一种基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统及检测方法与流程

本发明属于无人艇应用技术领域，具体涉及一种基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统及检测方法。

背景技术：

随着海洋开发的进行、沿海地区的经济发展、排海物质的增多，海洋环境污染严重，生态环境破坏较大，海洋灾害频繁发生，经济损失不断增加。海洋环境的保护已经引起各国的重视，我国又是海洋大国，海洋环境对我国社会、经济的可持续发展具有极重要的影响。海洋环境状况的掌握是海洋保护的前提，掌握影响海洋环境的主要因素、污染及其来源与变化对海洋环境保护具有重要意义。现有的环境自动监测仪器普遍具有设备体积大、安装完后不便于移动的缺点，对于一些简单的检测，取样麻烦，耗时较长，不能够及时获取相关的水环境信息，在测量地域上也有一定的限制，并且检测准确度较低，因此需要一套高效低能耗且检测准确的系统来实现海洋环境的检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决背景技术中存在的问题，提供一种检测地域范围广、检测效率高及检测准确度高的一种基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统，以及利用该环境检测控制系统进行环境检测的方法。

基于上述目的，本发明提供了一种基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统及检测方法。

一种基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统,包括设于无人艇上的中央处理器以及与中央处理器相连接的供电模块、应用模块、数据采集模块和远程监控模块；中央处理器与数据采集模块之间存在单向信号传输，由数据采集模块将信号传输给中央处理器，中央处理器与应用模块和远程监控模块之间均存在双向信号传输；供电模块包括电源模块，电源模块与中央处理器、数据采集模块和应用模块相连接；应用模块包括智能投放装置以及与智能投放装置相配合的机器鱼，智能投放装置接收中央处理器发出的投放或回收机器鱼的信号，进行机器鱼的投放或回收操作，机器鱼采集环境检测相关信号，并传输给中央处理器，中央处理器将信号处理后传输给远程监控模块；数据采集模块包括船体监测器和海面环境监测器，船体监测器包括磁罗盘、加速计和gps接收机，用于监测船体的实时位置及艏向，海面环境监测器包括风速监测器和风向监测器，用于监测船体所处海域的风速及风向，数据采集模块采集船体的位置及艏向信号和船体所处海域的风速及风向信号，并传输给中央处理器，中央处理器将信号处理后传输给远程监控模块；远程监控模块包括遥控器以及操控界面，遥控器对中央处理器发出控制指令，操控界面上设有可触摸显示屏，操控界面接收并显示中央处理器传输的信号，操控界面通过可触摸显示屏对中央处理器发出控制指令。

进一步地，所述供电模块还包括稳压模块，供电模块中的电源模块通过稳压模块后，为数据采集模块和应用模块输出稳定的工作电压，电源模块通过稳压模块后与应用模块中的智能投放装置相连接。

进一步地，机器鱼内设有无线电收发装置和警报装置，无线电收发装置接收中央处理器发出的控制信号，报警装置在机器鱼电量过低时发出报警信号，并经无线电收发装置将报警信号发送至中央处理器。

进一步地，机器鱼由感知区、行为区、动作区和指令区组成；感知区包括化学传感器、接触传感器、声呐和摄像头，化学传感器对指定海域的环境进行检测，声呐和接触传感器对海底地形进行测绘，摄像头监测海底的状况并采集视频资料；行为区包括机器鱼内的控制电路；动作区包括带动机器鱼鱼体动作的电机、拉杆和齿轮；指令区包括机器鱼内的控制模块，指令区对感知区、动作区进行控制。

进一步地，无人艇内机器鱼的数量至少为两个。

利用上述基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统进行检测的方法，包括以下步骤：（1）将无人艇航行至指定待测海域，进行机器鱼的投放；（2）待测海域环境的检测及测绘；（3）检测及测绘任务完成后，无人艇进行机器鱼的回收，待机器鱼回收完毕，无人艇按照指定路径返航。

进一步地，步骤（1）中将无人艇航行至指定待测海域并进行机器鱼投放的具体步骤为：

①.当无人艇接收到指定海域污染物检测或海底地形测绘任务时，通过gps接收机确定无人艇所在位置，通过磁罗盘和加速计确定无人艇的艏向，数据采集模块将无人艇所在位置及艏向信号传输给中央处理器，中央处理器将信号处理后传输给远程监控模块，远程监控模块中的操控界面接收并显示信号，操作人员通过操控界面上的可触摸显示屏对无人艇进行路径规划，并通过操控界面将路径规划信号传输给中央处理器；中央处理器接收路径规划信号，使得无人艇按照规划路径进行循迹，以抵达指定海域；

