吳清云，謝辰旻，林志豪，張新月，毋鑫鵬

（1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)海洋文化與法律學(xué)院，上海 201306；3.上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海 201306；4.上海海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 201306；5.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306）

我國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，養(yǎng)殖產(chǎn)量位居世界第一。仿生機(jī)器魚的投入使用將為水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)帶來新的血液與運(yùn)作監(jiān)管模式。相較于傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，其具有高度機(jī)械化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，符合新時(shí)代水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展需求。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域中，研究者除了聚焦水下機(jī)器人的制作、養(yǎng)殖水質(zhì)的監(jiān)測(cè)；還通過搭載攝像頭、傳感器等設(shè)備，監(jiān)控魚群狀態(tài)、水溫、pH值和溶氧量，不斷發(fā)展的設(shè)備為水下環(huán)境的觀測(cè)與水環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了方便。國(guó)內(nèi)外許多研究表明，當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測(cè)行業(yè)中存在設(shè)備功能單一的問題，如Karimanzira等為水下機(jī)器人裝備了導(dǎo)電率、溶解氧傳感器，實(shí)現(xiàn)了大范圍水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水下巡航，但無法與魚群狀態(tài)進(jìn)行匹配；張金泉等設(shè)計(jì)了一種搭載了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架式無纜水下機(jī)器人，但框架式的設(shè)計(jì)缺乏靈活性，同時(shí)會(huì)驚擾魚群。總體缺乏能夠不驚擾魚群的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備與魚群視覺監(jiān)測(cè)裝置來科學(xué)化地監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖情況。

現(xiàn)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器魚基于多傳感器技術(shù)和自主巡航技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)魚群視覺監(jiān)測(cè)和水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)與當(dāng)前魚群生長(zhǎng)狀態(tài)相匹配，進(jìn)行多維度監(jiān)測(cè)。該機(jī)器魚創(chuàng)新性地將水質(zhì)監(jiān)測(cè)和視覺監(jiān)測(cè)融為一體，具有一定的先進(jìn)性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

現(xiàn)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器魚，是將LED集魚燈與仿生魚特性相結(jié)合的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水下魚群觀測(cè)設(shè)備。產(chǎn)品仿生了鲹科魚類，胸鰭由左右兩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，魚體部分與魚尾由三彈簧進(jìn)行連接，彈簧的壓縮伸長(zhǎng)由單獨(dú)驅(qū)動(dòng)單元控制以實(shí)現(xiàn)方向改變，渲染圖見圖1。裝置底部設(shè)有2個(gè)綠色LED集魚燈，而攝像頭位于魚頭處，分布在魚頭兩側(cè)，能夠獲得最大范圍視野，減少水下航行的盲區(qū)。頭部設(shè)有入水式水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，流水由腮處開孔流出。魚體內(nèi)部則采用模塊化設(shè)計(jì)，彼此相隔，以方便模塊故障的排查等。

圖1 仿生機(jī)器魚

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

仿生機(jī)器魚通過模塊化的設(shè)計(jì)，搭載了水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊、魚群探測(cè)模塊及自主巡航模塊等，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，滿足了水質(zhì)監(jiān)測(cè)、集魚等不同功能的需求。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控界面負(fù)責(zé)對(duì)仿生機(jī)器魚獲得的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行接收、評(píng)估和顯示，見圖2。

圖2 水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

仿生機(jī)器魚在裝置啟動(dòng)前，須通過程序預(yù)設(shè)巡航深度、速度和終點(diǎn)，將其置于水中時(shí)即可啟動(dòng)工作模式。搭載的定位導(dǎo)航模塊、深度模塊與避障模塊，通過預(yù)設(shè)程序指引航行方向、深度與速度，防生機(jī)器魚啟動(dòng)后將自動(dòng)、安全地向航線終點(diǎn)前進(jìn)。定位導(dǎo)航模塊將通過對(duì)定位信息與相對(duì)位置信息的判斷，自動(dòng)調(diào)整左右舵機(jī)輸出，身尾三彈簧的形態(tài)分別調(diào)整胸鰭與尾的擺動(dòng)，從而控制裝置水下航行的姿態(tài)。仿生機(jī)器魚同時(shí)搭載了多種傳感器，以準(zhǔn)確獲得水質(zhì)相關(guān)信息（pH值、溫度、溶氧量等），進(jìn)行初步評(píng)估后同步在上位機(jī)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與評(píng)估結(jié)果。同時(shí)底部集魚燈將配合攝像模塊完成誘集魚群與拍攝的任務(wù)，通過ROV線纜與無線通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)與畫面?zhèn)鬏斨辽衔粰C(jī)平臺(tái)進(jìn)行展示。

