水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备及鱼群系统的制作方法

1.本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种水质监测净化仿生机器鱼及鱼群系统。


背景技术：

2.水质监测净化是水资源保护与管理的重要基础，是提高水环境质量的重要技术路径。水质监测仍存在很多问题，采用的技术路线和技术手段需要提升，检测设备的可靠性与稳定性需要提升、检测精度需要提高。目前，水质监测的技术手段包括：固定式传感器，固定式检测装置，便携式检测仪，无线传感器网络，机器人携带检测仪。机器人携带检测仪下到水里对水中不同位置的水质进行在线监测方式中，核心的水质监测设备是监测探头，现有的检测探头一般装有多个传感器，传感器基本上都是裸露在外面，机器人带动监测探头移动过程中很可能与外界的水草、石块、船舶等发生碰撞而造成传感器损坏及探测头失灵。另外，能够在监测的同时根据监测结果实时净化水体的智能化装置或装备非常少，目前的装置绝大多数以机械式为主。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种水质监测净化仿生机器鱼及鱼群系统，通过集群系统的方式，对水体进行整体的水质监测，提高水质监测精度，延长水质监测设备使用寿命，代替人对水质进行巡测巡检，及时采集水质数据，及时发现水体质量问题，如污染、异物、异味等，为运行管理人员提供诊断水体病害的先兆数据，及时发现水资源受损隐患，保障用水饮水安全。
4.本发明所采用的技术方案为：
5.第一方面，本发明提供水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备，包括以下主要组成模块：
6.仿生机器鱼壳体，仿生机器鱼推进器，仿生机器鱼控制器，水质分类及预测器，数字浊度传感器，ph传感器，温度传感器，溶解氧传感器，气味传感器，水质净化机构，远距离障碍物探测激光雷达，近距离障碍物探测激光雷达，气象传感器接口及数据融合模块，zigbee无线通信接口，有线通信接口，5g通信接口，gps/北斗定位器，电源输入端，蓄电池，数据存储卡，液晶显示模块。
7.结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，仿生机器鱼放置于江河、湖泊、水库、市内河流、鱼塘水域，用于实现水质在线智能监测及净化处理，并与手机app监测终端、地面水质监测站实时通信，地面站可通过卫星网络与空间导航定位卫星通信。
8.结合第一方面，本发明提供第一方面的第二种实施方式，所述水质净化机构包括净化操作机械手、机械臂、净化剂、净化材料；
9.机械臂采用六自由度结构，机械手采用简易的两指抓握式结构。
10.结合第一方面，本发明提供第一方面的第三种实施方式，仿生机器鱼的监测距离
范围为0-180m，测量时的最快响应时间为1ms，最慢响应时间为5ms；
11.其中，超过最慢响应时间即视为本次通信无效，重新发送探测信号；
12.距离误差在10cm范围内；
13.并具有rs-485、modbus rtu有线通信和无线通信两种模式。
14.结合第一方面的第三种实施方式，本发明提供第一方面的第四种实施方式，具有水质监测净化机器鱼控制器，控制器作为仿生机器鱼的控制核心，起到中央控制作用，包括控制电路硬件和控制算法及控制策略软件两部分；
15.控制电路硬件：以32位arm微控制器stm32f103为主控芯片设计机器鱼专用控制器，集成各种传感器模块、水质预测模块、水质净化机构、通信模块及其他电路模块。stm32f103内核是cortex-m3。芯片集成定时器timer，can， adc，spi，i2c，usb，uart等多种外设功能。可以根据机器鱼产品的实际配置需求选择相应的片内flash及外设；
16.控制算法及控制策略软件：采用kalman滤波算法实现机器鱼运动姿态的控制与预估，正常运行情况下采用pid算法实现机器鱼的控制。
17.结合第一方面的第三种实施方式，本发明提供第一方面的第五种实施方式，具有水质监测净化机器鱼水质分类及预测器，将采集到的水质数据集分为训练数据集和测试数据集两部分，对训练数据集进行特征提取，输入到长短时记忆单元lstm循环神经网络，反复训练lstm网络，直到网络结构达到最优；将测试数据输入到训练好的lstm网络，lstm网络经预算后给出水质分类和预测结果。
18.第二方面，本发明还公开一种鱼群系统，采用多智能体理论作为通信和控制的基础理论支撑，组建由若干个仿生机器鱼构成的多agent鱼群系统；
