基本信息
- 項目名稱：
- 運用于水質(zhì)監(jiān)測的全自主智能仿生機器魚
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品設(shè)計實現(xiàn)了一種全自主智能仿生機器魚，該機器魚配備無線通信裝置和溶氧量檢測儀，可以檢測水質(zhì)的溶氧量，以判斷水的污染程度。
- 詳細介紹：
- 本作品設(shè)計實現(xiàn)了一種全自主智能仿生機器魚，該機器魚使用自主設(shè)計的雙控雙制全數(shù)字航模舵機，配備了nRF2401無線接收裝備以及水質(zhì)溶氧量檢測儀，可運用于湖泊等水域的水質(zhì)監(jiān)測。本作品實現(xiàn)了機器魚的三種運動模態(tài)（直線游動、小角度轉(zhuǎn)彎、大角度轉(zhuǎn)彎），機器魚的多參數(shù)控制，通過控制振幅、周期等參數(shù)控制機器魚的游動，以及機器魚的增強學習系統(tǒng)，使機器魚能全自主的在未知環(huán)境內(nèi)自由的游動，完成特定的任務(wù)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品的設(shè)計目的是要設(shè)計實現(xiàn)出一條全自主智能仿生機器魚，該機器魚能夠自主游動、上浮、下潛，具有空間位置感知能力，通過探索得到未知環(huán)境的信息，具備圖像采集能力，可以采集環(huán)境的圖像并進行處理，得到當前位置信息，可用于海洋湖泊等水域的水質(zhì)溶氧量監(jiān)測。 基本思路是以國內(nèi)外對仿生機器魚的結(jié)構(gòu)和動作模態(tài)的研究為基礎(chǔ)，增加GPS 導航定位及視覺系統(tǒng)功能，并利用這些傳感器，研究和實現(xiàn)機器魚在未知環(huán)境下環(huán)境感知和自主導航，從而實現(xiàn)機器魚在未知環(huán)境下的自主游動上浮下潛和環(huán)境探測，如探索未知水域的水質(zhì)問題等等。 其創(chuàng)新點和技術(shù)關(guān)鍵在于項目采用了自主設(shè)計制作的全數(shù)字雙控雙制航模舵機，實現(xiàn)機器魚的上浮下潛、水中視覺系統(tǒng)、基于增強學習算法的參數(shù)化多模態(tài)游動，并配備的水質(zhì)溶氧量檢測儀，實現(xiàn)目 標水域的水質(zhì)溶氧量監(jiān)測。 主要技術(shù)指標： 1） 機器魚參數(shù)：長39cm，寬12cm，高7.7cm，重：1.12kg。 2） 游動速度以及最大范圍：最大速度為0.27m/s，因為機器魚實驗場地為長220cm 寬150cm 的水池，尚未對機器魚最大游動距離進行測量。 3） 機器魚上浮下潛的深度：2m 到3m。 4） 機器魚游動模態(tài)的優(yōu)化：本項目的機器魚通過增強學習優(yōu)化了游動模態(tài)，達到了仿生的效果。 5） 視覺系統(tǒng)的精確度以及數(shù)據(jù)的傳輸速度。 6） 水質(zhì)數(shù)據(jù)的采樣準確度。
科學性、先進性
- 目前國內(nèi)外仿生機器魚主要停留在機器魚結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及機器魚的運動模態(tài)的建模與實現(xiàn)階段，機器魚不夠智能，大部分還只是運用在科學研究領(lǐng)域。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本作品的先進性主要體現(xiàn)在使用的數(shù)字航模舵機、仿生機器魚的動作模態(tài)優(yōu)化和在水質(zhì)監(jiān)測方面的應(yīng)用三個方面。 本機器魚使用了雙制控制全數(shù)字航模舵機，該舵機可以精確控制舵機的轉(zhuǎn)動速度（速度0～255 級可調(diào)，高限為260°/s，低限為3.75°/s）、轉(zhuǎn)動角度（-90°～90°）等，從而能方便地實現(xiàn)魚的模態(tài)的平滑優(yōu)美轉(zhuǎn)移。本項目機器魚實現(xiàn)了三種運動模態(tài)及多模態(tài)參數(shù)可調(diào)系統(tǒng)，可以靈活控制機器魚的振幅、速度等信息,目前國內(nèi)的機器魚模態(tài)單一固 定，機械效率低，對環(huán)境擾動大 。