基于舵機控制的仿生魚設計

盧亞平，宋天麟

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州215325)

仿生機器魚的提出有著深刻的意義，它具有效率高、機動性好、噪音低、對環境擾動小等優點。仿生機器魚可以作為一個載體，根據需要裝配相應的硬件，可在水面環境檢測、復雜環境中的水中作業、海底生物觀測、軍事偵察等方面發揮重大作用。當然，作為一個載體，必須完成基本的運動，那就是能夠自動避障。

1魚類推進理論

魚類行為學者的研究表明，大多數魚類把身體當作推進器，身體左右擺動擊水，利用其產生的反作用力使魚體向前推進，基于這種推進原理，學者們提出了所謂的“波動推進理論[1]”的魚類游動機理，該理論主要以魚的脊椎曲線為研究對象，魚體之所以能夠前進，是因為脊椎曲線帶動它所包絡的流體向后噴出，產生推力使魚向前，其游姿可以近似為正弦波，如圖1所示。

設脊椎曲線包絡的工作質質量為M1，軀體對地速度為VB，λ是波長，f為擺動頻率，工作質對地速度為 VW，由于魚體在水中的阻力與速度呈遞增關系，故在啟動瞬間，魚體受到的阻力可以忽略不計,因此根據動量守恒定理有公式(1)、(2)：

通過動量守恒推出魚類推進公式：

Y是一個小于1的系數，它表征了魚類的幾何特征、體重對速度的影響,稱之為動力特征系數，波動推進假設是建立在對脊椎曲線包絡的水的質量積分和動量定理之上。魚游動時使流體產生了分離，并且以漩渦的方式拋出尾部，漩渦的拋出速度和擺動頻率一致，在一個周期內，尾部產生一對旋向相反的漩渦，推動魚前進。由此根據波動推進理論，利用舵機設計一種三關節仿生魚，以實現仿生魚的前進和自由轉向。

2仿生魚結構設計

目前一般用于機器魚外形設計的仿生對象有金槍魚、梭子魚、鯉魚、鰻魚。這幾種魚或者具有極高的游動速度，或者具有優異的機動性能，或者具有絕佳的游動效率，它們都符合“波動推進理論”的運動模式，因而成為仿生魚模仿的典范。這些魚類的外形呈現為流線形,不僅從魚頭到魚尾的水流運動平穩，而且水動力學阻力也很小，顯示出這類外形具有良好的水動學性能。因而，這類流線形魚體成為機器魚外形設計的最佳選擇[2]。

設計的仿生魚的外形也是設計成流線形的魚體。它由魚頭、魚體、魚尾鰭三部分組成，魚體部分共有3個關節，每一個關節由一個伺服舵機控制，可以實現本段和前段的相對轉角位移。

魚頭采用直徑為120 mm×250 mm的塑料圓柱，考慮浮力平衡，為了保證材料浮動在水里，在普通車床上鉆了直徑為55 mm、孔深為100 mm的內孔，中心掏空以減輕重量。然后在加工中心平臺上加工弧線部分，在電腦上用UG軟件畫出魚頭的弧線圖形，并在兩邊掏孔，安裝傳感器，做為魚的眼睛。

魚體由3個舵機組成，舵機之間的連接采用L型架和U型架鋁材，它的質地較輕，強度較高。L型架與U型架之間使用軸承連接，有利于減小各個舵機轉軸所受的彎矩，使摩擦減小，轉動靈活[3]。

尾鰭設計是用鉛筆在塑料板上畫出所需要的魚尾形狀，再經過拋光等工藝完成尾鰭部分的加工。通過數控機床加工出舵機與尾鰭的連接部分。整體效果如圖2所示。

3仿生魚軟件設計

為了滿足設計要求，采用3個舵機設計了魚的三種姿態：前進、右轉彎、左轉彎。用傳感器的檢測信號來控制魚的姿態，當傳感器沒有接收到障礙物的信號時，3個動力元件（舵機）分別以不同的角度來回擺動，以實現完美的前進方式。一般靠近尾部舵機的擺動角度最大，其他逐漸減小。當檢測到信號時，尾部舵機來回擺動，其他兩個舵機在一個方向擺動一定角度后保持不變，以實現轉彎。無線發送接收模塊用來下達指令。整體電路圖如圖3所示。

