技术领域
本发明属于智能环保技术领域，具体涉及一种近岸水面漂浮物清理装置及方法。
背景技术：
人类社会活动的增多产生了许多垃圾，若处理不当或不及时，许多垃圾将通过不同渠道进入河流、湖泊等水域，影响人口聚居区的环境和健康。为了解决水面垃圾问题，许多水面垃圾清理设备应运而生，如垃圾清理船，但此类清理设备只能在水位较深处进行工作，在水位浅的近岸处工作时则会有搁浅的危险，不能对聚集在水位较低处的垃圾进行有效清理，而人工打捞则劳动强度大，效率低，恶劣的环境对工作人员的健康也造成一定影响。因此设计一种能够在水位浅的近岸处进行工作的清理设备具有重要的现实意义。
技术实现要素：
发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种近岸水面漂浮物清理装置及方法，能够在水位浅的近岸水域进行漂浮物清理工作，还能够在意外搁浅时，自主退回至深水水域或安全水域。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种近岸水面漂浮物清理设备，包括船体、压力模块、视觉模块、导航控制台、人机交互模块和喷水推进泵，所述船体包括内舱、顶棚和浮体，船体采用玻璃钢材料拼接构成；所述内舱用来放置清理船的功能设备；所述顶棚用来放置所述视觉模块；所述浮体布置在所述内舱两侧，并与所述顶棚、内舱连接，浮体底面和四周侧面覆盖橡胶缓冲垫，所述压力模块布置在所述浮体前侧底面，所述视觉模块安装在船前侧，所述导航控制台包括GPS和工控机，所述GPS用以得到船体等设备的实时位置及船体导航，GPS所用天线安装在所述船体顶棚后侧；所述工控机内存储工作地地图和水面漂浮物视觉图像及雷达点云图，工控机通过GPS和视觉模块的信号控制船体的航行，还能根据压力模块发出的信号判断是否搁浅，并及时远离搁浅水域，所述喷水推进泵安装在所述浮体尾部，用于推进船体等设备航行，两个浮体上的推进泵动作相互独立以实现船体的差速航行，压力模块和视觉模块与工控机输入端相连，工控机输出端与喷水推进泵相连并控制喷水推进泵的启闭，工控机处理GPS、压力模块和视觉模块的信号并通过喷水推进泵控制船体的航向，推离船体，避免搁浅。
进一步的，所述压力模块包含多个力传感器，有缓冲垫覆盖其上以保护力传感器，当船体搁浅时，浮体触岸，力传感器受压并发出信号给导航控制台的工控机进行处理。
进一步的，所述视觉模块包括摄像头和激光雷达，摄像头用于采集水面漂浮物图像，激光雷达用于采集水面漂浮物雷达点云图以及船体靠近河岸时监测离岸距离，视觉模块采集数据并传输给导航控制台的工控机进行处理。
进一步的，所述人机交互模块用于提供视频输出和按键输入，用于初始设置与显示工作。
进一步的，包括如下步骤：
（1）根据视觉模块的安装位置，确定视觉模块照射中心方向与水平面角度A以及其与船底的垂直高度H，并测得工作水域的河岸坡度角度B；
（2）通过人机交互模块输入角度A、坡度角度B和最小水位深度h，根据工作地地图设置设备预定工作地点；
（3）设置完成后，启动设备，开始进入工作状态；
（4）通过GPS导航，船体航向预定工作地点，到达工作地点后，摄像头和激光雷达同步开始采集周围水域图像数据并将图像传输给工控机进行处理；
（5）工控机中的已存储图像和接收的视觉模块采集的图像对比检测，若有匹配则驶向被检测漂浮物并收集被检测漂浮物；
（6）设备进行工作时，视觉模块同时监测工作前进方向是否向河岸靠近，激光雷达将测得的视向距离L传输给工控机，通过计算得到船底距河岸垂直距离hd以判断是否有搁浅危险，并及时撤离搁浅危险水域；
步骤（6）中，发生意外搁浅时，浮体前侧底部触岸并产生压力，触发力传感器发生信号给工控机，工控机启动喷水推进泵逆向喷流将船体推离河岸，并且喷射的水流冲刷河岸，将卡住浮体的杂物冲刷掉，使船体重新返回安全水域。
