摘 要：在漁業(yè)養(yǎng)殖過程中存在著水體溫度不適宜、渾濁度過高等導致水產(chǎn)產(chǎn)量下降的問題，而傳統(tǒng)人工檢測具有局限性。為實現(xiàn)對水下養(yǎng)殖環(huán)境中水體溫度和渾濁度的實時監(jiān)測，設(shè)計了一種以水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測為主要功能的漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人，并進行實驗室環(huán)境下的實驗驗證。同時，設(shè)計了仿鱸魚結(jié)構(gòu)，以提高機器人的浮力和抗壓能力。實驗結(jié)果表明，漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人能夠準確檢測水體溫度及渾濁度，檢測準確率達98%。此外，該機器人也為實驗室環(huán)境下的水質(zhì)檢測等需求提供了思路。

關(guān)鍵詞：漁業(yè)養(yǎng)殖；管家機器人；自主循跡；水體溫度；渾濁度

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）16-0168-05

Fishery Aquaculture Housekeeping Robot for Dynamic Water Quality Monitoring

Abstract： In the process of fishery aquaculture， there are problems such as unsuitable water temperature， excessive turbidity and so on， which lead to the decline of aquatic production， while the traditional manual detection has limitations. In order to realize the real-time monitoring of water temperature and turbidity in the underwater aquaculture environment， a fishery aquaculture housekeeping robot with the dynamic monitoring of water quality as its main function has been designed and experimentally verified in the laboratory environment. Meanwhile， a perch-like structure is designed to improve the buoyancy and pressure resistance of the robot. The experiments show that the fishery aquaculture housekeeping robot can accurately detect the temperature and turbidity of the water body， and the detection accuracy reaches 98%. In addition， the robot also provides ideas for water quality testing in laboratory environments and other needs.

Keywords： fishery aquaculture; housekeeping robot; autonomous traction; water temperature; turbidity

0 引 言

中國水產(chǎn)品產(chǎn)量連續(xù)33年穩(wěn)居世界第一，且近年來，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和消費量總體呈現(xiàn)快速增長趨勢。但是存在著水體溫度不適宜、藻類過度繁殖導致渾濁度過高等問題對漁業(yè)的健康發(fā)展構(gòu)成了威脅。為了保持良好的養(yǎng)殖環(huán)境，養(yǎng)殖人員需要定期對水體情況進行檢查，但目前的人工檢測方法費時費力且不夠精確。因此，智能化水質(zhì)檢測就成了行業(yè)亟須解決的問題。通過引入智能化技術(shù)，可以實現(xiàn)對水質(zhì)的實時監(jiān)測和分析，從而提高養(yǎng)殖效率、降低成本，并有效預防可能的水質(zhì)問題。這將為中國漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國際競爭力提供重要支持。

漁業(yè)養(yǎng)殖水體常規(guī)檢測項目包含pH酸堿度、溶解氧、溫度、渾濁度等多個重要指標，這些參數(shù)直接影響著水產(chǎn)養(yǎng)殖的健康和發(fā)展。國內(nèi)目前用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)檢測儀器大多采用離線式實驗室檢測方式，需要取樣后進行檢測，并且檢測結(jié)果反饋周期長，難以及時有效地保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全性。水下機器人具有作業(yè)范圍更廣，實時性更強，效率更高等諸多優(yōu)點，可以滿足在水下環(huán)境中進行智能化水質(zhì)監(jiān)測和檢測的要求。通過搭載相應(yīng)傳感器和設(shè)備，實現(xiàn)對水體各項指標的快速、準確監(jiān)測，從而為養(yǎng)殖人員提供及時的數(shù)據(jù)支持和預警信息。在未來，水下機器人有望成為工業(yè)化智能化漁業(yè)養(yǎng)殖中不可或缺的設(shè)備，為提升養(yǎng)殖效率、保障養(yǎng)殖安全做出重要貢獻。

