器。

进一步地，所述定位系统为超短基线定位系统，定位系统包括设置在所述巡航载体 上的发射换能器与接收基阵以及设置在所述水下机器人上的应答器。

进一步地，所述排污口探测单元包含PH值传感器、COD传感器以及氨氮传感器。

进一步地，还包括可与所述水上移动基站进行数据通讯的云服务器。

进一步地，所述水下机器人包括机器人本体以及驱动所述机器人本体运动的动力单 元，所述动力单元包括转向电机、俯仰电机以及连接有螺旋桨的主推电机。

有益效果：本发明的城市河道排污口巡查方法与巡查系统基于水上移动基站以排污 口探测机器人，排污口探测机器人可在水下进行自动巡航探测排污口的位置，水上移动 基站可以调配管理排污口探测机器人并获取排污口探测机器人的数据，通过协同两者的 工作可以高效完成河道排污口的搜查与定位工作并将数据反馈至用户手中，效率高，对 于河道治理工作意义非凡。

附图说明

附图1为城市河道排污口巡查系统的整体构成图；

附图2为城市河道排污口巡查系统的工作流程图；

附图3为水上移动基站的构成图；

附图4为排污口探测机器人的构成图；

附图5为动力系统的控制流程简图；

附图6为避障系统的声呐布局图；

附图7为排污口探测机器人的运动规划流程；

附图8为改进人工势场法下排污口探测机器人的受力图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所示的城市河道排污口巡查系统，包括水上移动基站1以及排污口探测机 器人2(简称AUV)，两者之间可通过通讯系统相互通讯且两者之间设置有用于确定两 者相对位置的定位系统。系统可以只包含一台排污口探测机器人2，优选地，系统包含 由多个排污口探测机器人2组成的机器人集群，水上移动基站1可以与机器人集群协同 作业进行河道的探测任务。

所述水上移动基站1与排污口探测机器人2之间通过水声通讯系统进行通讯，水声 通信是一项已较为成熟的通信技术，在市场上也有销售，水声通讯系统一般采用水声扩 频技术，建立有效通道来抵制多径效应，最后利用水声调制解调器实现数据传输。所述 水声通讯系统包括设置在水上移动基站1上的接收器104以及设置在排污口探测机器人 2上的发射器204。

本发明的城市河道排污口巡查系统的工作流程如附图2所示，具体步骤为：

步骤一：水上移动基站1带着排污口探测机器人2在河道中航行；

步骤二：水上移动基站1为排污口探测机器人2分配探测任务并释放排污口探测机 器人2到水下执行探测任务，水上移动基站1与排污口探测机器人2之间保持通讯并通 过定位系统获得各排污口探测机器人2的位置；水上移动基站1分配任务的方式主要是 按照区域布置任务，水上移动基站1将排污口探测机器人2分派至不同方向进行探测， 这样可以提高效率也可以没有遗漏；

步骤三：排污口探测机器人2在水下自动规划路径航行并探测水质数据，系统根据 探测的水质数据判断排污口的具体位置；确定排污口位置的工作可以由排污口探测机器 人2完成，也可以通过通信系统将数据上传至水上移动基站1，由水上移动基站1完成；

步骤四：排污口探测机器人2完成探测任务，水上移动基站1回收所有的排污口探 测机器人2。

所述定位系统为超短基线定位系统(USBL)，定位系统包括设置在所述水上移动基 站1上的发射换能器105与接收基阵106以及设置在所述排污口探测机器人2上的应答 器205。发射换能器105发出一个声脉冲，应答器205收到后，回发声脉冲，接收基阵 106收到后，测量出X、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间计算出排污口探 测机器人2到接收基阵106的距离R，从而计算得到排污口探测机器人2在平面坐标上 的位置和排污口探测机器人2的深度。

如附图3所示，所述水上移动基站1包括巡航载体101，所述巡航载体101上设置 有控制中心102、定位模块103、避障模块107、浊度传感器108、基站电源109以及太 阳能板110；所述定位模块103、避障模块107、浊度传感器108均连接控制中心102。