进一步的，所述视觉模块照射中心方向与水平面角度为A，河岸坡度角度为B，视觉模块与船底之间的垂直高度为H，激光雷达测得船体与河岸视向距离为L，根据正弦定理进行变换，可得视觉模块与河岸之间的水平距离d，d=[L·sin(π-A-B)]/sin(B)，再由三角函数可得视觉模块与河岸的垂直距离D，D=d·tan(B)，故得到船底距河岸垂直距离hd，hd=D-H，即hd=[L·tan(B) ·sin(π-A-B)]/sin(B)-H，当最小水位深度h<hd时，浮体前侧底部触岸并产生压力，触发力传感器发生信号给工控机，工控机启动喷水推进泵逆向喷流将船体推离河岸，并且喷射的水流冲刷河岸，将卡住浮体的杂物冲刷掉，使船体重新返回安全水域。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明公开了一种近岸水面漂浮物清理装置，包括船体、压力模块、视觉模块、导航控制台和喷水推进泵，船体包括内舱、顶棚和浮体，内舱用来放置清理船的功能设备，顶棚用来放置所述视觉模块，浮体布置在内舱两侧，并与顶棚和内舱连接，压力模块布置在浮体前侧底面，视觉模块安装在船体前侧，用于采集水面漂浮物图像和监测离岸距离，喷水推进泵安装在浮体尾部，用于推进船体的航行，两个浮体上的喷水推进泵动作相互独立以实现船的差速航行和倒车，导航控制台包括GPS和工控机，压力模块和视觉模块与工控机输入端相连，通过GPS和视觉模块控制船体的航向，工控机输出端与喷水推进泵相连并控制喷水推进泵的启闭，推离船体，避免搁浅。本发明提供的近岸水面漂浮物清理装置及方法，可以在水位较浅的近岸水域工作，内舱里的设备可以根据工作条件进行改装，船体搁浅后可智能退回安全水域，且浮体上覆盖的缓冲垫可有效保护设备免受搁浅或碰撞等冲击损害。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的测量水位深度原理图；
图3为本发明的控制简图；
其中，1-浮体；2-摄像头；3-激光雷达；4-顶棚；5-内舱；6-天线；7-GPS；8-工控机；9-喷水推进泵；10-压力模块；11-视觉模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1-3所示，一种近岸水面漂浮物清理装置，包括船体，船体包括浮体1、顶棚4和内舱5，船体采用玻璃钢材料拼接构成，顶棚4用来放置所述视觉模块11，内舱5用来放置清理船的功能设备，内舱5里的功能设备可根据工作需要进行改装，浮体1布置在所述内舱5两侧，浮体1共两个，均与所述顶棚4、内舱5连接，浮体1底面和四周侧面覆盖橡胶缓冲垫，以减少船体受碰撞冲击产生的损伤，橡胶缓冲垫选用市面上常用的橡胶材料制成；还包括喷水推进泵9、压力模块10、视觉模块11、导航控制台和人机交互模块，喷水推进泵9安装在所述浮体1尾部，用于推进清理装置或船体航行，每个浮体1上均有一个喷水推进泵9，内舱5两侧的两个浮体1上的两个喷水推进泵9动作相互独立且可以反向喷流，以实现船体的差速航行和倒车，压力模块10布置在所述浮体1前侧底面，压力模块10包含多个力传感器，有缓冲垫覆盖其上以保护力传感器，当船体搁浅时，浮体1触岸，力传感器受压并发出信号给导航控制台的工控机8处理，工控机8启动喷水推进泵9逆向喷流将船体推离河岸，并且喷射的水流冲刷河岸，将卡住浮体的杂物冲刷掉，使船体重新返回安全水域，视觉模块11安装在船体前侧，视觉模块11包括摄像头2和激光雷达3，摄像头2用于采集水面漂浮物图像，激光雷达3用于采集水面漂浮物雷达点云图、且在船体靠近河岸时监测离岸距离，视觉模块11采集数据并传输给导航控制台处理。
