CN111348161B - 一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统，包括仿生海鳗机器本体、水下移动通信端、远程终端，所述仿生海鳗机器本体包括主控制器、动力设备、环境数据采集模块、图像采集模块、图像处理模块、本地指令存储模块、障碍物检测模块、转向计算模块、航向辅助模块和第一通信模块和电源，主控制器与所述动力设备、所述障碍物检测模块、航向辅助模块、所述第一通信模块、所述图像采集模块、所述图像处理模块、所述环境数据采集模块连接，所述水下移动通信端包括水下接驳盒、水下基阵和应答器；所述水下接驳盒承载水下基阵并固定。本发明仿生海鳗通过水下通信系统与远程终端进行数据交互，在具有低成本的基础上，实现水体环境以及资源动态检测。

Description

一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及海洋牧场养殖领域，尤其是一种基于仿生海鳗移动平台的海洋牧场资源环境监测系统。

背景技术

随着世界人口的增长，对高质量蛋白质食品的需求也日益增加，同时海洋渔业资源日益衰竭。基于海洋牧场的水产养殖在保障食品安全方面发挥的作用愈来愈重要，水产养殖产业也成为近40年来全球农业中增长最快的部分。与其对食品安全和国民经济发展的贡献相比，水产养殖方面的科技研发投入较少，产业技术水平较低。特别是近年来，随着社会经济的发展，市场对海珍品的需求越来越多，因此越来越多的人开始进入海珍品养殖行业，但是，传统的海珍品养殖仍存在一些问题。比如在海珍品养殖过程中需要特别注意海珍品的养殖环境，因为海珍品对环境水质要求非常高，日常养殖管理措施如水质管理(水质监测、水质调控、换水等)以及对养殖生物生长和健康状况的评价主要依赖于技术人员的经验，缺乏直观的智能化技术手段。由于信息获取时间的滞后，对养殖动物的摄食状况、健康状况难以做出及时、准确的判断，导致饲料利用效率不高、养殖环境恶化、养殖动物因病害防控措施不及时大量死亡等现象时有发生，难以控制养殖风险。

随着计算机和通讯技术的迅猛发展，国内外在水产养殖管理方面越来越多地引入智能化信息化技术。水下机器人最初主要用于军事和科考等领域，近年来开始应用于渔业环境检测、潜水娱乐等，其技术和产品形态上都有待开发，价格也较为昂贵。用于水产养殖的水下机器人还未见有商业化产品，只有少数的通用水下航行器在水产养殖应用方面的报道。研发能够在复杂水体环境中精确巡航、智能辅助避障、水面定位动态返航、具有水质监测、水底目标识别、信息实时传输的自主式可起降的水下机器人，可运用于网箱养殖、底播、造礁养殖等各类场景，将弥补现有水质观测、养殖资源评估和水产动物病害预报技术的不足，提高现代水产养殖的装备和管理技术水平。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供，一种基于仿生海鳗移动平台的海洋牧场资源环境监测系统。仿生海鳗能够在海洋牧场内自主移动，实现水质的监测，鱼类的探测，做到无人监管的特点，系统具有运行稳定、移动阻力小、移动灵活，可通过水下狭小区域，实现了水产养殖的目的，节约了大量的人力成本，提高养殖产量和生产效益。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统，包括仿生海鳗机器本体、水下移动通信端、远程终端；当所述仿生海鳗处于工作模式时，远程终端内导入海洋牧场数字地图，设定仿生海鳗初始约束条件和仿生海鳗终止约束条件，初始化仿生海鳗路径规划约束条件，进行全局静态路径规划；仿生海鳗按照全局静态路径规划路线在海洋牧场水域航行，动态采集水体环境数据、定点拍摄图像、进行图像识别分类与计数、并生成航行状态数据分别发送至管理数据库，仿生海鳗在水域航行过程中，自动识别并避开周围障碍物；若行驶路线偏离全局静态路径规划路线，所述仿生海鳗根据航行状态数据调整所述仿生海鳗的航行方向和航行速度，使仿生海鳗进入预设路线内，顺利完成数据采集任务并将指定数据传送至远程终端；所述仿生海鳗机器本体包括主控制器、动力设备、环境数据采集模块、图像采集模块、图像处理模块、本地指令存储模块、障碍物检测模块、转向计算模块、航向辅助模块、第一通信模块和电源；所述主控制器分别与所述动力设备、所述障碍物检测模块、所述航向辅助模块、所述第一通信模块、所述图像采集模块、所述图像处理模块、所述环境数据采集模块连接，所述水下移动通信端包括水下接驳盒、水下基阵和应答器；所述水下接驳盒承载水下基阵并固定，其主要功能是实现信息的中继、分配及控制，用于与其他声信标通过海底光纤复合缆进行数据通信；以及电池组，用于供电；所述远程终端包括第二通信模块、显示模块、人机交互模块、远程指令生成模块。