目前水下機器人研究蓬勃發(fā)展，對于水下機器人的運動控制系統(tǒng)，仿生學設(shè)計等方面研究逐漸深入，但針對漁業(yè)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測方面的水下機器人研究仍然很少。針對漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人現(xiàn)實應(yīng)用需要，我們設(shè)計了一款能夠在水下穩(wěn)定運行，實時檢測水質(zhì)狀況，并對異常數(shù)據(jù)及時發(fā)出警報的漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人。

1 整體方案設(shè)計

根據(jù)漁業(yè)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測需求，機器人工作過程中需全程自主巡檢，并且能夠完成前進、轉(zhuǎn)彎、上浮、下沉等功能，以確保機器人在水下環(huán)境靈活移動，覆蓋養(yǎng)殖區(qū)域的各個角落；同時需要能夠?qū)崟r監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)和魚類健康狀況，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機并對異常數(shù)據(jù)發(fā)出警報。

根據(jù)機器人設(shè)計要求，綜合考慮實際應(yīng)用需要，完成漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人整體設(shè)計。機械主體部分根據(jù)仿生學原理，設(shè)計仿鱸魚外形減小水阻力，三組推進器與尾部協(xié)同配合實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)彎浮沉等功能；主控模塊主要由STM32F407ZGT6主控芯片及主控板、鋰電池等組成，可實時監(jiān)測各傳感器的反饋數(shù)據(jù)，并對其進行邏輯運算。檢測模塊集成了TDS傳感器、溫度傳感器等設(shè)備實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測，及時獲取環(huán)境信息。

2 機器人外形設(shè)計

2.1 主艙設(shè)計

水下機器人外形多種多樣，綜合考慮機器人應(yīng)用場景、下降深度、有效載荷、水下環(huán)境和任務(wù)需求，機械主體不僅要有足夠的空間安裝控制電路和檢測設(shè)備，還需要有足夠的抗壓性，應(yīng)該選擇合適的材料來滿足支撐強度和可靠的密封性。同時，機械主體是浮力的主要提供者，因此排水量應(yīng)盡可能大，為了盡量減少水流對機器人的阻力，主艙表面應(yīng)盡量光滑簡潔。

機器人機械主體如圖1所示，模仿鱸魚結(jié)構(gòu)，中間是圓柱殼，前部以半球殼結(jié)束。半球殼中安裝攝像頭及其他電子儀器，視野開闊，能夠提高機器人抗壓能力和防水性。

由于水下機器人的工作環(huán)境復雜，機器人在水中擠壓變形，當水壓升高超出材料強度范圍，主艙變形過大失去對稱性。因此，主艙的設(shè)計應(yīng)保證強度和穩(wěn)定，受力仿真如圖2所示。

2.2 動力計算

水下機器人所受總阻力是沿運動方向作用的合力可表示為：

其中，Ct為機器人本體的總阻力系數(shù)，一般取值范圍為3.5×103～4.9×103；ρ為海水密度為1.026×103 kg/m3；v、S為機器人的速度和濕面積。

圖2 機器人受力仿真

1）摩擦阻力Rf通?；陔娔X軟件來計算。對于摩擦表面粗糙度增加的阻力，我們使用粗糙度補貼系數(shù)（?Cf），?Cf=（0.3-0.5）×10-3，取?Cf=0.000 4。