19.鱼群系统中有一个主agent机器鱼，其他均为从agent机器鱼；
20.主agent机器鱼与从agent机器鱼之间采用主从式通信，多从agent机器鱼之间采用无线传感器自组织网络方式通信；
21.通过多agent鱼群系统进行巡游检测，多agent鱼群系统具有自主移动模式和远程控制模式；
22.所述自主移动模式由预设在仿生机器鱼内的自主感知控制及巡游监测程序对划定范围内的水体系统进行周期性巡游监测及净化操作；
23.所述远程控制模式由水质监测管理云地面站控制主体和从体进行巡游监测及净化操作。
24.结合第二方面，本发明提供第二方面的第一种实施方式，在对单个水体系统进行巡游监测时，单个集群系统中作为主体的仿生机器鱼保持在水面处，通过设置的天线与水质监测管理云地面站进行数据传输；
25.作为从属个体的仿生机器鱼以十字型或网状分布的方式等间距设置在水体系统中，并以同向环境自适应调速的方式进行周期性巡游；
26.处于水体系统内的仿生机器鱼通过zigbee方式进行链式数据传输。
27.(一)水质监测净化机器鱼外观、智能系统及环境交互机理模型
28.水质监测净化机器鱼的外观、智能系统及环境交互机理模型如图1所示。为了减小水的阻力，同时考虑浮力作用效果，在综合平衡条件下将机器鱼设计成体型偏圆形的热带鱼形状。
29.水质监测机器鱼总体性能指标如下：
30.1)监测到的独立参数不低于16种；
31.2)测量距离范围为0-180m；
32.3)测量时的最快响应时间为1ms；
33.4)最慢响应时间为5ms，超过最慢响应时间即视为本次通信无效，重新发送探测信号；
34.5)距离误差在10cm范围内；
35.6)测距数据稳定，便于提取特征，便于数据挖掘分析；
36.7)能够融合空气质量、天气气候数据；
37.8)支持rs-485、modbusrtu有线通信和无线通信两种模式。
38.(二)水质监测净化机器鱼电路
39.水质监测净化机器鱼的电路如图2所示。
40.包括以下主要组成模块：仿生机器鱼壳体，仿生机器鱼推进器，仿生机器鱼控制器，水质分类及预测器，数字浊度传感器，ph传感器，温度传感器，溶解氧传感器，气味传感器，水质净化机构(包括净化操作机械手与机械臂、净化剂、净化材料)，远距离障碍物探测激光雷达，近距离障碍物探测激光雷达，气象传感器接口及数据融合模块，zigbee无线通信接口，有线通信接口，5g通信接口，gps(或北斗)定位器，电源输入端，蓄电池，数据存储卡，液晶显示模块。
41.(三)水质监测净化机器鱼控制器
42.控制器作为机器鱼的控制核心，起到中央控制作用，包括控制电路硬件和控制算法及控制策略软件两部分。
43.控制电路硬件：以32位arm微控制器stm32f103为主控芯片设计机器鱼专用控制器，集成各种传感器模块、水质预测模块、水质净化机构、通信模块及其他电路模块。stm32f103内核是cortex-m3。stm32f系列芯片按片内flash 的大小可分为三大类:小容量(16k和32k)、中容量(64k和128k)、大容量(256k、 384k和512k)。芯片集成定时器timer，can，adc，spi，i2c，usb，uart 等多种外设功能。可以根据机器鱼产品的实际配置需求选择相应的片内flash及外设。
44.控制算法及控制策略软件：采用kalman滤波算法实现机器鱼运动姿态的控制与预估，正常运行情况下采用pid算法实现机器鱼的控制。
45.输入到控制器的基本监测参数包括：ph值、do、浊度、水温、电导、氨氮、toc、cod。实际产品开发时应满足以上基本参数采集这一最低要求，另外可根据应用需求增加其他参数。
46.(四)机械臂+机械手净化执行装置
47.机器鱼携带机械臂和机械手净化执行装置及净化材料(如陶瓷净化材料)，机械臂采用六自由度结构，机械手采用简易的两指抓握式结构。可根据监测到的水质数据实时控制机械臂伸缩、左右运动，并带动抓握的净化材料运动，实现实时净化。
48.(五)水质监测净化机器鱼水质分类及预测器
49.将采集到的水质数据集分为训练数据集和测试数据集两部分，对训练数据集进行特征提取，输入到长短时记忆单元lstm循环神经网络，反复训练lstm 网络，直到网络结构
达到最优。将测试数据输入到训练好的lstm网络，lstm 网络经预算后给出水质分类和预测结果。
50.(六)水下无线传感网
51.基于zigbee协议构建分布式自组织多跳转水下传感器监测控制网络。
52.(七)浊度传感器
53.采用数字浊度传感器，采用国外成熟的90
°
散射光原理，使用红外led光源、光纤传导光路的设计方法；内部增加滤光片设计，抗外界光干扰能力强。
54.性能指标项：
55.1)输出rs-485数字信号,支持无线通信协议；
