CN104950884A 说明 书 3/6页 [0013]2.利用发射换能器与接收换能器组成的水声通信系统，实现水下远距离通信。 [0014]3.浮于水面区域的领航仿生节点以GS方式转发水质参数信息到岸上基站，数 据传输效率高。 [0015]4.多个移动节点以编队的方式协同驱动，同时监测水环境，感知范围广，精度高。 [0016] 5.采用分布式模糊控制算法，跟随仿生节点可自动搜寻领航仿生节点并追踪其运 行轨迹。 [0017] 6.有效地在线实时监测水质，一旦发现部分水域出现水质恶化，将及时通知岸上 基站。 [0018] 【附图说明】 图1是本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼系统的整体示意图： 图2为跟仿生节点系统搭建图： 图3为三个移动节点编队队形示意图： 图4为领航仿生节点程序流程图； 图5为跟随仿生节点程序流程图： 图6为相对距离隶属度函数示意图： 图7为相对角度隶属度函数示意图： 图8为输出速度隶属度函数示意图： 图9为输出角度隶属度函数示意图： 图10为是电机驱动模块连接图。 [0019]图11是电源模块。 [0020]【具体实施方式】 下面结合附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述： 参照图1，一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，包括领航仿生节点1、跟 随仿生节点2和岸上基站3。所述跟随仿生节点采集并发送水质参数信息，自动追踪领航仿 生节点运行轨迹（程序流程图见图4），所述领航仿生移动节点浮于水面，利用水声接收跟随 仿生节点采集的水质参数信息，转换后发送至岸上基站，同时接收岸上基站发来的运行状 态控制指令（程序流程图见图5）。所述领航仿生节点1、跟随仿生节点2采用仿金枪鱼的外 观设计，具有移动速度快，环境适应性强等特点：且领航仿生节点1与跟随仿生节点2间采 用水声通信，可行性高：领航仿生节点接收跟随仿生节点发来的信息，解析后以GRS方式 转发给岸上基站，传输距离远，通信效率较高，可实现远距离程控，在线监测不同水域的水 质参数。所述跟随仿生节点2能自主追踪领航仿生节点运行轨迹，可任意增加或减少跟随 仿生节点数量，自由变换队形。 [0021]参照图2，所述跟随仿生节点系统搭建图，包括水质传感器21、电荷放大模块22、 模数转换模块23、单片机模块24、水声通信模块25、GPRS模块26、定位模块211、姿态检测 模块212、电机驱动模块27、直流电机28、舵机29和微型水泵210，所述水质传感器21采集 水质参数信息，所述电荷放大模块23与水质传感器21、模数转换模块23相连，所述模数转 换模块23对多个电荷放大模块22处理的多路信号同步采样，所述单片机24对模数采样的 信号进行处理，所述水声通信模块25将单片机25输出信号向水里广播或接收指令，所述 GPS模块26将单片机24输出信号向岸上发送出去或接收指令，所述电机驱动模块27驱动 6
CN104950884A 说明书 4/6页 直流电机28和微型水泵210，所述直流电机28、微型水泵210和舵机29协同运作分别控制 仿生移动节点2前进、转向以及沉浮，所述定位模块211采集节点位置信息。其中，所述水 质参数采集21、水声通信系统25、直流电机28、舵机29、微型水泵210、定位模块211和姿 态检测模块212共用一个微处理器，所述微处理器为ARM⑧Cortex M3内核32位高性能的 STM32F103芯片。 [0022]如图3~9所示，本发明提供一种面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法，包 括以下步骤： S1:岸上基站发送运行轨迹控制指令给领航仿生节点，领航仿生节点由GPRS接收控制 指令后可输出PWM波控制直流电机、舵机和微型水泵进入巡游模式，并以水声方式广播队 形信息。 [0023]S2:跟随仿生节点通过水声搜索领航仿生节点位置，接收队形信息后，可计算得出 相对距离与角度： S3:根据模糊控制算法，跟随仿生节点输出PWM波控制直流电机、舵机和微型水泵进入 追踪模式，追踪领航仿生节点运行轨迹，同时采集并发送水质参数信息； S4:领航仿生节点接收跟随仿生节点发来的水质参数信息，解析、打包后发送到岸上基 站； S5:重复步骤S1~S5。 [0024]本发明的面向大范围水质监测的仿生鱼协同控制方法采用多个移动节点编队控 制方式采集水质参数信息。移动节点模仿金枪鱼外观设计，可分为领航仿生节点和跟随仿 生节点。领航仿生节点浮于水面区域巡游，以水声广播的方式告知水里的跟随仿生节点队 形信息，同时收集跟随仿生节点采集的水质参数信息，并与岸上基站实现通信。跟随仿生移 动节点接收队形信息后以一定的几何构型跟随领航仿生节点移动，并采集、发送水质参数 信息。领航与跟随仿生节点间采用水声通信技术，领航仿生节点与岸上基站间采用GPRS通 信技术。编队系统采用分布式模糊编队控制方式，可以实现远程控制，测试范围广，精度高， 在线监测不同水域的水质参数。 [0025]进一步，通过模糊编队控制方式，利用领航与跟随仿生节点间的相对距离、方向协 同驱动一个领航仿生节点与多个跟随仿生节点，感知能力广，可监测大范围水质环境。所述 模糊控制方法包含： S31:获取相对距离，相对角度，在其论域上建立两个隶属度函数，在输出论域上建立航 速与航向六个隶属度函数： S32:对输入进行离散化，划分为N,M个离散值： S33:输入离散值后，根据实际经验建立的3×3模糊推理规则表计算其模糊输出，得到 M×N对决策值，所述模糊控制策略包括航速信息和航向信息； S34:根据已经反模糊化的模糊控制查询表分别控制直流电机与舵机，编队控制多个仿 生移动节点协同前进。 [0026]更进一步，所述模糊编队控制策略包括转向信息和转速信息，所述转向信息和转 速信息所依据的模糊控制查询表是预先通过以下模糊推理机计算所得的： 输入：相对距离较远、适中、较近与相对角度偏小、正好、偏大，根据领航一跟随移动 节点相对位置实际情况设定。相对距离在0~5米为较近，56米适中，大于6米较远：相对