进一步，所述动力设备包括第一舵机、第二舵机、第三舵机；所述本地存储指令模块中的控制程序，通过主控制器将位置量分别发送给相应的舵机上的伺服控制器，从而使由三个舵机构成的海鳗机器本体实现多种运动方式；具体流程为：首先初始化，使每个舵机的位置处于零位，让机器本体成一条直线，然后判断机器海鳗的运动方式，根据所述运动方式控制每个舵机的位置值；所述本地指令存储模块运行时执行所述动力设备的方法步骤包括上浮、下潜、左转、右转、直行和停止操作；当查找本地存储指令为沿直线路径游动时，主控制器控制第一舵机、第二舵机以及第三舵机以相同的转动角度以及相同的转动频率摆动，使得仿生海鳗直行；当本地存储指令为执行下潜的游动操作时，主控制器控制第一舵机左转角35°，第二舵机左转角40°，第三舵机左转角45°，延迟5s后，主控制器控制第一舵机右转角35°，第二舵机右转角40°，第三舵机右转角45°，仿生海鳗执行相应的游动操作，完成下潜姿态；当本地存储指令为上浮的游动操作时，主控制器板控制第一舵机左转角15°，第二舵机左转角20°，第三舵机左转角25°，延迟5s后，主控制器控制第一舵机右转角15°，第二舵机右转角20°，第三舵机右转角25°，仿生海鳗执行相应的游动操作，完成上浮姿态；当本地存储指令为停止的游动操作时，主控制器板控制第一舵机、第二舵机、第三舵机停止执行操作，完成停止姿态。

进一步，所述水下移动通信端，包括控制单元，电池管理单元，连接于所述控制单元，用于管理所述电池组以及采集电压数据；数据采集-发射单元，连接于所述控制单元，用于获取数据以及信号发射；以及串口通信模块，连接于所述控制单元，用于发射和接收其他声信标通过接驳盒传输的信号数据，可选的，所述水下接驳盒之间通过海底光纤电缆进行通信。

进一步，基于短基线定位系统被应用于所述仿生海鳗的水下导航，通过测量水下基阵各个阵元与应答器信号的往返时间来计算距离信息，通过测量应答器到三个及以上数量的阵元之间的距离，来对应答器进行定位。

进一步，所述一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统，在海洋牧场区域一点释放所述仿生海鳗，根据所述远程终端在坐标系上建立的运动模型，并且水下基阵定位系统确定所述仿生海鳗位置，确认作业区域全部在信号作用范围内与航程路线规划内其情况下，所述仿生海鳗根据需要探测的水域，对海洋牧场水下特定区域进行定点图像拍摄和所述图像数据的识别处理以及水域数据采集，并将数据传入管理数据库。

进一步，水域数据采集依赖于各类传感器，包括电流传感器、电压传感器、pH值传感器、水温传感器、水深传感器以及图像拍摄传感器，pH值传感器、水温传感器、水深传感器，分别安装在仿生海鳗底部且浸没到水中，pH值传感器实时检测水域的pH值并发送给主控制器，水温传感器实时检测水域的水温并发送给主控制器，水深传感器实时检测水域的水位并发送给的控制器，电流传感器检测仿生海鳗的实时工作电流并发送给主控制器，电压传感器检测仿生海鳗的实时工作电压并发送给主控制器，水深采集模块用于采集仿生海鳗航行路线上各位置的水体深度数据，并发送给主控制器，主控制器内部署有管理数据库，主控制器将仿生海鳗的实时位置信息、航向角、水域各处的pH值、水域各处的水温、仿生海鳗的实时工作电流、仿生海鳗的实时工作电压、水域各处的图像以及水域各处的水体深度数据存储到管理数据库中，主控制器根据接收到的信息生成水域在不同时刻、不同位置处的水体环境数据以及的仿生海鳗的航行状态数据存储在管理数据库中。

进一步，所述管理数据库，是对各个传感器进行编号，每一种传感器对应一个子数据库，每个子数据库包括传感器的编号、采集时间、采集数据信息、仿生海鳗所处位置以及深度数据；将所有传感器的子数据库拼接成一个管理数据库，在一定周期内更新一次传感器的数据库信息；当执行结束时，所述仿生海鳗上浮至水面，并将数据库中指定的信息通过无线通信网络模块上传至远程终端。

进一步，所述动力设备与所述障碍物检测模块、转向计算模块协同运作，在所述主控制器控制下，自动识别并避开周围障碍物，所述障碍物检测模块可采用超声波，雷达，激光等技术中的至少一种方式进行测距，优选采用激光测距。

