一种可搭载水质检测传感器的机器鱼的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种可搭载水质检测传感器的机器鱼，包括仿鲹科鱼类体型制成的机器鱼骨架，鱼尾动力学推动机构和控制系统组成；所述鱼尾动力学推动机构包括鱼尾动力装置和尾鳍动力装置，通过鱼尾动力装置带动整个鱼尾摆动，通过尾鳍动力装置带动尾鳍摆动；采用鲹科鱼类体型，并采用新月型的尾鳍作为推进器外形，机器鱼在水中游动，溶解氧传感器采样得到数据通过无线射频收发模块传输至上位机，并在上位机可视化窗口显示其巡游轨迹和相关的参数以进行数据分析图，利用本实用新型的机器鱼可以在全水域不同位置进行水质实时动态监测，监测频率高，所测数据的准确性和时效性好。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于水质监测领域，涉及一种人工智能机器鱼，尤其涉及一种可搭载 水质检测传感器的机器鱼。 一种可搭载水质检测传感器的机器鱼
【背景技术】
[0002] 随着城市人口的增长、城镇化和工业化进程的加快，大量污染物被排放到江、河、 湖、海，造成水质急剧恶化。水质的恶化一方面影响到人体健康，另一方面也造成大批水生 生物死亡。
[0003] 佛罗里达州鱼类和野生动物保护委员会在1984-2002年间对鱼类死亡原因的调 查结果显示64%是由于低溶解氧造成。溶解氧值是研究水自净能力的一种依据，溶解氧低 说明水体污染严重，自净能力差，因此可将溶解氧作为水质监测的一个重要指标。
[0004] 传统的水质检测方法多是人工操作，主要是在某些断面或监测点定时定点瞬时取 样，然后将样品带回实验室分析或者野外进行现场测定。由于监测工作仅限于几个断面和 点，监测频率低，所测数据的准确性和时效性差，且不能做到对区域内水域的水质动态监 测，因此，这种方法的推广性不强。
[0005] 因此，急需一种能对全水域不同区域水质进行实时动态监测的装置。 实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种可搭载水质检测 传感器的机器鱼，利用机器鱼巡航游动能对全水域水质进行实时监测。
[0007] 为达到以上目的采用如下方案：
[0008] -种可搭载水质检测传感器的机器鱼，由仿鰺科鱼类体型制成的机器鱼骨架，鱼 尾动力学推动机构和控制系统组成；所述鱼尾动力学推动机构包括鱼尾动力装置和尾鳍动 力装置，所述鱼尾动力装置包括一端与机器鱼骨架连接的下连杆一，下连杆一另一端与用 于安装鱼尾的圆盘活动连接，下连杆一上安装有由电机带动的偏心轮一，第一上连杆一端 与偏心轮一连接，另一端与圆盘活动连接，通过第一上连杆带动圆盘摆动；所述尾鳍动力装 置包括一端与圆盘固定连接的下连杆二，下连杆二另一端与尾鳍活动连接，下连杆二上安 装有由电机带动的偏心轮二，第二上连杆一端与偏心轮二连接，另一端与尾鳍活动连接，通 过第二上连杆带动尾鳍摆动；所述控制系统包括安装于机器鱼骨架上的微控制器，分别与 微控制器连接的溶解氧传感器，用于与上位机通信的无线射频收发模块，为鱼尾动力学推 动机构提供动力的移动推进器模块，舵机驱动模块和为控制系统供电的电源。
[0009] 所述的控制系统还包括安装在机器鱼骨架上的水箱和安装在水箱上的由微控制 器控制的水泵。
[0010] 所述的控制系统还包括与微控制器连接的pH传感器。
[0011] 所述的溶解氧传感器和pH传感器安装于机器鱼骨架头部。
[0012] 所述的微控制器采用CC2530处理器，所述的无线射频收发模块采用Zigbee模块。
[0013] 所述的鱼尾动力装置和尾鳍动力装置驱动鱼尾摆和尾鳍摆动的最大幅度为30°。
[0014] 所述的微控制器还连接有收发数据暂存存储器。
[0015] 本实用新型可搭载水质检测传感器的机器鱼利用机器鱼巡航游动来对水质进行 实时监测，此机器鱼采用鰺科鱼类体型，并采用新月型的尾鳍作为推进器外形，机器鱼在水 中游动，溶解氧传感器采样得到数据通过无线射频收发模块传输至上位机，并在上位机可 视化窗口显示其巡游轨迹和相关的参数以进行数据分析图，相比传统的人工采样方式，利 用本实用新型的机器鱼可以在全水域不同位置进行水质实时动态监测，监测频率高，所测 数据的准确性和时效性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本实用新型机器鱼骨架的结构示意图；
[0017] 图2是本实用新型中鱼尾动力学推动机构的结构示意图；
[0018] 图3是本实用新型控制系统的结构框图；
[0019] 图4是本实用新型中舵机驱动模块的内部驱动原理图；
[0020] 图5是本实用新型的D0电极信号调理电路；
[0021] 图6是本实用新型的控制流程图；