②.当无人艇抵达任务海域后，中央处理器将船体位置及艏向信号和海面的风速及风向信号传输给远程监控模块，同时，向远程监控模块发出投放机器鱼的请求信号；

③.远程监控模块接收中央处理器发送的船体位置及艏向信号、海面的风速及风向信号和投放机器鱼的请求信号，并将接收的信号在操控界面显示，操作人员根据操控界面显示的信息决定是否进行机器鱼的投放，若操控人员综合分析后决定投放机器鱼，操作人员通过操控界面向中央处理器发出应答指令，同时，通过操控界面向中央处理器发送机器鱼的巡航路径信号，中央处理器将接收到的巡航路径信号进行处理，并将处理后的巡航路径信号发送给无人艇内的任一条机器鱼，并对接收巡航路径信号的机器鱼进行标定；

④.中央处理器接收到远程监控模块发出的应答指令后，中央处理器对智能投放装置发出投放机器鱼的信号，智能投放装置接收信号并对标定的机器鱼进行投放。

进一步地，步骤（2）中待测海域环境的检测及测绘的具体步骤为：

a.被标定的机器鱼入水后，机器鱼的指令区向感知区、动作区发出控制信号，使得机器鱼开始按照指定的巡航路径进行巡航，巡航过程中利用化学传感器进行环境检测，利用接触传感器和声呐对海底地形进行测绘，利用摄像头采集视频资料，并通过机器鱼内置的无线电收发装置将测量信号传输给中央处理器，中央处理器接收测量信号并进行处理，中央处理器将处理后的测量信号传输给远程监控模块；

b.远程监控模块中的操控界面接收由中央处理器发送的检测信号，并在操控界面的可触摸显示屏上显示检测结果，操作人员对可触摸显示屏上显示的信息进行分析，并对可疑信息位置进行标定；

c.当被标定投放的机器鱼电量不足时，先投放无人艇内其余任一条机器鱼继续进行检测及测绘工作，再回收电量低的机器鱼进行充电，利用无人艇内的机器鱼交替进行检测及测绘工作，至检测及测绘任务完成。

进一步地，步骤c中当被标定投放的机器鱼电量不足时，先投放无人艇内其余机器鱼中的任一条机器鱼继续进行检测及测绘工作，再回收电量低的机器鱼进行充电的具体过程为：

a.当被标定投放的机器鱼电量不足时，该机器鱼内的报警装置发出报警信号，并由机器鱼内的无线电收发装置将报警信号发送至中央处理器，中央处理器接收到机器鱼的报警信号后，将该机器鱼的报警信号传输给远程监控模块，同时，向远程监控模块发送投放无人艇内其余机器鱼中任一条机器鱼的请求指令，远程监控模块接收由中央处理发送的机器鱼报警信号及投放机器鱼的请求指令后，并在远程监控模块中的操控界面显示，操作人员根据操控界面显示的信息，通过操控界面向中央处理器发送应答指令，同时向中央处理器发送机器鱼的巡航路径信号，中央处理器将接收到的巡航路径信号进行处理，并将处理后的巡航路径信号发送给无人艇内其余的机器鱼中任一条机器鱼，并对接收巡航路径信号的机器鱼进行标定；

b.中央处理器接收到远程监控模块发出的应答指令后，中央处理器对智能投放装置发出回收机器鱼的信号，智能投放装置接收信号并对发出报警信号的机器鱼进行回收充电。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

（1）本发明以无人艇为载体，机器鱼为测量主体，能够适应复杂的水域环境，突破传统海洋环境检测及测绘的地域限制，以机器代替人力，并采用多只机器鱼交替工作的形式，延长了有效工作时间，提高了工作效率，利用机器鱼内设置的多种检测装置进行海洋环境检测及测绘，提高了环境检测及测绘的效率和准确度。

（2）无人艇上的中央处理器与供电模块、应用模块、数据采集模块和远程监控模块相连接连接，便于中央处理器对应用模块和数据采集模块的测量信息进行读取和处理，并将处理后的信息传送至远程监控模块，从而便于对无人艇进行远程控制。