56.2)90
°
角散射光原理，内置温度可以自动补偿；
57.3)光纤式结构，抗外界光干扰能力强；
58.4)红外led光源，增加滤光设计，抗光源干扰，稳定性好；
59.5)表面进行防腐钝化处理；
60.6)外壳进行防水处理；
61.7)内部电路采用抗干扰设计；
62.8)内部电路采用低功耗芯片。
63.(八)温度传感器
64.周围环境温度的变化会引起温度传感器内线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，造成测量误差。因此，选择采用恒流源激励电路，适当提高线圈品质因子并采用差动电桥以可以减少温度的影响。
65.(九)气象传感器
66.采用气象两参数传感器，针对大气户外pm2.5、pm10两项户外参数监测。
67.(十)长距离探测激光雷达
68.将长距离探测激光雷达固定在机器鱼的壳体的上方、下方、左侧、右侧四个方位，垂直向下、垂直向上、水平向左、水平向右探测，探测范围尽量覆盖机器鱼的四周。实时反馈机器鱼与水体内较远障碍物间的距离和角度，防止发生碰撞，实时调整机器鱼的位姿。长距离探测激光雷达包含针对水下暗光、强光及雨雪雾等极端天气的视觉补偿算法，使其能够在暗光、强光及极端恶劣天气条件下依然可以正常工作。
69.关键技术指标：
70.测量范围：0.1m-180m；帧率：1hz-10khz；工作温度：-25
°
～60
°
；通信接口：uart、can；视场角：0.5
°
；重量：77g
±
3g。
71.(十一)短距离探测激光雷达
72.将短距离探测激光雷达固定在机器鱼的壳体的上方、下方、左侧、右侧四个方位，垂直向下、垂直向上、水平向左、水平向右探测，探测范围尽量覆盖机器鱼的四周。实时反馈机器鱼与水体内较近障碍物间的距离和角度，防止发生碰撞，实时调整机器鱼的位姿。短距离探测激光雷达包含针对水下暗光、强光及雨雪雾等极端天气的视觉补偿算法，使其能够在暗光、强光及极端恶劣天气条件下依然可以正常工作。
73.关键技术指标：
74.量程：8m；距离分辨率：1cm；帧率：1-250hz；功耗≤0.35w；重量《＝5g；工作温度-10℃～60℃。
75.(十二)群体智能
76.在流域河流、水库等场景实施水质监测净化机器鱼，需组建机器鱼鱼群，鱼群分布在河流或水库的不同区域。整个鱼群采用分布式群体智能方式进行群体通信，系统由一个主机器鱼和若干个从机器鱼组成。主机器鱼负责关键信息的处理与中转(如重大故障信号、灾害信号)。各从机器鱼之间采用无主方式进行平等对话与通信，可以是“一对一”、“一对多”、“多对多”通信模式。
77.(十三)水地空一体化网络
78.机器鱼系统总体上工作于一个水地空一体化网络中，在水中时采用水系统通信协议进行通信，水中机器鱼系统通过5g基站与水质监测管理地面站建立通信并集成到地面站，地面站与天基通信系统建立通信，最终实现水、地、空全域通信。
79.(十四)工作模式
80.水质监测机器鱼的工作模式分为两类，一类是自主移动模式，一类是远程遥控模式。
81.(十五)壳体防腐
82.优选的，所述机器鱼壳体的表面可涂铬之类的防腐涂料。
83.需要说明的是，每个仿生机器鱼是一个独立的终端，具有完备的数据链和处理模块，而作为主体的仿生机器鱼为了实现较好的数据处理和中转性能，会采用更大的体积、更大的蓄电池和更好的控制模块，同时具有独立的天线结构，能够将数据完整实时地传输至地面站。
84.而整个系统也会按照其实际的产品性能规划具体的巡游范围，其范围不能超出作为主体的仿生机器鱼的最大数据传输范围。但程序设置中可设置为，在采用远程操控模式中，在能够与地面站进行稳定通信时，均有地面站对集群进行控制。若因外部原因致使集群超出设定范围，则由作为主体的仿生机器鱼转换操控模式，进行自助巡游模式，并根据内置的定位模块和预设的对应区域的位置信息、地面站位置信息来规划返回路线，直到接受到地面站信号后才转换回远程控制模式。
85.而作为主体的仿生机器鱼上还具有额外的通信模块，用于与云端系统进行远程通信，一般为5g或4g通信方式，该方式主要是为了获取到范围路线信息。
86.还值得说明的是，本技术中的仿生机器鱼仅是用于指代该单体模块，实际上具体的产品结构并不具体限定，包括类似鱼造型的摇摆式行进结构和普通的潜水设备的桨叶推进结构，本技术并不限定其结构方式，只需要满足在水下稳定行进即可。
87.本发明的有益效果为：
88.本发明改进了水质监测技术方式，提高了水质监测精度，延长了水质监测设备使用寿命，提供了一种综合性价比高的先进水质监测净化一体化技术。
89.本发明能够解决以下问题：
90.(1)传感器裸露在外面后造成监测探头移动过程中与外界障碍物极易碰撞，导致装置易损坏，传感器更换较频繁；
