一种物联网水下作业系统的制作方法

本发明涉及无人潜水器领域，具体涉及一种物联网水下作业系统。

背景技术：

随着国内海水养殖业的发展，养殖企业和个人迫切需要应用在水产养殖生产和科学研究的水下机器人，来对水下养殖水质及养植物生长的状况进行实时监测。现有的水下机器人分为两种，一种称为rov即远程遥控潜水器，目前的rov技术较为成熟，且已经形成了完整的产业，被广泛应用在抢险、海底探测、海洋石油探勘和海底管道铺设等方面；另一种水下机器人为有缆机器人，其通过电缆直连的方式控制水下机器人，由于其安全、高效和可持续性，适合用于靠岸浅海的水产养殖方面。

现阶段内，在养殖与收获季节内存在着劳动强度大、作业环境差以及现代海水养殖面积较大而需要较多的人工来进行检测和采集信息的需求，养殖企业和个人迫切需要应用在远程、深海水产养殖生产和科学研究的水下机器人，这种机器人需要既能够进行水下作业，也能够对水下养殖水质及养植物生长的状况进行实时监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高一种物联网水下作业系统，以满足远程、深海水产养殖生产和科学研究对机器人的需求。

为实现上述目的，本发明中的物联网水下作业系统采用如下技术方案：

一种物联网水下作业系统，包括：

水下机器人，其中设置有用于观察水下环境的摄像装置，用于获取水下环境信息的传感器以及抓取样品的机械爪；

上位机，与水下机器人通信连接，能够控制水下机器人在水下运动以及机械爪动作，还能够接收水下机器人中摄像装置拍摄的画面以及传感器收集到的水下环境信息；

物联网系统，包括nb-iot模块以及nb-iot基站，所述nb-iot模块与上位机通信连接，能够收集到上位机所采集到的数据，所述nb-iot基站与nb-iot模块通信连接，能够将nb-iot模块收集到的数据传递至internet网络或服务器。

进一步的，所述水下机器人包括外壳，所述外壳的顶部呈矩形，且于外壳顶部四个边角处均设置有第一旋翼，第一旋翼包括回转轴和设置在回转轴外周面上的螺旋桨，第一旋翼动作时能够带动水下机器人在上下方向上动作，水下机器人在前进后退方向的两侧设置有第二旋翼，第二旋翼包括回转轴和设置在回转轴外周面上的螺旋桨，第二旋翼动作时能够带动水下机器人在前后方向上动作。

进一步的，第一旋翼和/或第二旋翼中回转轴的回转轴线方向可调，以调整对应旋翼中螺旋桨与水流接触的反作用力。

进一步的，第一旋翼和/或第二旋翼中沿回转轴的轴向间隔布置有两组以上螺旋桨，各组螺旋桨沿对应回转轴的周向均布。

进一步的，第一和/或第二旋翼设置有可悬停快速动力响应单元。

进一步的，所述水下机器人的外壳包括在上下方向上相对的顶板及底板，以及两分别能够连接顶板及底板的侧板，所述侧板的延伸方向与水下机器人的前进方向平行，顶板、底板及两侧板围成方筒状结构，方筒状结构在水下机器人前进方向上的两端具有开口。

进一步的，第二旋翼设置在侧板与顶板、底板所围成的空间内。

进一步的，方筒状结构内设置有控制模块，所述控制模块包括控制模块壳体，控制模块壳体内设置有控制器，控制器与摄像装置、传感器、机械爪及第一、第二旋翼通信连接，摄像装置安装在控制模块壳体内。

进一步的，所述控制模块壳体包括圆筒，圆筒的轴线与水下机器人前进方向平行，圆筒的前端密封安装有半球状透明罩，所述摄像装置位于半球状透明罩围成的半球状空间内，圆筒的后端设置有供电缆及电线通过的开口。

进一步的，所述传感器包括位于控制模块壳体内、以获取控制模块内电路环境湿度信息的湿度传感器，以及位于控制模块壳体外且浸泡在水中的ph传感器、温度传感器和压强传感器。

其有益效果在于：本发明中的上位机与水下机器人通信连接，能够控制水下机器人进行水下作业，控制水下机器人来监测海产品生长状况和海水信息，有效降低了海洋养殖作业人员的劳动强度。同时，传感器固定在机器人上随机器人运动，可以移动检测水下养殖区内任意地点的环境信息，有效降低了成本和解决了维护难度的问题。另外上位机与物联网通信连接，信息发送至internet网络或服务器，形成一个智能的监测管理系统，增强用户对海洋牧场检测能力，使水下机器人能够成为海水养殖产业中广泛应用的工具。在物联网中使用了nb-iot技术，nb-iot技术相较于传统物联网通信方式，提升20db增益,相当于提升100倍覆盖区域能力，其强链接、高覆盖、低功耗的特点，更适应广阔近海海域的通信要求。

