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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 用于湖泊藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)的智能巡航器
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品在考慮藍(lán)藻暴發(fā)誘因的基礎(chǔ)上，綜合機(jī)械電子、自動(dòng)化控制、模式識(shí)別、GIS和GPS技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，設(shè)計(jì)出能在水面自主巡航進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的機(jī)器人。它可以在水面上自主智能巡航，通過(guò)加載多種水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)藍(lán)藻水華的影響因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可在藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)前提供預(yù)警信息，使政府決策部門有充足時(shí)間去采用多種有效手段抑制藻類生長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)控制藍(lán)藻水華暴發(fā)的目的。 本作品技術(shù)特色為：1）運(yùn)用無(wú)人智能監(jiān)測(cè)巡航器可全天候、全湖域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)誘發(fā)藍(lán)藻水華的影響因子，從而可大大節(jié)省用于藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)的人力和物力；2）巡航器導(dǎo)航定位采用兩級(jí)分層方式，可實(shí)現(xiàn)湖泊全水域巡航遍歷、實(shí)時(shí)避障、多巡航器編隊(duì)路徑協(xié)調(diào)等功能。
- 詳細(xì)介紹：
- 由于湖泊的水質(zhì)檢測(cè)是一項(xiàng)非常辛苦的常規(guī)性工作，耗費(fèi)大量的人力物力，如果能開(kāi)發(fā)出一種智能型的無(wú)人監(jiān)測(cè)平臺(tái)就顯得非常具有實(shí)際意義。 基于此，本作品綜合機(jī)械電子、自動(dòng)化控制、模式識(shí)別、GIS和GPS技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，設(shè)計(jì)出能在水面自主巡航進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的機(jī)器人。它可以在水面上自主智能巡航，通過(guò)加載多種水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)藍(lán)藻水華的影響因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總篩選統(tǒng)計(jì)。從而形成一個(gè)有效的、運(yùn)行成本低的、投資經(jīng)濟(jì)效率高的藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 該巡航器的機(jī)械系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)具有開(kāi)放性接口，能夠與多種傳感器兼容，便于系統(tǒng)升級(jí)。智能巡航器結(jié)構(gòu)上采用雙體船式結(jié)構(gòu)，螺旋槳推進(jìn)器組件左右對(duì)稱布置，由太陽(yáng)能電池組件和蓄電池為平臺(tái)提供能源。 巡航器機(jī)械部分由螺旋槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)取樣子系統(tǒng)組成。螺旋槳驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)使用兩路全橋驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200，分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流微型電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電子調(diào)速器，從而控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速。監(jiān)測(cè)取樣子系統(tǒng)主要由：電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、卷筒、水泵、鋼絲繩等組成。它一方面提升監(jiān)測(cè)探頭，另一方面當(dāng)需要抽取水樣時(shí)起到取樣的作用。 巡航器控制部分采用兩級(jí)分層控制方法。頂層用于導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和數(shù)據(jù)匯總篩選，底層用于避障和運(yùn)動(dòng)控制。頂層選用微型工控機(jī)作為上位機(jī)，它為巡航器提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力，用來(lái)處理運(yùn)算比較復(fù)雜的路徑規(guī)劃算法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作；同時(shí)，利用GPS模塊對(duì)巡航器進(jìn)行導(dǎo)航；利用無(wú)線通訊模塊將統(tǒng)計(jì)好的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心。底層選擇PIC16C57單片機(jī)，主要用于運(yùn)動(dòng)控制、開(kāi)關(guān)量傳感器的信息讀取實(shí)現(xiàn)避障的簡(jiǎn)單路徑算法?？刂撇糠值捻攲雍偷讓又g通過(guò)串口進(jìn)行通信，串行通信采用RS—232工作方式。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、目的:藍(lán)藻水華是一種稱為“藍(lán)細(xì)菌”的光合自養(yǎng)生物，對(duì)人類生存環(huán)境構(gòu)成重大威脅。如果能夠在藍(lán)藻水華暴發(fā)前對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提供預(yù)警信息，及早發(fā)現(xiàn)和抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)，就能有效地控制藍(lán)藻水華暴發(fā)。