1、中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-104-三星推荐我国是一个水流域较多的国家，根据我国河流领域数据统计，流域面积在 1 500km2以上的河流数量有 1 500 多条，其中流域面积在 10 000km2以上的河流数量有 79 条。这些大小不同的水域也促成了水下生态环境，不同流域的水质条件也造成水草的生长情况不同。每年水草生长旺盛的时期，都是每个省政府不得不面对的一个难题，过多的水草在湖面上形成水上草原，影响市容市貌的同时也危害着水中水生生物的生命安全。本项目为智能水质检测及水面草植清理机器人，
2、在解决水草烦恼的同时也能节约每年水草打捞的人工成本，防止人员落水。本机体通过微型电脑处理器控制着整个机体的智能运行，并配备传感器和红外线避障功能，通过物联网进行实时水质监控，反馈水体含氧量、CO2量、TDS 值、温度和pH 酸碱度等。机体还配备了新型收割装置，大概率规避了普通水草收割机常见的缠绕问题。视觉传感器也为机体全方位探索进行水面水草密度的实时反馈，解决控制器于后台数据联通的问题。同时机体还拥有着超声波模块和 2 个漫反射光电传感器，利用超声波模块检测前面的障碍物，两个漫反射光电传感器分别检测左右两侧的障碍物来实现自动避障功能，GPS 定位系统对水草收割机器人轨迹进行监控，方便实时的对其
3、进行路径规划。本产品一定程度上可以解决水草污染所带来的问题，对环境的改善，提高人类居住环境和水生动植物生长的发展有着重大的意义。本项目装置为智能化视觉识别装置的设计，具有多种机构、多种控制方式来实现各种功能，分别是：鱼鳍部分：能够上下摆动从而带动整机运动；升降部分：可以使前面的传动装置升起至斜坡状态，达到便于水草收割的目的；视觉部分：能够识别水草区域，对所选区域进行数据估测，当水草达到一定程度时展开清理工作；控制部分：多个传感器的控制相结合，并在一定程度上进行可动化切换。国内外田间信息监测技术现状国外在水草收割领域研究较早，19 世纪中叶就已出现一些水草收割机械，但大多为陆用割草机，使用范围较
4、小，只可对岸边水草进行收割打捞。随着各方面需求的不断出现，水上割草船得以产生。以美国为例的水草收割船，是通过明轮驱动行驶，但自动化程度较低，需要驾驶员控制其进行水草清理。我国的渔业机械装备相对落后，智能化、自动化水平低，水草收割工作依然需要人工作业完成。目前，国内外行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度刘金蓉 马晓君 刘 帅 王亚林刘金蓉（1999），女，山东昌邑，佳木斯大学机械工程学院。通信作者：马晓君（1976），副教授，佳木斯大学机械工程学院，研究方向：现代制造系统设计及自动化基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目：水 中 探 测 及 水 面 草
5、 植 清 理 机 器 人（编 号202210222054）一种水中探测及水面草植清理机器设计刘金蓉 马晓君 刘 帅 王亚林-105-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期三星推荐关于收割船的研究，均是对江河湖泊的水草进行清理。美国 JK 公司生产的水草收割船，采用单体船设计，液压驱动，往复式滚筒收割，但遗漏收割较多。如图 2 所示，德国 BERKY 公司发明的割草船 TYPE6400，采用单液压螺旋桨驱动，可以切割水面 1.5m 以下水草和河岸斜坡上的各类杂草，角度可以全方位调节，但收割后的水草将因
6、无法收集而对水体产生污染。如图 3 所示，荷兰设计的一种推污船，不仅能够实现淤泥清理工作，而且可以随意更换割草工具，满足多种功能需求，但其也因无法集草，自动化程度低，导致收割效率不高。国外的水草收割技术比我国起步较早，但这些产品有一定的局限性，比如这些产品的外形普遍偏大，除去行驶的船体本身，还需要有其他的机械辅助共同作业。安装的大型机械臂不仅增加了机器使用负担，且需要驾驶员以及多人共同参与水上作业。这种机器较适用于大型水域水草的清理，而我国水域普遍较为窄小，不适合大型机器的河道作业。我国水草清理机器人虽然起步较晚，但也发展不同功能的除草机械船。同样这些机械是在大型河宽河道领域所占优势，并区别于
7、国外的大型机械，我国的水草清理装置偏向传动链的设计。经过长期研究及创新发展，我国除水草机械从一开始的人工捕捞转变成沿河道岸边作业，例如多个研究所联合研究的小型河道割草作业机械 GC2000 水草切割船和GC2230 型号河道割草保洁船。通过人工在水中完成切割水草、打包，再到现在的一体化作业。除草功能虽日益完善，但还需要人工操作，且机体过大只能清理大型河床、河道。虽然我国现如今的水草收割机发展技术已经得到了相应发展，但仍然存在水草缠绕、作业为半自动化、机体过大、价格昂贵等问题还待解决。除草机器人模块设计物联网模块设计市面上的水草收割机，大部分都以人工操作为主，且并无检测水质的功能。大部分城市都在
8、依靠天然江河中的水得以生存，而当每年水草生长旺盛的季节，水草会通过光合作用吸收大量的 CO2和夜间排放出大量的 CO2调节水中的pH 酸碱度，光合作用较强时昼夜的 pH 值变化幅度达到 4，这为处理水资源转化成饮用水带来困难。所以要想做好水质管理，需要实时了解水体环境各气体含量以及 pH 酸碱度的变化。本项目机器人采用水下切割海草机器人物联网系统，由终端设备，网关以及后台服务器组成，其所实现功能有：1.水质监测功能，通过物联网模块搭建监测平台，通过传感器实时监测水域 CO2、O2、pH 酸碱度、温度等的数值变化。通过多种传感器数据采集，计算出当前水域的环境信息，并根据当前水体环境分析得出是否需
