智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究

陳 凱，竇 路

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所，北京 100088）

隨著人類智能化科技的日益發(fā)展，陸上機(jī)器人及空中無人機(jī)技術(shù)已趨于成熟，但相關(guān)水下設(shè)備的研發(fā)仍處于落后狀態(tài)。載人深潛器不僅成本高，而且極具風(fēng)險(xiǎn)，因此，無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）開始成為海洋強(qiáng)國的研究熱點(diǎn)，遙控?zé)o人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）和自主式水下潛器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）被廣泛應(yīng)用于海洋經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和軍事等領(lǐng)域中。而在2013年以前，我國對(duì)于水下機(jī)器人的研發(fā)幾乎一片空白，國內(nèi)預(yù)計(jì)高達(dá)320億美元的市場(chǎng)需求主要依靠進(jìn)口。

1 水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及控制技術(shù)

魚類行為學(xué)家在研究過程中發(fā)現(xiàn)，大部分的魚類將自己的身體作為推進(jìn)器，依靠身體左右擺動(dòng)產(chǎn)生的反作用力，使自己向前游動(dòng)[1]。對(duì)于大部分ROV產(chǎn)品，以及部分AUV產(chǎn)品來說，則主要是依靠螺旋槳推進(jìn)，采用單套或多套無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)其在水中的浮潛及前后和水平移動(dòng)。這種推進(jìn)方式的優(yōu)勢(shì)在于移動(dòng)速度快，平均速度可達(dá)3kts以上。但是這種推進(jìn)方式也存在一定的問題：會(huì)對(duì)水中的魚類生存造成一定的影響；靠近水底工作時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋槳攪起水中的砂石，對(duì)推進(jìn)器本身也極易造成一定的傷害，同時(shí)，在水底工時(shí)也存在被水草等纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，這種推進(jìn)方式能耗較高，能量轉(zhuǎn)化率僅為30%左右。除無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳推進(jìn)方式外，部分AUV也采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，這種推進(jìn)方式雖然能量轉(zhuǎn)化率高，但其體積大、造價(jià)高，無法滿足便攜性的需求。

在控制方面，現(xiàn)階段，近海及內(nèi)河主要采用便攜式的水下機(jī)器人，以有纜控制的ROV為主。此種機(jī)器人受線纜所限，運(yùn)動(dòng)范圍小，靈活性不高，也不適用于復(fù)雜水域。

綜合現(xiàn)有小型水下機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)及控制等方面存在的問題，研發(fā)的智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇仿生技術(shù)，配合無纜自主操控，從而實(shí)現(xiàn)便攜及水下高效及無束縛的各種作業(yè)。

2 仿生魚類機(jī)器人構(gòu)型分析

2.1 魚類游動(dòng)分析

由魚類解剖學(xué)和形態(tài)學(xué)研究結(jié)果可知，自然界中根據(jù)魚類游動(dòng)所依靠的身體結(jié)構(gòu)及其游動(dòng)時(shí)前進(jìn)動(dòng)力產(chǎn)生原理分類，可分為身體/尾鰭（Body and/or Caudal Fin，BCF）推進(jìn)模式和中間鰭/對(duì)鰭（Median and/or Paired Fin，MPF）推進(jìn)模式兩類[2]。

BCF模式是目前國內(nèi)外科研人員研究的重點(diǎn)，該模式又可細(xì)分為Carangiform（通過尾鰭與尾部相連的身軀擺動(dòng)游動(dòng)，例如鮭魚）和Ostraciifrom（只通過尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生向前的推力，以熱帶魚為主）兩種。

2.2 仿生魚運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)分配分析

仿生魚屬于仿生類水下機(jī)器人，是通過模仿自然界中水生生物的游動(dòng)模式和推進(jìn)方式設(shè)計(jì)而成的水下作業(yè)機(jī)器人。

仿生魚在水下可以最大限度的提高能量轉(zhuǎn)化率及降低機(jī)械噪聲，較之傳統(tǒng)螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，仿生魚的能量轉(zhuǎn)化率從30%提高至80%，其續(xù)航能力強(qiáng)，也可避開聲吶等設(shè)備的追蹤。

根據(jù)上文分析可知，對(duì)應(yīng)三種類型的魚，仿生魚也可分為腹鰭驅(qū)動(dòng)型（圖1a）、多關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)型（圖1b）及單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)型（圖1c）三種。

圖1 仿生機(jī)器魚種類

其中，腹鰭驅(qū)動(dòng)型機(jī)器魚雖然運(yùn)動(dòng)最為靈活，在低速游動(dòng)時(shí)具有較高的推進(jìn)效率，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承載能力弱，現(xiàn)階段多用于實(shí)驗(yàn)室研究。

多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)也非常靈活，但其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)龐大，故其較難安裝浮潛機(jī)構(gòu)及可提供的承載空間相應(yīng)較小，同時(shí)耗能較高，多用于大型軍事類仿生設(shè)備。

