技术领域
[0001] 本
发明属于
水下
机器人设计技术领域，尤其涉及一种用于鱼群洄游诱导和监测的仿生鱼。
背景技术
[0002] 洄游是鱼类生存方式的一种特殊生态活动，是一些鱼类主动、定期、定向、集群特点的移动。就目前的各种研究结果而言，对鱼类洄游路线的研究常用的方法主要是标志放流法。一般是利用特制的标牌或标签结附在人工培育的幼鱼或捕获的鱼体上，放流到自然水域中。当标志鱼重捕时，将放流和重捕时的各项资料加以对比，以分析鱼类洄游的变动规律。
[0003] 这些方法均可以检测出鱼类的洄游路线，但是这些方法不仅很大程度的伤害了鱼，而且必须捕到标本、标志后放流才能实现，并且放流后标本的成活率不能保证，实验时间长，回捕率较低，对研究鱼类洄游路线造成不便，更不能对不同种群类型的鱼类的洄游路线进行区分。同时不能对洄游鱼类路线进行主动诱导和干预。
[0004] 另一方面，随着社会经济的进步和
水电资源的开发，水电建设发展对水生
生物影响越来越严重，对水生生物保护的紧迫性日益突出。为解决该问题，人们提出了众多保护措施，如修建过鱼设施、开展人工增殖放流、建造人工产卵场、实施水库生态调度、建立鱼类保护区等。我国目前采取的主要保护措施是进行人工增殖放流。但是，长期的实践表明：人工增殖放流存在一定弊端，如放流效果不明显、种群多样性下降、不能完全代替鱼类自然过坝等。过鱼设施是解决上述问题的一种重要手段，它的研究和发展越来越受到重视。
[0005] 过鱼设施是指让鱼类通过障碍物的人工通道和设施。目前国内外
鱼道的主要应用型式为隔板型式，按隔板过鱼孔的形状及
位置，可将鱼道分为溢流堰式(也叫台阶式、阶梯式)、淹没孔口式、竖缝式和组合式四种。虽然国内外鱼道建设了很多，但是真正成功的鱼道并不多见。国外学者对北美洲、欧洲、拉丁美洲、非洲、新西兰、亚洲等大坝的鱼类设施最常见的失败原因进行了总结分析，已建鱼道存在以下不足：
[0006] 由于鱼道的位置不好或因水道流量原因引起的过鱼设施入口处的水流不够等原因，过鱼设施缺乏吸引
力。
[0007] 过鱼设施的设计对于洄游季节的上、下游水位变化考虑不足，导致鱼道水量过小或过大，鱼道入口处水位降落幅度过大。其主要原因是在工程规划阶段，对于上、下游水位变化幅度或上、下游水位后续变化(由于
水坝的使用引起的变化，水坝下游河床侵蚀引起的水位变化等)等因素考虑不足。
[0008] 船闸是以保证
船舶顺利通过航道上集中水位落差的厢形水工
建筑物，是应用最广的一种通航建筑物，船闸具有大体积联通
水体，从而使其具有成为鱼类通道的可能性。
[0009] 通过光、声、气味等方式诱导鱼类进入鱼道或者船闸，这样具有船闸系统的水利大坝将有可能成为具有过鱼和通航双重作用的水工建筑物，这不仅可以解决未修建过鱼设施的水利枢纽中类坝问题，也可以为今后水利枢纽设计、建设和管理中解决过鱼设施修建占地大，布置困难，成本高，运营管理复杂等问题提供一种选择方法。
发明内容
[0010] 本发明根据
现有技术的不足公开了一种用于鱼群洄游诱导和监测的仿生鱼。本发明要解决的问题是提供一种智能机器仿生鱼，该仿生鱼具有光、声、气味释放系统，能够实现自由接近洄游鱼群并诱导和监测鱼群洄游路线，实现鱼群的生态自然洄游。
[0011] 本发明通过以下技术方案实现：
[0012] 用于鱼群洄游诱导和监测的仿生鱼，仿生鱼外部结构模拟鱼形，其特征在于：所述模拟鱼形结构中集成设置动力模
块、识别模块、通讯模块和诱鱼驱鱼模块；
[0013] 所述动力模块采用独立动力控制设计，设置三部分动力系统，分别是两组胸鳍动力系统、一组尾鳍动力系统和一组背鳍系统；各动力系统由各自独立的微型
电机与传动装置组成；
[0014] 识别模块包括红外避障系统和信息识别系统；红外避障系统由布置于模拟鱼形各部表面的红外
传感器构成；信息识别系统由设置于模拟鱼形眼部的红外摄像头构成；通过红外传感器识别仿生鱼周围的环境、红外摄像头提取红外影像，传输至
数据处理中枢，通过红外图像融合技术，识别鱼群的种类，生成运动路线以及诱鱼方式；
