基于微舵機控制的仿生魚設計與實驗分析

盧亞平，宋天麟，章月婷

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

基于微舵機控制的仿生魚設計與實驗分析

盧亞平，宋天麟，章月婷

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

設計了微舵機控制的仿生魚，結合魚胸鰭和魚尾鰭的配合動作，完成一系列的游弋動作。其中根據魚類“波動推進理論”的游動機理，實現仿生魚的前進、轉彎運動；根據魚類“胸鰭法理論”實現上浮、下潛運動；提出加減速游動方案，通過修改X值的方法，實現仿生魚的加減速游。組裝并進行水上模擬實驗和水下實際實驗，調試仿生魚的各動作協調性，分析仿生魚在水中的靜態平衡和動態平衡問題。

微舵機；仿生魚；波動推進理論；胸鰭法

0 引言

隨著仿生魚技術發展的成熟和社會關注度的提高，仿生魚逐漸成為機器人研究的重點，目前科學家們研制出了許多高效率、高機動性和高娛樂性的水下仿生魚，吸引著越來越多的研究者的興趣。如：2002年日本成功利用高分子材料(人造肌肉)研制了一種仿生魚，這種仿生魚全長6.7 cm;2003年日本三菱重工業公司推出的金色鯉魚外形機器魚在東京展出供人觀賞，這種機器魚外形與真魚一樣，完全可以迷惑人們的眼睛。

目前，國內外設計的仿生魚主要由直流電機或步進電機通過一定的傳動機構實現魚尾部的相關運動，或利用人造肌肉或電磁線圈的方法來實現仿生魚尾部的運動。很少使用微型舵機的方法驅動魚尾部的運動，實現仿生魚的水中游弋，更沒有使用微型舵機直接連接胸鰭，通過胸鰭舵機的擺動實現仿生魚的上浮下潛。同時國內外設計的仿生魚并沒有充分利用仿生魚的胸鰭和尾鰭的協調運動來實現仿生魚的水中游弋，也沒有豐富魚類急游、慢游、轉彎、下潛上浮的游姿[1-2]。

1 仿生魚機械結構設計

本文通過研究分析不同魚類的推進方法和游動姿態，設計了一條基于微舵機控制的仿生魚。仿生魚的機械結構由魚頭、魚身、魚尾和一對胸稽組成。魚頭安放控制模塊(仿生魚的大腦)，魚身部分安放電池(仿生魚的動力源)。通過4個微舵機連接形成多自由度的機構，其中2個微舵機置于仿生魚的尾部,通過舵機的擺動來實現急游、慢游，另2個舵機置于仿生魚的鰓部和胸鰭，通過舵機的擺動來實現下潛、上浮。通過不同的游泳姿態組合，達到豐富人們視覺的效果[3]。設計結構如圖1所示。

圖1 仿生魚機械結構設計

2 仿生魚控制設計

仿生魚右、左轉彎動作控制方法：必須使得尾部產生一個單方向的轉矩，在轉矩的作用下實現魚體轉角。通過編程控制兩尾部舵機，魚尾前舵機偏置一定角度并保持，同時魚尾后舵機以45°快速往復擺動。即,通過魚尾前舵機的轉向，再配合魚尾后舵機45°角的擺動產生推力實現轉彎。

仿生魚加速、減速控制方法：通過MCU編程設置定時器中斷(T0/T1)來控制兩尾部舵機PWM波形占空比的變化速度，實現控制舵機往復擺動的頻率，即改變舵機轉動一定角度所需時間。時間短，魚尾部來回擺動完成角度的速度加快，就會產生較大的前進推力，使得仿生魚能以較快的速度前行；時間長，魚尾部來回擺動完成角度的速度變慢，產生較小的前進推力，使得仿生魚前進速度較慢[4]。

舵機的PWM波是一個周期為20 ms，且其脈寬在0.5 ms～2.5 ms之間變化的方波。T1定時中斷設定為20 ms，T0定時中斷設定為0.01 ms，根據脈沖變化范圍(0.5～2.5 ms)，此時可確定T0的定時中斷次數范圍為50～250。以50為起點，X為步長，從0.5 ms變化到2.5 ms的速度取決于X的大小，理論上當X=1時舵機要經過200次的20 ms脈沖周期才能從-90°擺動到90°，變化速度最慢。當X=10時舵機要經過20次的20 ms脈沖周期才能從-90°擺動到90°，速度較快。由此為仿生魚的加減速游提供了很好的編程思路，X的大小決定了舵機的擺動速度[5]。舵機擺動速度與X的關系如圖2所示。

