一种水下养殖机器人控制系统设计.pdf

中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-96-三星推荐水产养殖现代化需求：随着人口的增长和对优质食品需求的提高，传统的水产养殖方式面临着挑战。为了满足不断增长的养殖需求，提高养殖效益和减少环境风险，水产养殖业需要更加现代化、智能化的管理方法。先进的传感技术、自动控制技术、图像识别技术等在过去几年取得了巨大的发展。这些技术的不断进步为水下养殖机器人提供了先进的工具和平台，使其能够在水产养殖领域发挥更大的作用。水产养殖行业在发展的同时，也受到了环保和可持续发展的关注。智能化养殖系统通过精细化管理，可以更好地避免过度投喂、过度使用药物等问题，有助于减轻对水体环境的压力，促进养殖业的可持续发展。水下养殖机器人广泛应用各类传感器，包括测量水质参数的传感器、摄像头和声呐等。这些传感器能够实现对水体环境和鱼群的实时监测，提供丰富的数据支持。通过数据分析、人工智能算法等技术，实现对水产养殖过程的智能化监控和管理。本文采用数据检测技术、智能控制技术、无线通信等研制了基于 MSP430M0L1306 单片机的主控制器的水下养殖机器人。系统根据采集水体的温度、光照、余氯、pH 酸碱度等关键参数，以及通过水下摄像头实时监测鱼群情况，设定阈值，并在监测到水质异常时触发报警系统。通过两个螺旋桨对控制水下养殖机器人进行运动控制。该水下养殖机器人控制系统的研究方法可为水下养殖提供一种有效的解决方案。系统硬件电路设计水下养殖机器人具有多项功能，旨在提高水产养殖的管理效率、生产效益和环境监测水平。其具有的主要功能包括：实时采集水质信息、光照和气象监测、水下摄像头监测鱼群、智能化饲料管理、水体流动调节、数据存储与传输、异常报警系统和环境调控和紧急处理等功能模块。这些功能使得水下养殖机器人成为水产养殖智能化的关键工具，有助于提高养殖效益、降低管理成本、减少环境风险，并推动水产养殖业向更加可持续的方向发展。文中设计的水下养殖机器人以MSP430M0L1306 单片机为核心控制器，包括传感器信号采集（温度、光照、余氯、pH 酸碱度）、气阀与气泵控制、水位检测、无线通读等功能模块组成。系统的主要功能模块如图 1 所示。信号检测电路设计水下养殖机器人配备了先进的传感器，能够实时采集水行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度梁国祥1 全楷杰1 梁菀凌2 黄丽霞11.宁德师范学院信息与机电工程学院2.莆田学院新工科产业学院梁国祥（1973），高级工程师。基 金 项 目：宁 德 师 范 学 院 2023 年 国 家 级 大学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目（项 目 编 号：202310398012），宁德师范学院服务地方行动计划专项（立项编号：2022ZX305）。一种水下养殖机器人控制系统设计梁国祥 全楷杰 梁菀凌 黄丽霞-97-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期三星推荐水下定位电路设计无论是用于作业的渔业水下机器人还是用于观测的，都需要具备相应的定位与运动规划能力。水下养殖机器人运用 MPU-6050 芯片在水下进行定位和导航。MPU-6050芯片占据的体积与空间较小，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。通过加速度对时间的二次积分即可得到航行器位置。MPU-6050 芯片上升在水面以上，采用无线通信的方式与上位机进行通信。