而湖泊的水質(zhì)檢測(cè)又耗費(fèi)大量的人力物力，因此開(kāi)發(fā)一種智能型的無(wú)人監(jiān)測(cè)平臺(tái)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。本作品設(shè)計(jì)能在水面自主巡航進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的機(jī)器人，可在水面上自主智能巡航，通過(guò)加載多種水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)藍(lán)藻水華的影響因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總篩選統(tǒng)計(jì)，從而可在藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)前提供預(yù)警信息。 2、思路：自主設(shè)計(jì)智能巡航器的機(jī)械系統(tǒng)模塊和智能控制模塊，由太陽(yáng)能電池組件和蓄電池提供能源，實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主巡航，完成避障、路徑規(guī)劃、環(huán)境遍歷和多機(jī)器協(xié)同監(jiān)測(cè)等任務(wù)。從而形成一個(gè)有效的、運(yùn)行成本低的藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 3、創(chuàng)新點(diǎn)：1)突破常規(guī)監(jiān)測(cè)手段受到人員和資金限制的缺點(diǎn)，運(yùn)用無(wú)人智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)全天候、全湖域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)誘發(fā)藍(lán)藻水華的影響因子，從而為湖泊藍(lán)藻水華提供預(yù)警信息；2)綜合機(jī)械電子、自動(dòng)化控制、模式識(shí)別、GIS和GPS技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)的智能巡航器可實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主巡航，完成避障、路徑規(guī)劃、全水域環(huán)境遍歷和多機(jī)器協(xié)同監(jiān)測(cè)等任務(wù)。 4、技術(shù)關(guān)鍵：巡航器的動(dòng)力性能和抗風(fēng)浪的穩(wěn)定性能；巡航器的避障、路徑規(guī)劃、環(huán)境遍歷等自主控制性能。 5、技術(shù)指標(biāo)：巡航器巡航速度和加速度、轉(zhuǎn)彎半徑、續(xù)航能力、抗風(fēng)浪穩(wěn)定指標(biāo)；太陽(yáng)能蓄能效率指標(biāo)；巡航器巡航路徑精度指標(biāo)；多巡航器協(xié)同監(jiān)測(cè)的效率指標(biāo)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、本作品針對(duì)湖泊藍(lán)藻暴發(fā)問(wèn)題，成功研制了用于藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)的智能巡航器。要控制藍(lán)藻水華暴發(fā)，關(guān)鍵是要在搞清楚藍(lán)藻水華暴發(fā)的基本條件后，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本作品在考慮藍(lán)藻水華暴發(fā)誘因的基礎(chǔ)上，利用智能無(wú)人巡航器對(duì)湖泊中誘發(fā)藍(lán)藻水華的影響因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。它與常規(guī)水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)相比，具有監(jiān)測(cè)的污染因子明確、監(jiān)測(cè)頻次高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)面積大、監(jiān)測(cè)響應(yīng)快速等特點(diǎn)。目前從所見(jiàn)報(bào)道分析，國(guó)內(nèi)外對(duì)水面無(wú)人智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)尚未進(jìn)行系統(tǒng)的研究。 2、本作品具有自主巡航的智能性，系統(tǒng)控制軟件為自主開(kāi)發(fā)研制。巡航器導(dǎo)航定位采用兩級(jí)分層方式。頂層是利用GIS技術(shù)建立湖泊數(shù)字環(huán)境地圖，實(shí)現(xiàn)湖泊空間數(shù)據(jù)庫(kù)集成與入庫(kù)，通過(guò)接收GPS模塊得到的巡航器經(jīng)緯度位置數(shù)據(jù)，在數(shù)字環(huán)境地圖上對(duì)巡航器進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航，從而實(shí)現(xiàn)巡航器在湖泊中的自主定位與路徑規(guī)劃。底層集成融合多傳感器信息，完成對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物的避障任務(wù)。針對(duì)水域面積大的湖泊，還可實(shí)現(xiàn)多巡航器協(xié)同湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年5月，榮獲校第七屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)； 2009年6月，團(tuán)省委、省教育廳、省科協(xié)、省學(xué)聯(lián)，獲省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 物理樣機(jī)中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 樣機(jī)、圖片、視頻錄像、現(xiàn)場(chǎng)展示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特色為：1）運(yùn)用無(wú)人智能監(jiān)測(cè)巡航器可全天候、全湖域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)誘發(fā)藍(lán)藻水華的影響因子，從而可大大的節(jié)省用于藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)的人力和物力；2）巡航器導(dǎo)航定位采用兩級(jí)分層方式，可實(shí)現(xiàn)湖泊全水域巡航遍歷、實(shí)時(shí)避障、多巡航器編隊(duì)路徑協(xié)調(diào)等功能。 