圖2 舵機擺動速度與X的關系

仿生魚上浮、下潛控制方法：仿生魚的前部安裝一對具有轉動自由的胸鰭，在游動過程中，通過改變胸鰭的姿態，利用水流對胸鰭產生的升力或壓力實現上浮下潛。當控制系統驅動兩臺胸鰭舵機轉動時，若帶動胸鰭的姿態傾斜向下，同時，兩尾部舵機加速擺動，提升游速，會使兩端胸鰭產生向下壓力，仿生魚下潛；當兩臺胸鰭舵機轉動使胸鰭姿態傾斜向上，同時，兩尾部舵機加速擺動，提升游速，會使兩端胸鰭產生向上升力，仿生魚則上浮；當胸鰭保持水平且仿生魚游速較低時，不產生升力或升力較小，仿生魚水平運動[6]。如圖3所示。

圖3 仿生魚下潛上浮動作示意圖

3 水上模擬實驗

水上模擬調試的首要任務是調整仿生魚運動軌跡，使其符合波動推進理論的基本要求。在開始調試時，需先校準各舵機角度的初始位置(0°)，通過編程調試各舵機的擺動，觀察舵機擺動的相對位置關系，及時更改舵機角度或有缺陷的程序指令，確定各舵機位置與前一位置間的角度變化量，完成一個周期內每個關節的擺動姿態，使仿生魚能夠完成規定的運動軌跡。魚體運動波形如圖4所示，分別給出了調試并修正后左右擺動的輪廓圖。可以看出魚體運動軌跡遵循擺幅逐漸放大的正弦行波規律[7]。

圖4 擺動周期內采樣的關節位置

圖5 仿生魚的快慢速擺動頻率

在調試過程中發現仿生魚體的運動頻率決定了魚體擺動的速度，即單位時間內魚體來回擺動的次數。擺動的次數越多，游速也越快。當舵機的供電電壓為固定值6 V時，通過改變X值的大小可實現仿生魚擺動頻率的調節。仿生魚的快慢速擺動頻率測試結果如圖5所示，慢速游動時的擺動頻率為0.8 Hz，快速游動時的擺動頻率為1.6 Hz，而魚類游弋時擺動頻率一般為0.5～2.5 Hz，仿生魚擺動頻率符合魚類的游動要求。可見通過編程便能實現對仿生魚的多級調速。當然在慢速游和快速游狀態中都各需要一個合適的X值，必要時還可通過同時改變魚尾擺動幅度和X值，以達到仿生魚的加減速游動[8]。

此設計方案中，魚體的幾何特征、重心等對速度均有影響，它們影響仿生魚在游動時的剛性問題。魚體的幾何特征涉及魚尾的關節數、尾部長度占總長度的比例，而重心的布局致關重要。通過各參數的調整能夠更好地完善波動推進理論[9]。

4 水下實際實驗

仿生魚下水前先在魚身的底部加裝配重，在配重的垂直重力影響下使仿生魚在水中保持平衡，魚體不側翻。水下實際調試過程用相機拍攝視頻，通過截拍得到大量仿生魚水下運動圖像。仿生魚水面游弋實拍圖如圖6所示，通過這些圖像進行仿生魚水下運動的特征分析。在調試過程中得到大量漩渦形成和演變的連續圖像，尾鰭拍動產生了一系列漩渦序列，漩渦是在尾鰭前緣卷起生成的，并在每次反向拍動時脫落，一個周期形成一對旋向相反的漩渦。并且發現魚尾鰭在波動推進時主要是漩渦在起作用，在尾鰭的拍動中，水面卷起很強的錐形渦，并穩定地附著在尾鰭表面，形成很大的推進力。

圖6 仿生魚水面游弋實拍圖

調試過程中發現，仿生魚的航向穩定性與魚尾的擺動頻率有關，即仿生魚的剛性問題受到推進速度的影響。在調試過程中，用相機進行記錄，顯示出在仿生魚尾部不同的擺動頻率下，魚頭的擺動幅度受到影響，擺動頻率越大，仿生魚的航向跟隨性就越差，推進效率也越差。在不同頻率下魚頭擺動曲線各不一樣。魚頭的橫向晃動幅度，即魚的剛性問題。當魚體擺動頻率較低時(0.8 Hz)，魚頭擺動曲線變化平緩，此時剛性最好。當魚體擺動頻率較高時(1.6 Hz)，魚頭擺動曲線出現比較劇烈的超調，此時剛性最差。可見仿生魚在低速游動時，擺動頻率低，魚頭剛性好，推進效率高;而在高速游動時，擺動頻率高，魚頭剛性差，推進效率受到很大影響。