2 控制系統(tǒng)

仿生機(jī)器魚以單片機(jī)為基礎(chǔ)，其硬件設(shè)計(jì)分為主控制器、避障模塊、定位導(dǎo)航模塊，輔以相應(yīng)的編程語(yǔ)言和傳感器分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.1 硬件部分

仿生機(jī)器魚的控制系統(tǒng)主要基于Arduino UNO搭建而成，將Arduino UNO作為主控裝置，同時(shí)配置了定位導(dǎo)航模塊、深度模塊與避障模塊、動(dòng)力源模塊、傳感器模塊、攝像模塊與LED集魚燈模塊。定位導(dǎo)航模塊能夠在保證較高精度的前提下使裝置按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行巡航；深度模塊能夠?qū)崟r(shí)連接上位機(jī)同步上傳裝置所處深度；自動(dòng)避障模塊能夠確定水下航行器前進(jìn)路線是否存在障礙并自動(dòng)避開障礙安全航行；傳感器模塊將對(duì)周圍水環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)定，同步上傳上位機(jī)，并在內(nèi)置參數(shù)判斷程序的提醒下，在水質(zhì)不符合養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)時(shí)警告上位機(jī)系統(tǒng)；攝像模塊分布在魚頭兩側(cè)，分別獲得接近180°視野，組合后可以使水下航行視野盲區(qū)趨向最小；集魚燈系統(tǒng)在魚體下方安置2個(gè)，在魚體上方安置1個(gè)，在航行中實(shí)現(xiàn)誘魚集魚功能。

2.1.1 定位導(dǎo)航模塊

仿生機(jī)器魚工作過程中的一大難點(diǎn)在于水下自主航位推算。運(yùn)用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航技術(shù)（INS）在水下進(jìn)行定位和導(dǎo)航。捷聯(lián)式定位導(dǎo)航較平臺(tái)式INS占據(jù)的體積與空間小，且更容易將導(dǎo)航與控制集成于一體，通過加速度對(duì)時(shí)間的二次積分即可得到航行器位置。由于衛(wèi)星信號(hào)無法穿透水體傳遞至仿生機(jī)器魚，因此須通過線纜與仿生機(jī)器魚進(jìn)行連接，上位機(jī)也可通過CAN總線接收到仿生機(jī)器魚的姿態(tài)、速度和位置等信息并顯示出來。定位導(dǎo)航模塊構(gòu)成見圖3。

圖3 慣性導(dǎo)航模塊硬件電路

2.1.2 LED集魚燈的選取

傳統(tǒng)集魚燈主要為金鹵燈，具有光線相對(duì)發(fā)散、能耗高、發(fā)熱量大的缺點(diǎn)，而LED集魚燈相較傳統(tǒng)集魚燈具有能耗低、指向性強(qiáng)、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)。赤點(diǎn)石斑魚廣泛分布于我國(guó)東南沿海，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)綠色燈光（波長(zhǎng)峰值分布于514 nm）興趣較強(qiáng)。為確定后續(xù)使用的LED集魚燈是否達(dá)標(biāo)，對(duì)某綠色LED集魚燈的光譜分布進(jìn)行了測(cè)定，得到光譜分布曲線，見圖4。燈光亮度為1 500 lm，色溫為7 843 K，光譜范圍主要集中在490～540 nm，峰值波長(zhǎng)為524.6 nm，其光通量Φ=315.5 lm，光效為52.57 lm/W，輻射通量Φ為676.23 mW。經(jīng)驗(yàn)證，符合理論使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 光譜分布

