小型智能機器魚系統研究與設計*

房啟志，張樹寧，徐 嵩，?？〗埽铌艥?，陳璽光，馬毓徽，賈和儒

(1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧 沈陽110136；2.沈陽航空航天大學創新創業學院，遼寧 沈陽110136)

水下機器魚是具有智能行為的高級水下機器人，具有活動范圍廣、機動靈活、隱蔽性好等特點，能夠適用于復雜的海底環境。 為了在不可預知的水下環境中安全完成既定任務[1]，實現機器魚在水下的探測任務、定位、避障、循跡、信息傳輸等功能變得尤為重要。

在探測時，為獲取水下機器魚與障礙物的實時位置，文獻[2-3]研究一種水下定位方法，該方法是基于多浮標的水下導航定位方法，利用水面浮標陣來完成水下無人潛航器的精確定位。 但存在精度低的問題，為提高精度，慣導與其他導航系統組成的組合導航定位方法開始廣泛應用，如慣導/GPS 組合導航定位[4]。 文獻[5]利用低頻合成孔徑聲吶技術實現了對水下沉底小目標的探測，但以上方法沒有與水下機器魚避障相結合。 為保障機器魚在水下的安全航行，高效的避障方法是必不可少的[6-7]。 水下機器人要能利用自身攜帶的傳感探測設備(聲吶、攝像頭等)并結合相應的算法進行實時避障。文獻[8]利用訓練出的用于水下機器人動態避障的神經網絡，開通仿真證明了該神經網絡的有效性，但是網絡參數的訓練過程比較漫長且無法控制。 文獻[9]利用在水下機器人的側面和水平面安裝聲吶，采用雙層避障方法來有效避開側面或水平面的障礙物，提高了避障的成功率，但過程計算復雜。

為實現水下機器魚與地面的通信，傳統的水下機器人通信通常使用以下幾種方式:水聲通訊、光纖通訊、電磁通信、射頻通信、激光通信。 但其操作復雜。 利用LiFi 通信技術的水下機器人協同作業靈活性、協調性和精確性，解決了傳統通信的操作復雜的缺點[10]。 但以上方法并沒有將定位、避障、循跡等結合在一起。

衛星導航技術的不斷發展可以為運動載體提供導航、定位和授時服務[11]。 因此將定位與避障、循跡、通信等技術融合在水下機器魚的探測過程中，利用陀螺儀、北斗系統、超聲測距、無線通信等技術，實現水下機器魚系統的智能化。

1 總體設計

小型機器魚作為水下監測終端，由Arduino 微處理器[12]、MPU6050 三軸MEMS 陀螺儀和三軸加速度模塊、水下超聲波測距模塊、北斗模塊、GPRS模塊、顯示模塊以及運動機構組成，可實現對當前位置的定位，同時能夠將水下終端監測的信息實時傳遞至上位機。 其中運動機構由仿真魚尾和兩個螺旋槳組成，眾多實驗和報道表明仿真魚尾是一種非常有前途的水下推進器[13]，可以靈活地實現水下尋跡和避障運動。 上位機由手機App 組成，既能實現對硬件終端相關信息的接收，又能對下位機進行軌跡控制。 系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

機器魚的底部是紅外傳感器，能夠實現水下避障[14]。 機器魚的尾部是由大扭力舵機和仿真橡膠魚尾共同構成的動力裝置，舵機能夠通過控制魚尾的擺動實現整體的前進與偏航運動；機器魚的中前部兩側各有一個螺旋槳，水平安裝，可以控制機器魚的橫滾和俯仰運動。 監測終端通過UM220 北斗模塊實現定位功能，天線懸浮在水面上以便完成北斗導航信號的接收，獲取機器魚的位置。 采用AJ-SR04M 超聲波傳感器進行測距，LCD1602 液晶顯示屏顯示狀態信息?？刂破魍ㄟ^GPRS 模塊和SIM900A 模塊將水下信息傳遞給App，模塊天線也懸浮在水面上以便接收移動通信信號。 App 是GSM 模塊接收信息的端口，可以接收并解析監測終端的信息。

2 系統電路設計

機器魚的電控系統包含多個傳感器和功能模塊，其整體電路如圖2 所示。

圖2 整體電路連接圖

設計中機器魚的平衡裝置采用的是三軸MEMS陀螺儀和三軸加速度傳感器MPU6050，它可以通過內置的DMP(運動數字處理器)對原始數據進行處理，完成俯仰角和橫滾角正負90°、偏航角0 ～360°的測量，有良好的響應特性。 MPU6050 與Arduino UNO 的A4、A5 連接，通過IIC 協議讀取相應的姿態角并與運動機構構成閉環控制，保持機器魚的平衡。

采用AJ-SR04M 超聲波傳感器進行水下測距。超聲波傳感器與Arduino UNO 單片機數字引腳D9、D10 連接，其電源端VCC、地端GND 分別接在Arduino UNO 的VCC、GND 端。

