水中機器魚的實現及應用

高俊文++楊東柯++韋金玲++陽盛德++楊成慧++馬小琴

本文在2016 年西北民族大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目背景下，制作一個自主研發的具有創新設計的水中機器魚系統。設計目的：隨著科學技術的發展對各種資源的開發力度逐年加強，保護海洋資源，為持續發展提供足夠保障，仿真類機器人是在既不破壞自然環境和諧，又能夠協助人類觀察和監控自然的有效方式。本文討論的水中機器魚為水下探索提供一個平臺，有效實現各類水下傳感器的靈活安裝拆卸，使其在一個穩定的系統上運行。魚體采用鲹科模式，靈動性和高效性較好，主要包括K60芯片的控制核心、電源管理單元、舵機控制單元、傳感器、串口通信模塊等。

【關鍵詞】機器魚 分段設計 升潛控制 鲹科模式 水下

近年來隨著科學技術發展和對水體資源利用的重視，水下機器人承擔越來越重的作用。由于水下工作和陸地上不一樣，導致僅依靠人力難以有效進行開發利用，需要依靠機器人的幫助來實現。本文討論的機器魚是仿真型機器人，主要目的是用于對環境的探查和檢測。機器魚采用鲹科模式，即類似于鯉魚等鲹科的魚類運動的方式，通過尾部的擺動提供前進的動力，通過胸鰭的角度調整實現在水下平穩運動。采用仿真機器人對大自然的探索，既不影響大自然的魅力，也體現了人與自然的和諧相處。機器魚主要作為一個平臺，具有較強的安裝和拆卸傳感器的能力，安裝配套的傳感器，可以提高其使用的范圍。

1 機械結構設計

魚頭使用透明亞力克半球罩安裝攝像頭、光電開關等傳感器，通過中空膠管與魚體中間主控部分連接。魚體中間部分由直徑8厘米的亞克力管切割而成，主要安放控制電路、電池和兩個舵機（控制胸鰭）。魚尾動力結構類似于機器臂，由三個金屬舵機組組成，外部由亞克力骨架支撐，包覆彈性橡膠皮。

外部滿足流體力學優化效果，整體呈現流線型，在水下能夠很好的減少阻力，提高運行效率。各個部分的連接使用彈性電子密封膠完成，保證在水下的防水性，為電子器件提供良好環境。如圖1所示。

2 主要硬件介紹

2.1 電源

由5500MAH的3S鋰電池供電，利用三個穩壓電路為各個元件提供電源。調壓芯片：LM2941S（12V可調壓），LM2940（5V穩壓），SPX1117（3.3V穩壓） 。

2.2 舵機

35公斤金屬舵機，空載下能夠實現0.11秒旋轉60度。

19公斤防水舵機，空載下能夠實現0.10秒旋轉60度。

2.3 陀螺儀、加速度、磁力計傳感器

使用GY953模塊，該模塊綜合了陀螺儀、加速度、磁力計可以直接輸出歐拉角，也可以對原始數據輸出。內置STM32芯片進行卡爾曼濾波處理數據，與外部使用IIC和串口協議進行通訊，串口通訊能達到100HZ的速度，能夠滿足主控對數據接收的要求。

2.4 主控芯片

使用K60系列芯片，外圍模塊豐富，處理速度極快，能夠有效的擴展傳感器的使用，極大的豐富了軟件控制的能力和數據處理能力。

K60最小系統板，各個模塊接口連接如圖2所示。

3 軟件思路和功能實現

3.1 運動原理

水中機器魚的外形是模仿鲹科魚的造型，整個魚體呈現流線型。所有的控制和轉向使用五個舵機，用于提供驅動力和轉向力。基本運動包括：直行、上升、下潛、左轉、右轉。三個舵機控制尾部，通過模仿魚S形的擺動，提供前進的動力和轉彎時候的偏向力；兩個舵機控制胸鰭，通過上下擺動角度的改變來控制機器魚的水平平衡和上下潛的姿態調整。

3.2 控制方式

基本運動通過k60主控編程控制舵機，通過GY953傳感器進行姿態檢測反饋到K60主控，根據反饋控制舵機角度進行調整，保持水中機器魚在水下平穩運動。

自主控制：編程設計預設路線，通過運動過程中GPS位置定位比較，或者使用光電傳感器檢測水域邊緣和水中障礙物，實現自動避障，實現較大水域的自動巡游。

遙控控制：通過無線串口與k60芯片通訊，進入遙控模式，在保持基本運動方式不變的情況下，機器魚跳出自主路線，通過遙控器實現遙控。

3.3 編程思路（程序流圖如圖3）

首先估算舵機在擺動時會對機器魚的各個方向會產生多大的力。尾部易產生水平偏移的力，導致主體部分左右搖擺而并非筆直前進，同時產生一定的傾斜力造成游動時左右傾斜。兩個胸鰭單獨控制能在垂直方向和傾斜角度有力的影響。所以利用相互作用力進行一定的抵消。尾部的三個舵機相互間可以一定程度抵消水平力，兩個胸鰭可以抵消尾部帶來的傾斜力。然后將計算的舵機角度編程寫入主控中，但是由于估算過程和實際不可能完全一致，而且在速度不一樣的時候，受力肯定也是不一樣的。所以通過GY953進行姿態解算，根據實際情況反饋到主控再進行舵機角度調整。

自主巡游過程中使用簡單的路徑規劃方案。對于小湖小河，設定多次90度角轉，最前方的光電傳感器檢測到障礙或者岸邊時就轉90度，行進半米后再向剛才同樣方向再轉90度，呈現出類似走“方波”效果。在實現需求次數的往復巡游后又以相反方式繼續，如此重復，實現全面“巡邏”。而對于大面積水域，利用GPS定位，以下水點作中心，在水域上模擬出一個閉合邊界在“觸碰”邊界時進行90度角轉。

4 總結

（a）本文討論的水中機器魚實物已經能夠實現其基本功能，但運動穩定性還有待提高，可以通過繼續調試，來提高其各個參數的準確度。

（b）利用仿真機器人對于大自然的探測是科學技術的進步，也是人與自然的和諧相處的體現，希望本文討論的水中機器魚為自然探索提供一個良好的啟發。

參考文獻

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作者單位

西北民族大學電氣工程學院 甘肅省蘭州市730124