91.(2)监测装置采用的微处理器型号、功能不够先进导致监测装置集成电路的先进
性降低，电路集成能力有限；
92.(3)由于水下环境复杂、信号干扰、数据处理方法不当等造成监测装置监测到的数据精度不够、实时性欠佳；
93.(4)监测装置巡检能力不强，一般只能在固定区域、小范围内监测，不能做大范围巡检；
94.(5)监测装置的数据融合能力较弱，一般只能对少量参数进行监测，不能综合本系统外其他相关数据；
95.(6)水体的在线实时净化能力较弱，监测净化没有实现一体化，净化智能控制方面考虑的极少，不能根据水体不同部位的受污染程度实施不同的自适应净化控制策略。
附图说明
96.图1是本发明中水质监测净化机器鱼外观、智能系统及环境交互机理模型示意图；
97.图2是本发明中水质监测净化机器鱼智能系统电路原理图；
98.图3是本发明中仿生机器鱼在流域河流中的实施方式示意图。
具体实施方式
99.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
100.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
101.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
102.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
103.在本技术的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，本技术的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
104.此外，本技术的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
105.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒
介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
106.实施例1：
107.本实施例公开水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备及鱼群系统，
108.如图1-3所示，下面将结合本专利实施例中的附图3，对本专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利一部分实施例，而不是全部的实施例。
109.实施步骤如下：
110.1、按照所述机器鱼机理模型和电路设计研发水质监测净化机器鱼。
111.2、将水质监测净化机器鱼投放、布置于特定场景，如流域河流、城市水库、城市景观河流。
112.3、采用仿生机器鱼携带的数字浊度传感器、ph传感器、温度传感器、溶解氧传感器、气味传感器采集水质数据，并将数据经模数转换后输入到仿生机器鱼控制器中以备使用。
113.4、仿生机器鱼控制器综合传感器数据、水质分类及预测数据、环境数据等，给出适合当前局部水域净化需求的净化剂控制量，控制净化机械臂运动，通过净化机械手实施精细化净化操作。
114.5、仿生机器鱼水质分类及预测器在线预测当前水域的水质质量，给出优良中差的分类等级隶属。
115.6、仿生机器鱼液晶显示模块实时给出水质监测结果数据，包括：浊度、水质等级、化学成分、气味是否超标、ph值、温度等关键数据。
116.7、仿生机器鱼通信模块实时将监测数据送往地面监测站，并与水域外系统实时交换必要数据。组建水地空一体化水质监测管理全域网络。机器鱼系统总体上工作于一个水地空一体化网络中，在水中时采用水系统通信协议进行通信，水中机器鱼系统通过5g基站与水质监测管理地面站建立通信并集成到地面站，地面站与天基通信系统建立通信，最终实现水、地、空全域通信。
117.8、在流域河流、水库等大型水域场景实施水质监测净化机器鱼，根据监测和净化的实际需求，组建机器鱼鱼群，以“无死角”为目标，鱼群密度合理，监测、探测信号覆盖全面。整个鱼群采用分布式群体智能方式进行群体通信，系统由一个主机器鱼和若干个从机器鱼组成。主机器鱼负责关键信息的处理与中转(如重大故障信号、灾害信号)。各从机器鱼之间采用无主方式进行平等对话与通信，可以是“一对一”、“一对多”、“多对多”通信模式。鱼群分布在河流或水库的不同区域，将采集到的数据通过地面站进行整合、综合、处理。
118.本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。