阅读说明：本技术 一种用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼及控制方法 (Mobile bionic robot fish for water quality monitoring and oxygen increasing and control method ) 是由 文小玲 喻盈 李小三 胡帅 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼及控制方法,该仿生机器鱼的鱼头结构上设置有水下摄像头和红外传感器,内部设置有前水箱,鱼头结构的左右两侧均设置有胸鳍；仿生机器鱼的鱼身结构顶部设置有增氧泵、无线通信模块,底部设置有水质传感器,增氧泵上设置有进水口和出水口；鱼身结构的内部设置有GPS模块、控制中心和后水箱；仿生机器鱼的鱼尾结构包括尾鳍、软橡胶,鱼身结构通过软橡胶与可活动的尾鳍相连；鱼尾结构内部设置有电机、偏心轮和连杆装置,连杆装置贯穿尾鳍；本发明体积较小,携带方便,可在水中上浮下潜,实时监测目标水域中的水质参数,当水质参数低于设定值时,在软件上向用户发出警报,能实现有效的智能监测。(The invention discloses a movable bionic robot fish for water quality monitoring and oxygen increasing and a control method thereof, wherein an underwater camera and an infrared sensor are arranged on a fish head structure of the bionic robot fish, a front water tank is arranged in the bionic robot fish, and pectoral fins are arranged on the left side and the right side of the fish head structure; the top of the fish body structure of the bionic robot fish is provided with an oxygenation pump and a wireless communication module, the bottom of the bionic robot fish is provided with a water quality sensor, and the oxygenation pump is provided with a water inlet and a water outlet; a GPS module, a control center and a rear water tank are arranged in the fish body structure; the fish tail structure of the bionic robot fish comprises tail fins and soft rubber, and the fish body structure is connected with the movable tail fins through the soft rubber; a motor, an eccentric wheel and a connecting rod device are arranged in the fish tail structure, and the connecting rod device penetrates through the tail fin; the intelligent water quality monitoring device is small in size and convenient to carry, can float and submerge in water, monitors water quality parameters in a target water area in real time, and sends an alarm to a user on software when the water quality parameters are lower than a set value, so that effective intelligent monitoring can be realized.)

一种用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼及控制方法

技术领域

本发明涉及移动式水质监测和增氧技术领域，尤其涉及一种用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼及控制方法。

背景技术

水是人类赖以生存的基础，随着社会的快速发展，各种工业和生活废水被排放到河流中，水资源被污染的现象越来越严重，江海、湖泊、地下水等水质已被逐渐破坏，对人们造成巨大的危害，为了保障水质的质量，水质监测在目前显得至关重要。在水产养殖领域，使用过的农药和肥料会流入水产养殖区域，对水质产生恶劣的影响，导致水产品减产甚至死亡，直接造成养殖户的经济损失。因此，为了确保水产养殖的水质安全，提高水产品的产量和质量，必须对水产养殖区域的水质进行监测，让养殖户更准确地获取水质数据，依据水质变化做出相应的决策，进行更科学、健康的养殖。

目前进行水质监测的方法主要有在重点水域建立监测站点，可自动或者远程控制进行水质采样并分析，将水质参数传输给远程监控中心。该方法适用于大型河流，造价较高且布点困难，只能在固定站点监测，如需全方位监测水质，要建立多个站点，不适合在小型养殖水域使用。另外的方法有实验室仪器测量法，需要人工现场采样水质，将水质送回实验室，使用专业仪器分析水质参数，该方法费时费力，采样频率不固定，不能全方位实时获取水质参数。针对于移动式水质监测法，国内外的监测仪器体积巨大，功能单一。

