一種面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法
【專利說明】-種面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明設(shè)及一種水質(zhì)監(jiān)測方法，具體設(shè)及一種面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制 方法，屬于水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
[000引【【背景技術(shù)】】 目前，我國的水質(zhì)監(jiān)測方法有實驗室監(jiān)測、自動監(jiān)測和移動監(jiān)測。實驗室監(jiān)測是通過設(shè) 置某些斷面定時定點瞬時取樣，然后將樣品帶回實驗室進行儀器分析，分析精度雖高但儲 存的水樣會因為懸浮物的凝聚沉降W及生物的代謝過程、死亡分解過程等的影響而發(fā)生改 變，且數(shù)據(jù)實時性較差。自動監(jiān)測是設(shè)定在流域內(nèi)的現(xiàn)場水質(zhì)自動監(jiān)測站，建設(shè)一個自動監(jiān) 測站需要建造?？诘膹S房，同時在線水質(zhì)分析儀器價格也十分昂貴。移動監(jiān)測多為人工駕 駛的水質(zhì)監(jiān)測船，不僅成本高而且存在二次污染。
[0003] 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，水下監(jiān)測結(jié)合無線傳感網(wǎng)越來越受到人們的重視。體積 較小，探測范圍廣、精度高的移動水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點具有較大的社會價值和經(jīng)濟效益。如何讓該 些節(jié)點能夠組成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同地采集水質(zhì)參數(shù)顯得尤為重要。
[0004] 因此，為解決上述技術(shù)問題，確有必要提供一種創(chuàng)新的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿 生魚協(xié)同控制方法，W克服現(xiàn)有技術(shù)中的所述缺陷。
[000引【
【發(fā)明內(nèi)容】
】 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于一種體積較小，探測范圍廣、精度高，可在線 監(jiān)測不同水域的水質(zhì)參數(shù)的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為；一種面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚 協(xié)同控制方法，其包括領(lǐng)航仿生節(jié)點、跟隨仿生節(jié)點和岸上基站；其包括如下步驟： 51 ;岸上基站發(fā)送運行軌跡控制指令給領(lǐng)航仿生節(jié)點； 52 ;跟隨仿生節(jié)點捜索領(lǐng)航仿生節(jié)點位置，計算得出相對距離與角度； 53 ;根據(jù)模糊控制方法，追蹤領(lǐng)航仿生節(jié)點，采集并發(fā)送水質(zhì)參數(shù)； 54 ;領(lǐng)航仿生節(jié)點接收跟隨仿生節(jié)點發(fā)來的信息，解析、打包后發(fā)送到岸上基站； 55 ;重復(fù)步驟S1~S5。
[0007] 本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法進一步為：所述模糊控制方 法包括如下步驟： 531 ;獲取相對距離，相對角度，在其論域上建立兩個個隸屬度函數(shù)，在輸出論域上建立 航速與航向六個隸屬度函數(shù)； 532 ;對輸入進行離散化，劃分為N，M個離散值； 533 ;輸入離散值后，根據(jù)實際經(jīng)驗建立的3X 3模糊推理規(guī)則表計算其模糊輸出，得到 MXN對決策值，所述模糊控制策略包括航速信息和航向信息； S34;根據(jù)模糊控制查詢表分別控制直流電機與駝機，模糊編隊控制多個仿生移動節(jié)點 協(xié)同前進。
