一种用于水质监测的自主导航仿生机器鱼及其控制方法与流程

本发明属于移动式水质监测技术领域，具体涉及一种用于水质监测的自主导航仿生机器鱼及其控制方法。

背景技术：

水质监测是实施水质管理的重要依据，能防止水环境资源被破坏，提高保护和治理的成效。近年来随着社会经济的快速发展，水资源的重要性越发凸显，我国水资源总量大，但人均占有量不足世界平均占有量的四分之一，总体来看我国水资源仍较为匮乏，为了保护已有的水资源，在各水域进行水质监测至关重要。在水产养殖领域，各种水质参数如溶解氧、温度、ph值、氨氮等，都影响着水产品的产量和质量，实施水质监测能保证水产品在适宜的环境中生长，防止微生物与藻类大量繁殖恶化水环境造成水产品减产甚至死亡。

传统的水质监测方法有人工现场定点采样和建立自动监测站点，但不能全面的反映整个水域的水质状况。传统的水质监测方法如实验室人工采样检测，费时费力、操作复杂，采样过程易受影响；监测站定点监测成本较高，只适用于大型水域，且无法对水质进行全方位监测；移动监测船体积巨大，需要人为操控。上述方法中水质数据的传输和存储也存在很大的问题，已经不能满足目前水质监测技术自动化和智能化的要求。随着嵌入式和无线通信网络的快速发展，水质监测技术也逐渐自动化、智能化和网络化。移动式监测设备利用远程数据传输技术对水域进行全方位监测，但一般监测设备体积较大、操作困难、成本较高。因此有必要开发一种适用于各种水域的小型自主导航水质监测设备，全方位自动监测水质，数据远程无线传输，在终端进行存储和预警。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种用于水质监测的自主导航仿生机器鱼及其控制方法，解决传统的水质监测方法成本较高、费时费力、操作复杂以及现有移动式监测设备体积巨大、需要人为操控，且无法对水质进行全方位监测的问题。

本发明提供一种用于水质监测的自主导航仿生机器鱼，该仿生机器鱼的头部、左侧、右侧、上部以及下部均设有红外传感器；鱼体的内部设有控制模块、水箱、gps模块和无线通信模块，鱼体的底部设有水质传感器；尾部设有尾鳍，其通过2个舵机单元构成的双关节结构与鱼体连接；5个红外传感器、水箱、gps模块、无线通信模块、水质传感器以及2个舵机均与控制模块连接；

仿生机器鱼通过控制水箱中的水量实现上浮下潜；通过控制舵机进而控制尾鳍来回摆动，实现仿生机器鱼在水中前进以及转向；通过5个红外传感器进行探障，实现自动避障；gps模块用于获取仿生机器鱼的位置信息，进而获得当前位置距目标位置的航向角度，进行自主导航；水质传感器用于采集水质参数；无线通信模块用于将采集到的水质参数上传。

进一步地，水质参数包括溶解氧、温度、ph值、氨氮。

进一步地，该仿生机器鱼的鱼体内部还设有电池，鱼体外部设有开关。

本发明还提供一种用于水质监测的自主导航仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、向仿生机器鱼中导入目标位置；

s2、获取仿生机器鱼的起始位置信息，计算起始位置距目标位置的起始航向角度；

s3、仿生机器鱼进行巡游和避障；

s4、获取仿生机器鱼的当前位置信息，计算当前位置距目标位置的当前航向角度；

s5、比较当前航向角度与起始航向角度，调整仿生机器鱼的航向，使当前航向角度等于起始航向角度；

s6、重复步骤s3、s4和s5，直至到达目标位置，采集水质参数并上传。

本发明的有益效果是：

①本仿生机器鱼利用仿生学原理，模仿鱼类外形，体积较小，适用于各种大小型水域，另外利用双关节尾鳍的摆动来实现推进，相比螺旋桨推进的结构更具灵活性和低扰动性，对水生生物友好，鱼体内有水箱，通过水泵的进水排水在水中实现上浮下潜。

②仿生机器鱼可根据设置的目标点经纬度坐标进行自主导航，前往目标位置过程中通过红外传感器进行避障，鱼体搭载水质传感器，在游动过程中实时全方位监测水质参数，不需要人工控制，全程实现自动化、智能化。

③仿生机器鱼采用无线通信将水质数据传输到终端，发送时仿生机器鱼将上浮至水面，防止在水中导致信号衰减。终端接收到数据后能进行分析及预警，方便对水质实施科学的管理。

④电池采用无线充电方式，保证仿生机器鱼的密封防水性。

⑤由于仿生机器鱼的外形特点，除了用于水质监测，加入其它模块还可以具有各种用途，例如狭小管道检测、水下生物观察、军事侦察应用、水下考古等。

附图说明

图1为仿生机器鱼的系统架构；

图2为仿生机器鱼的结构主视图；

图3为仿生机器鱼的结构俯视图；

图4为仿生机器鱼尾部摆动模型；

图5为仿生机器鱼的自主导航路线；

图6为仿生机器鱼的工作流程图。

图中：1-前侧红外传感器，2-左侧红外传感器，3-上侧红外传感器，4-下侧红外传感器，5-控制模块，6-水箱，7-无线通信模块，8-gps模块，9-开关，10-电池，11-水质传感器，12-第一舵机，13-第一连接杆，14-第二舵机，15-第二连接杆，16-尾鳍，17-右侧红外传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明的用于水质监测的自主导航仿生机器鱼，将仿生学结合到水质监测领域，使监测设备模仿鱼类外形并具有双关节的尾鳍，模拟鱼类的游动方式，利用双关节尾鳍的摆动产生作用力进行推进和转向，在水中灵活高效、体积小、低污染、无扰动。其控制方法为：首先设定目标监测点坐标，仿生机器鱼通过自主导航和红外避障从起始点到达目标点，利用体内搭载的多参数水质传感器，可检测水中的ph值、溶解氧、温度、电导率、浊度、盐度等参数，采集水质数据后经控制模块传输给无线通信模块，实现远距离无线传输，最终上位机接收数据并存储、显示。