进一步，所述动力设备与所述航向辅助模块协同运作，若行驶路线偏离全局静态路径规划路线，在所述主控制器控制下，调整所述仿生海鳗的航行方向和航行速度，使仿生海鳗进入全局静态路径规划路线内；其路径回归方法主要包括：确定所述仿生海鳗所在当前位置的回归信号强弱；基于算法和判断所述当前位置的信号的强度与预设路径的回归信号的强度的大小的衰减值，计算预设路径与所述当前位置的距离；利用所述预设路径对所述当前位置进行目标运动姿态位置的修正，获得所述修正位置；在主控制器控制下所述仿生海鳗向所述预设回归信号的方向移动；若所述当前位置的回归信号的强度等于所述预设回归信号的强度，则主控制器控制所述仿生海鳗沿所述当前位置的回归信号回归移动。

进一步，所述仿生海鳗的故障处理方法，包括：通过定义故障类型， 设计相应故障观测器， 在满足收敛性的前提下检测出故障，辨识出故障执行机构，接收待测部件的故障诊断结果；若所述故障诊断结果为发生故障，则主控制器控制警报器发出警报信号，并通过水下通信系统向远程终端发送所述仿生海鳗的故障信息以及位置信息；并由远程终端操作员对所述仿生海鳗机器本体进行修复。

进一步，一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统的操作步骤，包括以下操作步骤：

步骤S1：所述远程终端通过所述人机交互模块根据设定的仿生海鳗初始约束条件和仿生海鳗终止约束条件完成全局静态路径规划并存储至所述远程指令生成模块，通过网络发送指令至所述主控器的本地指令存储模块；其中，仿生海鳗初始约束条件包括仿生海鳗的初始位姿、初始点速度、加速度，所述仿生海鳗终止约束条件包括仿生海鳗终止位置和姿态；

步骤S2：所述仿生海鳗根据所述本地存储指令按照预定航线地图完成路径以及定点图像拍摄和水域数据采集，图像数据经图像处理模块进行图像分类与计数等处理后，将分类和计数结果和环境数据传至对应子数据库内进行存储；

步骤S3：所述水下基阵周期性发射信号，通过测量基阵与应答器信号的往返时间来计算距离信息，周期性地对仿生海鳗进行定位，确定所述仿生海鳗的坐标位置信息，所述仿生海鳗根据定位坐标和全局静态路径规划路线，根据所述航向辅助模块，调整所述仿生海鳗的航行方向和航行速度；

步骤S4：在经过障碍物前的时候，通过转向计算模块，计算出转向点和转向；通过主控制器控制动力设备，令动力设备的转速及转动角度速发生变化，进而令仿生海鳗的行驶发生变化，从而达到第一次变向的效果；当仿生海鳗到达转向点的时候，主控制器控制动力设备的转速发生变化，令仿生海鳗反向变向，达到第二次变向；当绕过障碍物的时候，根据路径规划，进行第三次变向，令仿生海鳗进入到没有障碍物的预设路线内；

步骤S5：当预计即将到达目的地的时候，通过主控制器控制舵机转动，令仿生海鳗上浮至水面；并通过无线通信网络模块上传至远程终端的显示模块，告知工作进度，显示在显示屏上。

本作品设计的仿生海鳗机器鱼能够代替人从事水产养殖劳动，在人工鱼礁缝隙间进行游动，实现生态监测和分析，使得海洋牧场趋向低能耗、低成本，节省人力物力，实现高效生态精准智能检测和养殖。建立的海洋牧场生态监测与分析系统，可密切监控增殖区内环境的动态变化，对实现苗种优质繁育、保护海洋生态环境和提高海洋牧场经济效益方面具有重大意义。此外仿生海鳗机动性良好，作为一种探测海洋牧场环境监测的机器，由于海洋生物监测领域，工作空间异常复杂，海鳗等运动能力强的生物具有在狭缝中自由游动的生物姿态；海鳗还能搭载多种海洋探测装备，跟踪监测海洋牧场中的增殖品养殖状况，对养殖环境进行监测、数据存储和分析，人为对数据做出有效的预报和监测，在对海洋牧场海珍品优质繁育、海洋牧场经济效益提高上具有长远的开发潜力。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于通过仿生海鳗、远程终端、水下移动通信端来构成海洋牧场资源环境的自动检测系统，仿生海鳗分别通过水下通信系统与远程终端进行数据交互；当仿生海鳗处于工作模式时，仿生海鳗基于预设路径在水域航行动态采集水体环境数据并生成航行状态数据分别存储至管理数据库；在仿生海鳗按照预设航行路线在水域航行过程中，能够通过航向检测模块和障碍物检测模块与动力设备协调下，调整仿生海鳗的航行路线；并且仿生海鳗在游动过程中有着较高的推进效率，同时兼有优良的机动特性和良好的稳定性，能够应对各种海洋状况，能够在人工鱼礁等空间狭小的环境进行检测、维护等作业，克服了传统航行器灵活性低下、与环境共融性差的问题；由此本发明通过仿生海鳗替代固定的监测节点，不再需要大量节点完成复杂的组网过程，在仿生海鳗航行的过程中，可以按照预期规划的航线完成对目标水域的基本覆盖，制定了完善的航行计划后可以对水域的数据进行整体把控，一次完整的航行即可获取水域的基本状态，这样的动态监测系统无需绑定某一水域，仿生海鳗可以方便地下放在所有的目标水域内航行，因此可以灵活地将自动检测系统部署在不同的水体内进行监测，且采集信息的终端节点仅由一个仿生海鳗组成，有效地控制了成本，在具有低成本的基础上，可以实现水体环境动态检测，检测覆盖区域较广。

