基于BCF柔性机理的水质监测仿生机器鱼

基于BCF柔性机理的水质监测仿生机器鱼

耿传玉许崇伟甄宗霖樊桂菊(通讯作者)

(山东农业大学机械与电子工程学院泰安271000)

摘要:本团队研发了一种基于BCF柔性机理的用于水质监测的仿生机器鱼，该装置包含机器硬件结构和监测系统。该装置的机器硬件结构主要根据水下鱼类的运动姿态以及身体比例建模。控制监测系统主要包括STM32芯片、酸碱度传感器、蓝牙摄像头、WIFI模块、上位机以及电调等遥控器控制部分。该机器鱼的功能实用，能有效的对水质进行初步检测，且该机器鱼的自动化程度较高，能有效减轻人们负担，完成对水下检测的简单要求。

背景：

当今时代，仿生鱼成为很多科研项目研究的重点领域。由于社会的不断发展，仿生鱼开始逐渐扩展其应用的范围，这也导致此类机器人要面对更为复杂的工作环境，这就对仿生鱼的研究发展及其功能提出了更多要求，为了迎合这些不同环境带来的不同环境需求，机器人研究工作者开始在不同的领域需求解决的办法来研制出能适应各种工作环境的仿生机器鱼，这对机器人研究者提出了很大的挑战，然而大自然的进化奥秘却给他们带来了机器人的设计灵感，几十亿年来，大自然的动物不断进化其身体结构和机能来适应恶劣的环境，在研究后发现，许多动物的身体结构是人类难以想象出来的，这也正是研究工作者们所需要发现和模仿的，是整个机器人设计的关键所在。通过这些大自然的进化者神奇的身体结构，研究工作者们研制了许多不同的机器人，仿生机器鱼就是其中一种，这种“鱼类”在很大程度上帮助了人们对于水下的探索以及水质的检测。

当人们需要在一些恶劣或者地形不明确的河流或者是水源的地方进行水样抽取或者检验时，基于BCF柔性机理的水质监测仿生机器鱼可以帮助人们完成对水质的初步了解，减少不必要的麻烦，为明确检测方向提供依据。

1.整体结构及其工作原理

一种基于BCF柔性机理的水质监测仿生机器鱼的整体结构包括单片机控制部分，水质监测部分，摄像头部分，遥控部分，通讯部分，数据处理部分。其中，数据处理部分是机器鱼身上的传感器将数据发送给电脑端的上位机生成实时动态曲线。

1.1单片机控制部分

控制器采用一款32位Coretex-M3内核处理器，片上集成12BitADC、DAC、PWM、CAN、USB等资源，实现控制数据的链接。

1.2摄像头部分

摄像头采用单独的模块，利用蓝牙与手机通讯，将机器鱼行走的路线及周围情况传给手机APP，用户可根据需要对机器鱼做出适当的路径调整。摄像头可随时拆卸，简化机器鱼的身体结构，紧凑功能。

1.3遥控部分

遥控器如图所示

遥控器系统工作频率范围是2.405到2.475GHz，整个波段被分为142个独立频点。通过开机时间不同。跳频规律不同和使用不同的频点，遥控系统能避免干扰传播信号。

此系统采用高质量的增益天线，覆盖整个波段带宽，配合高灵敏度接收机，系统能有效的避免远距离传播信号的干扰。

每台发射机有一个唯一的ID码，当和接收机对码之后，接收机保存这个唯一的ID码并且只接受从这个ID码发射机发出的信号。这样就可以避免接受到别的发射机信号，大大增强抗干扰能力和安全性。

此系统使用低功率电子元件和高灵敏度接收机芯片，无线电频率模块采用间歇性信号传播，因此大大降低了发射功率，比较而言，此系统功耗仅为FM版本的十分之一。

1.4通讯部分

机器鱼通讯部分为ESP8266WIFI系统，ESP8266是一消耗很低的UART-WiFi系统，它采用物联网设计的应用方案，可将需要的机器外设部分连接到此系统模块中，从而实现物联网的应用，并且其能耗较低的优点也使其在应用时有较大的优势。ESP8266硬件接口丰富，可支持UART，IIC，PWM，GPIO，ADC等，适用于各种物联网应用场合。

此模块价格低廉，节约成本；功能强大，内部跑LWIP协议；支持三种模式，AP，STA,AP+STA；指令简单。管脚如图所示

1.5数据处理部分

上位机由LABVIEW编写，可视化操作，提高数据运算能力。下位机单片机直接控制设备获取设备状况，上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。该设计主要是利用WIFI模块完成信息通讯，数据处理则是在电脑端的上位机完成。

2.总结

传统水质监测方法往往耗费过多的人力物力，且需较长时间，深入水体中央处不便采样监测；该作品可轻易到达平面深处进行实施监测，方面可靠，成本较低，实用性强，不仅可供水质部门使用，也可给鱼类养殖等用户使用。

本机器仿生鱼的优势在于其通过身体的弯曲摇摆来实现水下的游动，也就是模仿现实中的鱼类游动的功能机理来推动自身前进。较好地保留鱼类身体的形状特征，大大提高了仿生鱼在水中的作业性能；携带浊度和PH传感器，能够测出仿生鱼游过的区域的水的浑浊程度和PH大小，通过数据与标准数据区间对比，可分析水质状况；可通过六通道的FLYSKYFS-i6遥控器灵活控制鱼的游动方位，与此同时，传感器测出的数据通过WIFI传输给特定的显示系统，以此来实时显示动态图像。

参考文献：

[1]王扬威,王振龙,李健.仿生机器鱼研究进展及发展趋势[J].机械设计与研究,2011,27(2):22-24.

[2]崔祚,姜洪洲,何景峰,佟志忠.BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析[J].机械工程学报,2015,51(16):1777-186.

[3]蒋小勤,杜德锋,周骏.行波推进仿生机器鱼[J].海军工程大学学报,2007,19(5):1-6.