导航控制台包括GPS 7和工控机8，GPS 7用以得到清理装置实时位置并进行船体导航，GPS 7所用天线6安装在所述船体顶棚4后侧，工控机8内存储工作地地图和水面漂浮物视觉图像及雷达点云图，压力模块10和视觉模块11与工控机8输入端相连，工控机8输出端与喷水推进泵9相连并控制喷水推进泵9的启闭，工控机8处理GPS 7、视觉模块11及力传感器的信号并通过喷水推进泵9进行喷水控制船体的航向，推离船体，避免搁浅，还能根据压力模块10发出的信号判断是否搁浅，并及时止损。
人机交互模块用于提供视频输出和按键输入，用于初始设置与显示工作。
一种近岸水面漂浮物清理装置的清理方法，包括如下步骤：
（1）根据视觉模块11的安装位置，确定视觉模块11照射中心方向与水平面角度A以及其与船底的垂直高度H，并测得工作水域的河岸坡度角度B；
（2）通过人机交互模块输入角度A、坡度角度B和最小水位深度h，工控机内存储漂浮物视觉图像和相匹配的雷达点云图像，根据工作地地图设置设备预定工作地点;
（3）设置完成后，启动清理装置，开始进入工作状态；
（4）通过GPS 7引导，船体航向预定工作地点，到达工作地点后，摄像头2和激光雷达3同步开始采集周围水域图像并将图像传输给工控机8进行处理；
（5）工控机8中的已存储图像和实际采集图像（摄像头2和激光雷达3传送的数据）进行对比检测，若有匹配则驶向被检测漂浮物并通过清理船进行收集，清理船采用现有技术进行漂浮物收集，即通过喷水推进泵9向后喷射水流引导漂浮物流向船头的传送带上，工控机8控制执行电机带动传送带将漂浮物输送至船体内的垃圾收集箱，还可采用其他现有收集方法，在此不做赘述；
（6）设备进行工作时，视觉模块11同时监测工作前进方向是否向河岸靠近，激光雷达3将测得的视向距离L传输给工控机8，通过计算得到船底距河岸垂直距离hd以判断是否有搁浅危险，并及时撤离搁浅危险水域。
图2为本发明的测量水位深度原理图，视觉模块11照射中心方向与水平面角度为A，河岸坡度角度为B，视觉模块11与船底之间的垂直高度为H，激光雷达3测得船体与河岸视向距离为L，根据正弦定理进行变换，可得视觉模块11与河岸之间的水平距离d，d=[L·sin(π-A-B)]/sin(B)，再由三角函数可得视觉模块11与河岸的垂直距离D，D=d·tan(B)，故得到船底距河岸垂直距离hd，hd=D-H，即hd=[L·tan(B) ·sin(π-A-B)]/sin(B)-H，当最小水位深度h<hd时，设备发出预警并撤回至安全水域。
发生意外搁浅时，浮体1前侧底部触岸并产生压力而触发压力传感器发生信号给工控机8，工控机8启动喷水推进泵9逆向喷流将船体推离河岸，并且喷射的水流冲刷河岸，将卡住浮体1的杂物冲刷掉，使船体重新返回安全水域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：
1.一种近岸水面漂浮物清理装置，其特征在于，包括船体、压力模块、视觉模块、导航控制台和喷水推进泵，所述船体包括内舱、顶棚和浮体，所述内舱用来放置清理船的功能设备，所述顶棚用来放置所述视觉模块，所述浮体布置在内舱两侧，并与顶棚和内舱连接，压力模块布置在浮体前侧底面，视觉模块安装在船体前侧，用于采集水面漂浮物图像和监测离岸距离，喷水推进泵安装在浮体尾部，用于推进船体的航行，两个浮体上的喷水推进泵动作相互独立以实现船体的差速航行和倒车，所述导航控制台包括GPS和工控机，压力模块和视觉模块与工控机输入端相连，工控机输出端与喷水推进泵相连并控制喷水推进泵的启闭，工控机处理GPS、压力模块和视觉模块的信号并通过喷水推进泵控制船体的航向。
2.根据权利要求1所述的一种近岸水面漂浮物清理装置，其特征在于，还包括人机交互模块，用于提供视频输出和按键输入，用于初始设置与显示工作。
