(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 可 (10)申请公布号CN104950884A (43)申请公布日2015.09.30 (21)申请号201510297915.8 (22)申请日2015.06.03 (71)申请人浙江理工大学 地址310018浙江省杭州市下沙高教园区2 号大街928号 (72)发明人屠德展洪榛潘晓曼裴同豪 王瑞董峻魁 高学江 (74)专利代理机构绍兴市越兴专利事务所 33220 代理人蒋卫东 (51)Int.C1. G05D1/02(2006.01) G01N33/18(2006.01) 权利要求书2页说明书6页附图11页 (54)发明名称 一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制 方法 (57)摘要 本发明涉及一种面向大范围水质监测的仿生 鱼协同控制方法，其采用多个移动节点编队控制 方式采集水质参数信息。领航仿生节点和跟随仿 生节点采用模仿金枪鱼外观设计。领航仿生节点 浮于水面区域巡游，以水声广播的方式告知水里 的跟随仿生节点队形信息，同时收集跟随仿生节 点采集的水质参数信息，并与岸上基站实现通信。 跟随仿生移动节点接收队形信息后以一定的几何 构型跟随领航仿生节点移动，并采集、发送水质参 数信息。领航与跟随仿生节点间采用水声通信技 术，领航仿生节点与岸上基站间采用GPRS通信技 术。编队系统采用分布式模糊编队控制方式，可以 实现远程控制，测试范围广，精度高，在线监测不 同水域的水质参数，有较好的应用前景。 F9909950 石
CN104950884A 权利要求书 1/2页 1.一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，其特征在于：包括领航仿生节 点、跟随仿生节点和岸上基站：其包括如下步骤： S1:岸上基站发送运行轨迹控制指令给领航仿生节点； S2:跟随仿生节点搜索领航仿生节点位置，计算得出相对距离与角度： S3:根据模糊控制方法，追踪领航仿生节点，采集并发送水质参数： $4:领航仿生节点接收跟随仿生节点发来的信息，解析、打包后发送到岸上基站： S5:重复步骤S1S5。 2.如权利要求1所述的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，其特征在于：所 述模糊控制方法包括如下步骤： S31:获取相对距离，相对角度，在其论域上建立两个个隶属度函数，在输出论域上建立 航速与航向六个隶属度函数： S32:对输入进行离散化，划分为N,M个离散值： S33:输入离散值后，根据实际经验建立的3×3模糊推理规则表计算其模糊输出，得到 M×N对决策值，所述模糊控制策略包括航速信息和航向信息： S34:根据模糊控制查询表分别控制直流电机与舵机，模糊编队控制多个仿生移动节点 协同前进。 3.如权利要求2所述的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，其特征在于：所 述模糊编队控制策略还包括转向信息和转速信息，所述转向信息和转速信息所依据的模糊 控制查询表是预先通过以下模糊推理机计算所得的： 输入：相对距离较远、适中、较近与相对角度偏小、正好、偏大，根据领航一跟随移动 节点相对位置实际情况设定；相对距离在05米为较近，56米适中，大于6米较远：相对 角度在0~40度偏小，40~50度正好，5090度偏大； 模糊规则如下： 若相对距离适中且相对角度正好，则决策为匀速，前行： 若相对距离适中且相对角度偏小，则决策为匀速，左转： 若相对距离适中且相对角度偏大，则决策为匀速，右转： 若相对距离较近且相对角度正好，则决策为减速，前行： 若相对距离较近且相对角度偏小，则决策为减速，左转： 若相对距离较近且相对角度偏大，则决策为减速，右转： 若相对距离较远且相对角度正好，则决策为加速，前行； 若相对距离较远且相对角度偏小，则决策为加速，左转； 若相对距离较远且相对角度偏大，则决策为加速，右转； 对输入进行离散化： 相对距离0-1米归为0.5米，1-2米归为1.5米，2-3米归为2.5米，3-4米归为3.5米， 4-5米归为4.5米，5-6米归为5.5米，6-7米归为6.5米，7-8米归为7.5米，大于8米归为 8米； 相对角度0-10度归为5度，10-20度归为15度，20-30度归为25度，30-40度归为35 度，40-50度归为45度，50-60度归为55度，60-70度归为65度，70-80度归为75度，80-90 度归为85度。 2
