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基本信息
- 項目名稱：
- 用于湖泊藍藻水華預(yù)警監(jiān)測的智能巡航器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品在考慮藍藻暴發(fā)誘因的基礎(chǔ)上，綜合機械電子、自動化控制、模式識別、GIS和GPS技術(shù)等多學(xué)科知識，設(shè)計出能在水面自主巡航進行水質(zhì)監(jiān)測的機器人。它可以在水面上自主智能巡航，通過加載多種水質(zhì)監(jiān)測儀器對藍藻水華的影響因子進行實時監(jiān)測，從而可在藍藻大規(guī)模暴發(fā)前提供預(yù)警信息，使政府決策部門有充足時間去采用多種有效手段抑制藻類生長，最終實現(xiàn)控制藍藻水華暴發(fā)的目的。 本作品技術(shù)特色為：1）運用無人智能監(jiān)測巡航器可全天候、全湖域的實時監(jiān)測誘發(fā)藍藻水華的影響因子，從而可大大節(jié)省用于藍藻預(yù)警監(jiān)測的人力和物力；2）巡航器導(dǎo)航定位采用兩級分層方式，可實現(xiàn)湖泊全水域巡航遍歷、實時避障、多巡航器編隊路徑協(xié)調(diào)等功能。
- 詳細(xì)介紹：
- 由于湖泊的水質(zhì)檢測是一項非常辛苦的常規(guī)性工作，耗費大量的人力物力，如果能開發(fā)出一種智能型的無人監(jiān)測平臺就顯得非常具有實際意義。 基于此，本作品綜合機械電子、自動化控制、模式識別、GIS和GPS技術(shù)等多學(xué)科知識，設(shè)計出能在水面自主巡航進行水質(zhì)監(jiān)測的機器人。它可以在水面上自主智能巡航，通過加載多種水質(zhì)監(jiān)測儀器對藍藻水華的影響因子進行實時監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總篩選統(tǒng)計。從而形成一個有效的、運行成本低的、投資經(jīng)濟效率高的藍藻水華預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。 該巡航器的機械系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，同時具有開放性接口，能夠與多種傳感器兼容，便于系統(tǒng)升級。智能巡航器結(jié)構(gòu)上采用雙體船式結(jié)構(gòu)，螺旋槳推進器組件左右對稱布置，由太陽能電池組件和蓄電池為平臺提供能源。 巡航器機械部分由螺旋槳驅(qū)動子系統(tǒng)、監(jiān)測取樣子系統(tǒng)組成。螺旋槳驅(qū)動子系統(tǒng)使用兩路全橋驅(qū)動芯片LMD18200，分別驅(qū)動兩臺直流微型電機旋轉(zhuǎn)帶動電子調(diào)速器，從而控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速。監(jiān)測取樣子系統(tǒng)主要由：電動機、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)測探頭，另一方面當(dāng)需要抽取水樣時起到取樣的作用。 巡航器控制部分采用兩級分層控制方法。頂層用于導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和數(shù)據(jù)匯總篩選，底層用于避障和運動控制。頂層選用微型工控機作為上位機，它為巡航器提供了強大的計算能力，用來處理運算比較復(fù)雜的路徑規(guī)劃算法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作；同時，利用GPS模塊對巡航器進行導(dǎo)航；利用無線通訊模塊將統(tǒng)計好的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心。底層選擇PIC16C57單片機，主要用于運動控制、開關(guān)量傳感器的信息讀取實現(xiàn)避障的簡單路徑算法?？刂撇糠值捻攲雍偷讓又g通過串口進行通信，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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、目的:藍藻水華是一種稱為“藍細(xì)菌”的光合自養(yǎng)生物，對人類生存環(huán)境構(gòu)成重大威脅。如果能夠在藍藻水華暴發(fā)前對水質(zhì)進行監(jiān)測，提供預(yù)警信息，及早發(fā)現(xiàn)和抑制藍藻生長，就能有效地控制藍藻水華暴發(fā)。