（3）应用模块包括智能投放装置以及与智能投放装置相配合的机器鱼，二者均与中央处理器相连接，智能投放装置根据中央处理器的信号进行机器鱼的投放或回收，机器鱼则将其自身的信号反馈至中央处理器，使得智能投放装置能够根据中央处理器的投放决策进行机器鱼的投放和回收，对电量过低报警的机器鱼进行回收充电，并投放另一条机器鱼继续进行检测工作，多条机器鱼交替使用，使得环境检测及测绘过程顺利进行。

（4）数据采集模块包括船体监测器和海面环境监测器，数据采集模块通过船体监测器和海面环境监测器对无人艇的航行信息进行实时监控，并将航行信息传送至中央处理器，中央处理器对数据采集模块的信息进行读取和处理，并将处理后的无人艇自身航行信息通过天线实时传送至远程监控模块，实现对无人艇的实时远程监控，便于操作人员依据无人艇的实时航行信息进行决策。

（5）船体监测器包括磁罗盘、加速计和gps接收机，利用gps接收机检测无人艇所处的位置，利用磁罗盘和加速计来判断无人艇的艏向，具有稳定可靠、便捷高效、抗干扰性强和隐蔽性好的优点；海面环境监测器包括风速监测器和风向监测器，可以实时检测无人艇所述海域的风速和风向，为无人艇实现位置和艏向镇定提供明确的外界干扰信息，便于操控人员针对无人艇所处的状态做出正确的决策。

（6）远程监控模块包括与中央处理器无线连接的遥控器以及操控界面；遥控器通过中央处理器远程控制无人艇，操控界面接收、显示并反馈中央处理器及机器鱼发出的信号，操控界面接收和显示无人艇自身的航行状态及机器鱼检测到的环境信息和测绘信息，实现检测过程的自动化，提高了检测效率及检测准确度。

（7）供电模块还包括电源和稳压模块，电源通过稳压模块后，为数据采集模块和应用模块输出稳定的工作电压，电源通过稳压模块后与应用模块中的智能投放装置相连接，提高了数据采集模块和智能投放装置工作过程的稳定性。

（8）机器鱼内设有无线电收发装置和警报装置，无线电收发装置接收远程监控模块发出的控制信号，报警装置在机器鱼电量过低时发出报警信号，并经无线电收发装置将报警信号发送至中央处理器，实现对机器鱼的远程控制，实现对电量过低的机器鱼进行回收充电，重复利用，提高了对机器鱼的利用效率。

（9）机器鱼由感知区、行为区、动作区和指令区组成；感知区包括化学传感器、接触传感器、声呐和摄像头，其中化学传感器对指定海域的环境进行检测，声呐和接触传感器对海底地形进行测绘，摄像头监测海底的状况并采集视频资料；行为区为机器鱼内控制电机的电路；动作区为带动机器鱼鱼体动作的电机、拉杆和齿轮；指令区为机器鱼内的控制程序，用于对感知区、动作区进行控制，通过机器鱼内的无线电收发装置接收到的远程监控模块传输的规划路径后，通过指令区向感知区和动作区发出控制信号，从而实现对规划路径的遍历以及污染物检测和海底地形测绘，并将检测到的环境信息、测绘信息及相应的位置信息实时传送至远程监控模块，实现检测结果的实时性，提高了检测结果的准确度。

（10）由于机器鱼本身具备的高效性和机动性，使得本发明具有低能耗和适应范围广的优点，此外，机器鱼的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失，充分利用并控制涡流，有效降低了环境检测和测绘过程中产生的噪音，有利于隐身和突防，在特殊海域进行监测具有隐蔽性，具有重要的军事价值。

综上所述，本发明利用无人艇作为载体，机器鱼为测量主体，能够突破地域限制，提高对指定海域环境的检测和海底地形测绘的效率和准确度。

附图说明

图1为本发明基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统的模块图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统,包括设于无人艇上的中央处理器以及与中央处理器相连接的供电模块、应用模块、数据采集模块和远程监控模块，中央处理器与数据采集模块之间存在单向信号传输，由数据采集模块将信号传输给中央处理器，中央处理器与应用模块和远程监控模块之间均存在双向信号传输，便于中央处理器对应用模块和数据采集模块的测量信息进行读取和处理，并将处理后的信息传送至远程监控模块，从而便于对无人艇进行远程控制。

