一種可搭載水質(zhì)檢測(cè)傳感器的機(jī)器魚的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種可搭載水質(zhì)檢測(cè)傳感器的機(jī)器魚，包括仿鲹科魚類體型制成的機(jī)器魚骨架，魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成；所述魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括魚尾動(dòng)力裝置和尾鰭動(dòng)力裝置，通過魚尾動(dòng)力裝置帶動(dòng)整個(gè)魚尾擺動(dòng)，通過尾鰭動(dòng)力裝置帶動(dòng)尾鰭擺動(dòng)；采用鲹科魚類體型，并采用新月型的尾鰭作為推進(jìn)器外形，機(jī)器魚在水中游動(dòng)，溶解氧傳感器采樣得到數(shù)據(jù)通過無線射頻收發(fā)模塊傳輸至上位機(jī)，并在上位機(jī)可視化窗口顯示其巡游軌跡和相關(guān)的參數(shù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析圖，利用本實(shí)用新型的機(jī)器魚可以在全水域不同位置進(jìn)行水質(zhì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率高，所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性好。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，涉及一種人工智能機(jī)器魚，尤其涉及一種可搭載 水質(zhì)檢測(cè)傳感器的機(jī)器魚。 一種可搭載水質(zhì)檢測(cè)傳感器的機(jī)器魚

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市人口的增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，大量污染物被排放到江、河、 湖、海，造成水質(zhì)急劇惡化。水質(zhì)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(dá)州魚類和野生動(dòng)物保護(hù)委員會(huì)在1984-2002年間對(duì)魚類死亡原因的調(diào) 查結(jié)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(jù)，溶解氧低 說明水體污染嚴(yán)重，自凈能力差，因此可將溶解氧作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)。
[0004] 傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)方法多是人工操作，主要是在某些斷面或監(jiān)測(cè)點(diǎn)定時(shí)定點(diǎn)瞬時(shí)取 樣，然后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析或者野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。由于監(jiān)測(cè)工作僅限于幾個(gè)斷面和 點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頻率低，所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性差，且不能做到對(duì)區(qū)域內(nèi)水域的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)，因此，這種方法的推廣性不強(qiáng)。
[0005] 因此，急需一種能對(duì)全水域不同區(qū)域水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0006] 本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種可搭載水質(zhì)檢測(cè) 傳感器的機(jī)器魚，利用機(jī)器魚巡航游動(dòng)能對(duì)全水域水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0007] 為達(dá)到以上目的采用如下方案：
[0008] -種可搭載水質(zhì)檢測(cè)傳感器的機(jī)器魚，由仿鰺科魚類體型制成的機(jī)器魚骨架，魚 尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成；所述魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括魚尾動(dòng)力裝置和尾鰭動(dòng) 力裝置，所述魚尾動(dòng)力裝置包括一端與機(jī)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(dòng)連接，下連桿一上安裝有由電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)連接，通過第一上連桿帶動(dòng)圓盤擺動(dòng)；所述尾鰭動(dòng)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(dòng)連接，下連桿二上安 裝有由電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)連接，通 過第二上連桿帶動(dòng)尾鰭擺動(dòng)；所述控制系統(tǒng)包括安裝于機(jī)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(jī)通信的無線射頻收發(fā)模塊，為魚尾動(dòng)力學(xué)推 動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的移動(dòng)推進(jìn)器模塊，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和為控制系統(tǒng)供電的電源。
[0009] 所述的控制系統(tǒng)還包括安裝在機(jī)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(tǒng)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(jī)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(fā)模塊采用Zigbee模塊。
[0013] 所述的魚尾動(dòng)力裝置和尾鰭動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)魚尾擺和尾鰭擺動(dòng)的最大幅度為30°。
[0014] 所述的微控制器還連接有收發(fā)數(shù)據(jù)暫存存儲(chǔ)器。