而湖泊的水質(zhì)檢測又耗費大量的人力物力，因此開發(fā)一種智能型的無人監(jiān)測平臺具有很強的實際意義。本作品設(shè)計能在水面自主巡航進行水質(zhì)監(jiān)測的機器人，可在水面上自主智能巡航，通過加載多種水質(zhì)監(jiān)測儀器對藍藻水華的影響因子進行實時監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總篩選統(tǒng)計，從而可在藍藻大規(guī)模暴發(fā)前提供預(yù)警信息。 2、思路：自主設(shè)計智能巡航器的機械系統(tǒng)模塊和智能控制模塊，由太陽能電池組件和蓄電池提供能源，實現(xiàn)無人自主巡航，完成避障、路徑規(guī)劃、環(huán)境遍歷和多機器協(xié)同監(jiān)測等任務(wù)。從而形成一個有效的、運行成本低的藍藻水華預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。 3、創(chuàng)新點：1)突破常規(guī)監(jiān)測手段受到人員和資金限制的缺點，運用無人智能監(jiān)測平臺全天候、全湖域?qū)崟r監(jiān)測誘發(fā)藍藻水華的影響因子，從而為湖泊藍藻水華提供預(yù)警信息；2)綜合機械電子、自動化控制、模式識別、GIS和GPS技術(shù)等多學(xué)科知識設(shè)計的智能巡航器可實現(xiàn)無人自主巡航，完成避障、路徑規(guī)劃、全水域環(huán)境遍歷和多機器協(xié)同監(jiān)測等任務(wù)。 4、技術(shù)關(guān)鍵：巡航器的動力性能和抗風(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)測的效率指標(biāo)。
科學(xué)性、先進性
- 1、本作品針對湖泊藍藻暴發(fā)問題，成功研制了用于藍藻水華預(yù)警監(jiān)測的智能巡航器。要控制藍藻水華暴發(fā)，關(guān)鍵是要在搞清楚藍藻水華暴發(fā)的基本條件后，對其進行實時監(jiān)測。本作品在考慮藍藻水華暴發(fā)誘因的基礎(chǔ)上，利用智能無人巡航器對湖泊中誘發(fā)藍藻水華的影響因子進行實時監(jiān)測。它與常規(guī)水文、水質(zhì)監(jiān)測相比，具有監(jiān)測的污染因子明確、監(jiān)測頻次高、持續(xù)時間長、監(jiān)測面積大、監(jiān)測響應(yīng)快速等特點。目前從所見報道分析，國內(nèi)外對水面無人智能監(jiān)測平臺尚未進行系統(tǒng)的研究。 2、本作品具有自主巡航的智能性，系統(tǒng)控制軟件為自主開發(fā)研制。巡航器導(dǎo)航定位采用兩級分層方式。頂層是利用GIS技術(shù)建立湖泊數(shù)字環(huán)境地圖，實現(xiàn)湖泊空間數(shù)據(jù)庫集成與入庫，通過接收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)境地圖上對巡航器進行實時導(dǎo)航，從而實現(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，完成對動態(tài)障礙物的避障任務(wù)。針對水域面積大的湖泊，還可實現(xiàn)多巡航器協(xié)同湖泊水環(huán)境監(jiān)測。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年5月，榮獲校第七屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎； 2009年6月，團省委、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)科技作品競賽一等獎。
作品所處階段
- 物理樣機中試階段
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、圖片、視頻錄像、現(xiàn)場展示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特色為：1）運用無人智能監(jiān)測巡航器可全天候、全湖域的實時監(jiān)測誘發(fā)藍藻水華的影響因子，從而可大大的節(jié)省用于藍藻預(yù)警監(jiān)測的人力和物力；2）巡航器導(dǎo)航定位采用兩級分層方式，可實現(xiàn)湖泊全水域巡航遍歷、實時避障、多巡航器編隊路徑協(xié)調(diào)等功能。 據(jù)了解，國內(nèi)目前大約有66%以上的湖泊、水庫處于富營養(yǎng)化的狀況。其中，重富營養(yǎng)化和超富營養(yǎng)化的占到22%以上，而這一趨勢仍在加劇。