水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备及鱼群系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备及鱼群系统。仿生鱼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，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等。所述仿生机器鱼放置于江河、湖泊、水库、市内河流、鱼塘等水域，可实现水质在线智能监测及净化处理，可与手机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。仿生机器鱼组成多Agent鱼群系统，通过鱼群巡游实现大范围水质监测净化。巡游实现大范围水质监测净化。巡游实现大范围水质监测净化。

【技术实现步骤摘要】
水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备及鱼群系统


[0001]本专利技术属于仿生机器人
，具体涉及一种水质监测净化仿生机器鱼及鱼群系统。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术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。
[0004]本专利技术所采用的技术方案为：
[0005]第一方面，本专利技术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：
[0006]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。
[0007]结合第一方面，本专利技术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。
[0008]结合第一方面，本专利技术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；
[0009]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。
[0010]结合第一方面，本专利技术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；
[0011]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；
[0012]距离误差在10cm范围内；
[0013]并具有RS
‑
485、MODBUS RTU有线通信和无线通信两种模式。
[0014]结合第一方面的第三种实施方式，本专利技术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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]结合第一方面的第三种实施方式，本专利技术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。
[0018]第二方面，本专利技术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；
[0019]鱼群系统中有一个主Agent机器鱼，其他均为从Agent机器鱼；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]结合第二方面，本专利技术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；
[0025]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；
[0026]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。
[0027](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
[0028]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。
[0029]水质监测机器鱼总体性能指标如下：
[0030]1)监测到的独立参数不低于16种；
[0031]2)测量距离范围为0
‑
180m；
[0032]3)测量时的最快响应时间为1ms；
[0033]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；
[0034]5)距离误差在10cm范围内；
[0035]6)测距数据稳定，便于提取特征，便于数据挖掘分析；
[0036]7)能够融合空气质量、天气气候数据；
[0037]8)支持RS
‑
485、MODBUSRTU有线通信和无线通信两种模式。
[0038](二)水质监测净化机器鱼电路
[0039]水质监测净化机器鱼的电路如图2所示。
[0040]包括以下主要组成模块：仿生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备，其特征在于：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，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。2.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备，其特征在于：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；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。4.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备，其特征在于：仿生机器鱼的监测距离范围为0
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180m，测量时的最快响应时间为1ms，最慢响应时间为5ms；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；距离误差在10cm范围内；并具有RS
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485、MODBUS RTU有线通信和无线通信两种模式。5.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备，其特征在于：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；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
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【专利技术属性】
技术研发人员：杜明芳，
申请(专利权)人：杜明芳，
类型：发明
国别省市：