單關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚相比前兩類靈活性有所下降，但仍可勝任河道及近海內(nèi)狹小空間巡游的任務(wù)。同時(shí)其具有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭載空間大，承載能力強(qiáng)，耗能低等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，為保證智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究工作的順利開展，結(jié)合日常工作環(huán)境及相關(guān)的需求分析，智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的研究選用單關(guān)節(jié)型仿生機(jī)器魚作為基礎(chǔ)平臺(tái)。

3 智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)智能化機(jī)器魚的要求：可以在水下保持穩(wěn)定姿態(tài)運(yùn)行；能夠抵御一定程度的風(fēng)浪；在水中具有較高的靈活性；可適應(yīng)我國內(nèi)陸95%的水域；可以通過GPS實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑，在水中智能化運(yùn)動(dòng)；可以更換搭載多種外設(shè)及不同類型的水質(zhì)傳感器，實(shí)現(xiàn)水中的三維檢測(cè)。

智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由主機(jī)艙、運(yùn)動(dòng)控制艙、電池艙及外設(shè)艙四部分組成（圖2）。

主機(jī)艙包括STM32主控芯片、壓力傳感器和IMU傳感器及攝像頭。主控板（圖3）除控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)外，還將處理壓力傳感器及IMU數(shù)據(jù)，基于PID控制算法，根據(jù)壓力傳感器和IMU數(shù)據(jù)反饋，保證機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)控制攝像頭進(jìn)行水下拍照或錄像。

運(yùn)動(dòng)控制艙主要包括調(diào)節(jié)俯仰姿態(tài)的重心調(diào)節(jié)裝置和魚尾運(yùn)動(dòng)齒輪箱。保證設(shè)備在水中的姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)浮潛及提供尾鰭擺動(dòng)的動(dòng)力。

電池艙主要包括鋰電池組與充電保護(hù)電路板。電池艙獨(dú)立給各個(gè)艙體供電，可避免機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)過程因供電電壓不穩(wěn)定對(duì)聲、磁傳感器造成干擾。

外設(shè)艙主要用于安裝采樣設(shè)備、水聲通信等小型外設(shè)，以此針對(duì)不同領(lǐng)域完成相應(yīng)的水中任務(wù)。同時(shí)，外設(shè)艙前端還配有三盞高亮度LED探照燈，為水下拍攝提供照明。

3.2 硬件系統(tǒng)

3.2.1 混合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）仿生高效驅(qū)動(dòng)。結(jié)合上述分析，考慮到智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際的工作環(huán)境及需求，選擇使用單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)。同時(shí)對(duì)“魚尾擺頻-驅(qū)動(dòng)效率”和“擺頻-游動(dòng)速度”兩項(xiàng)進(jìn)行分析，得出尾鰭的擺頻為1.5Hz時(shí)，在保證游速的前提下效率最高。對(duì)比魚類尾鰭擺頻均在1.0～2.5Hz之間，最終確定設(shè)備的平均擺頻為1.5Hz。考慮到水中阻力較大，故選擇大扭矩舵機(jī)配以減速箱驅(qū)動(dòng)魚尾，在提供較大扭矩的同時(shí)降低輸出的擺動(dòng)頻率以提高控制精度。

（2）螺旋槳輔助驅(qū)動(dòng)。針對(duì)設(shè)備可能會(huì)在水流速度較快的水域工作的情況，故在設(shè)備兩側(cè)各配有一臺(tái)無刷推進(jìn)器（圖4），在逆流行駛或需要較快游速時(shí)，代替魚尾產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，可在設(shè)備被異物纏繞后，提供一個(gè)瞬間爆發(fā)力，幫助設(shè)備有效脫困。

圖4 無刷推進(jìn)器

3.2.2 浮潛機(jī)構(gòu)

機(jī)器魚要在水下保持平衡，需保證其所受重力和浮力相等且重心和其浮心在同一鉛垂線上，因此，必須對(duì)其重力、重心、浮力、浮心進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果微調(diào)其運(yùn)動(dòng)控制艙中的重量塊的形狀，直至滿足重浮心要求。

當(dāng)需要下潛或上浮時(shí)，調(diào)節(jié)重心與浮心的相對(duì)位置，從而對(duì)設(shè)備在水中的俯仰角進(jìn)行微調(diào)，配合尾鰭驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在水中的浮潛運(yùn)動(dòng)。

3.2.3 防水設(shè)計(jì)

在機(jī)械防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，針對(duì)整體密封與整體開放局部密封技術(shù)優(yōu)劣性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比。最終采用了整體開放局部密封的設(shè)計(jì)思路，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用分艙模式。各個(gè)艙體按照功能劃分為上述的四個(gè)相互獨(dú)立的艙體。各艙體單獨(dú)密封，降低破損漏水后的損失，提高漏水后回收的成功率，易于后期維護(hù)。

3.2.4 擴(kuò)展接口

在主機(jī)艙中的主板上配有預(yù)留的執(zhí)行485通信協(xié)議的串口，并與主機(jī)艙下部的防水航插相連，可以搭載不同的使用485通信的水質(zhì)傳感器，例如：氨氮傳感器、水中油傳感器等，從而對(duì)巡游水域的水質(zhì)進(jìn)行三維立體檢測(cè)。