[0022] 图7是本实用新型的机器鱼传感系统框图；
[0023] 图8是本实用新型的机器鱼动力系统框图。
【具体实施方式】
[0024] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的 附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用 新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术 人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范 围。
[0025] 如图1-3所示，本实用新型将现代传感器技术应用与人工智能机器鱼结合，有机 地融合在传统的水质研究中，并且增加了原先水质检测的频率，使得水质检测数据更具有 时效性和准确性，可用于动态监测指定水域水质的变化。
[0026] 本实用新型的技术关键和主要技术指标：在于结构设计、无线通信、电路设计、程 序控制、可视化软件处理系统设计等。最终要实现在上位机能控制鱼的运动，显示机器鱼巡 游轨迹，以及对传回数据进行分析等。
[0027] 图1是机器鱼的整体骨架的设计，机器鱼的结构分为整体骨架的设计和鱼尾动力 学推动机械设计两部分。机器鱼结构为了游动时减少运动阻力，使游泳效率高，选择仿鰺科 鱼身制成，尾部动力采用两节包括鱼尾动力装置和尾鳍动力装置，第一节带动尾部摆动，第 二节带动尾鳍6摆动，使机器鱼游动快速、灵活和高效率。
[0028] 图2是鱼尾动力学推动机构的结构示意图，所述鱼尾动力装置包括一端与机器鱼 骨架1连接的下连杆一 2,下连杆一 2另一端与用于安装鱼尾的圆盘活动连接，下连杆一 2 上安装有由电机带动的偏心轮一 3,第一上连杆4 一端与偏心轮一 3连接，另一端与圆盘活 动连接，通过第一上连杆4带动圆盘摆动；所述尾鳍动力装置包括一端与圆盘固定连接的 下连杆二5,下连杆二5另一端与尾鳍6活动连接，下连杆二5上安装有由电机带动的偏心 轮二7,第二上连杆8 -端与偏心轮二7连接，另一端与尾鳍6活动连接，通过第二上连杆8 带动尾鳍6摆动；两节摆动机械动力的每一节最大幅度为30°，选取适当的转速比例使其 最有效的推动力。
[0029] 机器鱼的硬件控制系统采用TI公司的CC2530为内核的主控芯片，包括电源部分、 驱动部分，传感器处理及Zigbee无线通信部分等五硬件电路设计，设计框图如图3,微控制 器分别与溶解氧传感器、pH传感器、用于与上位机通信的无线射频收发模块、舵机驱动模块 和为鱼尾动力学推动机构提供动力的移动推进器模块连接，电源为整个控制系统供电，所 述的溶解氧传感器和pH传感器安装于机器鱼骨架1头部，微控制器还连接有收发数据暂存 的存储器。所述的控制系统还包括安装在机器鱼骨架1上的水箱和安装在水箱上的由微控 制器控制的水泵，通过控制水泵的开启和关闭调节水箱的水量，以调整机器鱼的在水中浮 起或下潜。
[0030] 如图4是舵机驱动模块的内部驱动原理图，机器鱼的驱动部分主要采用舵机来实 现，鱼体尾部用三个辉盛的MG996R舵机来实现动力驱动。处理器给出的PWM信号进入信号 调解芯片BA6688L获得一个直流偏置电压，该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电 压差送入电机驱动集成芯片BAL6686以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿 轮带动电位器旋转，直至电压差为〇,电机停止转动。
[0031] 电化学电极的特性为电极内的溶液和待测溶液充分反应后可以直接把化学参数 变为电压量输出，不需要外部激励源，内阻高，电流非常微弱，因此信号调理部分需要对采 样值进行放大，测量的输入阻抗要高，一般要求大于1012。电极输出的弱信号经过π型CRC 滤波网络，有效减少交流分量，前后2个滤波电容值相差在几个数量级之间，保证了滤波器 的跃迁带较宽，滤波效果好。D0电极的信号调理电路见图5。
[0032] 图6是本实用新型的控制流程图，工作流程如下：
[0033] 主程序首先初始化系统，设定系统的工作参数，主要包括系统总线的时钟选择，频 率设定，端口的初始化设置，进行A / D采样转换设置，并进行比较计算。此外，还有定时器 的参数设置，及其计数溢出中断进入其它服务子程序的设置等。程序通过接收控制信号来 控制鱼的动作，当接受到要鱼要运动时系统将启动相应的电机控制模块来控制鱼的动作。 当接受到采集信息信号时系统将会启动相应的传感器控制模块来采集相应的水体信息并 保存。当接受到信息的传送信号时，机器鱼将会传送采集到的水体信息传送给上位机。软 件流程图见图6.