目前传统的人工采样检测已无法实现对水环境多点位的实时监测，另外，水质监测设备体积较大，功能单一，灵活性较差，大部分只能在固定点位进行监测，特别在水产养殖领域，水质监测还未得到重视，很多水产养殖者通过水产品的活动情况判断水质的好坏，效率较低、准确性差，一旦发生污染无法及时处理，会导致水产品减产甚至死亡。溶解氧的浓度对水产品生长情况影响极大，市场上的增氧机大多在固定点增氧，不适用于地形复杂的水域，例如虾稻产业中围绕在稻田四周用来养殖小龙虾的水沟溶解氧不足会导致小龙虾逃逸和死亡，显然定点增氧不能满足整个水域的增氧需求，因此有必要开发一款移动式的水质监测和增氧装置，在整个水域进行巡航监测和增氧。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼及控制方法，外形模仿鲤科鱼类，体积较小，携带方便，可在水中上浮下潜，能够自动或者遥控该装置在河流湖泊中巡航移动，实时监测目标水域中的水质参数，包括溶解氧、PH值、水温和浊度等，当水质参数低于设定值时，会在软件上向用户发出警报。仿生机器鱼头部装有水下摄像头，视频图像由GPRS上传至服务器，可用于水底勘测。另外在水产养殖领域，当水域中溶解氧浓度较低时，机器鱼可浮至水面开启增氧功能，装置采用喷水式的增氧方法，将水吸入后向上喷出，最后落回水中，增大水与空气的接触面积，达到增氧的目的。同时，在获取水质数据后，由Zigbee组网通过网关上传至服务器，用户可使用手机APP实时查看水质参数，并作出相应决策，达到智能化、信息化管理的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼，该仿生机器鱼的鱼头结构上设置有水下摄像头和红外传感器，内部设置有前水箱，鱼头结构的左右两侧均设置有胸鳍；仿生机器鱼的鱼身结构顶部设置有增氧泵、无线通信模块，底部设置有水质传感器，增氧泵上设置有进水口和出水口；鱼身结构的内部设置有GPS模块、控制中心和后水箱；仿生机器鱼的鱼尾结构包括尾鳍、软橡胶，鱼身结构通过软橡胶与可活动的尾鳍相连；鱼尾结构内部设置有电机、偏心轮和连杆装置，连杆装置贯穿尾鳍；

水下摄像头、红外传感器、增氧泵、GPS模块、无线通信模块、电机、后水箱、水质传感器、胸鳍、前水箱均与控制中心连接；其中：

水下摄像头用于采集水域勘测图像，并通过无线通信模块进行上传；仿生机器鱼在水中巡游时通过红外传感器对障碍物进行探测，实现自动避障；水质传感器用于采集监测水域的水质参数，并通过无线通信模块进行上传；GPS模块用于获取仿生机器鱼的位置信息；通过控制中心同时控制前水箱和后水箱中的水量，实现仿生机器鱼的平衡及下潜、上浮；通过电机带动偏心轮转动，使连杆装置工作，进而带动尾鳍摆动，控制仿生机器鱼在水中前进；通过同时控制尾鳍和两侧的胸鳍摆动，控制仿生机器鱼在水中实现转向运动。

进一步地，本发明的仿生机器鱼的鱼身结构顶部设置有开关、充电口，内部设置有电池，开关与控制中心相连，充电口通过电池与控制中心相连；充电口上还设置有防水盖。

进一步地，本发明的连杆装置包括第一连杆、第二连杆、活动扣、第三连杆、转轮、圆盘、第四连杆；其中：

第一连杆一端固定在偏心轮的圆周上，另一端与第三连杆通过活动扣相连，第三连杆的另一端固定在圆盘上；第二连杆一端与偏心轮固定连接，另一端与圆盘之间通过转轮连接；电机转动时，第一连杆随之转动，第三连杆在活动扣的作用下左右摆动，带动圆盘和固定在圆盘上的第四连杆摆动，第四连杆位于尾鳍内部，实现尾鳍的左右摆动。

进一步地，本发明的仿生机器鱼还包括远程服务器和手机客户端，服务器通过网关与无线通信模块进行数据交互，手机客户端访问服务器，进而获取仿生机器鱼的监控信息，并对其进行远程控制。

进一步地，本发明的仿生机器鱼的无线通信模块通过Zigbee组网，并通过网关将采集到的数据上传至服务器。

进一步地，本发明的仿生机器鱼的工作模式包括：自动巡航模式和手动控制模式。

本发明提供一种用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼的控制方法该方法包括以下步骤：

仿生机器鱼进行电量和故障检测；

判断仿生机器鱼的工作模式；

若为自动巡航模式，手机客户端通过无线通信模块向仿生机器鱼中导入规划路径，通过红外传感器探测路径上的障碍物，仿生机器鱼按照规划路径进行自动避障巡航；若为手动控制模式，操作人员通过手机客户端远程操控仿生机器鱼进行运动；