2.2 軟件部分

軟件部分主要包含CAN總線、串口通信、I/O接口控制、數(shù)據(jù)采集與處理、位置獲取、深度控制和航行控制等。此仿生機(jī)器魚的控制系統(tǒng)采取分布式控制，包含上位機(jī)平臺(tái)和下位機(jī)兩部分。GPS衛(wèi)星定位模塊采用串口通信方式接收當(dāng)前位置參數(shù)并與設(shè)定的重點(diǎn)位置參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，傳感器設(shè)定的程序可采集相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)通過A/D轉(zhuǎn)換傳輸給主控制器，主控制器接D/A模塊與螺旋槳相連，控制螺旋槳轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)方向。采用INS捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航對(duì)仿生機(jī)器魚定位導(dǎo)航需要進(jìn)行解算，包括以下3個(gè)步驟。

（1）陀螺儀輸出角度矩陣W，通過該矩陣得到仿生機(jī)器魚姿態(tài)矩陣，在姿態(tài)矩陣基礎(chǔ)上進(jìn)行姿態(tài)解算得到姿態(tài)角；

（2）通過姿態(tài)矩陣將加速度計(jì)輸出的f矩陣轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中換算為速度信息f，即速度解算；

（3）對(duì)速度信息進(jìn)行積分得到位置信息并更新顯示，即位置解算。

通過上述流程得到的信息即為實(shí)時(shí)位置信息，導(dǎo)航定位解算思路具體見圖5。

圖5 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航解算實(shí)現(xiàn)思路

3 試驗(yàn)

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差仿真時(shí)選定合適參數(shù)：

（1）陀螺儀的噪聲漂移擬定為0.01（°）/h；

（2）陀螺儀隨機(jī)常值漂移擬定為0.1（°）/h；

（3）考慮一階Markov過程，引入一階Markov模型，陀螺儀一階Markov飄移值擬定為0.1（°）/h；

（4）加速度計(jì)一階Markov漂移擬定為1×10；

（5）一階Markov過程用于描述低頻隨機(jī)誤差特性，其離散表達(dá)式如式（1）所示。

式中：（）為馬爾科夫過程序列；T為相關(guān)時(shí)間，s，用以表征誤差傳遞；△為單次采樣時(shí)間間隔，s；w（）為驅(qū)動(dòng)白噪聲，dB。T值較大時(shí)，Markov過程呈現(xiàn)類似角頻率隨機(jī)游走的低頻特性，其取值通常在1 800 s至7 200 s。為進(jìn)一步體現(xiàn)導(dǎo)航控制器性能，結(jié)合陀螺儀的低頻隨機(jī)角頻率特性，故選取相關(guān)時(shí)間T=7 200 s。

仿真后得到的誤差隨時(shí)間變化函數(shù)見圖6。由圖6可見，在仿生機(jī)器魚持續(xù)運(yùn)動(dòng)、慣性導(dǎo)航持續(xù)工作時(shí)間較短時(shí)其定位精度較高，誤差被限制在0.5以內(nèi)；誤差隨時(shí)間逐步累積，整體誤差呈二次函數(shù)形式上升。由此得出水下機(jī)器人在工作過程中為保證其定位精度，持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間需<700 s。

圖6 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航誤差仿真

若要進(jìn)一步提高仿生機(jī)器魚的導(dǎo)航定位精度，可通過以下2種途徑實(shí)現(xiàn)；一是修改軟件定時(shí)，讓仿生機(jī)器魚上浮至水面附近，加裝GPS，使之與捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航融合，以這樣的方式校正定位；二是在仿生機(jī)器魚定位導(dǎo)航系統(tǒng)中融入其余定位方式，結(jié)合Kalman濾波算法可減小對(duì)應(yīng)誤差。僅依靠單一導(dǎo)航方式無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)工作狀態(tài)下的精準(zhǔn)定位。

