违规排污口侦测机器鱼的研究与设计

摘要

环境污染威胁人类的生存及可持续发展，但是不少企业仍然为节省废水处理经费，把不合排放标准的污水进行偷排处理，而各地政府以目前的技术难以发现这些偷排行为。为解决这些违规排污口的侦测和定位的问题，论文使用机器鱼对污染物质进行检测分析，并最终把违规排污口的位置检测出来。
　　 仿生机器鱼最大的特点是能量的利用效率高，能最大程度地把电能转换为机器鱼的动能，其推进方式非常适合小型水下机器人的使用。故论文在研究机器鱼的基础上结合污染物的扩散模型对违规排污口的定位方法进行研究。通过对机器鱼的运动学进行研究分析，总结出鱼类的多种游动方式并找出了游动效率最高的鲹科加新月形尾鳍推进模式，对该游动模式进行研究分析总结出如何制作出一个高效率的仿生机器鱼。通过对污染物的扩散模型的研究分析，提出一种基于机器鱼的违规排污口定位方法并使用模拟装置对该方法进行了实验验证。鉴于机器鱼工作在水下环境，对其安全、方便地提供电能使较为困难的，论文提出使用无线充电方式对机器鱼进行充电，当机器鱼自动移动到充电位置后，能进行自动充电。在分析机器鱼的工作环境后，提出一种可变距离的水下无线充电方法，并制作出实验装置进行实验验证了方法及装置的正确性。通过对违规排污侦测机器鱼工作过程中所需的功能进行分析，根据分析结果对机器鱼的机械机构及内部控制电路结构进行设计，并制作出能够用于侦测违规排污口的机器鱼，使用该机器鱼结合违规排污口的追踪定位方法对排污口进行侦测，通过对机器鱼和追踪算法进行的实际测试，表明设计以及控制方法的正确性。
　　 通过对违规排污口侦测机器鱼的研究，论文中提出一种新的违规排污口侦测方法，该方法实时性强，能全天候对河道的水质情况进行检测，发现污染后能及时发布预警信息，而且能根据污染物对违规排污口进行准确定位。机器鱼的无线充电技术为机器鱼方便、稳定可靠地提供电能，使机器鱼真正做到全自动化运行，大大提高机器鱼的智能化程度。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 现有污染源定位策略

1．3 现有无线充电技术

1．4 本文研究的主要内容

第二章 机器鱼的运动学研究

2．1 鱼类运动方式研究

2．2 鲹科加新月形尾鳍模式分析

2．2．1 鱼体游动波形分析

2．2．2 尾鳍对运动的影响

2．3 鱼的沉浮方式研究

2．4 机器鱼的转弯方式

2．5 本章小结

第三章 污染扩散模型分析与污染源定位方法研究

3．1 污染物在河道中的运动特征

3．2 污染扩散模型分析

3．2．1 一维河道污染扩散模型

3．2．2 二维河道污染扩散模型

3．3 违规排污口定位方法

3．3．1 排污口搜索策略

3．3．2 违规排污口位置一维污染浓度扩散模型推算方法

3．3．3 违规排污口搜索算法

3．4 仿真及实验分析

3．4．1 仿真分析

3．4．2 实验分析

3．5 本章小结

第四章 基于机器鱼的无线充电技术研究与设计

4．1 无线充电简介

4．2 无线充电装置的设计

4．2．1 机器鱼无线充电装置的总体结构

4．2．2 机器鱼无线充电装置的电气结构

4．2．3 线圈形式设计

4．2．4 线圈电感量计算

4．2．5 补偿电路的拓扑结构

4．3 无线充电效率分析

4．4 无线充电系统的控制

4．4．1 线圈间距离变化对无线充电系统的影响

4．4．2 无线充电系统工作频率控制

4．5 仿真与实验结果

4．5．1 线圈设计仿真

4．5．2 实验结果分析

4．6 本章小结

第五章 机器鱼系统设计

5．1 机器鱼的总体规划

5．2 机器鱼的机械结构设计

5．2．1 机器鱼尾部结构设计研究现状

5．2．2 仿生机器鱼尾结构设计

5．2．3 机器鱼沉浮系统设计

5．3 机器鱼的电路系统

5．3．1 控制器的选用

5．3．2 惯性导航电路

5．3．3 水质传感器电路

5．3．4 平衡检测电路

5．3．5 机器鱼深度检测电路

5．3．6 水流感应传感器放大电路

5．3．7 无线通信电路

5．3．8 电源电路

5．4 软件系统设计

5．4．1 控制器主程序流程

5．4．2 机器鱼搜索策略程序设计

5．5 机器鱼的水下运动实验

5．5．1 机器鱼直线移动

5．5．2 机器鱼转向实验

5．5．3 机器鱼的沉浮实验

5．5．4 机器鱼的污染源定位实验

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

读研期间科研成果