开启仿生机器鱼上的水下摄像头、水质传感器，实时采集监测水域的图像信息和水质信息，控制中心将图像信息和水质信息通过无线通信模块传输给远程服务器；

判断监测水域的水质参数是否在设置的阈值范围内；

若不在阈值范围内，发出水质不达标报警；

判断溶解氧的含量是否正常；

若不正常，控制仿生机器鱼上浮，启动增氧泵，对水域进行增氧；

若监测水域的水质参数在阈值范围内，或溶解氧的含量正常，完成该位置的水质监测任务，继续移动至下一位置进行监测。

进一步地，本发明的该方法中仿生机器鱼进行电量和故障检测的具体方法为：

启动仿生机器鱼进行故障自检；

若存在故障，发出故障报警；

判断能否返航；

若能，则自动返航；若不能，上浮至水面，通过GPS模块进行定位，将位置信息上传至服务器；

若不存在故障，判断电池电量是否过低；

若电量低于10％，发出低电量报警，并自动返航；

若电量高于10％，开始巡航。

本发明产生的有益效果是：本发明的用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼及控制方法：

①本机器鱼依靠仿生学原理，模仿鲤科鱼类，体积较小，携带方便，另外利用电机控制胸鳍和尾鳍的摆动来控制机器鱼的游动，相比螺旋桨推进的结构更具灵活性和高效性，尾鳍通过连杆与偏心轮相连，使尾鳍的摆动更具稳定性。鱼体内有前后水箱，通过水箱的进水排水保持机器鱼的平衡和上浮下潜。

②机器鱼可在终端人工控制游动或者根据规划路径自动巡游避障，进行移动式的水质监测，同时可开启水下摄像头用来水底勘测，功能丰富，全方位监测水域不同位置的水质情况，包括溶解氧、PH值、水温、水位和浊度等，所测数据准确性高，保障水质安全。

③机器鱼无线通信模块顶部装有通信天线，水质数据和用户指令通过Zigbee无线网络进行通讯，图像视频通过GPRS传输，保证了数据传输的稳定性，可在远程终端控制机器鱼并实时查看水质参数和视频，省时省力。

④增加增氧泵可在水域溶解氧不足时使机器鱼浮至水面开启增氧功能，增氧泵进水口处设有过滤网，出水口向上，将水吸入后向上喷出增大水与空气的接触面积，既具有园林喷泉景观效果又能使水域溶解氧浓度增加。

⑤电池电量检测和故障检测模块可使机器鱼在自动巡游过程中检测电池电量低于10％或机器鱼发生故障时，按照规划路径自动返回至起点；当机器鱼的故障导致机器鱼不能返航时，会上浮至水面，向用户发出警报，用户可根据GPS定位查找机器鱼的位置，使机器鱼更具智能化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

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为尾鳍摆动结构原理图。

图5为仿生机器鱼的工作流程图。

图6为仿生机器鱼的电量和故障检测流程图。

图7为仿生机器鱼的无线通信流程图。

附图标记说明：

1——水下摄像头，2——红外传感器，3——进水口，4——出水口，5——增氧泵，6——GPS模块，7——无线通信模块，8——开关，9——电池，10——充电口，11——偏心轮，12——软橡胶，13——尾鳍，14——电机，15——后水箱，16——控制中心，17——水质传感器，18——胸鳍，19——前水箱，111——第一连杆，112——第二连杆，113——活动扣，114——第三连杆，115——转轮，116——圆盘，117——第四连杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼，该仿生机器鱼的鱼头结构上设置有水下摄像头1和红外传感器2，内部设置有前水箱19，鱼头结构的左右两侧均设置有胸鳍18；仿生机器鱼的鱼身结构顶部设置有增氧泵5、无线通信模块7，底部设置有水质传感器17，增氧泵5上设置有进水口3和出水口4；鱼身结构的内部设置有GPS模块6、控制中心16和后水箱15；仿生机器鱼的鱼尾结构包括尾鳍13、软橡胶12，鱼身结构通过软橡胶12与可活动的尾鳍13相连；鱼尾结构内部设置有电机14、偏心轮11和连杆装置，连杆装置贯穿尾鳍13；

水下摄像头1、红外传感器2、增氧泵5、GPS模块6、无线通信模块7、电机14、后水箱15、水质传感器17、胸鳍18、前水箱19均与控制中心16连接；其中：

水下摄像头1用于采集水域勘测图像，并通过无线通信模块7进行上传；仿生机器鱼在水中巡游时通过红外传感器2对障碍物进行探测，实现自动避障；水质传感器17用于采集监测水域的水质参数，并通过无线通信模块7进行上传；GPS模块6用于获取仿生机器鱼的位置信息；通过控制中心16同时控制前水箱19和后水箱15中的水量，实现仿生机器鱼的平衡及下潜、上浮；通过电机14带动偏心轮11转动，使连杆装置工作，进而带动尾鳍13摆动，控制仿生机器鱼在水中前进；通过同时控制尾鳍13和两侧的胸鳍18摆动，控制仿生机器鱼在水中实现转向运动。

仿生机器鱼的鱼身结构顶部设置有开关8、充电口10，内部设置有电池9，开关8与控制中心16相连，充电口10通过电池9与控制中心16相连；充电口10上还设置有防水盖。

