一種可搭載水質檢測傳感器的機器魚的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種可搭載水質檢測傳感器的機器魚，包括仿鲹科魚類體型制成的機器魚骨架，魚尾動力學推動機構和控制系統組成；所述魚尾動力學推動機構包括魚尾動力裝置和尾鰭動力裝置，通過魚尾動力裝置帶動整個魚尾擺動，通過尾鰭動力裝置帶動尾鰭擺動；采用鲹科魚類體型，并采用新月型的尾鰭作為推進器外形，機器魚在水中游動，溶解氧傳感器采樣得到數據通過無線射頻收發模塊傳輸至上位機，并在上位機可視化窗口顯示其巡游軌跡和相關的參數以進行數據分析圖，利用本實用新型的機器魚可以在全水域不同位置進行水質實時動態監測，監測頻率高，所測數據的準確性和時效性好。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于水質監測領域，涉及一種人工智能機器魚，尤其涉及一種可搭載 水質檢測傳感器的機器魚。 一種可搭載水質檢測傳感器的機器魚
【背景技術】
[0002] 隨著城市人口的增長、城鎮化和工業化進程的加快，大量污染物被排放到江、河、 湖、海，造成水質急劇惡化。水質的惡化一方面影響到人體健康，另一方面也造成大批水生 生物死亡。
[0003] 佛羅里達州魚類和野生動物保護委員會在1984-2002年間對魚類死亡原因的調 查結果顯示64%是由于低溶解氧造成。溶解氧值是研究水自凈能力的一種依據，溶解氧低 說明水體污染嚴重，自凈能力差，因此可將溶解氧作為水質監測的一個重要指標。
[0004] 傳統的水質檢測方法多是人工操作，主要是在某些斷面或監測點定時定點瞬時取 樣，然后將樣品帶回實驗室分析或者野外進行現場測定。由于監測工作僅限于幾個斷面和 點，監測頻率低，所測數據的準確性和時效性差，且不能做到對區域內水域的水質動態監 測，因此，這種方法的推廣性不強。
[0005] 因此，急需一種能對全水域不同區域水質進行實時動態監測的裝置。 實用新型內容
[0006] 本實用新型的目的在于解決上述現有技術存在的缺陷，提供一種可搭載水質檢測 傳感器的機器魚，利用機器魚巡航游動能對全水域水質進行實時監測。
[0007] 為達到以上目的采用如下方案：
[0008] -種可搭載水質檢測傳感器的機器魚，由仿鰺科魚類體型制成的機器魚骨架，魚 尾動力學推動機構和控制系統組成；所述魚尾動力學推動機構包括魚尾動力裝置和尾鰭動 力裝置，所述魚尾動力裝置包括一端與機器魚骨架連接的下連桿一，下連桿一另一端與用 于安裝魚尾的圓盤活動連接，下連桿一上安裝有由電機帶動的偏心輪一，第一上連桿一端 與偏心輪一連接，另一端與圓盤活動連接，通過第一上連桿帶動圓盤擺動；所述尾鰭動力裝 置包括一端與圓盤固定連接的下連桿二，下連桿二另一端與尾鰭活動連接，下連桿二上安 裝有由電機帶動的偏心輪二，第二上連桿一端與偏心輪二連接，另一端與尾鰭活動連接，通 過第二上連桿帶動尾鰭擺動；所述控制系統包括安裝于機器魚骨架上的微控制器，分別與 微控制器連接的溶解氧傳感器，用于與上位機通信的無線射頻收發模塊，為魚尾動力學推 動機構提供動力的移動推進器模塊，舵機驅動模塊和為控制系統供電的電源。
[0009] 所述的控制系統還包括安裝在機器魚骨架上的水箱和安裝在水箱上的由微控制 器控制的水泵。
[0010] 所述的控制系統還包括與微控制器連接的pH傳感器。
[0011] 所述的溶解氧傳感器和pH傳感器安裝于機器魚骨架頭部。
[0012] 所述的微控制器采用CC2530處理器，所述的無線射頻收發模塊采用Zigbee模塊。
[0013] 所述的魚尾動力裝置和尾鰭動力裝置驅動魚尾擺和尾鰭擺動的最大幅度為30°。
[0014] 所述的微控制器還連接有收發數據暫存存儲器。
[0015] 本實用新型可搭載水質檢測傳感器的機器魚利用機器魚巡航游動來對水質進行 實時監測，此機器魚采用鰺科魚類體型，并采用新月型的尾鰭作為推進器外形，機器魚在水 中游動，溶解氧傳感器采樣得到數據通過無線射頻收發模塊傳輸至上位機，并在上位機可 視化窗口顯示其巡游軌跡和相關的參數以進行數據分析圖，相比傳統的人工采樣方式，利 用本實用新型的機器魚可以在全水域不同位置進行水質實時動態監測，監測頻率高，所測 數據的準確性和時效性好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1是本實用新型機器魚骨架的結構示意圖；
[0017] 圖2是本實用新型中魚尾動力學推動機構的結構示意圖；
[0018] 圖3是本實用新型控制系統的結構框圖；
[0019] 圖4是本實用新型中舵機驅動模塊的內部驅動原理圖；
[0020] 圖5是本實用新型的D0電極信號調理電路；
[0021] 圖6是本實用新型的控制流程圖；
