喻 盈，文小玲，張 川

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205）

水質(zhì)監(jiān)測對保護水資源和促進水產(chǎn)養(yǎng)殖都具有十分重要的意義。 傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法有人工現(xiàn)定點采樣和建立自動監(jiān)測站點，但不能全面反映整個水域的水質(zhì)狀況。 隨著嵌入式和無線通信網(wǎng)絡的快速發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測技術也逐漸自動化、智能化和網(wǎng)絡化[1]。 仿生機器魚將仿生學結合到水質(zhì)監(jiān)測領域，使監(jiān)測設備模擬魚類游動，體積小，相較于使用螺旋槳推進的監(jiān)測設備更靈活高效、低污染、無擾動，能在不同的水域環(huán)境中進行水質(zhì)監(jiān)測。 本文設計了一種基于STM32 的水質(zhì)監(jiān)測仿生機器魚，魚體搭載各種傳感器和控制器，采用雙關節(jié)二自由度尾鰭控制游動，在目標水域進行自動巡航與避障，將采集的水質(zhì)參數(shù)通過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C，完成對水質(zhì)的實時監(jiān)測和管理。

1 系統(tǒng)的總體設計

基于STM32 的水質(zhì)監(jiān)測仿生機器魚總體結構如圖1所示。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測仿生機器魚總體結構框圖Fig.1 Overall structure block diagram of biomimetic robot fish for water quality monitoring

仿生機器魚主要由機器魚實體模型、STM32 控制模塊、水質(zhì)傳感器模塊、機器魚運動模塊、紅外避障模塊、GPS 定位模塊、Lora 無線模塊和電源模塊等幾部分組成。 規(guī)劃目標監(jiān)測點后，仿生機器魚通過GPS 定位技術確定與目標點之間的方位，紅外傳感器檢測周圍障礙物，由STM32 微控制器驅(qū)動舵機和水泵使機器魚前進轉(zhuǎn)向、上浮下潛，到達目標點后水質(zhì)傳感器模塊進行采樣，將檢測的水質(zhì)數(shù)據(jù)使用Lora 無線通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示。

2 仿生機器魚的硬件設計

2.1 仿生機器魚機械結構

仿生機器魚在水下工作必須具有良好的穩(wěn)定性，因此將機器魚的重心維持在浮心下方，并保證機器魚的密封防水性。 自然界中大部分魚類包括鰻鱺科、鲹科、鮪科等魚類[2]，借助魚體和尾鰭的擺動進行推進，這種方式稱之為BCF（body and/or caudal fin）推進模式。所設計的仿生機器魚采用雙關節(jié)尾鰭，使用2 個舵機控制尾部擺動，與魚體協(xié)調(diào)來實現(xiàn)巡游和轉(zhuǎn)向，比單關節(jié)尾鰭的機器魚游動更靈活，轉(zhuǎn)向角度更大。 仿生機器魚的機械結構如圖2所示。

2.2 仿生機器魚控制模塊

圖2 仿生機器魚機械結構Fig.2 Mechanical structure of biomimetic robot fish

仿生機器魚控制模塊采用的主控芯片為STM32F103ZET6，是意法半導體公司推出的基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的低功耗、低成本和高性能MCU，主頻可達72 MHz，存儲器最高具有512 kB Flash 和64 kB SRAM，內(nèi)置3個12位A/D 轉(zhuǎn)換器，2個12位D/A轉(zhuǎn)換器，12 通道DMA和8個定時器，同時擁有13 個通信接口（包括I2C，USART，SPI，CAN，USB 以及SDIO），兼容各種外圍設備，在該系統(tǒng)中可用于舵機控制PWM 輸出、水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)485 通信、LCD 顯示等，完全滿足仿生機器魚的控制要求。

2.3 水質(zhì)傳感器模塊

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊采用八合一多參數(shù)傳感器，可同時檢測pH 值、溶解氧、溫度、電導率、濁度、鹽度、ORP（氧化還原電位）、氨氮共8 種參數(shù)。 傳感器采用RS-485 通訊接口與STM32 進行串口通信，需要MAX485 作為轉(zhuǎn)換芯片，芯片原理如圖3所示。