河湖水的富營養(yǎng)化，造成的一個突出問題就是引發(fā)藍藻水華的暴發(fā)。研究表明，大規(guī)模的河湖藍藻水華暴發(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)濟損失，同時，藍藻毒素將影響公眾的健康生活，造成水環(huán)境安全隱患。本作品可實現(xiàn)對藍藻暴發(fā)誘發(fā)因子進行實時監(jiān)測，為預(yù)防藍藻水華暴發(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，社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著。
同類課題研究水平概述
- 通過對維普、期刊網(wǎng)、萬方、中國專利信息網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫的檢索，與藍藻（水質(zhì)）監(jiān)測預(yù)警或智能巡航器相關(guān)的文獻報導(dǎo)共10篇（見查新報告），其中： 1、“用于藍藻監(jiān)測及藍藻水華預(yù)警的浮標(biāo)”是一篇專利文獻報道，其中提到了該發(fā)明可以放置在湖泊、水庫或者水源地，對水體中不同位置、不同深度的有效輻射光強、溫度、溶解氧、藍藻生物量和總藻類生物量進行監(jiān)測，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。但該文沒有涉及將智能巡航器作為自主巡航監(jiān)測藍藻水華暴發(fā)預(yù)警平臺的內(nèi)容。 2、“巡邏機器魚”也是一篇專利文獻報道，該機器魚采用了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)，而不是進行藍藻水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)。 3、“用于河水凈化的太陽能生化巡航船”是一篇關(guān)于利用生物膜組件網(wǎng)箱生化治理河塘、湖泊水體的太陽能生化巡航船的專利報道，沒有涉及用于藍藻水質(zhì)監(jiān)測。其發(fā)明人是本作品的指導(dǎo)教師。 4、“赤潮生物的監(jiān)測儀器”涉及到赤潮浮游生物的識別檢測系統(tǒng)與快速定量技術(shù)。沒有涉及具有進行藍藻水華監(jiān)測或預(yù)警的巡航器的相關(guān)內(nèi)容。 5、“水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及集成設(shè)備研制”項目研制了10種水質(zhì)自動監(jiān)測儀，開發(fā)了水質(zhì)監(jiān)測管理軟件系統(tǒng)，研制成的水質(zhì)自動監(jiān)測集成系統(tǒng)可對12項水質(zhì)重要指標(biāo)進行連續(xù)監(jiān)測，實現(xiàn)了全系統(tǒng)的自動化控制、信息管理、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，建立了?shù)據(jù)共享平臺和水污染事件分級通報系統(tǒng)。該成果沒有涉及進行藍藻水華監(jiān)測或預(yù)警的巡航器相關(guān)內(nèi)容。 6、“智能化水質(zhì)測定儀”提到了該儀器可用于帶色的或有微量懸浮質(zhì)點的溶液和環(huán)境水樣的測定；另外一篇文獻“Google Earth和ArcGIS9.2軟件在太湖水污染及藍藻監(jiān)測數(shù)據(jù)展現(xiàn)中的應(yīng)用”中提到了利用上述軟件對太湖水污染及藍藻監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集成和發(fā)布。這兩篇文章都沒有涉及到將智能巡航器作為監(jiān)測平臺的內(nèi)容。 7、“SPC-3 UUV仿生機器魚及其長航時實驗”只是報道了機器魚的一個航行試驗。另外一篇文獻“仿生機器魚的設(shè)計及其運動控制研究”也只是對機器魚研制方面進行了探討。這兩篇報道都未提到機器魚在藍藻或水質(zhì)監(jiān)測上的應(yīng)用。 8、“仿生機器魚是怎么監(jiān)測水質(zhì)的”一文中談到如何利用機器魚搭載多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀進行即時分析水樣，然后再把信息無線發(fā)送給船上電腦技術(shù)。但文中沒有提到該機器魚可以自主巡航，完成避障、路徑規(guī)劃、全水域環(huán)境遍歷和多機器協(xié)同監(jiān)測等任務(wù)。