[0034] 相比较先前的各种试验方式，本试验装置不仅可控性好、操作方便，而且能在指定 水域内巡航进行实时监测，这为科学研究带来极大的方便。
[0035] 上位机将巡游方位的命令以无线方式发送给机器鱼，机器鱼接收到命令后再由其 内部微控制器判断执行以下操作，并将传感器测得的数据实时传回上位机。机器鱼的传感 系统及动力系统见图7、图8,在机器鱼骨架1上安装有水箱9和安装在水箱9上的由微控 制器控制的水泵10,通过水泵的开启和关闭控制水箱中的水量，实现机器鱼的上升和下降。
[0036] 主要操作动作包括如下：
[0037] 机器鱼上升：水箱出水；
[0038] 机器鱼下降：水箱进水；
[0039] 机器鱼右转：只向左摆动鱼尾；
[0040] 机器鱼左转：只向右摆动鱼尾；
[0041] 机器鱼前进：向左向右快速摆动一次鱼尾；同时通过左右胸鳍进行平衡。
[0042] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解： 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等 同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术 方案的精神和范围。
【权利要求】
1. 一种可搭载水质检测传感器的机器鱼，其特征在于，由仿鰺科鱼类体型制成的机器 鱼骨架（1)，鱼尾动力学推动机构和控制系统组成； 所述鱼尾动力学推动机构包括鱼尾动力装置和尾鳍动力装置，所述鱼尾动力装置包括 一端与机器鱼骨架（1)连接的下连杆一（2)，下连杆一（2)另一端与用于安装鱼尾的圆盘活 动连接，下连杆一（2)上安装有由电机带动的偏心轮一（3)，第一上连杆（4) 一端与偏心轮 一（3)连接，另一端与圆盘活动连接，通过第一上连杆（4)带动圆盘摆动；所述尾鳍动力装 置包括一端与圆盘固定连接的下连杆二（5)，下连杆二（5)另一端与尾鳍（6)活动连接，下 连杆二（5 )上安装有由电机带动的偏心轮二（7 )，第二上连杆（8 ) -端与偏心轮二（7 )连接， 另一端与尾鳍（6 )活动连接，通过第二上连杆（8 )带动尾鳍（6 )摆动； 所述控制系统包括安装于机器鱼骨架（1)上的微控制器，分别与微控制器连接的溶解 氧传感器，用于与上位机通信的无线射频收发模块，为鱼尾动力学推动机构提供动力的移 动推进器模块，舵机驱动模块和为控制系统供电的电源。
2. 根据权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，所述的控制系统还包括安装在机器鱼 骨架（1)上的水箱（9)和安装在水箱（9)上的由微控制器控制的水泵（10)。
3. 根据权利要求1或2所述的机器鱼，其特征在于，所述的控制系统还包括与微控制器 连接的pH传感器。
4. 根据权利要求3所述的机器鱼，其特征在于，所述的溶解氧传感器和pH传感器安装 于机器鱼骨架（1)头部。
5. 根据权利要求3所述的机器鱼，其特征在于，所述的微控制器采用CC2530处理器，所 述的无线射频收发模块采用Zigbee模块。
6. 根据权利要求3所述的机器鱼，其特征在于，所述的鱼尾动力装置和尾鳍动力装置 驱动鱼尾摆和尾鳍（6)摆动的最大幅度为30°。
7. 根据权利要求3所述的机器鱼，其特征在于，所述的微控制器还连接有收发数据暂 存存储器。
【文档编号】G01N27/26GK203902821SQ201420156483
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】钱卫国, 孔祥洪, 杨渭, 卢克祥, 陈新军, 张中帅 申请人:上海海洋大学