圖3 MAX485 芯片原理Fig.3 MAX485 chip schematic

RS-485 是一種半雙工的異步串行通信方式，不能同時進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此需要控制MAX485 芯片的收發(fā)工作狀態(tài)。當RE 引腳為低電平時，芯片處于接收狀態(tài)，接收來自傳感器采集的數(shù)據(jù)；當DE 為高電平時，芯片處于發(fā)送狀態(tài)，向傳感器發(fā)送采集指令。

2.4 GPS 定位模塊

GPS 定位模塊采用u-blox 公司的NEO-6M 模組方案，其體積小、高性能、低功耗，搜星能力強，定位精度高，可以直接通過串口向單片機系統(tǒng)輸出GPS 定位信息。 這些信息采用NMEA-0183 標準協(xié)議，輸出常見格式為“GGA”，包含了經(jīng)緯度、海拔、時間、速度等參數(shù)。 模塊工作電壓為3.3～5 V，含有EEPROM，掉電后仍可保存GPS 定位信息。

2.5 無線通信模塊

組成局域網(wǎng)的無線傳輸技術有WiFi，ZigBee，藍牙，等；組成廣域網(wǎng)的有2G，3G，4G，等。在該系統(tǒng)中，將水質(zhì)數(shù)據(jù)從仿生機器魚傳輸?shù)缴衔粰C采用Lora 無線通信技術，其工作頻段為（410～441）MHz，最大發(fā)射功率20 dBm，最大通信距離3000 m，為一種遠距離、低功耗、低成本的無線傳輸技術，可以實現(xiàn)點對點、點對多傳輸。

Lora 無線模塊工作電壓為3.3～5 V，通過串口與STM32 傳輸數(shù)據(jù)，改變模塊的地址和信道，可以實現(xiàn)點對點之間的定向傳輸。

3 控制策略

3.1 仿生機器魚的運動控制

仿生機器魚在巡游過程中可分為直線游動、轉(zhuǎn)向游動和上浮下潛。

游動時借助雙關節(jié)二自由度尾鰭的擺動來實現(xiàn)推進，魚體和尾鰭由2 個舵機單元連接而成。 在直線游動過程中，單個關節(jié)在側方向上擺動的幅度相等，為正弦運動；第2 個關節(jié)為相位滯后的正弦運動。 尾部擺動的運動學模型如圖4所示。

圖4 尾部擺動運動學模型Fig.4 Kinematic model of tail swing

忽略環(huán)境因素的影響，對仿生機器魚做運動行為分析。 其數(shù)學模型為

式中：Ka為振幅系數(shù)，表示關節(jié)振幅與最大振幅的比值；Kb為偏斜系數(shù)，表示關節(jié)擺動對稱軸與魚體軸的偏斜程度；A1m為第1 個關節(jié)的振幅；A2m為第2個關節(jié)與第1 個關節(jié)之間的振幅；f 為擺動頻率；φ為第2 個關節(jié)與第1 個關節(jié)之間的相位差。

根據(jù)對魚類的實際觀察，直線游動時關節(jié)角度α 和β 的最佳角度為20°，周期約為0.25 s[3]。

轉(zhuǎn)向游動時，控制尾部偏向左側，則機器魚依靠慣性進行左轉(zhuǎn)向；尾部偏向右側，機器魚進行右轉(zhuǎn)向。

仿生機器魚在游動的過程中同樣會模仿魚類進行上浮下潛，常用的方法有改變重力法、改變重心法、魚鰾法和魚鰭法[4]。 該系統(tǒng)采用改變重力法，在魚體內(nèi)嵌入水箱，由控制系統(tǒng)驅(qū)動繼電器實現(xiàn)水泵的開關，進行抽水和排水控制水箱儲水量，改變機器魚的重力，進而實現(xiàn)上浮下潛。

3.2 仿生機器魚的自主導航

為實現(xiàn)自動化水質(zhì)監(jiān)測，仿生機器魚在目標水域使用GPS 定位模塊進行自主導航，監(jiān)測任務完成后自動返航。 首先，以正北和正東方向建立平面二維坐標系，如圖5所示。