CN104950884A 权利要求书 2/2页 4.如权利要求1所述的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，其特征在于：所 述跟随仿生节点系统包括水质传感器、电荷放大模块、模数转换模块、单片机模块、水声通 信模块、GPS模块、定位模块、姿态检测模块、电机驱动模块、直流电机、舵机和微型水泵， 所述水质传感器采集水质参数信息，所述电荷放大模块与水质传感器、模数转换模块相连， 所述模数转换模块对多个电荷放大模块处理的多路信号同步采样，所述单片机对模数采样 的信号进行处理，所述水声通信模块将单片机输出信号向水里广播或接收指令，所述GRS 模块将单片机输出信号向岸上发送出去或接收指令，所述电机驱动模块驱动直流电机和微 型水泵，所述直流电机、微型水泵和舵机协同运作分别控制仿生移动节点前进、转向以及沉 浮，所述定位模块采集节点位置信息。 5.如权利要求4所述的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，其特征在于：所 述水质参数采集、水声通信系统、动力系统、定位模块和姿态检测模块共用一个微处理器， 所述微处理器为ARM@Cortex T M3内核32位高性能的STM32F103芯片。 6.如权利要求1所述的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，其特征在于：所 述领航仿生节点、跟随仿生节点采用仿金枪鱼的外观设计。 7.如权利要求1所述的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，其特征在于：所 述领航仿生节点和跟随仿生节点间采用水声通信。 3
CN104950884A 说明书 1/6页 一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法 [0001] 【技术领域】 本发明涉及一种水质监测方法，具体涉及一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制 方法，属于水质监测技术领域。 [0002]【背景技术】 目前，我国的水质监测方法有实验室监测、自动监测和移动监测。实验室监测是通过设 置某些断面定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室进行仪器分析，分析精度虽高但储 存的水样会因为悬浮物的凝聚沉降以及生物的代谢过程、死亡分解过程等的影响而发生改 变，且数据实时性较差。自动监测是设定在流域内的现场水质自动监测站，建设一个自动监 测站需要建造专门的厂房，同时在线水质分析仪器价格也十分昂贵。移动监测多为人工驾 驶的水质监测船，不仅成本高而且存在二次污染。 [0003] 随着物联网技术的兴起，水下监测结合无线传感网越来越受到人们的重视。体积 较小，探测范围广、精度高的移动水质监测节点具有较大的社会价值和经济效益。如何让这 些节点能够组成网络，协同地采集水质参数显得尤为重要。 [0004]因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的面向大范围水质监测的仿 生鱼协同控制方法，以克服现有技术中的所述缺陷。 [0005]【发明内容】 为解决上述技术问题，本发明的目的在于一种体积较小，探测范围广、精度高，可在线 监测不同水域的水质参数的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法。 [0006]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种面向大范围水质监测的仿生鱼 协同控制方法，其包括领航仿生节点、跟随仿生节点和岸上基站：其包括如下步骤： S1:岸上基站发送运行轨迹控制指令给领航仿生节点： S2:跟随仿生节点搜索领航仿生节点位置，计算得出相对距离与角度： S3:根据模糊控制方法，追踪领航仿生节点，采集并发送水质参数： S4:领航仿生节点接收跟随仿生节点发来的信息，解析、打包后发送到岸上基站： S5:重复步骤S1~S5。 [0007]本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法进一步为：所述模糊控制方 法包括如下步骤： S31:获取相对距离，相对角度，在其论域上建立两个个隶属度函数，在输出论域上建立 航速与航向六个隶属度函数： S32:对输入进行离散化，划分为N,M个离散值； S33:输入离散值后，根据实际经验建立的3×3模糊推理规则表计算其模糊输出，得到 MXN对决策值，所述模糊控制策略包括航速信息和航向信息； S34:根据模糊控制查询表分别控制直流电机与舵机，模糊编队控制多个仿生移动节点 协同前进。 [0008]本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法进一步为：所述模糊编队控 制策略还包括转向信息和转速信息，所述转向信息和转速信息所依据的模糊控制查询表是 4