標準的舵機有3條導線：電源線、地線和控制線，電源線和地線用于提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源，一般取5 V。控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系可用圖4來表示。

從上述舵機轉角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質是一個可變寬度的方波信號(PWM)。一般采用MCU作為控制器。目前采用單片機作為舵機控制器的方案比較多，現利用單片機提出另一種編程方法，利用T0T1定時器中斷來實現PWM。該方案將20 ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成。

上述已知 1.5 ms為中心位置，0.5 ms為-90°位置，2.5 ms為+90°位置，并且在此定義一個脈沖周期為20 ms。定時器T1定時20 ms，時間一到波形取反，T0定時器起到了脈寬調節功能，如圖5所示。

根據舵機的轉動角度可知PWM波形的波動范圍，最低是在 0.5 ms，最高是在 2.5 ms，同時存儲器最大為256 B，現定義最大的數字為250，則有公式(3)：

定時器 T1定時 20 ms，定時器 T0定時 0.01 ms，在存儲器R3單元中放入立即數50并與定時器T0中斷次數相比較，當定時器T0定時發生50次后即與R3相等，產生脈寬為0.5 ms，即為最小脈寬；當在R3單元中放入立即數250并與定時器T0中斷次數相比較，當定時器T0定時發生250次后即與R3相等，產生脈寬為2.5 ms，即為最大脈寬。

由此可知對存儲器R3不斷進行加1操作，方波的脈寬可以從0.5 ms變化到2.5 ms,然后對立即數進行減操作，方波的脈寬會減至0.5 ms，再進行不斷的循環，產生脈寬在0.5 ms～2.5 ms不斷變化的PWM信號。這樣就能控制舵機在-90°～90°之間變化。由此，給出3個不同的存儲器 R3、R4、R5來控制 3個舵機的轉角，讓 3個存儲器的數值模擬正弦變化，就能夠實現本文的波動推進理論。

同時采用E18-D80NK漫反射式光電傳感器作為魚的左右眼睛，分別來判斷障礙。當距離80 cm時就能檢測到障礙物，此時讓R3、R4轉動一定的角度，并且尾部舵機R5往復擺動，就能實現仿生魚的轉向。因此舵機在PWM控制下，由脈沖寬度的調節可實現舵機的前進和轉向，并可根據仿生魚的不同的運動狀態，來調用不同的子程序。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4仿生魚總調試和總結

在完成仿生魚裝配的基礎上對仿生魚運動進行調試。將魚體、控制電路板、供電電源整合在一起，并且在其表面裹上防水膠布，保證與水隔離。通過示波器觀察波形，調試過程中首先做到仿生魚運動軌跡基本符合要求，接下來進行微調。由于各個舵機絕對位置都有偏差，并且軟件定時不夠準確，因此就要根據實際情況更改脈沖值，直至仿生魚運動軌跡準確。

下水實驗時，實驗的第一點是靜態平衡實驗。由于魚體各個部位選用的材料不同，并受裝配電路板、舵機、電池等元件的影響，魚體的重心不易確定，因此把魚體放入水中，觀察后在適當部位進行配重，直至魚體靜止時在水中保持平衡。第二點就是動態平衡實驗，即魚體在運動時保持運動的穩定性。動態平衡首先受靜態平衡的影響，因此在保證靜態平衡的條件下盡量滿足動態平衡。另一調節動態平衡就是通過程序控制，包括魚體運動的頻率、幅度。實物效果圖如圖7所示。

通過反復進行調整裝配與調試，基本實現了仿生魚在水中的運動狀態。但目前還沒有解決仿生魚在游動過程中的加減速的問題，實際上根據魚類推進公式已經制定出了加減速方案。本項目是大學生創新項目，也是教師科研項目，該項目根據魚類的游動姿態，利用機電控制等對水下載體和作業裝備提供了新的設計思路。

[1]梁建宏，王田苗，魏洪興.水下仿生機器魚的研究進展I—魚類推進機理[J].機器人 ROBOT，2002，24(2)：107-111.

[2]梁建宏，王田苗，魏宏興.仿生機器魚技術研究進展及關鍵問題探討[J].機器人技術與應用，2003(3)：14-19.

[3]宋天麟，黃烈巖.仿生機器與系統設計研究[J].機械制造與自動化，2005，34(5)：82-83,87.

[4]駱涵秀，李世倫，朱捷.機電控制[M].杭州：浙江大學出版社，1994：31-63.