(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210657263.4 (22)申请日 2022.06.10 (71)申请人 杜明芳 地址 100000 北京市海淀区清枫华景园小 区4号楼3单元102 (72)发明人 杜明芳　 (74)专利代理 机构 成都中络智合知识产权代理 有限公司 513 00 专利代理师 张洁 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) C02F 1/00(2006.01) H04Q 9/00(2006.01) H04W 4/70(2018.01) H04W 84/18(2009.01) (54)发明名称 水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装 备及鱼群系统 (57)摘要 本发明公开了一种水质 监测净化一体化水 下仿生鱼机器人装备及鱼群系统。 仿生鱼包括以 下主要组成模块： 仿生机器鱼壳体， 仿生机器鱼 推进器， 仿生机器鱼控制器， 水质分类及预测器， 数字浊度传感器， pH传感器， 温度传感器， 溶解氧 传感器， 气味传感器， 水质净化机构， 远距离障碍 物探测激光雷达， 近距离障碍物探测激光雷达， 气象传感器接口及数据融合模块等。 所述仿生机 器鱼放置于江河、 湖泊、 水库、 市内河流、 鱼塘等 水域， 可实现水质在线智 能监测及净化处理， 可 与手机APP监测终端、 地面水质监测站实时通信， 地面站可通过卫星网络与空间导航定位卫星通 信。 仿生机器鱼 组成多Agent鱼群系统， 通过鱼群 巡游实现大 范围水质监测净化。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115031782 A 2022.09.09 CN 115031782 A 1.水质监测净化 一体化水 下仿生鱼机器人装备， 其特 征在于： 包括以下主 要组成模块： 仿生机器鱼壳体， 仿生机器鱼推进器， 仿生机器鱼控制器， 水质分类及预测器， 数字浊 度传感器， pH传感器， 温度传感器， 溶解氧传感器， 气味传感器， 水质净化机构， 远距离障碍 物探测激光雷达， 近距离障碍物探测激光雷达， 气象传感器接口及数据融合模块， Zigbee无 线通信接口， 有线通信接口， 5G通信接口， GPS/北斗定位器， 电源输入端， 蓄电池， 数据存储 卡， 液晶显示模块。 2.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备， 其特征在于： 仿 生机器鱼放置于江河、 湖泊、 水库、 市内河流、 鱼塘水域， 用于实现水质在线智能监测及净化 处理， 并与手机APP监测终端、 地面水质监测站实时通信， 地面站可通过卫星网络与空间导 航定位卫星通信。 3.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备， 其特征在于： 所 述水质净化机构包括净化操作机 械手、 机械臂、 净化剂、 净化材 料； 机械臂采用六自由度结构， 机 械手采用简易的两指抓握式结构。 4.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备， 其特征在于： 仿 生机器鱼的监测距离范围为0 ‑180m， 测量时的最快响应时间为1m s， 最慢响应时间为5m s； 其中， 超过最慢响应时间即视为本次通信无效， 重新发送探测信号； 距离误差在10 cm范围内； 并具有RS ‑485、 MODBUS  RTU有线通信和无线通信两种模式。 5.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备， 其特征在于： 具 有水质监测净化机器鱼控制器， 控制器作为仿生机器 鱼的控制核心， 起到中央控制作用， 包 括控制电路硬件和控制算法及控制策略软件两 部分； 控制电路硬件： 以32位ARM微控制器STM32F103为主控芯片设计机器鱼专用控制器， 集 成各种传感器模块、 水质预测模块、 水质净化机构、 通信模块及其他电路模块。 STM32F103内 核是Cortex ‑M3。 芯片集成定时器T imer， CAN， ADC， SPI， I2 C， USB， UART 等多种外设功能。 可以 根据机器鱼产品的实际配置需求选择相应的片内Flash及外设； 控制算法及控制策略软件： 采用Kalman滤波算法实现机器鱼运动姿态的控制与预估， 正常运行情况 下采用PID算法实现机器鱼的控制。 6.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备， 其特征在于： 具 有水质监测净化机器鱼水质分类及预测器， 将采集到的水质数据集分为训练数据集和测试 数据集两部 分， 对训练数据集进 行特征提取， 输入到长 短时记忆单元LSTM循环神经网络， 反 复训练LSTM网络， 直到网络结构达到最优； 将测试数据输入到训练好的LSTM网络， LSTM网络 经预算后给 出水质分类和预测结果。 7.鱼群系统， 其特征在于： 采用上述权利要求1中的仿生鱼机器人装备， 采用多智能体 理论作为 通信和控制的基础理论支撑， 组建由若干个仿生机器鱼构成的多Agent鱼群系统； 鱼群系统中有一个主Agent机器鱼， 其 他均为从Agent机器鱼； 主Agent机器鱼与从Agent机器鱼之间采用主从式通信， 多从Agent机器鱼之间采用无 线传感器自组织网络方式通信； 通过多Agent鱼群系统进行巡游检测， 多Agent鱼群系统具有自主移动模式和远程控制 模式；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115031782 A 2所述自主移动模式由预设在仿生机器鱼内的自主感知控制及巡游监测程序对划定范 围内的水体系统进行周期性巡游监测及净化操作； 所述远程控制模式由水质监测管理云地面站控制主体和从体进行巡游监测及净化操 作。 8.根据权利要求1所述的水质监测净化一体化水下仿生鱼机器人装备， 其特征在于： 在 对水体进行巡游监测时， 鱼群系统中作为主体的仿生机器鱼保持在水面处， 通过设置的天 线与水质监测管理云地 面站进行 数据传输； 作为从属个体的仿生机器鱼以十字型或网状分布的方式等间距设置在水体系统中， 并 以同向环境自适应调速的方式进行周期性巡游； 处于水体系统内的仿生机器鱼通过ZigBe e方式进行链式数据传输 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115031782 A 3