连杆装置包括第一连杆111、第二连杆112、活动扣113、第三连杆114、转轮115、圆盘116、第四连杆117；其中：第一连杆111一端固定在偏心轮11的圆周上，另一端与第三连杆114通过活动扣113相连，第三连杆114的另一端固定在圆盘116上；第二连杆112一端与偏心轮11固定连接，另一端与圆盘116之间通过转轮115连接；电机14转动时，第一连杆111随之转动，第三连杆114在活动扣113的作用下左右摆动，带动圆盘116和固定在圆盘116上的第四连杆117摆动，第四连杆117位于尾鳍13内部，实现尾鳍13的左右摆动。

仿生机器鱼还包括远程服务器和手机客户端，服务器通过网关与无线通信模块进行数据交互，手机客户端访问服务器，进而获取仿生机器鱼的监控信息，并对其进行远程控制。仿生机器鱼的无线通信模块通过Zigbee组网，并通过网关将采集到的数据上传至服务器。仿生机器鱼的工作模式包括：自动巡航模式和手动控制模式。

本发明实施例的用于水质监测和增氧的移动式仿生机器鱼的控制方法，该方法包括以下步骤：

仿生机器鱼进行电量和故障检测；

判断仿生机器鱼的工作模式；

若为自动巡航模式，手机客户端通过无线通信模块向仿生机器鱼中导入规划路径，通过红外传感器探测路径上的障碍物，仿生机器鱼按照规划路径进行自动避障巡航；若为手动控制模式，操作人员通过手机客户端远程操控仿生机器鱼进行运动；

开启仿生机器鱼上的水下摄像头、水质传感器，实时采集监测水域的图像信息和水质信息，控制中心将图像信息和水质信息通过无线通信模块传输给远程服务器；

判断监测水域的水质参数是否在设置的阈值范围内；

若不在阈值范围内，发出水质不达标报警；

判断溶解氧的含量是否正常；

若不正常，控制仿生机器鱼上浮，启动增氧泵，对水域进行增氧；

若监测水域的水质参数在阈值范围内，或溶解氧的含量正常，完成该位置的水质监测任务，继续移动至下一位置进行监测。

该方法中仿生机器鱼进行电量和故障检测的具体方法为：

启动仿生机器鱼进行故障自检；

若存在故障，发出故障报警；

判断能否返航；

若能，则自动返航；若不能，上浮至水面，通过GPS模块进行定位，将位置信息上传至服务器；

若不存在故障，判断电池电量是否过低；

若电量低于10％，发出低电量报警，并自动返航；

若电量高于10％，开始巡航。

在本发明的另一个具体实施例中：

本发明实施例的用于水质监测和增氧的仿生机器鱼。其结构图如图1-4所示。

仿生机器鱼外形模仿鲤科鱼类，使用时首先打开背部的开关，将机器鱼设置为自动巡航或手动控制模式，自动巡航时需通过GPS导入规划路径，机器鱼电池电量不足时将充电口的防水盖打开，接入充电器进行充电。机器鱼尾部使用软橡胶连接可活动的尾鳍，尾鳍通过电机带动偏心轮与连杆装置控制摆动，第一连杆一端固定在偏心轮上，一端与第三连杆用活动扣相连，第三连杆另一端则固定在圆盘上，当电机带动偏心轮旋转时，第一连杆随之转动，第三连杆在活动扣的作用下左右摆动，带动圆盘和固定在圆盘后的第四连杆摆动，第四连杆位于尾鳍内部，因此尾鳍能够实现像鱼一样左右摆动，电机的转速不同会影响尾鳍摆动的频率，第二连杆一端固定，另一端与圆盘用转轮相连，保证圆盘的灵活性和稳定性。鱼体两侧分别装有胸鳍，同理使用电机控制摆动。在水中尾鳍摆动时机器鱼前进，尾鳍和左胸鳍同时摆动时机器鱼右转向，尾鳍和右胸鳍同时摆动时机器鱼左转向。鱼体内还装有前水箱和后水箱，同时进出水可保持鱼体平衡，水箱进水时机器鱼下潜，将水排出后鱼体上浮至水面。