實驗結(jié)果表明，摩擦阻力與粘度、線性量有關(guān)，可以寫成近似公式：

2）制波阻力Rw潛水的時候深度大于機器人長度的1/3可忽略。

3）粘性壓差阻力Re通常采用以下近似公式計算：

計算公式總結(jié)如下：

計算水下機器人的阻力，運動時機器人濕面積S=0.37 m2，速度v=0.4 m/s

L為物體的線性量，當海水溫度為15 ℃時，γ=1.188 31×10-6 m2/s，所以：

Ce=0.8是通過經(jīng)驗值得到的，因此我們可以得到總阻力：

考慮機器人線路產(chǎn)生的附加阻力，取20%作為附加系數(shù)。因此，總阻力為：

因此，水下機器人在速度為0.4 m/s時的最小功率P為：

選擇的推進器最大功率為300 w，考慮到傳遞過程中的能量損失，取70%作為轉(zhuǎn)移效率：

因此，機器人的動力系統(tǒng)能夠滿足要求。

3 控制電路設(shè)計

設(shè)計的主控電路板包括主控芯片部分、3.3 V穩(wěn)壓電路和外設(shè)接口電路，如圖3所示。

主控芯片部分采用STM32F407ZGT6是一款微控制器單元，基于高性能ARM?Cortex?-M432位RISC內(nèi)核，工作頻率高達168 MHz。擁有14個定時器、4個通信接口、3個SPI通信接口、3個IIC通信接口和114個GPIO可以滿足機器魚對各種功能的需求。如圖4所示，采用STM32F407ZGT6核心板，可直接插到板子上，減少了焊接芯片時帶來的不良影響，方便更換母版。

3.3 V穩(wěn)壓電路采用HT7333穩(wěn)壓芯片，此芯片使用CMOS技術(shù)開發(fā)的低壓差，高精度輸出電壓，可使主控芯片工作穩(wěn)定。

4 水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能設(shè)計

針對漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人需要實現(xiàn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，在機器人上加裝濁度傳感器，以實現(xiàn)對水的潔凈度進行監(jiān)測。同時加裝溫度傳感器用于監(jiān)測水溫，防止水溫超出養(yǎng)殖適用范圍，確保養(yǎng)殖環(huán)境的穩(wěn)定性和適宜性。

機器人整體設(shè)計如圖5所示。

4.1 TDS傳感器

TDS（Total Dissolved Solids），即總?cè)芙夤腆w，表明1升水中溶有溶解性固體含量。該模塊能夠做到即插即用，使用3.3～3.5 V寬電壓供電，0～2.3 V模擬信號輸出?？梢苑浅７奖愕亟尤氍F(xiàn)成的控制系統(tǒng)中使用，將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，進行長時間的在線監(jiān)測。該模塊使用防水探頭，可長期浸入水中測量，滿足漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人長期水質(zhì)檢測的功能要求。

TDS傳感器模塊的組成如圖12所示。VCC、GND分別與5 V供電電壓正負極相接；T口與DS18B20溫度傳感器信號線相接；通過2PinXH-2.54接頭與TDS探針進行連接。

4.2 濁度傳感器

濁度傳感器模塊具有模擬量和數(shù)字量輸出接口，模擬量可通過單片機AD轉(zhuǎn)換器進行采樣處理，以獲知當前水的渾濁度。濁度傳感器組成如圖6所示，AO、DO接口分別作為模擬信號和數(shù)字信號輸出；接口與濁度傳感器進行連接。

4.3 溫度傳感器

漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人的水體溫度檢測功能使用的是DS18B20單總線數(shù)字溫度計。DS18B20數(shù)字溫度計提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口出入，以數(shù)字信號的形式控制命令和數(shù)據(jù)輸入輸出。與模擬溫度傳感器相比，具有功能強大、硬件簡單、易拓展、抗干擾性強等特點。DS18B20通過轉(zhuǎn)接板與單片機相連，連接方式如圖7所示。

5 水中模擬實驗

為了驗證漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人水質(zhì)檢測功能的有效性，制作機器人樣機并搭建模擬養(yǎng)殖場景實驗平臺。場地為長方體水池，尺寸為3 000 mm×2 000 mm×600 mm，水面高度650 mm。