[0015] 本實(shí)用新型可搭載水質(zhì)檢測(cè)傳感器的機(jī)器魚利用機(jī)器魚巡航游動(dòng)來對(duì)水質(zhì)進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，此機(jī)器魚采用鰺科魚類體型，并采用新月型的尾鰭作為推進(jìn)器外形，機(jī)器魚在水 中游動(dòng)，溶解氧傳感器采樣得到數(shù)據(jù)通過無線射頻收發(fā)模塊傳輸至上位機(jī)，并在上位機(jī)可 視化窗口顯示其巡游軌跡和相關(guān)的參數(shù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析圖，相比傳統(tǒng)的人工采樣方式，利 用本實(shí)用新型的機(jī)器魚可以在全水域不同位置進(jìn)行水質(zhì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率高，所測(cè) 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本實(shí)用新型機(jī)器魚骨架的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是本實(shí)用新型中魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3是本實(shí)用新型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019] 圖4是本實(shí)用新型中舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)原理圖；
[0020] 圖5是本實(shí)用新型的D0電極信號(hào)調(diào)理電路；
[0021] 圖6是本實(shí)用新型的控制流程圖；
[0022] 圖7是本實(shí)用新型的機(jī)器魚傳感系統(tǒng)框圖；
[0023] 圖8是本實(shí)用新型的機(jī)器魚動(dòng)力系統(tǒng)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型中的 附圖，對(duì)本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用 新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范 圍。
[0025] 如圖1-3所示，本實(shí)用新型將現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用與人工智能機(jī)器魚結(jié)合，有機(jī) 地融合在傳統(tǒng)的水質(zhì)研究中，并且增加了原先水質(zhì)檢測(cè)的頻率，使得水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)更具有 時(shí)效性和準(zhǔn)確性，可用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指定水域水質(zhì)的變化。
[0026] 本實(shí)用新型的技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)：在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無線通信、電路設(shè)計(jì)、程 序控制、可視化軟件處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。最終要實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)能控制魚的運(yùn)動(dòng)，顯示機(jī)器魚巡 游軌跡，以及對(duì)傳回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析等。
[0027] 圖1是機(jī)器魚的整體骨架的設(shè)計(jì)，機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)分為整體骨架的設(shè)計(jì)和魚尾動(dòng)力 學(xué)推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)兩部分。機(jī)器魚結(jié)構(gòu)為了游動(dòng)時(shí)減少運(yùn)動(dòng)阻力，使游泳效率高，選擇仿鰺科 魚身制成，尾部動(dòng)力采用兩節(jié)包括魚尾動(dòng)力裝置和尾鰭動(dòng)力裝置，第一節(jié)帶動(dòng)尾部擺動(dòng)，第 二節(jié)帶動(dòng)尾鰭6擺動(dòng)，使機(jī)器魚游動(dòng)快速、靈活和高效率。
[0028] 圖2是魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述魚尾動(dòng)力裝置包括一端與機(jī)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(dòng)連接，下連桿一 2 上安裝有由電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)連接，通過第一上連桿4帶動(dòng)圓盤擺動(dòng)；所述尾鰭動(dòng)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(dòng)連接，下連桿二5上安裝有由電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)連接，通過第二上連桿8 帶動(dòng)尾鰭6擺動(dòng)；兩節(jié)擺動(dòng)機(jī)械動(dòng)力的每一節(jié)最大幅度為30°，選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速比例使其 最有效的推動(dòng)力。
[0029] 機(jī)器魚的硬件控制系統(tǒng)采用TI公司的CC2530為內(nèi)核的主控芯片，包括電源部分、 驅(qū)動(dòng)部分，傳感器處理及Zigbee無線通信部分等五硬件電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(jī)通信的無線射頻收發(fā)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 和為魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的移動(dòng)推進(jìn)器模塊連接，電源為整個(gè)控制系統(tǒng)供電，所 述的溶解氧傳感器和pH傳感器安裝于機(jī)器魚骨架1頭部，微控制器還連接有收發(fā)數(shù)據(jù)暫存 的存儲(chǔ)器。所述的控制系統(tǒng)還包括安裝在機(jī)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(guān)閉調(diào)節(jié)水箱的水量，以調(diào)整機(jī)器魚的在水中浮 起或下潛。
[0030] 如圖4是舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)原理圖，機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)部分主要采用舵機(jī)來實(shí) 現(xiàn)，魚體尾部用三個(gè)輝盛的MG996R舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。處理器給出的PWM信號(hào)進(jìn)入信號(hào) 調(diào)解芯片BA6688L獲得一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)集成芯片BAL6686以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒 輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，直至電壓差為〇,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0031] 電化學(xué)電極的特性為電極內(nèi)的溶液和待測(cè)溶液充分反應(yīng)后可以直接把化學(xué)參數(shù) 變?yōu)殡妷毫枯敵?，不需要外部激?lì)源，內(nèi)阻高，電流非常微弱，因此信號(hào)調(diào)理部分需要對(duì)采 樣值進(jìn)行放大，測(cè)量的輸入阻抗要高，一般要求大于1012。電極輸出的弱信號(hào)經(jīng)過π型CRC 濾波網(wǎng)絡(luò)，有效減少交流分量，前后2個(gè)濾波電容值相差在幾個(gè)數(shù)量級(jí)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(hào)調(diào)理電路見圖5。