附图说明

图1为本发明中物联网水下作业系统实施例1的结构示意图；

图2为图1中水下机器人的结构示意图；

图3为图1中eods软件的界面示意图；

图4为图1中水下机器人所采集到数据的示意图；

图中：

10-水下机器人；11-上端板；12-凹型下固定板；13-侧固定板；14-第一旋翼；

15-第二旋翼；16-控制模块；17-机械爪；18-供电单元；19-照明灯；

20-上位机；30-nb-iot模块；40-nb-iot基站；50-传感器组；51-ph传感器；

52-压强传感器；53-陀螺仪；54-温度传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明中物联网水下作业系统的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明中物联网水下作业系统的实施例1：如图1所示，物联网水下作业系统主要包括三部分，分别为在水中进行作业的水下机器人10，供操作者使用的上位机20，以及与上位机20之间建立通信的物联网系统。

其中，如图2所示，水下机器人10包括外壳，外壳包括作为顶板的上端板11、作为底板的凹型下固定板12以及作为侧板的侧固定板13。上端板11为矩形，具有四个边角，凹型下固定板12在上下方向上的投影呈凹字形，具有一个缺口。而外壳的侧固定板13有两个，侧固定板13的上端面和下端面分别与上端板11、凹型下固定板12通过螺纹紧固件连接，侧固定板13的延伸方向与水下机器人10的前进方向平行，从而使水下机器人10的外壳围成了一个方筒状结构，方筒状结构在水下机器人10前进方向上的前端和后端都具有一个开口，两端的开口连通方筒状结构的内部空间。

在上端板11的四个边角处，设置有能够带动水下机器人10在上下方向上动作的第一旋翼14，第一旋翼14包括回转轴，回转轴的外周面上设置有绕回转轴轴线间隔布置的螺旋桨。在侧固定板13内侧，以一左一右的方式布置有两个第二旋翼15，第二旋翼15位于侧固定板13中间位置处即腰部处。第二旋翼15包括回转轴，回转轴的外周面上设置有绕回转轴轴线间隔布置的螺旋桨，第二旋翼15动作时能够带动水下机器人10在前后方向上动作。对于第一旋翼14及第二旋翼15来讲，还包括保护外壳，能够防止螺旋桨转动时被异物打伤。同时，第一旋翼14及第二旋翼15中回转轴的轴线可调，以调整对应旋翼中螺旋桨与水流接触的反作用力，并且第一旋翼14及第二旋翼15设置有基于pid的可悬停快速动力响应系统，当出现故障的时候，可使机器急停并紧急上浮，每个旋翼都具有独立的驱动电机。

在水下机器人10的外壳内设置有控制模块16，控制模块16包括控制模块壳体，控制模块壳体内设置有控制器。控制模块壳体包括圆筒，圆筒的轴线与水下机器人10前进方向平行，圆筒前端的开口处通过皮垫密封安装有半球状透明罩，半球状透明罩所围成的半球形空间内安装有摄像装置，摄像装置包括主摄像头和云台。主摄像头固定在云台上，且云台具有两个自由度，可以实现水平和垂直的转动，主摄像头与控制器之间通过usb导线连接，能够将采集到的图像传递给控制器。

圆筒的后端设置有供电缆及电线通过的开口，控制器通过电线与第一旋翼14、第二旋翼15连接，以控制对应旋翼工作。在控制模块16的左右两侧还设置有照明灯19，以帮助水下机器人10能够采集到清晰的水下画面。

水下机器人10上设置有传感器组50，传感器根据采集数据的不同分为位于控制模块壳体内、以获取控制模块16内电路环境湿度信息的湿度传感器，以及位于控制模块壳体外且浸泡在水中的ph传感器51、温度传感器54和压强传感器52。位于控制模块壳体外的传感器，通过对应的信号线与控制器连接。同时，在水下机器人10中还设置有陀螺仪53。

在凹型下固定板12上设置有机械爪17，机械爪17伸出的位置与凹型下固定板12的缺口对应，机械爪17的尾部为伸缩杆结构，可伸长出机器人主体30cm。并且机械爪17可以较快速度在0-180°的范围内张开和合闭，能够在水下有效抓取样品。在外壳上也是固定有专门为机械爪17提供动力的动力源。

在上端板11的顶面上设置有为水下机器人10供电的供电单元18，供电单元18包括稳压模块、锂电池、电源开关和输电线等；锂电池的输出电压通过稳压模块转化为控制模块16提供电源。其中，锂电池的输出电压通过稳压模块、输出电源端口转化为控制器所需电压，传感器、主摄像头和旋翼电机所需电压由控制器模块转化电池电压提供，电池供电所需电压由220v工业电压从输入电源端口提供。供电单元18的后部设有充电接口，充电接口输入端与电源开关输入端并联分别与锂电池输出端正负极连接，可实现与外部充电时直接供电和电池单独供电。开关输出端与稳压模块输入端连接；启动开关的常开接口、急停开关的常闭接口、驱动器电源接口和控制器电源接口依次串联后接入稳压模块输出端。第一旋翼14和第二旋翼15都具有单独的供电线与供电单元18连接。