在運(yùn)動(dòng)艙下方還配有外設(shè)艙，通過兩個(gè)剛性連接點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制艙相連，允許搭載小于9kg的近似于圓柱形的外接設(shè)備，例如抽排水設(shè)備，可以在水下實(shí)現(xiàn)水樣采集。

3.3 軟件系統(tǒng)

（1）自主路徑規(guī)劃。智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配有GPS導(dǎo)航裝置及高精度IMU和壓力傳感器。在水面航行時(shí)（GPS天線露出水面），可以根據(jù)設(shè)備當(dāng)前GPS坐標(biāo)點(diǎn)和PC端設(shè)定的目標(biāo)位置自動(dòng)計(jì)算出航向和距離。在自主航行過程中，結(jié)合IMU數(shù)據(jù)反饋，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的偏航角，當(dāng)發(fā)現(xiàn)行駛軌跡與計(jì)算軌跡的偏差超過閾值時(shí)，便進(jìn)行航向的微調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精確自主航行，其定位精度可保證在5m以內(nèi)。

（2）姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。在機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)控制系統(tǒng)中，均加入了經(jīng)典PID閉環(huán)控制算法。根據(jù)IMU數(shù)據(jù)反饋，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的俯仰角和翻滾角。當(dāng)發(fā)現(xiàn)其姿態(tài)角超出了預(yù)設(shè)閾值時(shí)，便通過運(yùn)動(dòng)控制艙對(duì)其重心和浮心之間的相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)。這樣當(dāng)水下機(jī)器魚受到水流作用而傾斜時(shí)，就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩，使水下機(jī)器魚回到原來的平衡位置。

4 智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)

4.1 靈活性試驗(yàn)

靈活性試驗(yàn)主要是對(duì)設(shè)備的最小轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行分析。如圖5所示，在尾鰭停止擺動(dòng)，左右無刷推進(jìn)器反轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，已知設(shè)備總長約為600mm，即其最小轉(zhuǎn)向半徑為300mm。若使用尾鰭轉(zhuǎn)向時(shí)（圖6），其最小轉(zhuǎn)向半徑約為600mm。同時(shí)無刷倒轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)沿原路徑倒退返回。故基本可以滿足國內(nèi)河流及水下較小縫隙中的勘測(cè)任務(wù)。

圖5 無刷原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

圖6 尾鰭轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

4.2 自主路徑規(guī)劃試驗(yàn)

自主路徑規(guī)劃試驗(yàn)主要是針對(duì)設(shè)備的智能化進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，為設(shè)備發(fā)送目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值及深度后，設(shè)備可自主規(guī)劃路徑游至坐標(biāo)點(diǎn)，并螺旋下潛到達(dá)指定深度，執(zhí)行完規(guī)定動(dòng)作后上浮并自動(dòng)返回開機(jī)點(diǎn)。根據(jù)下潛和上浮點(diǎn)的位置判斷，其下潛后的工作點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的精度在5m以內(nèi)。

4.3 自救試驗(yàn)

自救試驗(yàn)主要是針對(duì)設(shè)備在低電量狀態(tài)下內(nèi)部電機(jī)失步后的自救程序的試驗(yàn)，該試驗(yàn)可以驗(yàn)證設(shè)備在規(guī)定海況中運(yùn)行時(shí)的安全性。試驗(yàn)過程中，模擬電機(jī)失步后異常下潛狀態(tài)，最終設(shè)備在多次異常下潛10s后均可自動(dòng)上浮，并獲取GPS坐標(biāo)后返回開機(jī)點(diǎn)。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過以上三項(xiàng)試驗(yàn)得出，設(shè)備在水中可以準(zhǔn)確完成自主路徑規(guī)劃及精確返航，在設(shè)備允許海況范圍內(nèi)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備姿態(tài)，保證水中運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)自救程序可以正常運(yùn)行，保證在異常情況下仍能安全返航。

5 結(jié)束語

研制的智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首先從仿生學(xué)角度對(duì)其驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了對(duì)比分析，選擇采用混合模式驅(qū)動(dòng)，能夠完成對(duì)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)調(diào)控、指揮和水樣采集等工作[3]。最終得出研制的智能化機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有體積小，便于攜帶；耗能小，效率高；靈活性好；具有一定程度的智能化及使用過程中有較高的安全保障。

由于該設(shè)備具有一定的擴(kuò)展性，在未來可以集成不同類型的水質(zhì)傳感器，可廣泛應(yīng)用于近海港口或城市內(nèi)河道，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行三維的全天巡查或不定期抽查，可以極大程度的降低檢測(cè)成本，同時(shí)較傳統(tǒng)的定點(diǎn)及二維檢測(cè)其檢測(cè)精度更高。

未來針對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)對(duì)其智能化程度進(jìn)一步提高，將可逐步應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)及環(huán)保等部門。由于其低噪的特性，也可搭載相應(yīng)的傳感器逐步運(yùn)用于水下軍事方面。