9、要改善水域环境。2.定时巡查水域环境功能，通过 Web 页面进行远程控制，Web 页面可启用手动按钮或自动巡查。巡查开启后，机器人通过前端指令进行路径规划，定点巡查。同时与监测功能相互配合，使机体在移动的同时对环境进行监测。3.循环避障功能，通过安装具有报警功能的红外传感器，实时监测水下障碍物情况。当机体靠经障碍物时，红外传感器通过感知并将信息发送至 Web 前端，并通过自动巡避使机体远离障碍物。同时再通过前端指令进行信息反馈给操控的工作人员。4.实时监测电量使用情况，使用专业磷酸铁锂电池在机器人内部安装，这种电池可直接通过通讯盒连接电脑端，读取数据参数，实时监控电池数据读取通讯讯息。这样工作
10、人员可通过电脑监视电池状态，以便机器人没电不能进行正常图 1 除草机器人总体设计图 3 推污船图 2 割草船 TYPE6400图 4 国内水草收割机中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-106-三星推荐除草机器人结构设计新型升降装置设计本升降装置采用与收割水草的传动链相连的设计，下方设置滑道升降装置，能够实现机体成 45角倾斜。设置自动伸缩放置，当机械连杆机构支起时传动链为斜坡状态可以工作。当连杆机构收起传动链下降，可以防止机器人行动不便等麻烦。的工作。视觉识别模块设计机器人的水下摄像头选用 C4
11、 系列，再结合本团队的运动算法，使摄像拍出高清真实图像导入在机器人识别算法库，使用选择性输入所收集的图像信息，并产生上千个区域识别框提供给 CNN 网络。CNN 网络会提取每个选区图像特征，并发送至支持向量机划分每个图像类别。通过选用图像类别判断水草容量大小，实现视觉网络对水草生长情况的监测。当水草容量达到一定程度后，机器人启用清理功能，通过机体的传送链传动，将水草卷入传送带，并通过传送带送至机体尾部进行打包处理，实现机器人识别后的水草清理功能。1.设置有观察组件，使得在应对不同水域时可以快速地更换不同类型的观察镜，无需携带多种观测器。2.设置有防护组件，通过防护盒和密封防护片对观察镜进行防护
12、，使得在观察镜存放时可以有效地防护，避免在放置时因撞击磕碰导致损坏的情况出现，通过供电电池提供电能，电动滑轨带动清理块滑动，从而对观察镜侧端的雾水进行清理，保证了稳定的观察。监测功能模块设计利用云服务器与传感器结合，搭建除水草机器人的物联网平台。该平台由可视化网页，MQTT 数据处理后端和网络数据库相互配合下运转。硬件通过 NB-lot 物联网模块，利用 MQTT 通信协议与数据处理后端进行信息交互，数据处理后端功能实质是数据中转站，其对接网络数据库 Mysql 和可视化界面，网络数据库Mysql对实时数据进行存储与分类，可视化界面提取数据将其显示在网页。利用分布式储存技术，对田间信息数据进行
13、实时储存，利用网络数据平台对现有数据的分析和处理，并对使用者提出最佳的田间信息处理方案，提高田间管理的科学性及土壤利用率的合理性。图 5 物联网的实现图 6 视觉识别和分取图 7 数据可视化界面-107-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期三星推荐仿生运动装置设计本产品应用了仿生“蝠鲼”的设计，能够使机器人水陆两通。整体形状使用 MPF 模式，设计胸鳍摆动方式，使机体具有良好的机动性且能运动稳定。其推理主要来源于左右两侧的胸鳍的波动，在两侧多自由度胸鳍的协调配合下，可以轻松实现原地自转等动作。并且
14、鳍部分采用硅胶材质，既可以做到防水，又可以防止磨损。机器人控制功能设计本项目控制核心采用单片机控制，用树莓派做嵌入式视觉监测的视觉控制模板，利用多个传感器之间相互配合，并将所有配件进行防水处理，这样能够适应各种类型的水域环境，并且能够实现各类功能的快速切换。通过物联网模块，实现用户网络操控和数据与平台的交互。除水草机器人是以单片机为控制系统核心，辅助其内部连接电路、电机马达电路、超声波传感器检测电路等，各模块在单片机的控制下，相互协调工作，保证水质监测、升降传送链、启动传送链以及巡航避障等功能的实现。树莓派视觉模块单独运行，控制高清摄像头进行水草识别。该系统框图如图 10 所示。结语本项目为智
15、能化视觉识别装置的设计，以及多个传感器配合设计出一款具有除水草功能的监测机器人。项目中结合团队独有的机械设计使机体具有多种机械结构：升降传送链、鱼鳍动力摆动。同时搭配视觉模块、传感器模块以及控制模块对机器人实现具体功能。实现测量水质中 CO2含量、O2含量、pH 酸碱度、TDS 值和温度值，当水质到达一定污染或水草含量过多利用 GPS 导航技术和本团队设计的清理机构可以实现自动巡航清理，再利用红外收发装置实现机器人避障巡航功能。本产品利用传感器测试的数据皆可通过物联网技术传送至云平台，不仅能够记录实时数据情况，也可对水域中各个区域状态做到实时检测功能，实现水域数据可视化，设备远距离可控化。通过数据分析，给用户更直观易懂的信息与结论。本产品具有实时性、便利性、精确性、针对性、创新性等特点，对如今的水域科技发展具有深远的意义。图 8 传送带升降装置图 9 仿生蝠鲼机械结构图 10 除水草机器人的控制系统框图