附图说明

图1为本发明的整体模块结构示意图。

图2为本发明仿生海鳗的机器本体模块结构示意图。

图3为本发明仿生海鳗的传感器模块结构示意图。

图4为本发明仿生海鳗的控制模块结构示意图。

图5为本发明仿生海鳗的动力设备模块结构示意图。

图6为本发明仿生海鳗的图像拍摄模块结构示意图。

图7为本发明仿生海鳗的航向辅助模块结构示意图。

图8为本发明远程端模块结构示意图。

图9为本发明水下移动通信端模块结构示意图。

图10为本发明的操作步骤流程示意图。

实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1-10所示，一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统，包括仿生海鳗机器本体100、水下移动通信端200、远程终端300。当仿生海鳗100处于工作模式时，远程终端300内导入海洋牧场数字地图，设定仿生海鳗初始约束条件和仿生海鳗终止约束条件，初始化仿生海鳗路径规划约束条件，进行全局静态路径规划；仿生海鳗100按照全局静态路径规划在水域航行，动态采集水体环境数据并生成航行状态数据分别发送至管理数据库，仿生海鳗100在水域航行过程中，自动识别并避开周围障碍物；若行驶路线偏离全局静态路径规划路线，仿生海鳗100根据航行状态数据调整仿生海鳗的航行方向和航行速度，使仿生海鳗进入预设路线内，顺利完成数据采集任务，浮上水面并将指定数据传回远程终端300。

在本发明中，由于传输信号在激励、检测和传输过程中会不同程度地受到随机噪声的污染，因此，必须对传输信号进行滤波去噪处理，以滤除干扰噪声。其中，所述滤波处理为现有技术中常用的滤波算法，如：加权滤波法、滑动滤波法等。

实施例

如图2、4、6所示，本实施例与实施例一基本相同，区别如下：仿生海鳗机器本体100包括主控制器110、动力设备120、环境数据采集模块130、图像采集模块140、图像处理模块170、本地指令存储模块111、障碍物检测模块150、转向计算模块112、航向辅助模块160和第一通信模块180和电源；主控制器110分别与动力设备120、障碍物检测模块150、航向辅助模块160、第一通信模块180、图像采集模块140、图像处理模块170、环境数据采集模块130连接。图像采集模块140输出端与主控制器110连接，用于定点采集海洋牧场生物资源信息，图像采集模块140包括摄像头141和九轴陀螺仪143、照明灯142，摄像头141设于仿生海鳗头部正上方的凹槽中。图像采集模块140与主控制板模块110连接，发送所采集图像信息至图像处理模块170，将经图像处理模块170进行分类识别和计数后的数据打包发送至管理数据库113中进行存储。

如图3所示，环境数据采集模块130与主控制器110连接，包括电流传感器131、电压传感器132、pH值传感器133、水温传感器136、和水深传感器135以及图像拍摄传感器134；pH值传感器133、水温传感器136、和水深传感器135安装在仿生海鳗底部且浸没到水中，将所采集的水域数据传送至主控制器，主控制器110将数据存储到管理数据库113中。