[0022] 圖7是本實用新型的機器魚傳感系統框圖；
[0023] 圖8是本實用新型的機器魚動力系統框圖。
【具體實施方式】
[0024] 為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型中的 附圖，對本實用新型中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用 新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術 人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范 圍。
[0025] 如圖1-3所示，本實用新型將現代傳感器技術應用與人工智能機器魚結合，有機 地融合在傳統的水質研究中，并且增加了原先水質檢測的頻率，使得水質檢測數據更具有 時效性和準確性，可用于動態監測指定水域水質的變化。
[0026] 本實用新型的技術關鍵和主要技術指標：在于結構設計、無線通信、電路設計、程 序控制、可視化軟件處理系統設計等。最終要實現在上位機能控制魚的運動，顯示機器魚巡 游軌跡，以及對傳回數據進行分析等。
[0027] 圖1是機器魚的整體骨架的設計，機器魚的結構分為整體骨架的設計和魚尾動力 學推動機械設計兩部分。機器魚結構為了游動時減少運動阻力，使游泳效率高，選擇仿鰺科 魚身制成，尾部動力采用兩節包括魚尾動力裝置和尾鰭動力裝置，第一節帶動尾部擺動，第 二節帶動尾鰭6擺動，使機器魚游動快速、靈活和高效率。
[0028] 圖2是魚尾動力學推動機構的結構示意圖，所述魚尾動力裝置包括一端與機器魚 骨架1連接的下連桿一 2,下連桿一 2另一端與用于安裝魚尾的圓盤活動連接，下連桿一 2 上安裝有由電機帶動的偏心輪一 3,第一上連桿4 一端與偏心輪一 3連接，另一端與圓盤活 動連接，通過第一上連桿4帶動圓盤擺動；所述尾鰭動力裝置包括一端與圓盤固定連接的 下連桿二5,下連桿二5另一端與尾鰭6活動連接，下連桿二5上安裝有由電機帶動的偏心 輪二7,第二上連桿8 -端與偏心輪二7連接，另一端與尾鰭6活動連接，通過第二上連桿8 帶動尾鰭6擺動；兩節擺動機械動力的每一節最大幅度為30°，選取適當的轉速比例使其 最有效的推動力。
[0029] 機器魚的硬件控制系統采用TI公司的CC2530為內核的主控芯片，包括電源部分、 驅動部分，傳感器處理及Zigbee無線通信部分等五硬件電路設計，設計框圖如圖3,微控制 器分別與溶解氧傳感器、pH傳感器、用于與上位機通信的無線射頻收發模塊、舵機驅動模塊 和為魚尾動力學推動機構提供動力的移動推進器模塊連接，電源為整個控制系統供電，所 述的溶解氧傳感器和pH傳感器安裝于機器魚骨架1頭部，微控制器還連接有收發數據暫存 的存儲器。所述的控制系統還包括安裝在機器魚骨架1上的水箱和安裝在水箱上的由微控 制器控制的水泵，通過控制水泵的開啟和關閉調節水箱的水量，以調整機器魚的在水中浮 起或下潛。
[0030] 如圖4是舵機驅動模塊的內部驅動原理圖，機器魚的驅動部分主要采用舵機來實 現，魚體尾部用三個輝盛的MG996R舵機來實現動力驅動。處理器給出的PWM信號進入信號 調解芯片BA6688L獲得一個直流偏置電壓，該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電 壓差送入電機驅動集成芯片BAL6686以驅動電機正反轉。當電機轉動時，通過級聯減速齒 輪帶動電位器旋轉，直至電壓差為〇,電機停止轉動。
[0031] 電化學電極的特性為電極內的溶液和待測溶液充分反應后可以直接把化學參數 變為電壓量輸出，不需要外部激勵源，內阻高，電流非常微弱，因此信號調理部分需要對采 樣值進行放大，測量的輸入阻抗要高，一般要求大于1012。電極輸出的弱信號經過π型CRC 濾波網絡，有效減少交流分量，前后2個濾波電容值相差在幾個數量級之間，保證了濾波器 的躍遷帶較寬，濾波效果好。D0電極的信號調理電路見圖5。
[0032] 圖6是本實用新型的控制流程圖，工作流程如下：
[0033] 主程序首先初始化系統，設定系統的工作參數，主要包括系統總線的時鐘選擇，頻 率設定，端口的初始化設置，進行A / D采樣轉換設置，并進行比較計算。此外，還有定時器 的參數設置，及其計數溢出中斷進入其它服務子程序的設置等。程序通過接收控制信號來 控制魚的動作，當接受到要魚要運動時系統將啟動相應的電機控制模塊來控制魚的動作。 當接受到采集信息信號時系統將會啟動相應的傳感器控制模塊來采集相應的水體信息并 保存。當接受到信息的傳送信號時，機器魚將會傳送采集到的水體信息傳送給上位機。軟 件流程圖見圖6.