本发明中的上位机20包括机身硬件和eods软件。其中的机身硬件可实现触摸屏、联网、运行软件的功能，通过功能按键实现操控；eods软件由操控界面和显示界面构成，显示界面分为数据显示界面和图像显示界面。上位机20通过电缆与水下机器人10的控制器连接，能够像控制器发出指令来控制水下机器人10的对应动作。同时，水下机器人10拍摄的画面以及传感器收集到的水下环境信息也能传递给上位机20。

如图3所示，其中的eods软件包括设备监控、视频监控、地图监控三大模块。设备监控包括舱(控制模块壳体)内湿度、舱外温度、舱内温度、海水ph值、海水压力、氧含量、航速控制、照明控制、推杆和机械手状态显示；视频监控可实时显示机器拍摄的图像；地图监控，可显示机器人所在经纬度，以及所在地区平面地图；可通过上位机20键盘对机器人进行功能操控，前进w，后退s，上升q，下降e，左右转分别为a、d，开灯k，关灯t，机械爪17前伸f，后缩g，悬停y，所有功能急停u，机械爪17张开闭合分别是z和x。

在上位机20的接口处还设有连接的nb-iot转接模块、启动nb-iot转接模块和上位机20接口。eods软件信息通过“wifi”或转接线与nb-iot转接模块相联。

本发明中的物联网系统包括nb-iot模块30以及nb-iot基站40，nb-iot模块30与上位机20通信连接，能够收集到上位机20所采集到的数据，nb-iot基站40与nb-iot模块30通信连接，能够将nb-iot模块30收集到的数据传递至internet网络或服务器。

本实施例中，水下机器人10与上位机20通过有线电缆连接；将安装有主摄像头和传感器组的水下机器人10放置于海洋牧场内，在上位机20控制中通过安装于上位机20的客户端软件eods实时获取海洋牧场内水下图像及作业环境信息，利用客户端软件eods发送指令通过一系列的有线电缆传送到水下机器人10中，由水下机器人10上的控制模块16将指令传送到控制器，控制器根据指令控制旋翼和机械爪17驱动器，进而控制电机运作，实现机器人在海产品生长过程中实时监测海水指标和海产品图像的作业。

上位机20和internet云端之间布置一系列nb-iot信号中转器，构建的无线局域网；上位机20采集的数据传输给nb-iot模组，再经由nb-iot基站40传输到internet网络，用户可直接从nb-iot网络读取数据，也可从internet网络读取数据，或者在服务器中读取所需数据。在数据传递至internet网络上时，如图4所示，可以直接在对应的网站上来获取具体的数据信息。

在需要水下机器人10工作时，首先开启机器人的电源开关和启动开关，打开上位机20端上的机器人操作软件eods，选择“连接wifi”按钮使无线终端与无线局域网连接(基于nb-iot)；通过操作上位机20端上的各功能按钮实现基于nb-iot(窄带物联网)的水下机器人10的运动；摄像头和传感器组将获取的海水信息和图像信息反馈给用户，用户可根据主摄像头提供的水下信息，通过上位机20功能按钮引导机器人将机器人行驶到到下一指定位置，根据传感器组提供的检测数据掌握海洋牧场的环境信息。

当水下机器人10行驶遇到不易通过的水下地形时，可通过控制四个第一旋翼14驱动将动力传递到对应旋翼的螺旋桨中，四旋翼依靠螺旋叶片带动水流，通过与海水的反作用力改变运动方向，四个旋翼不同转速可使机器人四个对角上升不同高度，以此实现机身倾斜；腰部两侧旋翼螺旋桨转动，提供前进动力，进而保证机器人机身的灵活行进。

当然，本发明中的物联网水下作业系统并不局限于上述实施例1提供的技术方案，还可以采用以下实施例提供的技术方案。

本发明中物联网水下作业系统的实施例2：与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，水下机器人的顶部为矩形，对应设置有六个第一旋翼，这六个旋翼包括四个位于边角处的旋翼，还包括两个位于腰部处的旋翼，六个旋翼之间的连线构成了日字型。

本发明中物联网水下作业系统的实施例3：与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，第一旋翼和第二旋翼中至少一个的回转轴固定，仅沿着上下方向或前后方向延伸，不能够摆动。

本发明中物联网水下作业系统的实施例4：与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，第一旋翼和/或第二旋翼中沿回转轴的轴向间隔布置有两组以上螺旋桨，各组螺旋桨沿对应回转轴的周向均布。

本发明中物联网水下作业系统的实施例5：与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，第一旋翼和/或第二旋翼不再设置有可悬停快速动力响应单元。

本发明中物联网水下作业系统的实施例6：与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，水下机器人的外壳为圆筒状结构，圆筒状结构的两端为开口，控制模块设置在圆筒状结构的内部，第一旋翼设置在圆筒状结构的外周面上。

本发明中物联网水下作业系统的实施例7：与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，第二旋翼设置在侧板的外侧面处，即第二旋翼位于水下机器人外壳之外。

本发明中物联网水下作业系统的实施例8：与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，控制模块壳体为盒型结构，盒型结构朝向水下机器人运动方向前方的前壁为透明板，使位于合型结构内的摄像装置能够透过前壁来拍摄水下图像。

以上所述的具体实施方式，对本发明的发明目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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