本发明实施例的用于水质监测的自主导航仿生机器鱼，如图2和图3所示，外形模仿鱼类，该仿生机器鱼的头部、左侧、右侧、上部以及下部均设有红外传感器；当前方存在障碍物时，发射的红外光线被反射回来，红外传感器向控制模块输出电平信号，并进行避障操作。鱼体的内部设有控制模块、水箱6、gps模块8和无线通信模块7，鱼体的底部设有水质传感器11；尾部设有尾鳍16，其通过2个舵机单元构成的双关节结构与鱼体连接；5个红外传感器、水箱6、gps模块8、无线通信模块7、水质传感器11以及2个舵机均与控制模块连接。如图1所示，控制模块可以采用stm32控制模块。

仿生机器鱼通过水泵的抽水排水控制水箱中的水量，进而改变仿生机器鱼的重力，实现上浮下潜。仿生机器鱼通过控制舵机进而控制尾鳍来回摆动，实现仿生机器鱼在水中前进以及转向，即图1的驱动模块。如图4所示，鱼体和尾鳍由两个舵机连接而成，构成双关节，末端连接尾鳍，舵机之间由连接杆连接，舵机可控制连接杆旋转，进而控制各关节和尾鳍来回摆动。控制模块输出一定频率的pwm信号，舵机单元带动尾鳍来回摆动，在水中产生反作用力使机器鱼进行推进，当机器鱼直线前进时，单个关节沿着鱼体轴两侧摆动的幅度相等，需要左转向时，舵机单元转动使尾鳍偏向鱼体轴左侧，需要右转向时，尾鳍偏向鱼体轴右侧，利用惯性完成左右转向。

仿生机器鱼通过5个红外传感器进行探障，实现自动避障；gps模块用于获取仿生机器鱼的位置信息，进而获得当前位置距目标位置的航向角度，进行自主导航。当接收到目标点经纬度坐标后，利用gps模块确定当前经纬度坐标，计算出向目标点游动的初始航向角度，机器鱼在向目标点游动的过程中进行避障并不断调整航向角度，最终到达目标点后停止游动，利用鱼体下部搭载的水质传感器采集目标点水质参数，包括溶解氧、温度、ph值、氨氮等，经过rs-485通信传给stm32控制模块，将数据解析后由lora无线通信模块上传至远程终端。

进一步地，该仿生机器鱼的鱼体内部还设有电池10，采取无线充电方式，避免影响机器鱼的防水性；鱼体外部设有开关9。

本发明还提供一种用于水质监测的自主导航仿生机器鱼的控制方法，如图6所示，包括以下步骤：

s1、向仿生机器鱼中导入目标位置。

s2、获取仿生机器鱼的起始位置信息，计算起始位置距目标位置的起始航向角度；

s3、仿生机器鱼进行巡游和避障；

s4、获取仿生机器鱼的当前位置信息，计算当前位置距目标位置的当前航向角度；

s5、比较当前航向角度与起始航向角度，调整仿生机器鱼的航向，使当前航向角度等于起始航向角度；

s6、重复步骤s3、s4和s5，直至到达目标位置，采集水质参数并上传。当水质参数不在预期范围内时，会向用户发出警报，以便采取相应措施。

具体过程为：启动时打开背部开关9，通过上位机导入目标点坐标，由gps模块8获取起始位置坐标，计算出目标航向角度，stm32控制模块5输出pwm信号控制第一舵机12和第二舵机14转动，带动第一连接杆13和第二连接杆15转动，第二连接杆15连接尾鳍16，尾鳍16以鱼体轴为中心在侧方向上摆动的幅度相等，产生作用力控制机器鱼前进，转向时控制尾部偏向左侧或右侧，机器鱼依靠惯性进行左转向或右转向。在游动过程中左侧红外传感器2、前侧红外传感器1和右侧红外传感器17检测路径上的障碍物，进行转向避障，当转向无法躲避障碍物时，通过上侧红外传感器3和下侧红外传感器4检测无障碍物时，水箱6进水排水进行上浮下潜，躲避前方障碍物，调整航向角度继续向目标点航行。到达目标点后，水质传感器检测水质参数，使用rs-485通信传输给stm32控制模块，经处理后通过串口传输给lora无线模块，将目标点水质数据远程传输给上位机进行显示和分析。当仿生机器鱼发生故障无法游动时，可根据gps定位信息对机器鱼进行搜寻。

图5为仿生机器鱼的自主导航路线图。以正北和正东方向建立平面二维坐标系，如图5所示，游动过程中实时获取当前定位坐标，计算出当前位置距目标位置的航向角度，与起始位置的航向角度θ相对比，并调整机器鱼的游动方向。当仿生机器鱼游动到a位置时，θ1<θ，控制系统驱动机器鱼向右调整游动方向；当位于b位置时，θ2>θ，向左调整游动方向，直至达到目标位置m。

本发明提供了一种适用于各种水域的小型自主导航水质监测设备，全方位自动监测水质，数据远程无线传输，在终端进行存储和预警。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。