[發明專利]水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備及魚群系統

在審

• 申請號: 202210657263.4
• 申請日: 2022-06-10
• 公開（公告）號: CN115031782A
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 杜明芳
• 申請（專利權）人: 杜明芳
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;C02F1/00;H04Q9/00;H04W4/70;H04W84/18
• 代理公司: 成都中絡智合知識產權代理有限公司 51300
• 代理人: 張潔

1.水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備，其特征在于：包括以下主要組成模塊：

仿生機器魚殼體，仿生機器魚推進器，仿生機器魚控制器，水質分類及預測器，數字濁度傳感器，pH傳感器，溫度傳感器，溶解氧傳感器，氣味傳感器，水質凈化機構，遠距離障礙物探測激光雷達，近距離障礙物探測激光雷達，氣象傳感器接口及數據融合模塊，Zigbee無線通信接口，有線通信接口，5G通信接口，GPS/北斗定位器，電源輸入端，蓄電池，數據存儲卡，液晶顯示模塊。

2.根據權利要求1所述的水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備，其特征在于：仿生機器魚放置于江河、湖泊、水庫、市內河流、魚塘水域，用于實現水質在線智能監測及凈化處理，并與手機APP監測終端、地面水質監測站實時通信，地面站可通過衛星網絡與空間導航定位衛星通信。

3.根據權利要求1所述的水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備，其特征在于：所述水質凈化機構包括凈化操作機械手、機械臂、凈化劑、凈化材料；

機械臂采用六自由度結構，機械手采用簡易的兩指抓握式結構。

4.根據權利要求1所述的水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備，其特征在于：仿生機器魚的監測距離范圍為0-180m，測量時的最快響應時間為1ms，最慢響應時間為5ms；

其中，超過最慢響應時間即視為本次通信無效，重新發送探測信號；

距離誤差在10cm范圍內；

并具有RS-485、MODBUS RTU有線通信和無線通信兩種模式。

5.根據權利要求1所述的水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備，其特征在于：具有水質監測凈化機器魚控制器，控制器作為仿生機器魚的控制核心，起到中央控制作用，包括控制電路硬件和控制算法及控制策略軟件兩部分；

控制電路硬件：以32位ARM微控制器STM32F103為主控芯片設計機器魚專用控制器，集成各種傳感器模塊、水質預測模塊、水質凈化機構、通信模塊及其他電路模塊。STM32F103內核是Cortex-M3。芯片集成定時器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種外設功能。可以根據機器魚產品的實際配置需求選擇相應的片內Flash及外設；

控制算法及控制策略軟件：采用Kalman濾波算法實現機器魚運動姿態的控制與預估，正常運行情況下采用PID算法實現機器魚的控制。

6.根據權利要求1所述的水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備，其特征在于：具有水質監測凈化機器魚水質分類及預測器，將采集到的水質數據集分為訓練數據集和測試數據集兩部分，對訓練數據集進行特征提取，輸入到長短時記憶單元LSTM循環神經網絡，反復訓練LSTM網絡，直到網絡結構達到最優；將測試數據輸入到訓練好的LSTM網絡，LSTM網絡經預算后給出水質分類和預測結果。

7.魚群系統，其特征在于：采用上述權利要求1中的仿生魚機器人裝備，采用多智能體理論作為通信和控制的基礎理論支撐，組建由若干個仿生機器魚構成的多Agent魚群系統；

魚群系統中有一個主Agent機器魚，其他均為從Agent機器魚；

主Agent機器魚與從Agent機器魚之間采用主從式通信，多從Agent機器魚之間采用無線傳感器自組織網絡方式通信；

通過多Agent魚群系統進行巡游檢測，多Agent魚群系統具有自主移動模式和遠程控制模式；

所述自主移動模式由預設在仿生機器魚內的自主感知控制及巡游監測程序對劃定范圍內的水體系統進行周期性巡游監測及凈化操作；

所述遠程控制模式由水質監測管理云地面站控制主體和從體進行巡游監測及凈化操作。

8.根據權利要求1所述的水質監測凈化一體化水下仿生魚機器人裝備，其特征在于：在對水體進行巡游監測時，魚群系統中作為主體的仿生機器魚保持在水面處，通過設置的天線與水質監測管理云地面站進行數據傳輸；

作為從屬個體的仿生機器魚以十字型或網狀分布的方式等間距設置在水體系統中，并以同向環境自適應調速的方式進行周期性巡游；

處于水體系統內的仿生機器魚通過ZigBee方式進行鏈式數據傳輸。