本文對高速運動時剛性差的問題提出解決方案，通過減小魚尾在高速時的擺動幅度來彌補剛性差的缺陷。實驗測試證明，高速運動時減小魚尾擺動幅度和修改合適的X值，能得到較好的仿生魚剛性。

通過相機拍攝，同樣得到大量仿生魚的下潛動作圖，如圖7所示。下潛前胸鰭上翹，尾鰭加速擺動，水面激起漩渦，頭部開始下潛，當尾部也完全淹沒在水里后，水面漩渦消失。下潛完成后，仿生魚在水底進行波動推進，從測試結果來看，水底的波動推進效果更佳，主要原因是尾部完全沉浸在水里后，動能量損失最小，魚體受到的阻力也最小，仿生魚推進效果更完美。

圖7 仿生魚下潛動作實拍圖

仿生魚上浮動作過程與下潛動作一致。測試得到仿生魚在上浮過程中也有較好的實驗效果，依靠作用在胸鰭上的浮力，以及尾鰭的推動完成上浮測試，由于仿生魚在水底具有較高的推動效率，尾部擺出的旋渦反作用力能夠充分作用在尾鰭上，因此上浮比下潛更容易實現[10]。

5 結論

通過仿生魚機械結構、控制系統的設計，以及水上和水下兩階段的測試，實現仿生魚在水中轉彎、上浮下潛、加減速的游弋姿態。各姿態受到4個微舵機的協調控制，而各舵機的協調性受到X值的影響。通過修改X值可改變矩形波占空比的變化速度,提升魚尾部的推動力，改善仿生魚上浮下潛的效率。但是X值又影響著仿生魚的航向穩定性。由此在不同的游弋姿態中給出一個合適的X值，對仿生魚的仿生運動至關重要。

[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，2002，24(2):107-111．

[2] 梁建宏，王田苗，魏洪興，等．水下仿生機器魚的研究進展II—小型實驗機器魚的研制[J]．機器人，2002，24(3):234-238．

[3] 梁建宏，王田苗，魏洪興，等．水下仿生機器魚的研究進展III—水動力學實驗研究[J]．機器人，2002，24(4):304-308．

[4] 梁建宏，王田苗，魏洪興，等．水下仿生機器魚的研究進展IV—多仿生機器魚協調控制研究[J]．機器人，2002，24(5):413-417．

[5] 梁建宏，鄒丹，王松，等．SPC-II機器魚平臺及其自主航行實驗[J]．北京航空航天大學學報，2005，31(7):709-713．

[6] 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．

[7] 喻俊志，王碩，譚民．多仿生機器魚控制與協調[J]．機器人技術與應用，2003(3):27-35．[8] 喻俊志，陳爾奎，王碩，等．仿生機器魚研究的進展與分析[J]．控制理論與應用，2003，20(4):485-489．

[9] 劉軍考，陳在禮，陳維山，等．水下機器人新型仿魚鰭推進器[J]．機器人，2000，22(5):427-432．

[10] 劉軍考，陳維山，陳在禮．尾鰭的形狀與運動參數對推進速度的影響[J]．高技術通訊，2001，11(4):86-88．

Design and experimental analysis of bionic fish based on micro-servo control

Lu Yaping，Song Tianlin，Zhang Yueting

(Applied Technology College， Soochow University， Suzhou 215325， China)

In this paper, a bionic-fish controlled by micro-servo is designed. Combined with pectoral fin and tail fin movement, to complete a series of swimming action. According to the swimming mechanism of the "wave advance theory", the bionic fish’s forward and turn movement can be realized. According to fish "pectoral fin method" to realize the floating and sinking movement. Swimming program of adding and reducing speed is put forward, by modifying the X value, the acceleration and deceleration of bionic fish can be realized. Assembling the bionic fish and carrying out simulation experiments and underwater practical experiments, to debug the coordination of each action, and to analyze the static balance and dynamic balance of the fish in the water.

micro-servo; bionic-fish;wave propulsion theory;pectoral fins method

TH113

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.023

盧亞平，宋天麟，章月婷. 基于微舵機控制的仿生魚設計與實驗分析[J].微型機與應用，2017,36(1)：76-78，82.

2016-09-08)

盧亞平(1982-)，男，碩士，實驗師，主要研究方向: 自動控制、機器人。

宋天麟(1963-)，男，碩士，教授，碩士生導師，主要研究方向：機電一體化。

章月婷(1992-)，女，本科，主要研究方向：機電一體化。