一種用于水下檢測的仿生機器魚

何建輝 李志軍 湯明新* 趙江林 曾偉豪

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江524088）

隨著科學的發展，各行各業的工作逐漸開始被機器人所取代，水下作業也一樣。仿生機器魚也是作為水下機器人的一種，其體積相對一般水下機器較小，而且能夠自由地運動，耗能低，續航能力強，能夠與上位機實現通訊等優點，能夠在水下實現探測、水環境檢測等功能[1]。對于仿生機器魚的運動控制，由于水下環境具有復雜以及液體的擾動等原因，實現仿生魚的自由運動控制也是相對復雜的。根據實驗數據分析，在巡游魚體前身部位始終產生一定的阻力，魚身的中后部也可以產生少量的推力，但是尾鰭部分始終產生相對較大的推力。[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，我們設計為多節舵機組合型結構，通過舵機的聯合擺動，實現仿生魚的正常行走以及轉彎。通過與重心調節機構相配合來實現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APP 或者電腦PC 端與該WIFI 模塊的局域網相連，就可以完成相應的數據傳輸以及控制。

1 仿生魚的主要功能實現分析

本發明主要用于實現水下探測、水環境檢測等功能，該功能主要是利用攝像頭模塊以及一些的水質監測傳感器配合實現。接該仿生魚搭載著WIFI 模塊，可以把相應的視頻數據或者檢測數據傳輸給用戶，同時接收上位機的運動控制指令來完成相應的運動。魚的相應運動主要是利用魚尾、魚鰭與重心調節機構配合來實現。仿生魚的胸鰭與尾鰭的擺動都是由舵機的轉動來提供扭矩來實現，而且舵機是控制仿生機器魚實現運動的工具，有利于提高其運動控制的穩定性能[4]。

2 仿生魚的結構組成及主要部件分析

2.1 仿生魚的總體結構設計

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舵機組合機構，它與上浮下潛機構、胸鰭相結合，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 尾部結構分析

尾部的動力由三個舵機來提供（如圖2 所示），通過與三節魚尾和轉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。一號舵機給回轉軸提供回轉動力，使得魚尾按照設計者的給出的角度進行轉動，二三號舵機則使魚尾提供擺動的動力，相互結合使得仿生魚在空間上能夠實現多方向的自由運動。

圖2

2.2.2 重心調節機構分析

該重心調節機構利用了曲柄滑塊機構（如圖3 所示），利用舵機的轉動輸出提供轉動的扭矩，使得擺桿進行轉動，在平行導軌的作用下，使中間的重塊在仿生魚的內部實現來回移動，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，在保證該結構的穩定性之外，防止其在水下出現腐蝕速度過快的現象。該結構與尾部結構的運動相互配合，實現魚的上浮下潛。

圖3

3 控制端的設計

3.1 仿生魚控制檢測系統的組成

該仿生魚的控制系統主要實現以下功能，其中包括定位、水下探測、水環境檢測、自動避障等功能。控制系統以stm32f407單片機為核心，實現運動控制，對傳感器收集的數據進行分析并傳輸以及數據篩選等功能。在正常運行中，利用姿態傳感器，實時檢測仿生魚的狀態信息，一方面可以檢測仿生魚是否出現翻轉等現象，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。該舵機控制板主要用來控制胸鰭和尾鰭舵機的聯合運動，實現魚的正常運動。

3.2 運動控制的實現

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 通信來接收上位機發送的運動控制指令，經過CPU 算法處理，把這些數據指令發送給舵機控制板，從而實現對胸鰭以及尾鰭部分舵機的組合運動。同時，該仿生魚在自動續航的過程中，利用姿態傳感器以及紅外傳感器來實現對運動方式的轉變以及運動方向的更換，同時保證仿生魚的姿態平衡，并實現水下避障等功能。

3.3 水環境檢測的實現

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 模塊經過WIFI 通信直接傳輸給上位機，在一定程度上減少STM32 的運行任務量，從而提高CPU 的處理速度。對于水環境的檢測，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境污染標準的一些參數值，這些傳感器收集的數據在STM32 中經過數據處理，經過WIFI 模塊把這些數據直接傳輸給上位機（如圖6 所示），讓用戶直接觀看。

圖4

4 結論

4.1 本論文研究了一種能實現水環境檢測以及監測的仿生魚，面對水下作業存在的問題提供了一定的解決方案，從而減少水下作業的勞動成本，而且本發明對于水產養殖業的發展也也有重要的意義。[5]

4.2 該仿生魚結構在實現運動方面設計了多節舵機組合型的魚尾，通過與中心調節機構與胸鰭的結合，從而保證魚的正常運動，達到了與正常魚的運動方式相一致的設計，也同時豐富了仿生學相應的研究內容。

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