基本信息
- 项目名称：
- 运用于水质监测的全自主智能仿生机器鱼
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品设计实现了一种全自主智能仿生机器鱼，该机器鱼配备无线通信装置和溶氧量检测仪，可以检测水质的溶氧量，以判断水的污染程度。
- 详细介绍：
- 本作品设计实现了一种全自主智能仿生机器鱼，该机器鱼使用自主设计的双控双制全数字航模舵机，配备了nRF2401无线接收装备以及水质溶氧量检测仪，可运用于湖泊等水域的水质监测。本作品实现了机器鱼的三种运动模态（直线游动、小角度转弯、大角度转弯），机器鱼的多参数控制，通过控制振幅、周期等参数控制机器鱼的游动，以及机器鱼的增强学习系统，使机器鱼能全自主的在未知环境内自由的游动，完成特定的任务。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品的设计目的是要设计实现出一条全自主智能仿生机器鱼，该机器鱼能够自主游动、上浮、下潜，具有空间位置感知能力，通过探索得到未知环境的信息，具备图像采集能力，可以采集环境的图像并进行处理，得到当前位置信息，可用于海洋湖泊等水域的水质溶氧量监测。 基本思路是以国内外对仿生机器鱼的结构和动作模态的研究为基础，增加GPS 导航定位及视觉系统功能，并利用这些传感器，研究和实现机器鱼在未知环境下环境感知和自主导航，从而实现机器鱼在未知环境下的自主游动上浮下潜和环境探测，如探索未知水域的水质问题等等。 其创新点和技术关键在于项目采用了自主设计制作的全数字双控双制航模舵机，实现机器鱼的上浮下潜、水中视觉系统、基于增强学习算法的参数化多模态游动，并配备的水质溶氧量检测仪，实现目 标水域的水质溶氧量监测。 主要技术指标： 1） 机器鱼参数：长39cm，宽12cm，高7.7cm，重：1.12kg。 2） 游动速度以及最大范围：最大速度为0.27m/s，因为机器鱼实验场地为长220cm 宽150cm 的水池，尚未对机器鱼最大游动距离进行测量。 3） 机器鱼上浮下潜的深度：2m 到3m。 4） 机器鱼游动模态的优化：本项目的机器鱼通过增强学习优化了游动模态，达到了仿生的效果。 5） 视觉系统的精确度以及数据的传输速度。 6） 水质数据的采样准确度。
科学性、先进性
- 目前国内外仿生机器鱼主要停留在机器鱼结构的设计以及机器鱼的运动模态的建模与实现阶段，机器鱼不够智能，大部分还只是运用在科学研究领域。 与现有技术相比，本作品的先进性主要体现在使用的数字航模舵机、仿生机器鱼的动作模态优化和在水质监测方面的应用三个方面。 本机器鱼使用了双制控制全数字航模舵机，该舵机可以精确控制舵机的转动速度（速度0～255 级可调，高限为260°/s，低限为3.75°/s）、转动角度（-90°～90°）等，从而能方便地实现鱼的模态的平滑优美转移。本项目机器鱼实现了三种运动模态及多模态参数可调系统，可以灵活控制机器鱼的振幅、速度等信息,目前国内的机器鱼模态单一固 定，机械效率低，对环境扰动大 。本机器鱼可通过智能学习系统优化相关的运动模态参数，使得机器鱼可以构建合适的运动模型。通过Q 学习，机器鱼可更新推理和计划的参数为完成特定任务找到一条优化的策略。目前的机器鱼控制系统只停留在人为控制方面 。
获奖情况及鉴定结果
- 于2011 年3 月23 日提出专利申请，专利名称为双制控制全数字 航模舵机。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物 现场展示 图片 模型 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品主要由全自主智能仿生机器鱼及传感器（溶解氧化学传感器、图像采集等）组成。使用时由图像采集设备和GPS 导航系统获取机器鱼运动状态信息、位置信息、当前环境信息和这些信息与目标位置的联系，通过机器鱼对图像进行处理，获取机器鱼的运动参数信息以及当前环境状态信息，然后智能学习进行动作的优化以及路径的选取，而后到达目标，并控制执行溶氧量监测任务，最后获取数据快速返回。 环境问题是当今社会的热点话题，国家在“十五”、“十一五”、“十二五”规划中规定，化学需氧量(COD)是衡量水质好坏的重要标准之一，本作品以测量水质的含氧量为运用基础，推进机器鱼在水质监测等领域的运用，本项目综合利用了机械、电子、现代通讯、图像处理以及智能学习等现代技术，不仅可运用在环境水质监测中去，另外为机器鱼的仿生学研究提供了平台，项目着重运用鱼类游动的推进效率高、机动性能好、隐蔽性能好等优点，将全自主智能仿生机器鱼用于水质监测等环境保护等问题中去。
同类课题研究水平概述
- 国外研究情况： 美国MIT 大学 Michael Triantafyllou 教授领导的研究组在水动力学、涡流控制等方面开展工作，开发研制了Robo-Tuna、Robo-Pike 等仿生机器鱼。其中Robo-Tuna是世界上第一条研制完成的仿生机器鱼。 美国华盛顿大学 Kristi A.Morgansen 教授领导的研究组在非线性动力学与控制、鲹科鱼类的运动控制、有限通讯下的集群运动等方面开展工作。 英国Essex 大学 胡豁生教授领导的研究组在智能控制方面开展研究工作，研究了仿生机器鱼并在伦敦水族馆进行了展示。 2009年，日本KOBAYASHI教授等人设计了一套研究鱼鳍摆动推进效率的实验装置。通过将水洞和传感器技术应用到测量实验中，研究鱼鳍摆动过程中推进力和推进速度随鱼鳍形状参数的影响情况国内研究情况。 国内研究情况 广东工业大学的钟映春等人研制PZT 驱动的水下机器人，利用柔性铰链和差式杠杆放大原理驱动侧翼摆动实现水中游动。 东北大学研制了采用IPMC 驱动的小型机器鱼，采用红外遥控控制，IPMC 驱动器尺寸50mm*10mm，在2.5Vd 的正弦波电压驱动下，可以实现7.55mm/s 的游动速度。 哈尔滨工业大学的王振龙教授等人研制出SMA 驱动的仿生微型机器鱼，该机器鱼由鱼体和推进器组成，没有任何机械传动结构，能够模拟真鱼的无声柔性摆动推进。 本项目的机器鱼体型小，结构简单，游动速度较快，而且相比国内外的其他机器鱼而言运动稳定，能够很好的完成特定任务。
