一種用于水下檢測的仿生機(jī)器魚

何建輝 李志軍 湯明新* 趙江林 曾偉豪

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江524088）

隨著科學(xué)的發(fā)展，各行各業(yè)的工作逐漸開始被機(jī)器人所取代，水下作業(yè)也一樣。仿生機(jī)器魚也是作為水下機(jī)器人的一種，其體積相對一般水下機(jī)器較小，而且能夠自由地運動，耗能低，續(xù)航能力強(qiáng)，能夠與上位機(jī)實現(xiàn)通訊等優(yōu)點，能夠在水下實現(xiàn)探測、水環(huán)境檢測等功能[1]。對于仿生機(jī)器魚的運動控制，由于水下環(huán)境具有復(fù)雜以及液體的擾動等原因，實現(xiàn)仿生魚的自由運動控制也是相對復(fù)雜的。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，在巡游魚體前身部位始終產(chǎn)生一定的阻力，魚身的中后部也可以產(chǎn)生少量的推力，但是尾鰭部分始終產(chǎn)生相對較大的推力。[2]仿生魚的運動激振源如果靠近仿生魚的尾部，其游動的效果會越好，也滿足一般魚類的游動特性。[3]因此，在魚的尾部，我們設(shè)計為多節(jié)舵機(jī)組合型結(jié)構(gòu)，通過舵機(jī)的聯(lián)合擺動，實現(xiàn)仿生魚的正常行走以及轉(zhuǎn)彎。通過與重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相配合來實現(xiàn)對仿生魚的上浮下潛。該仿生魚搭載著WIFI 模塊，用戶利用手機(jī)APP 或者電腦PC 端與該WIFI 模塊的局域網(wǎng)相連，就可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸以及控制。

1 仿生魚的主要功能實現(xiàn)分析

本發(fā)明主要用于實現(xiàn)水下探測、水環(huán)境檢測等功能，該功能主要是利用攝像頭模塊以及一些的水質(zhì)監(jiān)測傳感器配合實現(xiàn)。接該仿生魚搭載著WIFI 模塊，可以把相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)或者檢測數(shù)據(jù)傳輸給用戶，同時接收上位機(jī)的運動控制指令來完成相應(yīng)的運動。魚的相應(yīng)運動主要是利用魚尾、魚鰭與重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合來實現(xiàn)。仿生魚的胸鰭與尾鰭的擺動都是由舵機(jī)的轉(zhuǎn)動來提供扭矩來實現(xiàn)，而且舵機(jī)是控制仿生機(jī)器魚實現(xiàn)運動的工具，有利于提高其運動控制的穩(wěn)定性能[4]。

2 仿生魚的結(jié)構(gòu)組成及主要部件分析

2.1 仿生魚的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該仿生魚由魚頭、魚身、胸鰭、魚尾、尾鰭組成（如圖1 所示），魚的外殼利用進(jìn)口樹脂3D 打印而成。在魚頭部分搭載著避障傳感器、照明燈以及攝像頭模塊等，其他電子元器件以及供電元件裝在密封室。而魚尾部分則使用了多節(jié)舵機(jī)組合機(jī)構(gòu)，它與上浮下潛機(jī)構(gòu)、胸鰭相結(jié)合，完成仿生魚的各種類型的運動。而魚尾部分則使用了柔性材料，使魚尾在水下游動的過程中，一方面減少擺動的阻力，使其運動具有類似于魚類一樣的連貫性。

圖1

2.2 主要運動部件分析

2.2.1 尾部結(jié)構(gòu)分析

尾部的動力由三個舵機(jī)來提供（如圖2 所示），通過與三節(jié)魚尾和轉(zhuǎn)動軸和軸承相互配合，給仿生魚尾的擺動添加了一個自由度。一號舵機(jī)給回轉(zhuǎn)軸提供回轉(zhuǎn)動力，使得魚尾按照設(shè)計者的給出的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動，二三號舵機(jī)則使魚尾提供擺動的動力，相互結(jié)合使得仿生魚在空間上能夠?qū)崿F(xiàn)多方向的自由運動。