圖5 二維坐標下仿生機器魚的自主導航路線Fig.5 Autonomous navigation route of biomimetic robot fish in two-dimensional coordinates

由于GPS 輸出的是經(jīng)緯度坐標，因此利用墨卡托投影變換將經(jīng)緯度坐標（L，B）轉(zhuǎn)換為平面坐標（x，y）[5]。 其轉(zhuǎn)換過程如下：

其中

式中：L0為原點經(jīng)度；B0為基準緯度；e 為第一偏心率；a 為橢球體長半軸。

用戶設定需要監(jiān)測的目標位置經(jīng)緯度，平面坐標為（x，y），機器魚獲取起始位置坐標（x1，y1），計算出向目標位置巡游的航向角度為

游動過程中實時獲取當前定位坐標，計算出當前位置距目標位置的航向角度，與起始位置的航向角度θ 相對比，并調(diào)整機器魚的游動方向。 當仿生機器魚游動到（x2，y2）位置時，θ1<θ，控制系統(tǒng)驅(qū)動機器魚向右調(diào)整游動方向；當位于（x3，y3）位置時，θ2>θ，向左調(diào)整游動方向，直至達到目標位置。為避免機器魚頻繁修正航向角度，設置可允許的角度偏差為5°，當θ-θ1≤5°或θ2-θ≤5°時機器魚不做方向調(diào)整。

3.3 仿生機器魚的避障策略

水下的環(huán)境復雜且多變，仿生機器魚在巡游的同時必須具備自主避障的能力。 機器魚頭部搭載紅外傳感器，通過發(fā)射和接收反射回來的紅外線來判斷前方有無障礙物，傳感器最大檢測距離為30 cm，檢測角度為35°。 由于單個傳感器具有局限性，故在此使用了5 個紅外傳感器，分別為魚體前側的M，左前側的L，右前側的R，上側的S1 和下側的S2。其空間分布如圖6所示，全方位檢測機器魚運動路徑上存在的障礙物。

圖6 紅外傳感器網(wǎng)絡分布Fig.6 Infrared sensor network distribution

紅外傳感器檢測到障礙物時，會輸出低電平信號，控制系統(tǒng)接收到信號后進行相應避障決策。 仿生機器魚在游動過程中，首先判斷紅外傳感器M，L，R 的信號，當檢測到魚體左前側、右前側都存在障礙物而無法前行時，再利用傳感器S1 和S2 來檢測機器魚的上側、下側有無障礙物，沒有則上浮下潛后繼續(xù)前行。 其避障策略見表1。

表1 仿生機器魚的避障策略Tab.1 Obstacle avoidance strategy of biomimetic robot fish

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件由水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、GPS 自主導航與紅外避障等幾部分組成，主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

系統(tǒng)初始化完成后，計算起始位置與目標位置的航向角度。 在巡游的過程中實施避障，并調(diào)整當前航向角度，直至到達目標位置，向水質(zhì)傳感器發(fā)出采集指令，控制系統(tǒng)獲取目標點水質(zhì)數(shù)據(jù)后通過Lora 無線模塊遠程傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示。

上位機可視化界面使用VC++6.0 軟件開發(fā)，實現(xiàn)串口參數(shù)設置、用戶信息管理，對遠程傳輸?shù)乃|(zhì)數(shù)據(jù)進行存儲、顯示和預警，提供歷史數(shù)據(jù)查詢。上位機可視化界面如圖8所示。

圖8 上位機監(jiān)測軟件界面Fig.8 PC monitoring software interface

5 結語

所設計的仿生機器魚尾部，采用雙關節(jié)二自由度尾鰭作為推進和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；以STM32 為主控芯片進行數(shù)據(jù)的通信與運動控制；通過GPS 定位技術實現(xiàn)水下自主定點導航，利用紅外傳感器網(wǎng)絡多方位檢測障礙物進行避障；建立Lora 無線通信網(wǎng)絡傳輸水質(zhì)數(shù)據(jù)。 用戶可在上位機軟件查看水質(zhì)數(shù)據(jù)，加強對目標水域的管理，實現(xiàn)水質(zhì)的自動化監(jiān)測。