[0032] 圖6是本實(shí)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(tǒng)，設(shè)定系統(tǒng)的工作參數(shù)，主要包括系統(tǒng)總線的時(shí)鐘選擇，頻 率設(shè)定，端口的初始化設(shè)置，進(jìn)行A / D采樣轉(zhuǎn)換設(shè)置，并進(jìn)行比較計(jì)算。此外，還有定時(shí)器 的參數(shù)設(shè)置，及其計(jì)數(shù)溢出中斷進(jìn)入其它服務(wù)子程序的設(shè)置等。程序通過接收控制信號(hào)來 控制魚的動(dòng)作，當(dāng)接受到要魚要運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)將啟動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)控制模塊來控制魚的動(dòng)作。 當(dāng)接受到采集信息信號(hào)時(shí)系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的傳感器控制模塊來采集相應(yīng)的水體信息并 保存。當(dāng)接受到信息的傳送信號(hào)時(shí)，機(jī)器魚將會(huì)傳送采集到的水體信息傳送給上位機(jī)。軟 件流程圖見圖6.
[0034] 相比較先前的各種試驗(yàn)方式，本試驗(yàn)裝置不僅可控性好、操作方便，而且能在指定 水域內(nèi)巡航進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這為科學(xué)研究帶來極大的方便。
[0035] 上位機(jī)將巡游方位的命令以無線方式發(fā)送給機(jī)器魚，機(jī)器魚接收到命令后再由其 內(nèi)部微控制器判斷執(zhí)行以下操作，并將傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回上位機(jī)。機(jī)器魚的傳感 系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)見圖7、圖8,在機(jī)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(guān)閉控制水箱中的水量，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的上升和下降。
[0036] 主要操作動(dòng)作包括如下：
[0037] 機(jī)器魚上升：水箱出水；
[0038] 機(jī)器魚下降：水箱進(jìn)水；
[0039] 機(jī)器魚右轉(zhuǎn)：只向左擺動(dòng)魚尾；
[0040] 機(jī)器魚左轉(zhuǎn)：只向右擺動(dòng)魚尾；
[0041] 機(jī)器魚前進(jìn)：向左向右快速擺動(dòng)一次魚尾；同時(shí)通過左右胸鰭進(jìn)行平衡。
[0042] 最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制； 盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解： 其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等 同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù) 方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種可搭載水質(zhì)檢測(cè)傳感器的機(jī)器魚，其特征在于，由仿鰺科魚類體型制成的機(jī)器 魚骨架（1)，魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成； 所述魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)包括魚尾動(dòng)力裝置和尾鰭動(dòng)力裝置，所述魚尾動(dòng)力裝置包括 一端與機(jī)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(dòng)連接，下連桿一（2)上安裝有由電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)連接，通過第一上連桿（4)帶動(dòng)圓盤擺動(dòng)；所述尾鰭動(dòng)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(dòng)連接，下 連桿二（5 )上安裝有由電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)連接，通過第二上連桿（8 )帶動(dòng)尾鰭（6 )擺動(dòng)； 所述控制系統(tǒng)包括安裝于機(jī)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(jī)通信的無線射頻收發(fā)模塊，為魚尾動(dòng)力學(xué)推動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的移 動(dòng)推進(jìn)器模塊，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和為控制系統(tǒng)供電的電源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器魚，其特征在于，所述的控制系統(tǒng)還包括安裝在機(jī)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)器魚，其特征在于，所述的控制系統(tǒng)還包括與微控制器 連接的pH傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)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(jī)器魚骨架（1)頭部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)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(fā)模塊采用Zigbee模塊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器魚，其特征在于，所述的魚尾動(dòng)力裝置和尾鰭動(dòng)力裝置 驅(qū)動(dòng)魚尾擺和尾鰭（6)擺動(dòng)的最大幅度為30°。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器魚，其特征在于，所述的微控制器還連接有收發(fā)數(shù)據(jù)暫 存存儲(chǔ)器。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK203902821SQ201420156483
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】錢衛(wèi)國(guó), 孔祥洪, 楊渭, 盧克祥, 陳新軍, 張中帥 申請(qǐng)人:上海海洋大學(xué)