CN104950884A 说明书 2/6页 预先通过以下模糊推理机计算所得的： 输入：相对距离较远、适中、较近与相对角度偏小、正好、偏大，根据领航一跟随移动 节点相对位置实际情况设定：相对距离在05米为较近，5~6米适中，大于6米较远：相对 角度在0~40度偏小，40~50度正好，5090度偏大； 模糊规则如下： 若相对距离适中且相对角度正好，则决策为匀速，前行： 若相对距离适中且相对角度偏小，则决策为匀速，左转： 若相对距离适中且相对角度偏大，则决策为匀速，右转： 若相对距离较近且相对角度正好，则决策为减速，前行； 若相对距离较近且相对角度偏小，则决策为减速，左转： 若相对距离较近且相对角度偏大，则决策为减速，右转： 若相对距离较远且相对角度正好，则决策为加速，前行： 若相对距离较远且相对角度偏小，则决策为加速，左转； 若相对距离较远且相对角度偏大，则决策为加速，右转： 对输入进行离散化： 相对距离0-1米归为0.5米，1-2米归为1.5米，2-3米归为2.5米，3-4米归为3.5米， 4-5米归为4.5米，5-6米归为5.5米，6-7米归为6.5米，7-8米归为7.5米，大于8米归为 8米； 相对角度0-10度归为5度，10-20度归为15度，20-30度归为25度，30-40度归为35 度，40-50度归为45度，50-60度归为55度，60-70度归为65度，70-80度归为75度，80-90 度归为85度： 本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法进一步为：所述跟随仿生节点系 统包括水质传感器、电荷放大模块、模数转换模块、单片机模块、水声通信模块、GS模块、 定位模块、姿态检测模块、电机驱动模块、直流电机、舵机和微型水泵，所述水质传感器采集 水质参数信息，所述电荷放大模块与水质传感器、模数转换模块相连，所述模数转换模块对 多个电荷放大模块处理的多路信号同步采样，所述单片机对模数采样的信号进行处理，所 述水声通信模块将单片机输出信号向水里广播或接收指令，所述GRS模块将单片机输出 信号向岸上发送出去或接收指令，所述电机驱动模块驱动直流电机和微型水泵，述直流 电机、微型水泵和舵机协同运作分别控制仿生移动节点前进、转向以及沉浮，所述定位模块 采集节点位置信息。 [0009]本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法进一步为：所述水质参数采 集、水声通信系统、动力系统、定位模块和姿态检测模块共用一个微处理器，所述微处理器 为ARM⑧Cortex M3内核32位高性能的STM32F103芯片。 [0010]本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法进一步为：所述领航仿生节 点、跟随仿生节点采用仿金枪鱼的外观设计。 [0011]本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法还可为：所述领航仿生节点 和跟随仿生节点间采用水声通信。 [0012]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 1.移动节点模仿金枪鱼的外观设计，具有移动速度快，环境适应性强等特点。 5
CN104950884A 说明 书 3/6页 [0013]2.利用发射换能器与接收换能器组成的水声通信系统，实现水下远距离通信。 [0014]3.浮于水面区域的领航仿生节点以GS方式转发水质参数信息到岸上基站，数 据传输效率高。 [0015]4.多个移动节点以编队的方式协同驱动，同时监测水环境，感知范围广，精度高。 [0016] 5.采用分布式模糊控制算法，跟随仿生节点可自动搜寻领航仿生节点并追踪其运 行轨迹。 [0017] 6.有效地在线实时监测水质，一旦发现部分水域出现水质恶化，将及时通知岸上 基站。 [0018] 【附图说明】 图1是本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼系统的整体示意图： 图2为跟仿生节点系统搭建图： 图3为三个移动节点编队队形示意图： 图4为领航仿生节点程序流程图； 图5为跟随仿生节点程序流程图： 图6为相对距离隶属度函数示意图： 图7为相对角度隶属度函数示意图： 图8为输出速度隶属度函数示意图： 图9为输出角度隶属度函数示意图： 图10为是电机驱动模块连接图。 [0019]图11是电源模块。 [0020]【具体实施方式】 下面结合附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述： 参照图1，一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，包括领航仿生节点1、跟 随仿生节点2和岸上基站3。所述跟随仿生节点采集并发送水质参数信息，自动追踪领航仿 生节点运行轨迹（程序流程图见图4），所述领航仿生移动节点浮于水面，利用水声接收跟随 仿生节点采集的水质参数信息，转换后发送至岸上基站，同时接收岸上基站发来的运行状 态控制指令（程序流程图见图5）。