3.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試仿生機(jī)器魚能否在漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境中完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)，將仿生機(jī)器魚置于校園湖泊內(nèi)進(jìn)行水下航行及水質(zhì)相關(guān)參數(shù)采集試驗(yàn)。測(cè)量參數(shù)為pH值、溫度與溶氧量，測(cè)試時(shí)間為23：00至次日01：00，天氣為陰雨天，采用有纜通信的方式回傳數(shù)據(jù)。預(yù)設(shè)深度值為0 m（水面）、0.5 m（靜水層）和1.0 m（接近水底），水域溫度、p H值及溶解氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。表1為采樣點(diǎn)不同深度的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)值，由于在不同環(huán)境下傳感器的溫度補(bǔ)償存在差異，造成6個(gè)樣品小范圍內(nèi)的試驗(yàn)誤差。

表1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 集魚范圍試驗(yàn)

試驗(yàn)所用LED集魚燈（燈光亮度1 500 lm，色溫7 843 K），在室溫（24±0.1）℃、水溫（20±0.1）℃、濕度25.2%、全黑吸光的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量所用特安斯牌數(shù)字照度計(jì)測(cè)量范圍0～200 000 lx，準(zhǔn)確度為±4%（讀數(shù)誤差），±10（數(shù)位分辯率）（＜10 000 lx），厚度為（3.00±0.03）cm。

為確定該LED集魚燈的水下誘魚集魚能力，設(shè)置測(cè)試環(huán)境為長(zhǎng)300 cm、寬150 cm、高200 cm的鋼化玻璃水缸，鋼化玻璃厚度為2 cm，其中水深為100 cm?；诠庾V輻射量試驗(yàn)，通過光在不同介質(zhì)（空氣、玻璃、去離子水）的輻射量，對(duì)比光照度衰減系數(shù)，可以測(cè)試出集魚效果最佳的集魚燈具。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量以及數(shù)據(jù)擬合，該LED集魚燈在水中的光衰減反映的照射距離（）與照度（）的關(guān)系為：=4 967.7。由于LED燈在水中形成的等光照度曲面接近于球體，因此可用球體體積的計(jì)算公式來估算誘集范圍，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 集魚燈誘集范圍

由表2可知，LED綠光激光集魚燈1x等光照度曲面所含包的水體積為2 447 m，最遠(yuǎn)照射距離為18.7 m，基本能夠滿足使用目的。使用Origin 2019 b軟件繪制等值曲線，見圖7。

圖7 綠色LED集魚燈的水中等照度曲線分布

經(jīng)過測(cè)量，單個(gè)LED綠燈在0.1～10 lx，照度距離可達(dá)21.2 m，最遠(yuǎn)可達(dá)23.8 m?？梢娫撆渲孟翷ED集魚燈具有衰減較弱、誘集范圍廣和發(fā)光效率高等各種優(yōu)勢(shì)，在水下可以有效增加對(duì)魚群的吸引范圍，與該裝置的使用目的完美契合。

4 結(jié)論

仿生魚與集魚燈裝置組合而成的仿生機(jī)器魚，在普通的水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，經(jīng)試驗(yàn)在小規(guī)模飼養(yǎng)環(huán)境下效果良好。該機(jī)器魚仿生了鲹科魚類，能夠避免水下航行對(duì)魚群的驚擾，搭載的LED集魚燈具有能耗低、指向性強(qiáng)、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，集魚燈可更換的特點(diǎn)，使指向性誘魚成為可能。結(jié)果表明，在中小型水域內(nèi)，該裝置具有極強(qiáng)的實(shí)用性，在監(jiān)測(cè)的靈活性和視覺監(jiān)測(cè)上優(yōu)于無人船、浮標(biāo)等相關(guān)裝置，可在不驚擾魚群的前提下進(jìn)行水質(zhì)和魚群視覺監(jiān)測(cè)，科學(xué)化監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖情況。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)踐中，將仿生魚與集魚燈結(jié)合，可提升飼養(yǎng)者對(duì)水質(zhì)與魚群的觀測(cè)效率，從而為水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)帶來便利。LED集魚燈與仿生魚結(jié)合的觀測(cè)設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用前景，但其研發(fā)工作仍處于起步階段。