5.1 實驗過程

在充足光照下進行實驗，渾濁度及溫度檢測步驟如下。

5.1.1 渾濁度檢測實驗步驟

1）在水池中灌入適量的清潔水，保證水面高度達到650 mm，要求初始水質(zhì)適合魚類生存。

2）將機器人放置在水池邊緣的出發(fā)區(qū)，并啟動機器人的水質(zhì)檢測功能。

3）為了保證整體水質(zhì)檢測的準確性，要求機器人沿預設(shè)軌跡自主運行并實時檢測，繞水池一周最終返回出發(fā)區(qū)，將本次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行求均值處理，實驗過程如圖8所示。

4）在控制溫度相同且適合魚類生存的條件下，人工加入污泥、有機物、化學元素等污染物，逐漸提高水體的渾濁度，并重復步驟2）、3）。

5）繼續(xù)加入上述污染物，提高渾濁度等級，并重復步驟2）、3），本步驟重復8次。

6）分析每次實驗測量取均值處理后的電壓和渾濁度數(shù)據(jù)，并繪制圖表與理論電壓-渾濁度曲線作對比。

5.1.2 溫度檢測實驗步驟

1）重新在水池中灌入清潔水，保證水面高度達到650 mm，在水池中加入大量冰塊使水的溫度降低到15 ℃，要求初始水質(zhì)適合魚類生存。

2）將機器人放置在水池邊緣的出發(fā)區(qū)，并啟動機器人的水質(zhì)檢測功能。

3）機器人沿預設(shè)軌跡自主運行并實時檢測，繞水池一周最終返回出發(fā)區(qū)，將本次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行求均值處理。

4）控制渾濁度相同且適合魚類生存的條件下，在水池中放入加熱設(shè)備，每間隔2小時重復步驟2）、3），本步驟重復9次。

5）分析每次實驗測量取均值處理后的溫度數(shù)據(jù)，據(jù)此繪制圖表與人工測量的真實值作對比。

溫度檢測實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

5.2 實驗結(jié)果

按上述步驟完成實驗，對所獲監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，實驗結(jié)果表明，漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人能夠完成水質(zhì)檢測功能。

5.2.1 渾濁度檢測實驗結(jié)果

機器人循跡過程中濁度傳感器對于水體渾濁度檢測實驗結(jié)果如圖9所示，實驗數(shù)據(jù)如表1所示，當溫度保持恒定時，改變水體渾濁度，我們能夠觀察到，濁度傳感器測量結(jié)果與電壓值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，與理想渾濁度符合程度高，機器人檢測結(jié)果準確度高達98%，能夠準確且穩(wěn)定地測量水體渾濁度數(shù)值。

5.2.2 水體溫度檢測實驗結(jié)果

機器人循跡過程中溫度傳感器對于水體溫度檢測實驗結(jié)果如圖10所示，實驗數(shù)據(jù)如表1所示，控制渾濁度不變，逐步改變水體溫度，所獲水下機器人檢測數(shù)據(jù)與真實值符合程度良好，所得結(jié)果準確度高達98%。結(jié)果表明，機器人樣機搭載的溫度傳感器具有較高的精度和準確性，能夠有效地監(jiān)測水體溫度變化。通過這種方式，機器人可以幫助養(yǎng)殖人員實時掌握養(yǎng)殖水體的溫度情況，及時調(diào)節(jié)水質(zhì)環(huán)境，防止因溫度波動引起的養(yǎng)殖問題發(fā)生。

6 結(jié) 論

針對漁業(yè)養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)監(jiān)測問題，本文探究了水下巡檢機器人原理，設(shè)計了一種以水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測為主要功能的漁業(yè)養(yǎng)殖管家機器人，制作了機器人樣機并進行水下實驗。實驗結(jié)果表明，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)對水體渾濁度和溫度的動態(tài)監(jiān)測，但本系統(tǒng)還缺少溶解氧、重金屬等物質(zhì)含量檢測功能，實際效果還有待進一步提高完善。未來水質(zhì)檢測機器人在很多領(lǐng)域都會有廣泛用途，它的應(yīng)用將會為漁業(yè)養(yǎng)殖工業(yè)化智能化發(fā)展添磚加瓦。

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