如图5所示，航向辅助模块160包括定位系统161和电子罗盘162，定位系统161用于对仿生海鳗进行实时定位，获取仿生海鳗的实时位置信息发送给的主控制器100，位置信息包括的仿生海鳗当前所处位置的经度、纬度和深度数值；电子罗盘162实时获取的仿生海鳗的航向角，航向辅助模块160根据回归信号强弱并发送给主控制器，判读仿生海鳗是否偏离航行。障碍物检测模块150用于检测的船体航行时前方是否存在障碍物并生成检测信息发送给主控制器，当存在障碍物时，主控制器控制的动力设备120调整的船体航线，重新调整路线后继续航行；仿生海鳗搭载应答器210，通过对应答器210的定位和航向辅助模块160来确定仿生海鳗100的坐标以及调整航向，根据主控制器110上的存储指令，调整仿生海鳗的航行方向和航行速度。本地指令存储模块111存储有计算机指令，其特征在于：计算机指令运行时执行运动控制系统的方法的步骤。本地指令存储模块111包括：数据处理单元，指令存储单元；数据处理单元，根据远程终端通过设定仿生海鳗初始约束条件和仿生海鳗终止约束条件从起始位姿到终止位姿的全局静态路径规划进行分析得到地图路径信息；指令存储单元，与数据处理单元连接，根据地图路径信息查找本地储存的解决措施，根据解决措施查找对应的本地控制指令。本地指令存储模块111运行时执行动力设备的方法步骤包括上浮，下潜，左转以及右转、直行、停止操作；当查找本地存储指令沿直线路径游动时，主控制器110控制第一舵机121、第二舵机122以及第三舵机123以相同的转动角度以及相同的转动频率摆动，使得仿生海鳗直行；当本地存储指令为执行下潜的游动操作时，主控制器110控制第一舵机121左转角35°，第二舵机122左转角40°，第三舵机123左转角45°，延迟5s后，主控制器100控制第一舵机121右转角35°，第二舵机122右转角40°，第三舵机123右转角45°，仿生海鳗100执行相应的游动操作，完成下潜姿态；当本地存储指令为上浮的游动操作时，主控制器110控制第一舵机121左转角15°，第二舵机122左转角20°，第三舵机123左转角25°，延迟5s后，主控制器110控制第一舵机121右转角15°，第二舵机122右转角20°，第三舵机123右转角25°，仿生海鳗100执行相应的游动操作，完成上浮姿态。

主控制器110根据各类传感器探测信息生成水域在不同时刻、不同位置处的水体环境数据以及仿生海鳗100的航行状态数据存储在管理数据库113，包括电流传感器131、电压传感器132、pH值传感器133、水温传感器136、和水深传感器135以及图像拍摄传感器134；pH值传感器133、水温传感器136、和水深传感器135安装在仿生海鳗底部且浸没到水中，pH值传感器133实时检测水域的pH值并发送给主控制器110，水温传感器136实时检测水域的水温并发送给主控制器110，水深传感器135实时检测水域的水位并发送给的控制器，电流传感器131检测仿生海鳗的实时工作电流并发送给主控制器，电压传感器132检测仿生海鳗的实时工作电压并发送给主控制器，水深采集模块用于采集仿生海鳗航行路线上各位置的水体深度数据，并发送给主控制器，主控制器内部署有管理数据库，主控制器将仿生海鳗的实时位置信息、航向角、水域各处的pH值、水域各处的水温、水域各处的水体浊度、水域各处的水位、仿生海鳗的实时工作电流、仿生海鳗的实时工作电压、水域各处的图像以及水域各处的水体深度数据存储到管理数据库中，主控制器110根据接收到的信息生成水域在不同时刻、不同位置处的水体环境数据以及的仿生海鳗的航行状态数据存储在管理数据库中，工作完成后并通过无线网络将生成的水体环境数据及的仿生海鳗的航行状态数据分别发送给远程终端300。

本实施例中，动力设备包括三个舵机，舵机分别与的主控制器连接。

所述动力设备包括第一舵机121、第二舵机122、第三舵机123；所述本地存储指令模块中的控制程序，通过主控制器将位置量分别送给相应的舵机上的伺服控制器，从而使由三个舵机构成的海鳗机器本体实现多种运动方式；具体流程为：首先初始化，使每个舵机的位置处于零位，让机器本体成一条直线，然后判断机器海鳗的运动方式，根据所述运动方式控制每个舵机的位置值；所述本地指令存储模块运行时执行动力设备的方法步骤包括上浮，下潜，左转以及右转、停止、直行操作；当查找本地存储指令为沿直线路径游动时，主控制器控制第一舵机121、第二舵机122以及第三舵机123以相同的转动角度以及相同的转动频率摆动，使得仿生海鳗直行；当本地存储指令为执行下潜的游动操作时，主控制器控制第一舵机121左转角35°，第二舵机122左转角40°，第三舵机123左转角45°，延迟5s后，主控制器控制第一舵机121右转角35°，第二舵机122右转角40°，第三舵机123右转角45°，仿生海鳗100执行相应的游动操作，完成下潜姿态；当本地存储指令为上浮的游动操作时，主控制器板控制第一舵机121左转角15°，第二舵机122左转角20°，第三舵机123左转角25°，延迟5s后，主控制器110控制第一舵机121右转角15°，第二舵机122右转角20°，第三舵机123右转角25°，仿生海鳗执行相应的游动操作，完成上浮姿态；当本地存储指令为停止的游动操作时，主控制器板控制第一舵机121、第二舵机122、第三舵机123停止执行操作，完成停止姿态。