采用UM220 北斗模塊對小型機器魚定位與授時，該模塊與Arduino 單片機的虛擬串口連接，通過UART 串口將數據送至處理模塊做進一步處理。 并通過模塊輸出的GNRMC、GNGGA、GNZDA 等語句獲取時間與位置信息[15]。

采用GSM/GPRS SIM 900A 作為無線模塊。 該模塊與Arduino 單片機的虛擬串口連接。 通過串口間的AT 指令，來實現位置等信息的傳輸。

3 系統軟件設計

首先調試機器魚，通過用手遮住紅外傳感器判斷是否正常工作。 若避障模塊檢測正常，則調試超聲波測距模塊、北斗模塊等，利用GSM/GPRS 等無線網絡將獲取的信息發送至手機App。 系統軟件的總體流程圖如圖3 所示。

圖3 系統總體軟件流程圖

3.1 定位信息獲取

北斗模塊獲取信息的軟件流程如圖4 所示，Arduino 單片機的虛擬串口引腳收到信息后，令其只輸出雙模最簡定位信息協議。 信息處理流程為:當UM220 模塊接收信號時，將變量flag＿rec 賦值為1，此時，串口產生中斷，并判斷定位是否有效，若有效，以“，”為數據節點，將數據存入變量flag＿data，并處理該變量的數據，其中變量byte＿count 用來存儲數據中檢測到“，”的次數，以此判斷數據是否解析結束。

圖4 北斗模塊數據解析流程圖

3.2 運動控制設計

PID 控制原理簡單，參數調節容易，適應性較強，控制效果較好，因此其仍是遙控無人潛水器姿態和深度控制廣泛采用的控制方法[16-17]。 為了機器魚在水下的靈活運動，分別對偏航、俯仰和橫滾三個姿態角進行串級PID 控制，通過MPU6050 傳感器作為姿態角度反饋，魚尾舵機和兩側螺旋槳作為執行機構，構建閉環控制系統。

魚尾舵機的具體運行方式可以用3 個量進行描述，分別為擺動幅度，擺動頻率和擺動中心線。 擺動幅度和擺動頻率均與運動的速度相關，擺動中心線則與運動方向有關，所以PID 輸出的控制量控制的是魚尾舵機擺動的中心線，以此實現偏航運動的閉環控制。 兩側螺旋槳結構由兩個直流電機進行驅動，采用直流電調進行轉速和轉向的控制，可以進行正轉和反轉，以此實現俯仰運動和橫滾運動的閉環控制。

采用MATLAB 軟件進行運動控制仿真。 首先由運動學方程推導出各執行機構的傳遞函數。 對于魚尾舵機機構，其偏航運動與前進運動相互偶合，作用原理是通過改變魚尾擺動中心線實現偏航角改變，如圖5 所示。

圖5 偏航運動原理圖

當機器魚向Y 軸運動時，將其魚尾舵機擺動軸線由Y 軸方向改變到OA 方向，魚尾在弧MN 之間擺動，則此時魚尾產生的動力方向沿OA 向前，如力F1所示。 水的反作用合力如力F 所示，當擺動幅度和擺動頻率不變時，可認為F1和F 不變，故而產生逆時針方向的轉矩，使機器魚產生向左的偏航運動。 設向左的偏航運動為正，則其運動方程如式(1)所示:

式中:a 是前進方向與Y 軸的夾角，θ 為偏航角，F 為水的反作用力，L 為水的反作用力作用中心點與O點的距離，為魚尾擺動中心線與Y 軸的夾角，Iz為機器魚繞Z 軸的轉動慣量。

對sina 進行線性化處理，根據泰勒公式，當a≈0 時，sina≈a，對式(1)進行替換，并進行拉氏變換，得到魚尾舵機的傳遞函數如式(2)所示。

對于左右兩側的螺旋槳機構，其不同組合可分別控制橫滾角和俯仰角，作用原理如圖6 所示。

圖6 俯仰運動和橫滾運動原理圖

設定向右橫滾為正，俯仰仰頭為正。 當左螺旋槳正轉產生向上的力，右螺旋槳反轉產生向下同等大小的力時，如圖FL和FR2所示，機器魚產生正向橫滾運動。 當左螺旋槳和右螺旋槳同時正轉產生向上同等大小的力時，如圖FL和FR1所示，機器魚產生正向俯仰運動。 FL和FR由電機帶動螺旋槳產生，升力可以近似為電機轉速的k 倍，則電機螺旋槳系統的運動方程如式(3)所示。