所述领航仿生节点1、跟随仿生节点2采用仿金枪鱼的外 观设计，具有移动速度快，环境适应性强等特点：且领航仿生节点1与跟随仿生节点2间采 用水声通信，可行性高：领航仿生节点接收跟随仿生节点发来的信息，解析后以GRS方式 转发给岸上基站，传输距离远，通信效率较高，可实现远距离程控，在线监测不同水域的水 质参数。所述跟随仿生节点2能自主追踪领航仿生节点运行轨迹，可任意增加或减少跟随 仿生节点数量，自由变换队形。 [0021]参照图2，所述跟随仿生节点系统搭建图，包括水质传感器21、电荷放大模块22、 模数转换模块23、单片机模块24、水声通信模块25、GPRS模块26、定位模块211、姿态检测 模块212、电机驱动模块27、直流电机28、舵机29和微型水泵210，所述水质传感器21采集 水质参数信息，所述电荷放大模块23与水质传感器21、模数转换模块23相连，所述模数转 换模块23对多个电荷放大模块22处理的多路信号同步采样，所述单片机24对模数采样的 信号进行处理，所述水声通信模块25将单片机25输出信号向水里广播或接收指令，所述 GPS模块26将单片机24输出信号向岸上发送出去或接收指令，所述电机驱动模块27驱动 6
CN104950884A 说明书 4/6页 直流电机28和微型水泵210，所述直流电机28、微型水泵210和舵机29协同运作分别控制 仿生移动节点2前进、转向以及沉浮，所述定位模块211采集节点位置信息。其中，所述水 质参数采集21、水声通信系统25、直流电机28、舵机29、微型水泵210、定位模块211和姿 态检测模块212共用一个微处理器，所述微处理器为ARM⑧Cortex M3内核32位高性能的 STM32F103芯片。 [0022]如图3~9所示，本发明提供一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，包 括以下步骤： S1:岸上基站发送运行轨迹控制指令给领航仿生节点，领航仿生节点由GPRS接收控制 指令后可输出PWM波控制直流电机、舵机和微型水泵进入巡游模式，并以水声方式广播队 形信息。 [0023]S2:跟随仿生节点通过水声搜索领航仿生节点位置，接收队形信息后，可计算得出 相对距离与角度： S3:根据模糊控制算法，跟随仿生节点输出PWM波控制直流电机、舵机和微型水泵进入 追踪模式，追踪领航仿生节点运行轨迹，同时采集并发送水质参数信息； S4:领航仿生节点接收跟随仿生节点发来的水质参数信息，解析、打包后发送到岸上基 站； S5:重复步骤S1~S5。 [0024]本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法采用多个移动节点编队控 制方式采集水质参数信息。移动节点模仿金枪鱼外观设计，可分为领航仿生节点和跟随仿 生节点。领航仿生节点浮于水面区域巡游，以水声广播的方式告知水里的跟随仿生节点队 形信息，同时收集跟随仿生节点采集的水质参数信息，并与岸上基站实现通信。跟随仿生移 动节点接收队形信息后以一定的几何构型跟随领航仿生节点移动，并采集、发送水质参数 信息。领航与跟随仿生节点间采用水声通信技术，领航仿生节点与岸上基站间采用GPRS通 信技术。编队系统采用分布式模糊编队控制方式，可以实现远程控制，测试范围广，精度高， 在线监测不同水域的水质参数。 [0025]进一步，通过模糊编队控制方式，利用领航与跟随仿生节点间的相对距离、方向协 同驱动一个领航仿生节点与多个跟随仿生节点，感知能力广，可监测大范围水质环境。所述 模糊控制方法包含： S31:获取相对距离，相对角度，在其论域上建立两个隶属度函数，在输出论域上建立航 速与航向六个隶属度函数： S32:对输入进行离散化，划分为N,M个离散值： S33:输入离散值后，根据实际经验建立的3×3模糊推理规则表计算其模糊输出，得到 M×N对决策值，所述模糊控制策略包括航速信息和航向信息； S34:根据已经反模糊化的模糊控制查询表分别控制直流电机与舵机，编队控制多个仿 生移动节点协同前进。 [0026]更进一步，所述模糊编队控制策略包括转向信息和转速信息，所述转向信息和转 速信息所依据的模糊控制查询表是预先通过以下模糊推理机计算所得的： 输入：相对距离较远、适中、较近与相对角度偏小、正好、偏大，根据领航一跟随移动 节点相对位置实际情况设定。相对距离在0~5米为较近，56米适中，大于6米较远：相对