3.根据权利要求1所述的一种近岸水面漂浮物清理装置，其特征在于，所述压力模块包含多个力传感器，有缓冲垫覆盖其上以保护力传感器，当船体搁浅时，浮体触岸，力传感器受压并发出信号给导航控制台的工控机进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种近岸水面漂浮物清理装置，其特征在于，所述视觉模块包括摄像头和激光雷达，摄像头用于采集水面漂浮物图像，激光雷达用于采集水面漂浮物点云图以及船体靠近河岸时监测离岸距离，视觉模块采集数据并传输给导航控制台的工控机进行处理。
5.根据权利要求1所述的一种近岸水面漂浮物清理装置，其特征在于，所述GPS用以得到船体实时位置和船体的导航，GPS所用天线安装在船体顶棚后侧，工控机内存储工作地地图和水面漂浮物视觉图像及点云图，工控机通过GPS和视觉模块的信号控制船体的航行，还能根据压力模块发出的信号判断是否搁浅，并及时远离搁浅水域。
6.一种近岸水面漂浮物清理方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的一种近岸水面漂浮物清理装置实现，包括以下步骤：
（1）根据视觉模块的安装位置，确定视觉模块照射中心方向与水平面角度A以及其与船底的垂直高度H，并测得工作水域的河岸坡度角度B；
（2）通过人机交互模块输入角度A、坡度角度B和最小水位深度h，根据工作地地图设置设备预定工作地点；
（3）设置完成后，启动清理装置，开始进入工作状态；
（4）通过GPS导航，船体航向预定工作地点，到达工作地点后，摄像头和激光雷达同步开始采集周围水域图像并将图像传输给工控机处理；
（5）工控机中的已存储图像和实际采集图像进行对比检测，若有匹配则驶向被检测漂浮物并对漂浮物进行收集；
（6）设备进行工作时，视觉模块同时监测工作前进方向是否向河岸靠近，激光雷达将测得的视向距离传输给工控机，通过计算得到船底距河岸垂直距离以判断是否有搁浅危险，并及时撤离搁浅危险水域。
7.根据权利要求6所述的一种近岸水面漂浮物清理方法，其特征在于，步骤（6）中，发生意外搁浅时，浮体前侧底部触岸并产生压力，触发力传感器发生信号给工控机，工控机启动喷水推进泵逆向喷流将船体推离河岸，并且喷射的水流冲刷河岸，将卡住浮体的杂物冲刷掉，使船体重新返回安全水域。
8.根据权利要求7所述的一种近岸水面漂浮物清理方法，其特征在于，所述视觉模块照射中心方向与水平面角度为A，河岸坡度角度为B，视觉模块与船底之间的垂直高度为H，激光雷达测得船体与河岸视向距离为L，根据正弦定理进行变换，可得视觉模块与河岸之间的水平距离d，水平距离d的计算公式为：
d=[L·sin(π-A-B)]/sin(B)
再由三角函数可得视觉模块与河岸的垂直距离D，垂直距离D的计算公式为：
D=d·tan(B)
故得到船底距河岸垂直距离hd，船底距河岸垂直距离hd的计算公式为：
hd=D-H，即hd=[L·tan(B) ·sin(π-A-B)]/sin(B)-H
当最小水位深度h<hd时，浮体前侧底部触岸并产生压力，触发力传感器发生信号给工控机，工控机启动喷水推进泵逆向喷流将船体推离河岸，并且喷射的水流冲刷河岸，将卡住浮体的杂物冲刷掉，使船体重新返回安全水域。
技术总结
本发明一种近岸水面漂浮物清理装置及方法，包括船体，船体包括内舱、顶棚和浮体，内舱用来放置清理船的功能设备，顶棚用来放置视觉模块，浮体布置在内舱两侧，并与顶棚和内舱连接，压力模块布置在浮体前侧底面，视觉模块安装在船体前侧，喷水推进泵安装在浮体尾部，用于推进船体的航行，导航控制台包括工控机，压力模块和视觉模块与工控机输入端相连，工控机输出端与喷水推进泵相连并控制喷水推进泵的启闭，推离船体，避免搁浅。本发明提供的近岸水面漂浮物清理装置及方法，可以在水位较浅的近岸水域工作，内舱里的设备可以根据工作条件进行改装，船体搁浅后可智能退回安全水域，且浮体上覆盖的缓冲垫可有效保护设备免受搁浅或碰撞等冲击损害。
技术研发人员：张霖;赵林坤;倪金华;骆敏舟;王延杰;张鑫杰;夏康
受保护的技术使用者：河海大学常州校区
技术研发日：.07.29
技术公布日：.10.25