定位模块103为GPRS模块或者北斗定位模块，可让控制中心102知道水上移动基 站1所处的位置。

巡航载体101为巡航船，根据城市河道的特点可采用玻璃钢制品船体，玻璃钢船最 大优点是耐腐蚀、重量轻、维修容易、使用寿命长，船体巡航的动力由基站电源109提 供，基站电源109优选为锂电池。为了保证系统的安全，与基站电源109连接有锂电池 监测电路，锂电池监测电路包含单片机、电压计、温度传感器以及控制开关，可以随时 监控锂电池的电压、温度等参数，若发生异常状况，可随时切断控制开关。

巡航载体101可在控制中心102的控制下载河道中进行自动巡航，控制中心102对 巡航载体101的控制依赖于避障模块107探测的数据，避障模块107优选为红外线传感 器，避障模块107可以探测巡航载体101的运行方向上有无障碍物，若有则控制中心102 控制巡航载体101绕开障碍物，这样船体能始终保持在河中航行，并能自动绕过河道弯 道、障碍物等。也可以通过手动遥控控制巡航载体101，巡航载体101上安装有无线遥 控模块211，这样便于用户回收巡航载体101并对其进行保养。

巡航载体101上搭载的浊度传感器108可以实时采集当前巡航载体101经过位置的 实质的浑浊程度，该传感器的工作原理是：传感器内部是一个IR958与PT958封装的红 外线对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越污浊， 透过的光就越少。光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小，透过的光多，电流 大，反之透过的光少，电流小。通过测量接收端电流的大小，就可以计算出水的污浊程 度。通过该传感器，水上移动基站1可以随时判断当前所在位置的污染情况，若水的污 浊程度明显较高(当浊度传感器108检测到当前位置的浑浊度超过一定的阈值)，则可 初步判断附近可能存在排污口，水上移动基站1释放排污口探测机器人2去水下进一步 探测排污口位置。

为了确保巡航安全，提示其它船只以及方便用户随时知晓巡查系统的位置，巡航载 体101上还搭载有指示灯212。

如附图4所示，所述排污口探测机器人2包括可在水下运动的水下机器人201，所 述水下机器人201上设置有避障系统202、排污口探测单元203、机器人电源206、机器 人控制器207以及电池管理系统208。

所述水下机器人201包括机器人本体以及驱动所述机器人本体运动的动力单元，所 述动力单元包括独立的控制单元、转向电机、俯仰电机以及连接有螺旋桨的主推电机， 转向电机控制机器人本体的水平转向，俯仰电机控制机器人本体的俯仰姿态，主推电机 推动机器人本体前进。附图5为动力单元的控制流程，对于已经规划的目标路线，控制 单元必须不断控制调整转向、俯仰电机的偏转角度和主推进器的转速来接近目标路线。 因此，控制单元必须不断获得实际路线的不断反馈并输出控制信号。PID算法便是水下 机器人应用矢量推进器时的常用算法，其通过对比例(P)、积分(I)和微分(D)三部 分的偏差的计算，从而实现控制实际值与设定值的不断接近。因此，在写入动力控制系 统程序时需应用PID算法使AUV实现按目标路线的航行。

所述避障系统202为声呐避障系统，声呐避障系统包括设置在水下机器人201前端 的多个声呐发生器。如附图6所示，声呐发生器可围绕水下机器人201前端的各个方向 发射声呐，全方位探测水下机器人201前方的环境信息，机器人控制器207可根据探测 的障碍物信息及时调整水下机器人201的位姿与航速避开障碍物。

水下机器人201的自动运动规划方法采用人工势场法，人工势场法是一种虚拟力法， 它对障碍物建立斥力势场，对目标点建立引力势场，综合目标对水下机器人201的吸引 力以及障碍物对水下机器人201的排斥力使水下机器人201绕开障碍物并向目标点移 动。