[0008] 本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法進一步為：所述模糊編隊控 制策略還包括轉(zhuǎn)向信息和轉(zhuǎn)速信息，所述轉(zhuǎn)向信息和轉(zhuǎn)速信息所依據(jù)的模糊控制查詢表是 預(yù)先通過w下模糊推理機計算所得的： 輸入；相對距離較遠、適中、較近與相對角度偏小、正好、偏大，根據(jù)領(lǐng)航一跟隨移動 節(jié)點相對位置實際情況設(shè)定；相對距離在0~5米為較近，5~6米適中，大于6米較遠；相對 角度在0~40度偏小，40~50度正好，50~90度偏大； 模糊規(guī)則如下： 若相對距離適中且相對角度正好，則決策為勻速，前行； 若相對距離適中且相對角度偏小，則決策為勻速，左轉(zhuǎn)； 若相對距離適中且相對角度偏大，則決策為勻速，右轉(zhuǎn)； 若相對距離較近且相對角度正好，則決策為減速，前行； 若相對距離較近且相對角度偏小，則決策為減速，左轉(zhuǎn)； 若相對距離較近且相對角度偏大，則決策為減速，右轉(zhuǎn)； 若相對距離較遠且相對角度正好，則決策為加速，前行； 若相對距離較遠且相對角度偏小，則決策為加速，左轉(zhuǎn)； 若相對距離較遠且相對角度偏大，則決策為加速，右轉(zhuǎn)； 對輸入進行離散化： 相對距離0-1米歸為0. 5米，1-2米歸為1. 5米，2-3米歸為2. 5米，3-4米歸為3. 5米， 4-5米歸為4. 5米，5-6米歸為5. 5米，6-7米歸為6. 5米，7-8米歸為7. 5米，大于8米歸為 8米； 相對角度0-10度歸為5度，10-20度歸為15度，20-30度歸為25度，30-40度歸為35 度，40-50度歸為45度，50-60度歸為55度，60-70度歸為65度，70-80度歸為75度，80-90 度歸為85度； 本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法進一步為；所述跟隨仿生節(jié)點系 統(tǒng)包括水質(zhì)傳感器、電荷放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機模塊、水聲通信模塊、GPRS模塊、 定位模塊、姿態(tài)檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、直流電機、駝機和微型水累，所述水質(zhì)傳感器采集 水質(zhì)參數(shù)信息，所述電荷放大模塊與水質(zhì)傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對 多個電荷放大模塊處理的多路信號同步采樣，所述單片機對模數(shù)采樣的信號進行處理，所 述水聲通信模塊將單片機輸出信號向水里廣播或接收指令，所述GPRS模塊將單片機輸出 信號向岸上發(fā)送出去或接收指令，所述電機驅(qū)動模塊驅(qū)動直流電機和微型水累，所述直流 電機、微型水累和駝機協(xié)同運作分別控制仿生移動節(jié)點前進、轉(zhuǎn)向W及沉浮，所述定位模塊 采集節(jié)點位置信息。
[0009] 本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法進一步為：所述水質(zhì)參數(shù)采 集、水聲通信系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、定位模塊和姿態(tài)檢測模塊共用一個微處理器，所述微處理器 為ARM? Cortex M3內(nèi)核32位高性能的STM32F103巧片。
[0010] 本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法進一步為：所述領(lǐng)航仿生節(jié) 點、跟隨仿生節(jié)點采用仿金槍魚的外觀設(shè)計。
[0011] 本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法還可為；所述領(lǐng)航仿生節(jié)點 和跟隨仿生節(jié)點間采用水聲通信。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果； 1.移動節(jié)點模仿金槍魚的外觀設(shè)計，具有移動速度快，環(huán)境適應(yīng)性強等特點。
[0013] 2.利用發(fā)射換能器與接收換能器組成的水聲通信系統(tǒng)，實現(xiàn)水下遠距離通信。
[0014] 3.浮于水面區(qū)域的領(lǐng)航仿生節(jié)點W GPRS方式轉(zhuǎn)發(fā)水質(zhì)參數(shù)信息到岸上基站，數(shù) 據(jù)傳輸效率高。
[0015] 4.多個移動節(jié)點W編隊的方式協(xié)同驅(qū)動，同時監(jiān)測水環(huán)境，感知范圍廣，精度高。
[0016] 5.采用分布式模糊控制算法，跟隨仿生節(jié)點可自動捜尋領(lǐng)航仿生節(jié)點并追蹤其運 行軌跡。
[0017] 6.有效地在線實時監(jiān)測水質(zhì)，一旦發(fā)現(xiàn)部分水域出現(xiàn)水質(zhì)惡化，將及時通知岸上 基站。
[0018] 【【附圖說明】】 圖1是本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚系統(tǒng)的整體示意圖； 圖2為跟仿生節(jié)點系統(tǒng)搭建圖； 圖3為S個移動節(jié)點編隊隊形示意圖； 圖4為領(lǐng)航仿生節(jié)點程序流程圖； 圖5為跟隨仿生節(jié)點程序流程圖； 圖6為相對距離隸屬度函數(shù)示意圖； 圖7為相對角度隸屬度函數(shù)示意圖； 圖8為輸出速度隸屬度函數(shù)示意圖； 圖9為輸出角度隸屬度函數(shù)示意圖； 圖10為是電機驅(qū)動模塊連接圖。