CN104950884A 说明书 5/6页 角度在0-40度偏小，40~50度正好，50-90度偏大。 [0027]模糊规则如下： 若相对距离适中且相对角度正好，则决策为匀速，前行： 若相对距离适中且相对角度偏小，则决策为匀速，左转： 若相对距离适中且相对角度偏大，则决策为匀速，右转： 若相对距离较近且相对角度正好，则决策为减速，前行； 若相对距离较近且相对角度偏小，则决策为减速，左转： 若相对距离较近且相对角度偏大，则决策为减速，右转： 若相对距离较远且相对角度正好，则决策为加速，前行： 若相对距离较远且相对角度偏小，则决策为加速，左转： 若相对距离较远且相对角度偏大，则决策为加速，右转。 [0028]对输入进行离散化： 相对距离0-1米归为0.5米，1-2米归为1.5米，2-3米归为2.5米，3-4米归为3.5米， 4-5米归为4.5米，5-6米归为5.5米，6-7米归为6.5米，7-8米归为7.5米，大于8米归为 8米。 [00291 相对角度0-10度归为5度，10-20度归为15度，20-30度归为25度，30-40度归 为35度，40-50度归为45度，50-60度归为55度，60-70度归为65度，70-80度归为75度， 80-90度归为85度。 [0030] 由此可得模糊控制查询表如下（还需乘与放大系数α）： 相对 距离 05米 15米 25米 35米 45米 5.5米 6.5米 7.5米 8.0米 相对 航向 角 航速 0648 0,649 .0.655 0666 0673 5度 0673 0.673 -0666 .066 0648 0.647 0.625 -0528 0312 0312 0.528 0586 0.642 0.643 -0.649 0.661 0667 0.668 -0.667 0.661 -0655 15度 0651 0.650 0628 0533 0328 0 0.328 0.533 0589 0.586 .0594 0603 25度 0585 -0615 0616 0615 0.607 0601 066 -0.66 -0.638 -0.549 0383 0 0388 0.549 0.601 0458046 -0478 0511 0536 05330511 0494 35度 0533 067 0.67 0.648 0.566 0.475 0.475 0566 0612 0 0 0 0 0 45度 0 0 0 0 -0673 0.673 -0652 -0572 0514 9 0.514 0572 0.616 0458 046 0.478 051H 0533 0. 0.533 0511 0.494 5度 067 0.67 -0.648 0.566 0478 5340 0475 0566 0.612 0586 0586 0594 0602 0615 0616 0.615 060 0,501 65度 066 0.66 -0638 0.549 0388 0 0.388 0549 0601 0.642 0643 0649 0661 0667 0668 0.667 0661 0.655 75度 0651 0.65 0628 0.533 0328 0.328 0.533 0589 0.648 0649 0655 0.666 0673 0673 0.673 0.666 0.66 85度 0648 0647 0625 -0528 0312 0 0.312 0,528 0586 8
CN104950884A 说明书 6/6页 最终实现结果如图3所示，(Px0,Py0)表示领航仿生节点，(Px1,Py1)和(Px2,Py2)表 示跟随仿生节点，由模糊编队控制使得跟随仿生节点在扇形区域内追踪前行。 [0031]参照图10，电机驱动模块采用ST公司生产的L298N芯片，它是一种高电压、大电流 电机驱动芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V。输出电流大，瞬间峰值 电流可达3A,持续工作电流为2A,额定功率25W。支持两路直流电机和一个步进电机的驱 动。采用标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许 或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作：可以外接 检测电阻，将变化量反馈给控制电路。 [0032]参照图11，电源模块采用德州仪器(TI)生产的LM2596芯片，它是一款3A电流输 出降压开关型集成稳压芯片，内含固定频率振荡器(150KZ)和基准稳压器(1.23v),并具 有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高 效的稳压电路，提供的主要有3.3V、5V、12V等多个电压。 [0033]本发明操作过程如下，首先用手打开多个移动节点的开关，即电源模块开始工作， 此时多个移动节点开始工作，将一个领航仿生节点和多个跟随仿生节点放入水中，由上位 机软件发送控制指令驱动领航仿生节点。跟随仿生节点利用水声搜索到领航仿生节点后计 算相对距离、方向，经模糊编队控制器计算后，自动追踪领航仿生节点轨迹。同时，多个跟随 仿生节点采集水质参数信息，发送给领航仿生节点。领航仿生节点收集各节点水质参数信 息，转发至岸上基站。 [0034]以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创 作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之 内。 9
CN104950884A 说明书附图 1/11页 ) ③ 9 图1 10