由于该算法依据的是局部环境信息，缺乏宏观的调控能力，容易产生局部极小值问 题，导致水下机器人201无法到达目标点，限制了人工势场法的应用。

为了解决传统人工势场法的局部陷阱问题，现对斥力场函数进行改造，以使当水下 机器人201在向目标逼近时，斥力场趋于零，目标点将是整个势场的全局极小点。其通 过实验与调整，把水下机器人201与目标之间的相对距离也考虑进去，从而建立一个新 的斥力场函数如下：

其中，ρ(X，X₀)是AUV与障碍物之间的最近距离，ρ(X，Xg)为AUV与目标之间的距>0之内，η是一个位置增益系数。与传统人工势能相比，>sum将驱使其远离障碍物并且尽可能逼近目标。当AUV未到达目标时，即>

其中，矢量F_rep1的方向是从障碍物指向AUV，矢量F_rep2的方向是从AUV指向目标，是>rep1对AUV产生斥力时，Frep2对AUV产生朝向目标的吸引力。当AUV近目标时，F_rep1趋于零，F_rep2趋于常数，驱动AUV驶向目标。

至于引力势场函数的选取，与传统的相同即可，结合新斥力势场函数来构建AUV的 全局势场。定义新的人工势场函数如下：

附图7为排污口探测机器人2的运动规划流程：首先，设定路径目标点，排污口探 测机器人2向目标点靠近，同时声呐避障系统探测前方有无障碍物，当前方存在障碍物， 排污口探测机器人2依照改进后的人工市场法进行自动运动规划避障再向目标点靠近， 当前方不存在障碍物，排污口探测机器人2直接安装预定的轨迹前进。

由于河道水污染成分复杂，主要有生活污水、工业废水，这些都能造成城市河道的 黑臭。根据受污河水的成分分析，将排污口探测单元203设计组装成综合性传感器，所 述排污口探测单元203包含但不限于PH值传感器、COD传感器以及氨氮传感器，三种 传感器分别可以测量河水的PH值、化学需氧量(COD)以及氨氮浓度的值，巡测前， 可参照第三方对该河道检测的本底值进行设置敏度的临界值，使水下机器人201可以找 到水污染情况最严重的部分，锁定排污口的位置。

所述排污口探测机器人2寻找排污口的步骤为：首先，探测当前位置的水质数据， 然后，航行到下一点并继续探测水质数据，若该位置的水质数据好于前一位置的水质数 据，则返回前一位置，再从前一位置向另一方向运动，直至找到水质比前一位置差的位 置，再基于此位置寻找下一个水质更差的点，依此循环逐渐找到水质最差的位置则为排 污口的位置。排污口探测机器人2每次从当前位置向一个方向运动一定步距(如20米) 下一位置，再进行该位置的水质数据探测。

用户根据GPS或北斗定位系统可获知水上移动基站1当前的位置，水上移动基站1 可以根据定位系统获知当前排污口探测机器人2的位置，如此用户就可以得到排污口的 精确位置。

对应于机器人电源206设置有电池管理系统，电源管理的主要功能是通过采集各个 耗电模块节点的电压、电流和电池及测试点温度等信息通过计算得出系统剩余工作时间 的估计值和系统的工作状态，这里的信息采集主要依靠温度传感器的温度模拟量、以及 电压、电流信号通过接口与机器人控制器207通信。

还包括可与所述水上移动基站1进行数据通讯的云服务器3，现实操作中，主要是 水上移动基站1将执行任务过程中的各种数据(如：排污口位置、当前水上移动基站1 的位置以及各排污口探测机器人2的位置)上传同步至云服务器3。

本发明的城市河道排污口巡查系统包含的排污口探测机器人可在水下进行自动巡 航探测排污口的位置，水上移动基站可以调配管理排污口探测机器人并获取排污口探测 机器人的数据，巡查方法通过协同两者的工作可以高效完成河道排污口的搜查与定位工 作并将数据反馈至用户手中，效率高，对于河道治理工作意义非凡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。