[发明专利]一种库区水下地形及水质指标探测机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种库区水下地形及水质指标探测机器人，它是一种应用于水库等水利工程建设的多功能水下机器人，它整合了GPS（Global Positioning System）与ADCP（Acoustic Doppler Current Profilers）的功能，以水体水下地形的测绘为主，兼具测定水体不同层次流速、水体流量、常规水质指标的功能，属于机器人技术领域。

背景技术

随着国家对于水资源开发利用力度的加大和对水资源空间分布的调整，各种水利工程建设项目层出不穷。水利工程项目在建设实施之前，需要大量的前期准备工作，包括水体水下地形图的获取、水体流速的测定、常规水质指标的获取等，以期对工程建设起到指导作用。

水下地形测量，对于水库、港口、桥梁等都具有重要意义；在防洪减灾中也显示了其巨大的经济效益和社会效益。随着GPS技术的发展，目前常采用的水下地形测绘方法是实时动态差分法：GPS-RTK（Real-time kinematic）技术。RTK技术工作原理是将基站观测值和观测坐标数据传输给流动站，流动站将基站传输来的数据和自身GPS观测值组成差分观测值进行实时处理，可以得到精度达厘米级的定位结果。用GPS获取平面坐标，如果再用测深仪测得深度数据，即可用软件绘制水下地形图。因此，本发明利用ADCP来测得水深数据。ADCP，即多普勒流速剖面仪，是20世纪80年代发展起来的一种新型的测流设备，它利用多普勒效应原理测流，不仅可以测定某一断面上不同水平层次的水体流速、流量，而且可测得此断面上每一点到水面的距离。如此，将GPS与ADCP结合，GPS获取某一断面平面坐标，ADCP获取此断面每一点深度数据，然后不同断面的数据相叠加，利用软件就能获得完整的水下地形图。并且在绘制水下地形图的过程中，ADCP获得的不同水平层次上水体的流速、流量信息，可以用来做科研基础数据信息。

机器人已经广泛应用于水上、水下工作，机器人可全天候工作，也可以替代人类进行一些极限条件、恶劣条件下工作。同时，使用机器人会降低风险成本。观测级ROV（Remote Operated Vehicle）的尺寸和重量较小，负荷低、成本低，及其适用于水下的观测任务。

虽然现阶段已经出现了微型GPS和ADCP仪器，但是大部分水下地形测绘工作还是用装载了GPS和ADCP仪器的船只完成。这种方法耗费人力物力和资源，不符合可持续发展的要求。因此，利用以ROV水下机器人为平台，搭载微型的GPS和ADCP仪器的多功能水下机器人进行水下地形测绘工作和水下观测工作，使原本至少需要二至三人的工作变成只需要一人就能完成，节约人力物力，节省能源，具有更高的经济、环境效益。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种库区水下地形及水质指标探测机器人，它是一种整合了GPS与ADCP技术的多功能机器人，主要用来获取水利工程需要的水下地形图，同时也可获得水体不同层次的流速、常规水质指标等资料，给水利工程的建设实施提供参考，为科研活动的开展提供基础数据。

2、技术方案：本发明一种库区水下地形及水质指标探测机器人，它包括地面基站系统和机器人系统。两者之间的关系是：地面基站系统在岸上，机器人系统在水中，地面基站系统与机器人系统之间通过电缆来连接，通过地面基站系统来控制机器人系统进行工作；机器人系统的工作状态分为水上状态和水下状态，当需要绘制水下地形图时，机器人系统工作状态为水上状态，当需要测量水下水质指标和获取水下影像时，机器人系统工作状态为水下状态。

所述地面基站系统包括1个金属外壳主体和6个模块。6个模块包括：机器人操控模块、GPS基准站模块、浮力控制模块、数据传输模块、计算机处理模块、电力模块。6个模块整合固定在金属外壳主体内，并通过数据线相互连接。

该金属外壳主体形状为长方体，地面基站系统的各模块通过金属外壳主体内部的卡槽固定在金属外壳主体内部；金属外壳主体上部有穿孔，GPS基准站天线从孔中穿出，天线外部用防水材料包裹，防止天线受损。

该机器人操控模块是由航模遥控器改进而成，包括动力控制和方向控制，可以控制机器人的航行速度和航行方向；该遥控器嵌于金属外壳主体的凹槽内，操控机器人时，可从槽中取出。遥控器的电线连接于地面基站系统总线上。

该GPS基准站模块是GPS基准站仪器，采用美国Trimble公司的SPS985RTK GPS接收机。将该GPS基准站仪器的主体部分剥离并固定于金属外壳主体内，GPS天线安装于金属外壳主体上部突出的部分。该GPS基准站仪器的电线连接于地面基站系统总线上。