式中:FL為電機螺旋槳系統產生的力，v 為電機轉速，IM為電機轉動慣量，M 為電磁轉矩，u 為數字量控制信號，k、k1、K 為系數常量，可通過實驗測得。

俯仰運動和橫滾運動的運動方程如式(4)所示。

式中:β 為俯仰角，Lx為電機連線中心點到O1點的距離，Ix為機器魚繞X 軸的轉動慣量，α 為橫滾角，Ly為電機連線距離的一半，Iy為機器魚繞Y 軸的轉動慣量。

對式(3)和式(4)式進行拉氏變換，得到電機螺旋槳俯仰運動和橫滾運動的傳遞函數如式(5)所示。

式(2)和式(5)中的系數很難進行實際測算，所以給定大致的系數值，用MATLAB 進行仿真實驗，其結果即可表征系統在該種控制器下的實際運行效果。式(2)中取F ＝10，L ＝1，Iy＝1，在式(5)中取K ＝1，Lx＝1，Ix＝10，IM＝0.1，Ly＝1，Iy＝10。 由式(2)和式(5)的傳遞函數構建串級PID 進行控制仿真。

對于偏航角控制，外環PID 參數整定為10、0.1、1，內環PID 參數整定為1、0、0；對于俯仰角控制和橫滾角控制，其外環PID 參數均整定為15、0、3，內環PID 參數均整定為8、0、3。 設置偏航角和俯仰角初始狀態為0°，目標角度為10°，測試其零狀態響應；設置橫滾角目標角度為0°，初始角度為10°，測試其零輸入響應。 姿態角度的控制仿真響應曲線分別如圖7～圖9 所示。

圖7 偏航角控制仿真響應曲線圖

圖8 俯仰角控制仿真響應曲線圖

圖9 橫滾角控制仿真響應曲線圖

從圖7 中可以看出，在設置的目標偏航角度下，偏航控制系統的零狀態響應時間約為0.5 s，變化穩定，且無超調。 從圖8 中可以看出，在設置的目標俯仰角度下，俯仰控制系統的零狀態響應時間約為0.3 s，超調量小。 從圖9 中可以看出，在初始橫滾角度為10°，目標角度為0°時，俯仰控制系統的零輸入響應時間約為0.3 s，超調量小。 由以上結果可以看出，控制系統具有良好的響應特性，符合穩定性、準確性、快速性的性能要求。 當避障傳感器探測到障礙物時，中心控制器便會通過預先設定的方案改變三軸目標角度，再由控制系統進行閉環控制，從而改變姿態以實現避障運動。

3.3 App 程序設計

利用Android 進行App 軟件開發，以Eclipse 為開發平臺的App 構成。 通過導入百度地圖的BaiduLBS＿Android.jar 包和對應的.so 文件實現對百度地圖SDK 部分功能的使用。 在布局文件中放置百度地圖的MapView、TextView 和按鈕。 MapView 用以顯示地圖，TextView 用于顯示短信發過來的信息。程序啟動時開啟一個服務來監聽content:/ /sms/inbox 短信數據庫。 當短信數據庫發生變化時將對應變化的短信的read 設為true 已讀。 創建一個廣播監聽短信，當收到新短信的廣播時，獲取廣播內容并分析，然后將短信內容通過另一個廣播發送到MainActivity 更新UI。 當點擊按鈕時地圖顯示終端上一次所在位置。

當手機端軟件接收到水下終端通過GPRS 模塊發送的時間、位置的信息時，可以提取信息中的位置信息，并調用百度地圖，將經、緯度打點于電子地圖上，實現了對水下目標的監測，圖10 為手機監測端軟件流程圖。

圖10 手機監測端軟件流程圖

4 測試結果與分析

圖11 機器魚水下測試實驗

在機器魚放入水中進行實驗測試時，在水中放入一些障礙物，例如船艦模型等，如圖11 所示，將機器魚放入水中進行測試，打開App 監測中心，模塊初始化完畢后，設置串口波特率，軟件進入待接收狀態，打開水下目標監測終端，大約10 s 后可以在App中顯示相關參數值，同時其數據也會顯示在水下監測終端的液晶顯示屏上。 由App 可以得知在10 時7 分47 秒 時，機器魚定位在北緯41°55. 486 205′，東經123°24.177 011′，垂直方向偏斜0°，水平方向偏斜24.13°，目標距離24.13 cm，系統工作正常。 根據圖12(a)、12(b)所示，實驗結果顯示，機器魚能夠對障礙進行規避，并且自主循跡。

圖12 App 接收信息及顯示處理結果

5 結論

文中研究并設計了一種小型水下機器魚系統，詳細研究了系統的軟硬件設計，并進行了控制算法仿真實驗和總體實驗測試。 通過對該水下探測系統的研究和設計表明:基于Arduino 微處理器和傳感器模塊組成的嵌入式硬件系統能有效地進行信息探測和數據處理；終端軟件與手機軟件進行協同工作；控制仿真實驗結果表明:串級控制算法可以高性能地完成控制任務；實際運行測試實驗表明，該小型機器魚系統可以有效對水下目標進行探測和定位，完成水下任務。 文中研究的系統對水下小型智能系統的設計具有一定的參考意義。