圖2

2.2.2 重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分析

該重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)利用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3 所示），利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)動輸出提供轉(zhuǎn)動的扭矩，使得擺桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動，在平行導(dǎo)軌的作用下，使中間的重塊在仿生魚的內(nèi)部實現(xiàn)來回移動，從而改變重心的位置，該重物用黃銅制作，其它位置的固定架用不銹鋼來定制，在一定程度上，在保證該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性之外，防止其在水下出現(xiàn)腐蝕速度過快的現(xiàn)象。該結(jié)構(gòu)與尾部結(jié)構(gòu)的運動相互配合，實現(xiàn)魚的上浮下潛。

圖3

3 控制端的設(shè)計

3.1 仿生魚控制檢測系統(tǒng)的組成

該仿生魚的控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能，其中包括定位、水下探測、水環(huán)境檢測、自動避障等功能。控制系統(tǒng)以stm32f407單片機(jī)為核心，實現(xiàn)運動控制，對傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并傳輸以及數(shù)據(jù)篩選等功能。在正常運行中，利用姿態(tài)傳感器，實時檢測仿生魚的狀態(tài)信息，一方面可以檢測仿生魚是否出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，其次可以檢測仿生魚目前的運動是否與控制要求的運動相一致。避障傳感器利用紅外傳感器，該避障功能可以防止仿生魚在自動巡航的過程中與障礙物相撞。該舵機(jī)控制板主要用來控制胸鰭和尾鰭舵機(jī)的聯(lián)合運動，實現(xiàn)魚的正常運動。

3.2 運動控制的實現(xiàn)

對于魚的運動控制，本論文則利用仿生魚搭載的WIFI 模塊利用WIFI 通信來接收上位機(jī)發(fā)送的運動控制指令，經(jīng)過CPU 算法處理，把這些數(shù)據(jù)指令發(fā)送給舵機(jī)控制板，從而實現(xiàn)對胸鰭以及尾鰭部分舵機(jī)的組合運動。同時，該仿生魚在自動續(xù)航的過程中，利用姿態(tài)傳感器以及紅外傳感器來實現(xiàn)對運動方式的轉(zhuǎn)變以及運動方向的更換，同時保證仿生魚的姿態(tài)平衡，并實現(xiàn)水下避障等功能。

3.3 水環(huán)境檢測的實現(xiàn)

該仿生魚在魚頭部分安裝了攝像頭以及探測燈，而本論文使用了WIFI 攝像頭模塊，攝像頭收集的實時視頻可以通過WFI 模塊經(jīng)過WIFI 通信直接傳輸給上位機(jī)，在一定程度上減少STM32 的運行任務(wù)量，從而提高CPU 的處理速度。對于水環(huán)境的檢測，我們利用了渾濁度傳感器、溫度傳感器、含氧量傳感器以及PH 傳感器等來檢測水環(huán)境污染標(biāo)準(zhǔn)的一些參數(shù)值，這些傳感器收集的數(shù)據(jù)在STM32 中經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過WIFI 模塊把這些數(shù)據(jù)直接傳輸給上位機(jī)（如圖6 所示），讓用戶直接觀看。

圖4

4 結(jié)論

4.1 本論文研究了一種能實現(xiàn)水環(huán)境檢測以及監(jiān)測的仿生魚，面對水下作業(yè)存在的問題提供了一定的解決方案，從而減少水下作業(yè)的勞動成本，而且本發(fā)明對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展也也有重要的意義。[5]

4.2 該仿生魚結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)運動方面設(shè)計了多節(jié)舵機(jī)組合型的魚尾，通過與中心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與胸鰭的結(jié)合，從而保證魚的正常運動，達(dá)到了與正常魚的運動方式相一致的設(shè)計，也同時豐富了仿生學(xué)相應(yīng)的研究內(nèi)容。

4.3 在運動控制方面，在人工控制的前提下，添加了姿態(tài)傳感器以及避障傳感器，保證仿生魚在水下運動的穩(wěn)定性，同時防止與障礙物相碰，在一定程度上，提高了該產(chǎn)品的耐用性。