仿生机器鱼鱼嘴处安装有水下摄像头，在水中巡游时机器鱼开启摄像头进行水域勘测，图像视频通过无线通信模块中的GPRS上传给服务器，用户在远程可用手机终端查看。机器鱼头部还装有红外避障传感器，自动巡游模式时在水中进行自动避障，红外传感器中发射二极管发射一定频率的红外信号，当前方有障碍物时，红外信号反射回来被接收二极管接收，经过处理之后由控制中心控制机器鱼转向。鱼体下部嵌入水质传感器，在水中巡游时可实时监测不同水域的水质参数，包括溶解氧、PH值、水温、水位和浊度等，控制中心处理后通过无线通信模块中Zigbee经网关传输给服务器。鱼体上部嵌有增氧泵，当监测到水域中溶解氧浓度不足时，机器鱼可将水箱排空浮至水面开启增氧泵进行喷水式增氧，水经过过滤网从进水口进入增氧泵，增压后从出水口喷出，与空气接触后落回水中，达到增氧的目的。

机器鱼在工作时，可通过GPS和红外传感器按照导入的规划路径进行自动巡航和避障，水质传感器实时监测目标水域的水质情况，数据经过控制中心处理后上传给用户，当监测到目标水域溶解氧不足时，机器鱼可上浮至水面开启增氧功能。

仿生机器鱼的结构示意图如图2所示，外形模仿鲤科鱼类，依靠电机控制尾鳍和胸鳍的摆动来完成机器鱼的前进和转向，尾鳍通过连杆与偏心轮相连，控制中心控制电机带动偏心轮转动，偏心轮上固定的连杆带动尾鳍连续摆动，尾鳍和鱼体的连接处有软橡胶，使尾鳍的摆动更灵活，当机器鱼在水中前进时，只需快速摆动尾鳍，需要左转向时，右胸鳍和尾鳍同时摆动，需要右转向时，左胸鳍和尾鳍同时摆动；鱼体内有前水箱和后水箱，通过水箱的进水和排水来实现机器鱼的上浮下潜和维持平衡；鱼嘴处装有水下摄像头用于水域勘测，视频由GPRS上传至服务器，可在终端实时查看拍摄的图像视频；机器鱼头部装有红外线漫反射式避障传感器(即红外传感器)，当通过鱼体内的GPS规划路径后，机器鱼开始自动巡游，红外传感器检测前方有障碍后，控制中心会控制机器鱼的胸鳍和尾鳍摆动来完成机器鱼的转向；鱼体下部有水质传感器，在巡游时实时采样目标水域水质参数，包括溶解氧、PH值、水温、水位和浊度等，经过RS-485通信传给STM32控制中心，将数据解析后由Zigbee组网通过网关上传至服务器，可在手机APP等终端查看水质参数；机器鱼的背部装有一台小型增氧泵，在水域溶解氧不足时可使机器鱼浮至水面开启增氧功能，增氧泵进水口出设有过滤网，出水口向上，将水吸入后向上喷出增大水与空气的接触面积，使水域溶解氧浓度增加；无线通信模块与控制中心相连，顶部装有一根通信天线增强无线信号，可通过无线通信来传输视频、水质参数和控制命令；机器鱼的整体密封防水，鱼背部的充电接口设有防水盖壳，电池充电时只需将盖壳打开后接入充电器；机器鱼内部有电池电量检测和故障检测模块，在自动巡游过程中，当电池电量低于10％或者检测到机器鱼发生故障时，可按照规划路径自动返回至起点，当机器鱼的故障导致机器鱼不能返航时，会上浮至水面，向用户发出警报，用户可根据GPS定位查找机器鱼的位置。

图5-7详细地阐述了本发明总体工作流程和部分环节的工作流程。

本发明的总体工作流程如图5所示，机器鱼工作时会进行电量和故障检测，当检测到电量不足和机器鱼故障时向用户发出警报。首先设置机器鱼巡航模式，手动控制时可由用户在远程操控机器鱼游动，自动巡航时机器鱼根据规划路径进行自动避障，游向目标水域，开启摄像头，水质传感器实时监测水域水质参数并通过无线通信模块上传。当溶解氧、PH值、水温、水位和浊度等参数不在设置范围内时，会在终端向用户发出警报；水域溶解氧浓度不足时，机器鱼上浮至水面开启增氧功能。完成水质监测和增氧任务后，机器鱼自动回到起点。

仿生机器鱼的电量和故障检测流程图如图6所示，当检测到故障时，如运动控制模块正常，机器鱼发出警报并返航，若不能返航，机器鱼将水箱排空，上浮至水面并定位，方便用户查找；当检测到电量低于设定值10％时，机器鱼会结束当前任务，发出警报并返航。

仿生机器鱼的无线通信流程图如图7所示，水质传感器采集水质参数的实时数据，并通过RS-485传给STM32控制中心，经分析处理后传给无线通信模块，由Zigbee组网通过网关上传至服务器，水下摄像头拍摄的视频图像通过GPRS直接上传至服务器，在手机终端可使用APP查看水质参数和视频图像并控制机器鱼的游动。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。