本实施例中，所述传感器包括电流传感器131、电压传感器132、pH值传感器133、水温传感器136和水深传感器135以及图像拍摄传感器134，pH值传感器133、水温传感器136和水深传感器135安装在仿生海鳗底部且浸没到水中，pH值传感器133实时检测水域的pH值并发送给主控制器，水温传感器136实时检测水域的水温并发送给主控制器，并发送给主控制器，水深传感器135实时检测水域的水深并发送给的控制器，电流传感器131检测仿生海鳗的实时工作电流并发送给主控制器，电压传感器132检测仿生海鳗的实时工作电压并发送给主控制器，水深采集模块用于采集仿生海鳗航行路线上各位置的水体深度数据，并发送给主控制器，主控制器内部署有管理数据库，主控制器将仿生海鳗的实时位置信息、航向角、水域各处的pH值、水域各处的水温、仿生海鳗的实时工作电流、仿生海鳗的实时工作电压、水域各处的图像以及水域各处的水体深度数据存储到管理数据库中，主控制器根据接收到的信息生成水域在不同时刻、不同位置处的水体环境数据以及的仿生海鳗的航行状态数据存储在管理数据库中。

如图8所示，本实施例中，远程终端300包括第二通信模块304、显示模块303、人机交互模块301、远程指令生成模块302；所述显示模块303，与所述第二通信模块304连接，展示所述仿生海鳗工作进度；所述人机交互模块301，获取远程终端输入的操作数据；所述远程指令生成模块302，与所述人机交互模块301连接，根据所述操作数据生成对应的远程控制指令；所述第二通信模块304，与所述远程指令生成模块302连接，发送所述远程控制指令至所述接驳盒203；再由接驳盒203传送至第一通信模块180；通过人机交互模块301根据设定的仿生海鳗初始约束条件和仿生海鳗终止约束条件完成全局静态路径规划，并存储在所述远程指令生成模块302，通过网络发送指令至主控器110的本地指令存储模块111；工作人员能够通过水下移动通信端200获取仿生海鳗100所发送出的信号；工作人员能够通过无线网络获取实时仿生海鳗在航行结束后存储在管理数据库113中的所采集的水域环境数据信息和分类计数数据以及存储仿生海鳗的航行数据。

如图9所示，本实施例中，水下移动通信端200包括水下接驳盒230、水下基阵220和应答器210，水下接驳盒230承载水下基阵220并固定，其主要功能是实现信息的中继、分配及控制，用于与其他声信标通过海底光纤复合缆进行数据通信；水下基阵220周期性发射信号，通过测量基阵与应答器信号的往返时间来计算距离信息，周期性地对仿生海鳗进行定位，确定所述仿生海鳗的坐标位置信息；仿生海鳗通过水下通信系统与远程终端300进行数据交互。

如图10所示，本发明的一个实施例，一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统的操作方法，包括以下步骤：

S100：远程终端300通过所述人机交互模块301根据设定的仿生海鳗初始约束条件和仿生海鳗终止约束条件完成全局静态路径规划并存储至所述远程指令生成模块302，通过网络发送指令至所述主控器的本地指令存储模块111；

S200：所述仿生海鳗100根据所述本地存储指令按照预定航线地图完成路径以及定点图像拍摄和水域数据采集，图像数据经图像处理模块170进行图像分类与计数等处理后，将分类和计数结果和环境数据传至对应子数据库内进行存储；并将环境数据传至管理数据库113内进行存储；

S300:所述水下基阵220周期性发射信号，通过测量基阵与应答器信号的往返时间来计算距离信息，周期性地对仿生海鳗进行定位，确定所述仿生海鳗100的坐标位置信息；

S400：在经过障碍物前的时候，通过转向计算模块112，计算出转向点和转向；通过主控制器110控制动力设备120，令动力设备的转速及转动角度速发生变化绕过障碍物，并令仿生海鳗进入到没有障碍物的预设路线内；

S500：当预计即将到达目的地的时候，通过主控制器110控制舵机转动，令仿生海鳗上浮至水面；并通过无线通信网络模块上传至远程终端的显示模块303，告知工作进度，显示在显示屏上。