应用模块包括智能投放装置以及与智能投放装置相配合的机器鱼，智能投放装置接收中央处理器发出的投放或回收机器鱼的信号，进行机器鱼的投放或回收操作，机器鱼采集环境检测相关信号，并传输给中央处理器，中央处理器将信号处理后传输给远程监控模块。机器鱼的数量为两个，先投放第一条机器鱼进行检测工作，待第一条机器鱼电量低时，通过对电量过低报警的机器鱼进行回收充电，并投放第二条条机器鱼继续进行检测工作，利用无人艇内的机器鱼交替工作，使得环境检测及测绘过程顺利进行，此外，机器鱼交替工作，能够延长有效工作时间，提高检测及测绘效率。

机器鱼内设有与无线电收发装置和警报装置，无线电收发装置接收中央处理器发出的控制信号，报警装置在机器鱼电量过低时发出报警信号，并经无线电收发装置将报警信号发送至中央处理器，实现对电量过低的机器鱼进行回收充电，重复利用，提高了对机器鱼的利用效率。机器鱼由感知区、行为区、动作区和指令区组成；感知区包括化学传感器、接触传感器、声呐和摄像头，化学传感器对指定海域的环境进行检测，声呐和接触传感器对海底地形进行测绘，摄像头监测海底的状况并采集视频资料；行为区包括机器鱼内的控制电路；动作区包括带动机器鱼鱼体动作的电机、拉杆和齿轮；指令区包括机器鱼内的控制模块，指令区用于对感知区、动作区进行控制，通过机器鱼内的无线电收发装置接收到规划路径后，通过指令区向感知区和动作区发出控制信号，从而实现对规划路径的遍历以及污染物检测和海底地形测绘，并将检测到的环境信息、测绘信息及相应的位置信息实时传送至中央处理器，实现检测结果的实时性，提高了检测结果的准确度。此外，由于机器鱼本身具备的高效性和机动性，使得本发明具有低能耗和适应范围广的优点，此外，机器鱼的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失，充分利用并控制涡流，有效降低了环境检测和测绘过程中产生的噪音，有利于隐身和突防，在特殊海域进行监测具有隐蔽性，具有重要的军事价值。

供电模块包括电源模块以及与电源模块连接的稳压模块，电源模块与中央处理器电连接，为中央处理器提供电源，电源模块通过稳压模块后与数据采集模块和应用模块相连接，为数据采集模块和应用模块提供稳定的工作电压，电源模块通过稳压模块后与应用模块中的智能投放装置相连接，提高了数据采集模块和智能投放装置工作过程的稳定性。

数据采集模块包括船体监测器和海面环境监测器，数据采集模块通过船体监测器和海面环境监测器对无人艇的航行信息进行实时监控，并将航行信息传送至中央处理器，中央处理器对数据采集模块的信息进行读取和处理，并将处理后的无人艇自身航行信息通过天线实时传送至远程监控模块，实现对无人艇的实时远程监控，便于操作人员依据无人艇的实时航行信息进行决策。此外，船体监测器包括磁罗盘、加速计和gps接收机，利用gps接收机监测无人艇所处的位置，利用磁罗盘和加速计来判断无人艇的艏向，具有稳定可靠、便捷高效、抗干扰性强和隐蔽性好的优点；海面环境监测器包括风速监测器和风向监测器，可以实时监测无人艇所处海域的风速和风向，为无人艇实现位置和艏向镇定提供明确的外界干扰信息，便于操控人员针对无人艇所处的状态做出正确的决策。

远程监控模块包括与遥控器以及操控界面，遥控器对中央处理器发出控制指令，远程控制无人艇，操控界面上设有可触摸显示屏，操控界面接收并显示中央处理器传输的信号，操控界面通过可触摸显示屏对中央处理器发出控制指令，操控界面接收和显示无人艇自身的航行状态及机器鱼检测到的环境信息和测绘信息，实现检测过程的自动化，提高了检测效率及检测准确度。

实施例2：

利用实施例1中基于机器鱼的无人艇环境检测控制系统进行检测的方法，包括以下步骤：

（1）将无人艇航行至指定待测海域，进行机器鱼的投放，即：

①.当无人艇接收到指定海域污染物检测或海底地形测绘任务时，通过gps接收机确定无人艇所在位置，通过磁罗盘和加速计确定无人艇的艏向，数据采集模块将无人艇所在位置及艏向信号传输给中央处理器，中央处理器将信号处理后传输给远程监控模块，远程监控模块中的操控界面接收并显示信号，操作人员通过操控界面上的可触摸显示屏对无人艇进行路径规划，并通过操控界面将路径规划信号传输给中央处理器；中央处理器接收路径规划信号，使得无人艇按照规划路径进行循迹，以抵达指定海域；