[0015] 诱鱼驱鱼模块包括声音、灯光、气味三部分诱鱼系统；声音诱鱼系统由
声波发生器产生，根据不同鱼类产生不同
频率、大小的声波，诱导鱼群；灯光诱鱼系统由防水LED发光部件制成鱼鳞形状并布置于模拟鱼形表面构成，LED发光部件由
单片机控制根据鱼类设置不同
颜色；气味诱鱼系统由位于鱼腹后部的
电子诱鱼器构成，电子诱鱼器中装有饵料，在仿生鱼的游动过程中随水缓慢排出；
[0016] 通讯模块采用无线信息传送方式。
[0017] 本发明仿生鱼采用潜艇式的浮沉结构；通过电机控制
气缸活塞的移动，改变气缸内空气体积，实现仿生鱼的浮沉。
[0018] 本发明仿生鱼采用无线
太阳能充电桩技术，在预设洄游道间隔设置太阳能充电桩，设置无线充电端在仿生鱼洄游中暂停于充电桩实现充电。
[0019] 所述传动装置包括各级
齿轮，各齿轮之间相互
啮合，通过齿轮转动带动与各鱼鳍相连的摆杆左右滑动，分别实现尾鳍、胸鳍的运动，控制仿生鱼的平衡、转向、前进。
[0020] 仿生鱼尾鳍上设置用于随着尾鳍的摆动、增强对鱼类的引诱的LED发光部件。
[0021] 本发明仿生鱼基于鱼类自身的形状，使鱼类的受惊吓程度大大降低，并且该种方式下的洄游检测对鱼类本身的伤害降低。
[0022] 本发明采用独立控
制动力模块设计，共设置三部分动力系统，分别是两组胸鳍动力模块、一组尾鳍动力模块和一组背鳍。各动力模块由各自独立的微型电机与传动装置组成。各齿轮之间相互啮合，齿轮转动时，带动与各鱼鳍相连的摆杆左右滑动，分别实现尾鳍、胸鳍的运动，以此来控制仿生鱼的平衡、转向、前进。
[0023] 本发明采用红外避障技术和信息识别技术。红外避障传感器识别仿生鱼周围的环境，红外摄像头提取红外影像。图像生成后传输至数据处理中枢，通过红外图像融合技术，识别鱼群的种类，生成运动路线以及诱鱼方式。
[0024] 本发明利用多重诱鱼因素诱导鱼类。诱鱼模块包括声音、灯光、气味三部分。声音由声波发生器产生，可根据不同鱼类产生不同频率、大小的声波，由此来诱导鱼群的靠近。灯光由具有良好防水功效的LED发光部件产生，可变化不同颜色。仿生鱼鱼身采用LED发光部件包裹，在单片机的控制下能够变换特定的颜色，模仿鱼类以实现变色诱导鱼的目的。嵌于尾鳍内的LED发光部件，随着尾鳍的摆动，增强对鱼类的引诱作用。电子诱鱼器中装有饵料，位于鱼腹后部，能在仿生鱼的游动过程中随水缓慢排出，以达到诱鱼的效果。
[0025] 本发明采用远程信息传导技术。通过鱼类本身存在的通讯模块，将识别到的信息传输到远程
数据处理系统，最后由远程数据处理系统指导仿生鱼运动，即局域网传输到广域网再传输回局域网的过程。解决了信息远距离传输困难的问题。
[0026] 本发明采用太阳能充电桩技术。通过已知仿生鱼的功率计算，计算出在自身能耗降低到一定标准时所游动的距离。每间隔该距离设置太阳能充电桩，解决了仿生鱼
能量低可用时间短的问题。
[0027] 本发明采用潜艇式的浮沉设计。通过电机控制气缸内活塞的移动，改变气缸内空气的多少，实现仿生鱼的浮沉。
附图说明
[0028] 图1是本发明仿生鱼主体布置示意图。
[0029] 图2是本发明图1中局部A状态示意图。
[0030] 图3是本发明仿生鱼骨架结构示意图。
[0031] 图4是本发明仿生鱼动力传动布置示意图。
[0032] 图5是本发明红外传感器布置示意图。
[0035] 图8是本发明LED彩灯组Proteus仿真图。
[0036] 图中，1是仿生鱼主体，2是背鳍，3是尾鳍，4是胸鳍，5是腹鳍，6 是臀鳍，7是红外摄像头，8是声波发生器，9是动力与信息模块，10是胸鳍
驱动器，11是尾鳍驱动器，12是活动骨节，13是骨架，14是前部红外传感器，15是右侧红外传感器，16是顶部红外传感器，17是后部红外传感器，18是底部红外传感器，19是左侧红外传感器。
具体实施方式
[0037] 下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
[0038] 结合附图。