[001引 圖11是電源模塊。
[0020] 【【具體實施方式】】 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行進一步的描述： 參照圖1，一種面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法，包括領(lǐng)航仿生節(jié)點1、跟 隨仿生節(jié)點2和岸上基站3。所述跟隨仿生節(jié)點采集并發(fā)送水質(zhì)參數(shù)信息，自動追蹤領(lǐng)航仿 生節(jié)點運行軌跡(程序流程圖見圖4)，所述領(lǐng)航仿生移動節(jié)點浮于水面，利用水聲接收跟隨 仿生節(jié)點采集的水質(zhì)參數(shù)信息，轉(zhuǎn)換后發(fā)送至岸上基站，同時接收岸上基站發(fā)來的運行狀 態(tài)控制指令(程序流程圖見圖5)。所述領(lǐng)航仿生節(jié)點1、跟隨仿生節(jié)點2采用仿金槍魚的外 觀設(shè)計，具有移動速度快，環(huán)境適應(yīng)性強等特點；且領(lǐng)航仿生節(jié)點1與跟隨仿生節(jié)點2間采 用水聲通信，可行性高；領(lǐng)航仿生節(jié)點接收跟隨仿生節(jié)點發(fā)來的信息，解析后W GPRS方式 轉(zhuǎn)發(fā)給岸上基站，傳輸距離遠，通信效率較高，可實現(xiàn)遠距離程控，在線監(jiān)測不同水域的水 質(zhì)參數(shù)。所述跟隨仿生節(jié)點2能自主追蹤領(lǐng)航仿生節(jié)點運行軌跡，可任意增加或減少跟隨 仿生節(jié)點數(shù)量，自由變換隊形。
[0021] 參照圖2,所述跟隨仿生節(jié)點系統(tǒng)搭建圖，包括水質(zhì)傳感器21、電荷放大模塊22、 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊23、單片機模塊24、水聲通信模塊25、GPRS模塊26、定位模塊211、姿態(tài)檢測 模塊212、電機驅(qū)動模塊27、直流電機28、駝機29和微型水累210,所述水質(zhì)傳感器21采集 水質(zhì)參數(shù)信息，所述電荷放大模塊23與水質(zhì)傳感器21、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊23相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊23對多個電荷放大模塊22處理的多路信號同步采樣，所述單片機24對模數(shù)采樣的 信號進行處理，所述水聲通信模塊25將單片機25輸出信號向水里廣播或接收指令，所述 GPRS模塊26將單片機24輸出信號向岸上發(fā)送出去或接收指令，所述電機驅(qū)動模塊27驅(qū)動 直流電機28和微型水累210,所述直流電機28、微型水累210和駝機29協(xié)同運作分別控制 仿生移動節(jié)點2前進、轉(zhuǎn)向W及沉浮，所述定位模塊211采集節(jié)點位置信息。其中，所述水 質(zhì)參數(shù)采集21、水聲通信系統(tǒng)25、直流電機28、駝機29、微型水累210、定位模塊211和姿 態(tài)檢測模塊212共用一個微處理器，所述微處理器為ARM? Codex M3內(nèi)核32位高性能的 STM32F103 巧片。
[0022] 如圖3~9所示，本發(fā)明提供一種面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法，包 括W下步驟： S1 ;岸上基站發(fā)送運行軌跡控制指令給領(lǐng)航仿生節(jié)點，領(lǐng)航仿生節(jié)點由GPRS接收控制 指令后可輸出PWM波控制直流電機、駝機和微型水累進入巡游模式，并W水聲方式廣播隊 形信息。
[0023] S2;跟隨仿生節(jié)點通過水聲捜索領(lǐng)航仿生節(jié)點位置，接收隊形信息后，可計算得出 相對距離與角度； S3 ;根據(jù)模糊控制算法，跟隨仿生節(jié)點輸出PWM波控制直流電機、駝機和微型水累進入 追蹤模式，追蹤領(lǐng)航仿生節(jié)點運行軌跡，同時采集并發(fā)送水質(zhì)參數(shù)信息； S4;領(lǐng)航仿生節(jié)點接收跟隨仿生節(jié)點發(fā)來的水質(zhì)參數(shù)信息，解析、打包后發(fā)送到岸上基 站； S5 ;重復(fù)步驟S1~S5。
[0024] 本發(fā)明的面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的仿生魚協(xié)同控制方法采用多個移動節(jié)點編隊控 制方式采集水質(zhì)參數(shù)信息。移動節(jié)點模仿金槍魚外觀設(shè)計，可分為領(lǐng)航仿生節(jié)點和跟隨仿 生節(jié)點。領(lǐng)航仿生節(jié)點