具体的，本实施例是上述方法实施例对应的系统实施例，具体效果参见上述系统实施例，在此不再一一赘述。

基于前述实施例，

S100中进行全局静态预设路径规划的步骤：

S101确定仿生海鳗初始约束条件包括仿生海鳗的初始位姿、初始点速度、加速度，所述仿生海鳗终止约束条件包括仿生海鳗终止位置和姿态；

S102根据初始约束条件和终止约束条件将路径规划为一条平滑的曲线；

S200管理数据库存储过程：

S201对各个传感器进行编号，每一种传感器对应一个子数据库，每个子数据库包括传感器的编号、采集时间、采集数据信息、仿生海鳗所处位置以及深度数据；将所有传感器的子数据库拼接成一个管理数据库；在一定周期内更新一次传感器的数据库信息；

S300仿生海鳗根据定位坐标信息和预设航线进行比对，判断是否偏离预设航线，步骤为：

S301 确定所述仿生海鳗所在当前位置的回归信号强弱；

S302 基于算法和判断所述当前位置的信号的强度与预设路径的回归信号的强度的大小的衰减值，计算预设路径与所述当前位置的距离；

S303 利用所述预设路径对所述当前位置进行目标运动姿态位置的修正，获得所述修正位置；

S304 在主控制器控制下所述仿生海鳗向所述预设回归信号的方向移动；

若所述当前位置的回归信号的强度等于所述预设回归信号的强度，则主控制器控制所述仿生海鳗沿所述当前位置的回归信号回归移动。

S400中局部动态避碰规划步骤为：

S401在经过障碍物前的时候，通过转向计算模块，计算出转向点和转向；

S402通过主控制器控制动力设备，令动力设备的转速及转动角度速发生变化，进而令仿生海鳗的行驶发生变化，从而达到第一次变向的效果；

S403当仿生海鳗到达转向点的时候，主控制器控制动力设备的转速发生变化，令仿生海鳗反向变向，达到第二次变向；

S404当绕过障碍物的时候，根据路径规划，进行第三次变向，令仿生海鳗进入到没有障碍物的预设路线内。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统，其特征在于，包括仿生海鳗机器本体、水下移动通信端、远程终端；所述仿生海鳗机器本体包括主控制器、动力设备、环境数据采集模块、图像采集模块、图像处理模块、本地指令存储模块、障碍物检测模块、转向计算模块、航向辅助模块、第一通信模块和电源；所述主控制器分别与所述动力设备、所述障碍物检测模块、所述航向辅助模块、所述第一通信模块、所述图像采集模块、所述图像处理模块、所述环境数据采集模块连接，所述水下移动通信端包括水下接驳盒、水下基阵和应答器；所述水下接驳盒承载水下基阵并固定，其主要功能是实现信息的中继、分配及控制，用于与其他声信标通过海底光纤复合缆进行数据通信；以及电池组，用于供电；所述远程终端包括第二通信模块、显示模块、人机交互模块、远程指令生成模块；

所述动力设备包括第一舵机、第二舵机、第三舵机；所述本地存储指令模块中的控制程序，通过主控制器将位置量分别发送给相应的舵机上的伺服控制器，从而使由三个舵机构成的海鳗机器本体实现多种运动方式；具体流程为：首先初始化，使每个舵机的位置处于零位，让机器本体成一条直线，然后判断机器海鳗的运动方式，根据所述运动方式控制每个舵机的位置值；所述本地指令存储模块运行时执行动力设备的功能包括上浮、下潜、左转、右转、停止和直行操作；当查找本地存储指令为沿直线路径游动时，主控制器控制第一舵机、第二舵机以及第三舵机以相同的转动角度以及相同的转动频率摆动，使得仿生海鳗直行；当本地存储指令为执行下潜的游动操作时，主控制器控制第一舵机左转角35°，第二舵机左转角40°，第三舵机左转角45°，延迟5s后，主控制器控制第一舵机右转角35°，第二舵机右转角40°，第三舵机右转角45°，仿生海鳗执行相应的游动操作，完成下潜姿态；当本地存储指令为上浮的游动操作时，主控制器控制第一舵机左转角15°，第二舵机左转角20°，第三舵机左转角25°，延迟5s后，主控制器控制第一舵机右转角15°，第二舵机右转角20°，第三舵机右转角25°，仿生海鳗执行相应的游动操作，完成上浮姿态；当本地存储指令为停止的游动操作时，主控制器板控制第一舵机、第二舵机、第三舵机停止执行操作，完成停止姿态；

所述水下移动通信端，包括控制单元；

电池管理单元，连接于所述控制单元，用于管理所述电池组以及采集电压数据；

数据采集-发射单元，连接于所述控制单元，用于获取数据以及信号发射；

以及串口通信模块，连接于所述控制单元，用于发射和接收其他声信标通过接驳盒传输的信号数据，所述水下接驳盒之间通过海底光纤电缆进行通信；

基于短基线定位系统被应用于所述仿生海鳗的水下导航，通过测量水下基阵各个阵元与应答器信号的往返时间来计算距离信息，通过测量应答器到三个及以上数量的阵元之间的距离，来对应答器进行定位；