[0039] 如图所示，图1是本发明仿生鱼主体部分示意图，展示出了仿生鱼的整体内部结构。图2是图1局部A彩灯示意图，展示了
LED灯在单片机的指导下的部分细节，图中以黑白鳞片表示，实际应用中可以根据鱼的不同特点进行更换或改变。图3是本发明仿生鱼骨架结构示意图，为可活动万向关节结构。图4是本发明仿生鱼动力传动布置示意图，本发明仿生鱼模拟鱼类的移动方式，采用尾鳍摆动和胸鳍游动的运动结构。图5是浮沉模块示意图，展示出了仿生鱼的浮沉模块的具体运作方式示意图。图6是本发明仿生鱼红外传感器布置示意图，展示了仿生鱼的红外避障系统的具体排布。
[0040] 本发明仿生鱼包括动力模块、识别模块、通讯模块、诱鱼模块四个模块。动力模块包含尾鳍、背鳍、胸鳍。如图4所示，三个部分由各自独立的微型电机与传动装置组成。各齿轮之间相互啮合，齿轮转动时，带动与各鱼鳍相连的摆杆左右滑动，分别实现尾鳍、胸鳍的运动，以此来控制仿生鱼的平衡、转向、前进。识别模块由红外避障传感器与红外摄像头组成，如图1所示。仿生鱼红外避障系统的组成图如图5所示。通讯模块基于无线数据传输模块进行
信号传输。诱鱼模块主要用于鱼群的诱导。诱鱼模块包括声音、灯光、气味三部分。
[0041] 当仿生鱼进入水中时，如图7所示，利用三个电机协调摆动来拟合鱼体运动的身体
波动。其游、动控制
算法由速度方向控制。
舵机带动两个胸鳍划水，兼具保持平衡、前进和转弯的作用；直流电机带动尾鳍左右摆动，为仿生机器鱼提供前进的动力。利用电机控制活塞运动，改变气缸内气压，从而控制鱼体上浮和下沉。当鱼下潜时，活塞会右移，气缸空间变小，气压变大，以抵消水压的作用。当鱼上浮时，水压变小，活塞左移放松，气缸空间变大，气压变小。另外，还可通过改变胸鳍的摆动
角度来辅助实现机器鱼的上浮、下潜。上浮时，机器鱼的鱼鳍向下压；下潜时，机器鱼的鱼鳍向上扬。红外避障传感器识别仿生鱼周围的环境，如图6所示，红外摄像头作为视觉系统将水域内的全局图像传给决策主机，通过红外图像融合技术，决策主机对采集到的图像进行
图像处理，识别鱼群的种类以及仿生鱼的位置和方向然后根据远程控制端给出的控制命令启用控制算法，，生成运动路线以及诱鱼方式。根据不同鱼类，声波发生器产生不同频率、大小的声波；如图8所示，单片机控制嵌于仿生鱼鱼身和尾鳍内具有良好防水功效的LED彩灯变换不同的颜色；同时，位于鱼腹后部电子诱鱼器中的饵料在仿生鱼的游动过程中随水缓慢排出。如此，声、光、色三者结合诱鱼。此时，仿生鱼与远程客户端采用异步通信方式，将实时的环境、行为信息发送给客户端，
服务器接到指令后运行本地的仿生鱼的控制程序，将行为指令输入算法模块当中，得到仿生鱼的动作控制指令，通过本地服务器的串口采用无限通讯发送给仿生鱼，使其进行
指定轨迹游动。摄像头实时采集仿生鱼的游动图像，本地服务器再将采集的图像进行处理，提取仿生鱼的位置坐标、运动方向和目标点的坐标绘制成图通过网络发送给客户端。最终完成洄游路线的绘制。
[0042] 在鱼类洄游期，大量洄游鱼类聚集在下游，常常由于大坝的阻挡无法洄游。此时，向水中投放本发明仿生鱼装置。
[0043] 本发明仿生鱼主体被放入水中以后，红外摄像头以及红外避障系统对周围的环境进行分析以及对鱼类的识别，将信息通过通讯模块传输至远程数据处理中枢处理。处理中枢分析的得到的信息，并做出相应的指令，再传输会通讯模块，指导仿生鱼主体的相应变化。
[0044] 通过传回通讯模块的信息，指导仿生鱼主体的运动。将运动指令传输到动力模块的每一部分，背鳍主要是保持鱼体的本身平衡，尾鳍主要提供鱼体前进的动力，尾鳍配合胸鳍到达转向的目的。
[0045] 通过传回通讯模块的信息，指导控制LED发光部件颜色排布单片机，使得仿生鱼主体变得与周围鱼群相似的颜色，到达混入其中的目的。
[0046] 通过传回通讯模块的信息，控制电子诱鱼器与声波发生器的使用，在多重方式共同作用下到达诱鱼的目的。
[0047] 通过通讯模块中的GPS
定位系统，可以将仿生鱼主体的移动路径记录下来，再传输到远程终端处理系统储存，实现对洄游数据的保存。