[0034] 相比較先前的各種試驗方式，本試驗裝置不僅可控性好、操作方便，而且能在指定 水域內巡航進行實時監測，這為科學研究帶來極大的方便。
[0035] 上位機將巡游方位的命令以無線方式發送給機器魚，機器魚接收到命令后再由其 內部微控制器判斷執行以下操作，并將傳感器測得的數據實時傳回上位機。機器魚的傳感 系統及動力系統見圖7、圖8,在機器魚骨架1上安裝有水箱9和安裝在水箱9上的由微控 制器控制的水泵10,通過水泵的開啟和關閉控制水箱中的水量，實現機器魚的上升和下降。
[0036] 主要操作動作包括如下：
[0037] 機器魚上升：水箱出水；
[0038] 機器魚下降：水箱進水；
[0039] 機器魚右轉：只向左擺動魚尾；
[0040] 機器魚左轉：只向右擺動魚尾；
[0041] 機器魚前進：向左向右快速擺動一次魚尾；同時通過左右胸鰭進行平衡。
[0042] 最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制； 盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解： 其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等 同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術 方案的精神和范圍。
【權利要求】
1. 一種可搭載水質檢測傳感器的機器魚，其特征在于，由仿鰺科魚類體型制成的機器 魚骨架（1)，魚尾動力學推動機構和控制系統組成； 所述魚尾動力學推動機構包括魚尾動力裝置和尾鰭動力裝置，所述魚尾動力裝置包括 一端與機器魚骨架（1)連接的下連桿一（2)，下連桿一（2)另一端與用于安裝魚尾的圓盤活 動連接，下連桿一（2)上安裝有由電機帶動的偏心輪一（3)，第一上連桿（4) 一端與偏心輪 一（3)連接，另一端與圓盤活動連接，通過第一上連桿（4)帶動圓盤擺動；所述尾鰭動力裝 置包括一端與圓盤固定連接的下連桿二（5)，下連桿二（5)另一端與尾鰭（6)活動連接，下 連桿二（5 )上安裝有由電機帶動的偏心輪二（7 )，第二上連桿（8 ) -端與偏心輪二（7 )連接， 另一端與尾鰭（6 )活動連接，通過第二上連桿（8 )帶動尾鰭（6 )擺動； 所述控制系統包括安裝于機器魚骨架（1)上的微控制器，分別與微控制器連接的溶解 氧傳感器，用于與上位機通信的無線射頻收發模塊，為魚尾動力學推動機構提供動力的移 動推進器模塊，舵機驅動模塊和為控制系統供電的電源。
2. 根據權利要求1所述的機器魚，其特征在于，所述的控制系統還包括安裝在機器魚 骨架（1)上的水箱（9)和安裝在水箱（9)上的由微控制器控制的水泵（10)。
3. 根據權利要求1或2所述的機器魚，其特征在于，所述的控制系統還包括與微控制器 連接的pH傳感器。
4. 根據權利要求3所述的機器魚，其特征在于，所述的溶解氧傳感器和pH傳感器安裝 于機器魚骨架（1)頭部。
5. 根據權利要求3所述的機器魚，其特征在于，所述的微控制器采用CC2530處理器，所 述的無線射頻收發模塊采用Zigbee模塊。
6. 根據權利要求3所述的機器魚，其特征在于，所述的魚尾動力裝置和尾鰭動力裝置 驅動魚尾擺和尾鰭（6)擺動的最大幅度為30°。
7. 根據權利要求3所述的機器魚，其特征在于，所述的微控制器還連接有收發數據暫 存存儲器。
【文檔編號】G01N27/26GK203902821SQ201420156483
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】錢衛國, 孔祥洪, 楊渭, 盧克祥, 陳新軍, 張中帥 申請人:上海海洋大學