據(jù)了解，國(guó)內(nèi)目前大約有66%以上的湖泊、水庫(kù)處于富營(yíng)養(yǎng)化的狀況。其中，重富營(yíng)養(yǎng)化和超富營(yíng)養(yǎng)化的占到22%以上，而這一趨勢(shì)仍在加劇。河湖水的富營(yíng)養(yǎng)化，造成的一個(gè)突出問(wèn)題就是引發(fā)藍(lán)藻水華的暴發(fā)。研究表明，大規(guī)模的河湖藍(lán)藻水華暴發(fā)，將造成飲用水源污染，河湖生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，水資源的利用效率降低，以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，藍(lán)藻毒素將影響公眾的健康生活，造成水環(huán)境安全隱患。本作品可實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)藻暴發(fā)誘發(fā)因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為預(yù)防藍(lán)藻水華暴發(fā)提供可靠決策依據(jù)，可廣泛應(yīng)用于城市和農(nóng)村湖泊，具有廣闊的應(yīng)用前景，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。
同類課題研究水平概述
- 通過(guò)對(duì)維普、期刊網(wǎng)、萬(wàn)方、中國(guó)專利信息網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索，與藍(lán)藻（水質(zhì)）監(jiān)測(cè)預(yù)警或智能巡航器相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)共10篇（見(jiàn)查新報(bào)告），其中： 1、“用于藍(lán)藻監(jiān)測(cè)及藍(lán)藻水華預(yù)警的浮標(biāo)”是一篇專利文獻(xiàn)報(bào)道，其中提到了該發(fā)明可以放置在湖泊、水庫(kù)或者水源地，對(duì)水體中不同位置、不同深度的有效輻射光強(qiáng)、溫度、溶解氧、藍(lán)藻生物量和總藻類生物量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。但該文沒(méi)有涉及將智能巡航器作為自主巡航監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華暴發(fā)預(yù)警平臺(tái)的內(nèi)容。 2、“巡邏機(jī)器魚”也是一篇專利文獻(xiàn)報(bào)道，該機(jī)器魚采用了GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，但其應(yīng)用領(lǐng)域是出海執(zhí)行巡邏任務(wù)，而不是進(jìn)行藍(lán)藻水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)。 3、“用于河水凈化的太陽(yáng)能生化巡航船”是一篇關(guān)于利用生物膜組件網(wǎng)箱生化治理河塘、湖泊水體的太陽(yáng)能生化巡航船的專利報(bào)道，沒(méi)有涉及用于藍(lán)藻水質(zhì)監(jiān)測(cè)。其發(fā)明人是本作品的指導(dǎo)教師。 4、“赤潮生物的監(jiān)測(cè)儀器”涉及到赤潮浮游生物的識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)與快速定量技術(shù)。沒(méi)有涉及具有進(jìn)行藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)或預(yù)警的巡航器的相關(guān)內(nèi)容。 5、“水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及集成設(shè)備研制”項(xiàng)目研制了10種水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，開(kāi)發(fā)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理軟件系統(tǒng)，研制成的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)可對(duì)12項(xiàng)水質(zhì)重要指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)的自動(dòng)化控制、信息管理、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，建立了?shù)據(jù)共享平臺(tái)和水污染事件分級(jí)通報(bào)系統(tǒng)。該成果沒(méi)有涉及進(jìn)行藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)或預(yù)警的巡航器相關(guān)內(nèi)容。 6、“智能化水質(zhì)測(cè)定儀”提到了該儀器可用于帶色的或有微量懸浮質(zhì)點(diǎn)的溶液和環(huán)境水樣的測(cè)定；另外一篇文獻(xiàn)“Google Earth和ArcGIS9.2軟件在太湖水污染及藍(lán)藻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展現(xiàn)中的應(yīng)用”中提到了利用上述軟件對(duì)太湖水污染及藍(lán)藻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和發(fā)布。這兩篇文章都沒(méi)有涉及到將智能巡航器作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)的內(nèi)容。 7、“SPC-3 UUV仿生機(jī)器魚及其長(zhǎng)航時(shí)實(shí)驗(yàn)”只是報(bào)道了機(jī)器魚的一個(gè)航行試驗(yàn)。另外一篇文獻(xiàn)“仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)控制研究”也只是對(duì)機(jī)器魚研制方面進(jìn)行了探討。這兩篇報(bào)道都未提到機(jī)器魚在藍(lán)藻或水質(zhì)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用。 8、“仿生機(jī)器魚是怎么監(jiān)測(cè)水質(zhì)的”一文中談到如何利用機(jī)器魚搭載多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行即時(shí)分析水樣，然后再把信息無(wú)線發(fā)送給船上電腦技術(shù)。但文中沒(méi)有提到該機(jī)器魚可以自主巡航，完成避障、路徑規(guī)劃、全水域環(huán)境遍歷和多機(jī)器協(xié)同監(jiān)測(cè)等任務(wù)。