利用 MPU6050 芯片内部的数字运动处理器模块，可对传感器数据进行滤波、融合处理。MPU6050 通过 IIC 通讯方式与 MSP430M0 单片机的主控制器连接。其姿态解算频率最高可达 200Hz，适合用于水下养殖机器人姿态控制。MPU6050 芯片接口电路如图 3 所示。机器人供电电路原理图供电电源模块主要对水下养殖机器人的各个模块提供电源，通过稳压芯片对各模块供电。机器人控制系统的输入电压经过 SX1308 稳压成 5V 电压后，用于传感器的供电电压。5V 电压再经过 662K 三端稳压器件后输出 3.3V 的电压，用于单片机的供电电压，其电路工作原理图如图 4 所示。运动控制电路模块水下动力系统主要包括使用两个螺旋桨对控制水下养殖图 4 供电电路原理图图 3 MPU6050 芯片接口电路图 2 传感器接口电路原理图图 1 水下养殖机器人系统结构框图体的温度、光照、余氯、pH 酸碱度等关键参数。温度传感器由单总线的数字式温度传感器，其具有精度高、灵敏度强且外接电路等优点。pH 传感器采用 RMD-ISDC2M12 型pH 传感器，其补偿温度-20130，满足水不同水质 pH酸碱度测量要。光照模块采用 GY-30 数字传感器，该传感器测量精准且使用方便。GY-30 数字传感采用 IIC 通讯方式，将光照强度转化为数字量，通过 SCL，SDA 引脚和单片机具有 I/O 口相连接并输出，避免了的 AD 转换电路即可收集到当前大棚内的光照数据采集。通过这些数据的连续监测，可以及时发现水质波动，并为后续的管理决策提供准确的基础数据。机器人通过携带的传感器实时采集水体的相关信息。例如，温度传感器可测量水温的变化，光照传感器可监测日照强度，pH 传感器可测定水体的酸碱度，余氯传感器可检测水中余氯含量等。这些传感器通过不间断的数据采集，确保了对水质和环境的全时段监测。其传感器接口电路原理图如图 2 所示。中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-98-三星推荐机器人进行运动控制。通过配置和调整两个螺旋桨的转速或方向，以实现所需的运动。如果两个螺旋桨的转速相等，机器人将向前或向后直线运动。如果一个螺旋桨的转速高于另一个，机器人将以一个方向旋转，导致曲线运动。通过调整两个螺旋桨的转速差异，可以实现机器人的转向。如果一个螺旋桨的转速高于另一个，机器人将围绕其垂直轴旋转。通过将一个螺旋桨的转速增加，而将另一个减小，机器人可以实现横向平移。通过使两个螺旋桨的推力相等，机器人可以实现悬停在水中的位置。通过调整两个螺旋桨的转速，使机器人在水中倾斜，可以改变机器人的方向或深度。水下养殖机器人运动控制的控制接口电路如图 5 所示。系统软件程序设计水下养殖机器人控制系统软件是在 Keil 开发环境中采用C 语言开发的，主要程序包括单片机系统各 I/O 端口的初始化，LCD 显示子程序，各传感器数据采集子程序，高清水下摄像头数据读取，水下机器人运动控制子程序，实时时钟等子程序和按键控制子程序。主程序流程图设计水下养殖机器人在水面的上升和下沉，通过单片机的气泵和气阀控制，使用气泵将气体（通常是空气）泵入机器人内部的气室或气囊中。气室或气囊应设计成能够在充气时增加浮力。当紧急上浮时，打开气阀、关闭气泵，让气室中的空气以最快速度释放，迅速增大浮力迅速上浮至水面。当受控上浮时，打开气阀、开启气泵，根据上浮速度设置气泵功率控制气室中气体释放速度，从而控制上浮速度。当受控下沉时，关闭气阀、开启气泵，根据下沉速度设置气泵功率控制气室中气体释放速度，从而控制下沉速度。传感器采集到的实时数据被记录并存储在机器人内部的数据存储设备中。这些数据可包括历史记录、趋势分析等，为后续的数据分析和管理提供丰富的信息。