②.当无人艇抵达任务海域后，中央处理器将船体位置及艏向信号和海面的风速及风向信号传输给远程监控模块，同时，向远程监控模块发出投放机器鱼的请求信号；

③.远程监控模块接收中央处理器发送的船体位置及艏向信号、海面的风速及风向信号和投放机器鱼的请求信号，并将接收的信号在操控界面显示，操作人员根据操控界面显示的信息决定是否进行机器鱼的投放，若操控人员综合分析后决定投放机器鱼，操作人员通过操控界面向中央处理器发出应答指令，同时，通过操控界面向中央处理器发送机器鱼的巡航路径信号，中央处理器将接收到的巡航路径信号进行处理，并将处理后的巡航路径信号发送给无人艇内的第一条机器鱼，并对接收巡航路径信号的第一条机器鱼进行标定；

④.中央处理器接收到远程监控模块发出的应答指令后，中央处理器对智能投放装置发出投放第一条机器鱼的信号，智能投放装置接收信号并对标定的第一条机器鱼进行投放。

（2）待测海域环境的检测及测绘，即：

a.被标定的第一条机器鱼入水后，第一条机器鱼的指令区向感知区、动作区发出控制信号，使得第一条机器鱼开始按照指定的巡航路径进行巡航，巡航过程中利用化学传感器进行环境检测，利用接触传感器和声呐对海底地形进行测绘，利用摄像头采集视频资料，并通过第一条机器鱼内置的无线电收发装置将测量信号传输给中央处理器，中央处理器接收测量信号并进行处理，中央处理器将处理后的测量信号传输给远程监控模块；

b.远程监控模块中的操控界面接收由中央处理器发送的检测信号，并在操控界面的可触摸显示屏上显示检测结果，操作人员对可触摸显示屏上显示的信息进行分析，并对可疑信息位置进行标定；

c.当被标定投放的第一条机器鱼电量不足时，该机器鱼内的报警装置发出报警信号，并由第一条机器鱼内的无线电收发装置将报警信号发送至中央处理器，中央处理器接收到第一条机器鱼的报警信号后，将该机器鱼的报警信号传输给远程监控模块，同时，向远程监控模块发送投放无人艇内第二条机器鱼的请求指令，远程监控模块接收由中央处理发送的第一条机器鱼报警信号及投放第二条机器鱼的请求指令后，并在远程监控模块中的操控界面显示，操作人员根据操控界面显示的信息，通过操控界面向中央处理器发送应答指令，同时向中央处理器发送第二条机器鱼的巡航路径信号，中央处理器将接收到的巡航路径信号进行处理，并将处理后的巡航路径信号发送给无人艇内第二条机器鱼，并对接收巡航路径信号的第二条机器鱼进行标定；中央处理器接收到远程监控模块发出的应答指令后，中央处理器对智能投放装置发出回收第一条机器鱼的信号，智能投放装置接收信号并对发出报警信号的第一条机器鱼进行回收充电。利用无人艇内的机器鱼交替进行检测及测绘工作，至检测及测绘任务完成。

（3）检测及测绘任务完成后，无人艇进行机器鱼的回收，待机器鱼回收完毕，无人艇按照指定路径返航。

实施例3：

实施例3与上述实施例的区别仅在于机器鱼的数量为三条，先投放第一条机器鱼进行检测工作，在该机器鱼电量低时，投放第二条机器鱼继续进行检测工作，并将电量低的第一条机器鱼进行回收充电，待第二条机器鱼电量低时，继续投放第三条机器鱼继续进行检测工作，并将电量低的第二条机器鱼进行回收充电，待第三条机器鱼电量低时，投放第一条机器鱼进行检测工作，并对第三条机器鱼进行回收充电，重复上述过程，至检测任务完成。

实施例4：

实施例4与实施例3的区别仅在于机器鱼的数量为四条，依次投放第一条、第二条、第三条和第四条机器鱼，并对电量低的机器鱼进行回收充电，待第四条机器鱼电量低时，投放第一条机器鱼进行检测工作，并对第四条机器鱼进行回收充电，重复上述过程，至检测任务完成。

实施例5：

实施例5与实施例3的区别仅在于机器鱼的数量为五条，依次投放第一条、第二条、第三条、第四条和第五条机器鱼，并对电量低的机器鱼进行回收充电，待第五条机器鱼电量低时，投放第一条机器鱼进行检测工作，并对第五条机器鱼进行回收充电，重复上述过程，至检测任务完成。