本機器魚可通過智能學習系統(tǒng)優(yōu)化相關(guān)的運動模態(tài)參數(shù)，使得機器魚可以構(gòu)建合適的運動模型。通過Q 學習，機器魚可更新推理和計劃的參數(shù)為完成特定任務(wù)找到一條優(yōu)化的策略。目前的機器魚控制系統(tǒng)只停留在人為控制方面 。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 于2011 年3 月23 日提出專利申請，專利名稱為雙制控制全數(shù)字 航模舵機。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物 現(xiàn)場展示 圖片 模型 錄像 樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 作品主要由全自主智能仿生機器魚及傳感器（溶解氧化學傳感器、圖像采集等）組成。使用時由圖像采集設(shè)備和GPS 導航系統(tǒng)獲取機器魚運動狀態(tài)信息、位置信息、當前環(huán)境信息和這些信息與目標位置的聯(lián)系，通過機器魚對圖像進行處理，獲取機器魚的運動參數(shù)信息以及當前環(huán)境狀態(tài)信息，然后智能學習進行動作的優(yōu)化以及路徑的選取，而后到達目標，并控制執(zhí)行溶氧量監(jiān)測任務(wù)，最后獲取數(shù)據(jù)快速返回。 環(huán)境問題是當今社會的熱點話題，國家在“十五”、“十一五”、“十二五”規(guī)劃中規(guī)定，化學需氧量(COD)是衡量水質(zhì)好壞的重要標準之一，本作品以測量水質(zhì)的含氧量為運用基礎(chǔ)，推進機器魚在水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域的運用，本項目綜合利用了機械、電子、現(xiàn)代通訊、圖像處理以及智能學習等現(xiàn)代技術(shù)，不僅可運用在環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測中去，另外為機器魚的仿生學研究提供了平臺，項目著重運用魚類游動的推進效率高、機動性能好、隱蔽性能好等優(yōu)點，將全自主智能仿生機器魚用于水質(zhì)監(jiān)測等環(huán)境保護等問題中去。
同類課題研究水平概述
- 國外研究情況： 美國MIT 大學 Michael Triantafyllou 教授領(lǐng)導的研究組在水動力學、渦流控制等方面開展工作，開發(fā)研制了Robo-Tuna、Robo-Pike 等仿生機器魚。其中Robo-Tuna是世界上第一條研制完成的仿生機器魚。 美國華盛頓大學 Kristi A.Morgansen 教授領(lǐng)導的研究組在非線性動力學與控制、鲹科魚類的運動控制、有限通訊下的集群運動等方面開展工作。 英國Essex 大學 胡豁生教授領(lǐng)導的研究組在智能控制方面開展研究工作，研究了仿生機器魚并在倫敦水族館進行了展示。 2009年，日本KOBAYASHI教授等人設(shè)計了一套研究魚鰭擺動推進效率的實驗裝置。通過將水洞和傳感器技術(shù)應(yīng)用到測量實驗中，研究魚鰭擺動過程中推進力和推進速度隨魚鰭形狀參數(shù)的影響情況國內(nèi)研究情況。 國內(nèi)研究情況 廣東工業(yè)大學的鐘映春等人研制PZT 驅(qū)動的水下機器人，利用柔性鉸鏈和差式杠桿放大原理驅(qū)動側(cè)翼擺動實現(xiàn)水中游動。 東北大學研制了采用IPMC 驅(qū)動的小型機器魚，采用紅外遙控控制，IPMC 驅(qū)動器尺寸50mm*10mm，在2.5Vd 的正弦波電壓驅(qū)動下，可以實現(xiàn)7.55mm/s 的游動速度。 哈爾濱工業(yè)大學的王振龍教授等人研制出SMA 驅(qū)動的仿生微型機器魚，該機器魚由魚體和推進器組成，沒有任何機械傳動結(jié)構(gòu)，能夠模擬真魚的無聲柔性擺動推進。 本項目的機器魚體型小，結(jié)構(gòu)簡單，游動速度較快，而且相比國內(nèi)外的其他機器魚而言運動穩(wěn)定，能夠很好的完成特定任務(wù)。