机器人通常配备有无线通信模块，可以通过云平台或其他网络连接方式将采集到的实时数据传输到远程服务器。这使得养殖场的管理人员可以远程实时监测水质状况，及时做出决策。在实时采集的基础上，水下养殖机器人还能够设定阈值，并在监测到水图 7 摄像头控制程序流程图图 6 主程序和数据采集子程序流程图图 5 运动控制接口电路原理图质异常时触发报警系统。通过分析鱼群行为和监测其生长情况，方便用户调整饵料投放的量和频率。例如，当检测到鱼群较为活跃时，提示增加饵料投放以满足其需求；反之，当鱼群较为安静时，可以减少饵料投放，以避免过度喂食。当水质发生急剧变化或者鱼群出现异常行为时，水下机器人可以发出报警功能。例如，当 pH 酸碱度超出合适范围或温度波动较大时，机器人可通过声音、光亮等方式发出警报，提醒养殖人员进行及时处理，防范潜在问题。系统主程序和数据采集子程序流程图如图 6 所示。摄像头控制程序设计机器人配备了先进的高清水下摄像头，能够自动识别不同种类的鱼类、计数鱼群数量、分析鱼群的分布情况等。这些数据为鱼群管理提供了可视化的信息，帮助养殖场管理人员更好地了解鱼类的生长状态和行为习性。水下养殖机器人还可以通过分析鱼群的活动情况来监测鱼类的行为。水下摄像头能够在水下环境中拍摄清晰的图像，捕捉鱼群的细节，从而为后续的图像处理和分析提供高质量的数据基础。例如，是否存在异常活动、是否有攻击行为等，这些信息对于判断鱼类的健康状况和生态平衡具有重要意义。摄像头控制程序流程图如图 7 所示。水下机器人运动控制程序流程图在水产养殖领域，机器视觉与图像增强技术拥有广泛的-99-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期三星推荐结语水下养殖机器人的应用为水产养殖行业带来了智能化和高效化的管理手段，为提高养殖效益和降低环境风险提供了可行的解决方案。未来，随着技术的不断进步，水下养殖机器人有望在水产养殖领域发挥更为重要的作用。水下养殖机器人在水下工作时需要具备防水性能，以保护其内部电子元件和系统免受水的侵害。图 8 水下机器人运动控制程序流程图应用前景，涵盖生物目标位置信息与特征提取、行为监测、种类辨识、渔业资源调查以及疾病诊断等方面。水下机器人通过搭载的传感器采集到的水质、环境和鱼群数据被用作自动控制的输入。这些数据作为反馈信号，通过内置的控制算法，机器人能够根据实时的环境状况做出相应的决策。使用PID 算法实现水下机器人的游动控制。在未知的水下环境中，水下推进器受到许多随机扰动，这可能会对机器人的平衡和稳定性产生影响。鉴于 PID 控制具有结构简单、参数调节容易以及在大多数情况下性能满足要求的优点，因此选择采用PID 算法来控制无刷电机，驱动水下螺旋桨。水下机器人运动控制序流程图如图 8 所示。针对性提出管理方案针对水下养殖机器人通过采集的水质、环境信息和鱼群监测数据进行全面的数据分析。分析后，机器人能够识别出水域中可能存在的问题，如水质异常、气象变化、鱼群疾病等。这些问题将被细化分类，以便制定相应的管理方案。例如，如果水质异常，可以建议增加水质调节设备或改变饵料投放策略。对于鱼群健康问题，可能需要调整饲料成分或加强疫病防控措施。根据数据分析的结果，可以给出短期和中长期的建议。这有助于管理人员逐步改进养殖环境，使其更加适应鱼类的生长需求。养殖场管理人员根据可视化的上位机监控软件，可以通过水下养殖机器人的实时反馈系统获得即时的建议和警报。这使得管理人员能够及时了解养殖环境的变化，采取紧急措施以防患于未然。通过这样的针对性管理方案，水下养殖机器人不仅提供了充分的数据支持，还为养殖场提供了实际可行的解决方案，有助于提高生产效益、减少养殖风险，并促进可持续的水产养殖业发展。