在海洋牧场区域一点释放所述仿生海鳗，根据所述远程终端在坐标系上建立的运动模型，并且水下基阵定位系统确定所述仿生海鳗位置，确认作业区域全部在信号作用范围内与航程路线规划内其情况下，所述仿生海鳗根据需要探测的水域，对海洋牧场水下特定区域进行定点图像拍摄以及水域数据采集，并将数据传入管理数据库；拍摄后的图像数据经所述图像处理模块进行分类识别和计数操作后，将识别和计数数据传送至管理数据库中进行存储；

所述管理数据库，是对各个传感器进行编号，每一种传感器对应一个子数据库，每个子数据库包括传感器的编号、采集时间、采集数据信息、仿生海鳗所处位置以及深度数据；将所有传感器的子数据库拼接成一个管理数据库；在一定周期内更新一次传感器的数据库信息，当执行结束时，所述仿生海鳗上浮至水面，并将数据库中指定数据信息通过无线通信网络模块上传至远程终端；

所述动力设备与所述障碍物检测模块、转向计算模块协同运作，在所述主控制器控制下，自动识别并避开周围障碍物，所述障碍物检测模块可采用超声波，雷达，激光等技术中的至少一种方式进行测距，优选采用激光测距；

所述动力设备与所述航向辅助模块协同运作，若行驶路线偏离全局静态路径规划路线，在所述主控制器控制下，调整所述仿生海鳗的航行方向和航行速度，使仿生海鳗进入全局静态路径规划路线内；其路径回归方法主要包括：确定所述仿生海鳗所在当前位置的回归信号强弱；基于算法和判断所述当前位置的信号的强度与预设路径的回归信号的强度的大小的衰减值，计算预设路径与所述当前位置的距离；利用所述预设路径对所述当前位置进行目标运动姿态位置的修正，获得所述修正位置；在主控制器控制下所述仿生海鳗向所述预设回归信号的方向移动；若所述当前位置的回归信号的强度等于所述预设回归信号的强度，则主控制器控制所述仿生海鳗沿所述当前位置的回归信号回归移动；

所述仿生海鳗的故障处理方法，包括：通过定义故障类型，设计相应故障观测器，在满足收敛性的前提下检测出故障，辨识出故障执行机构，接收待测部件的故障诊断结果；若所述故障诊断结果为发生故障，则主控制器控制警报器发出警报信号，并通过水下通信系统向远程终端发送所述仿生海鳗的故障信息以及位置信息；并由远程终端操作员对所述仿生海鳗机器本体进行修复。

2.一种如权利要求1所述的一种应用于海洋牧场的资源环境监测系统的操作方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

步骤S1：所述远程终端通过所述人机交互模块根据设定的仿生海鳗初始约束条件和仿生海鳗终止约束条件完成全局静态路径规划并存储至所述远程指令生成模块，通过网络发送指令至所述主控制器的本地指令存储模块；其中，仿生海鳗初始约束条件包括仿生海鳗的初始位姿、初始点速度、加速度，所述仿生海鳗终止约束条件包括仿生海鳗终止位置和姿态；

步骤S2：所述仿生海鳗根据所述本地存储指令按照预定航线地图完成路径以及定点图像拍摄和水域数据采集，并将图像数据和环境数据传至数据库内进行存储；图像数据经图像处理模块进行图像分类与计数等处理后，将分类和计数结果和环境数据传至对应子数据库内进行存储；

步骤S3：所述水下基阵周期性发射信号，通过测量基阵与应答器信号的往返时间来计算距离信息，周期性地对仿生海鳗进行定位，确定所述仿生海鳗的坐标位置信息，所述仿生海鳗根据定位坐标和全局静态路径规划路线，根据所述航向辅助模块，调整所述仿生海鳗的航行方向和航行速度；

步骤S4：在经过障碍物前的时候，通过转向计算模块，计算出转向点和转向；通过主控制器控制动力设备，令动力设备的转速及转动角度速发生变化，进而令仿生海鳗的行驶发生变化，从而达到第一次变向的效果；当仿生海鳗到达转向点的时候，主控制器控制动力设备的转速发生变化，令仿生海鳗反向变向，达到第二次变向；当绕过障碍物的时候，根据路径规划，进行第三次变向，令仿生海鳗进入到没有障碍物的预设路线内；

步骤S5：当预计即将到达目的地的时候，通过主控制器控制舵机转动，令仿生海鳗上浮至水面；并通过无线通信网络模块上传至远程终端的显示模块，告知工作进度，显示在显示屏上。