線驅(qū)動(dòng)自主巡游機(jī)器人設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

陳祖鋼，田新亮，陳 興，溫斌榮，李 欣

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 崖州灣深海科技研究院，海南 三亞 572000）

海洋資源是地球資源的重要組成部分，在開(kāi)發(fā)利用海洋資源的過(guò)程中，水下機(jī)器人起到了無(wú)可替代的作用，如自主無(wú)人航行器（AUV）。傳統(tǒng)的AUV具有控制簡(jiǎn)單、可靠性高、航行續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，然而，與魚(yú)類和海豚等水生動(dòng)物相比，其存在效率低、機(jī)動(dòng)性差、噪聲高等缺點(diǎn)［1］，因此，研究人員和工程師轉(zhuǎn)向研究性能更優(yōu)異的水下機(jī)器人。經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，以仿生機(jī)器魚(yú)為代表的新型水下機(jī)器人成為研究的熱點(diǎn)。Breder［2］根據(jù)魚(yú)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)差異，將魚(yú)分為身體/尾鰭（body and/or caudal fin，簡(jiǎn)稱BCF）推進(jìn)模式和中央鰭/對(duì)鰭（median and/or paired fin，簡(jiǎn)稱MPF）推進(jìn)模式，其中BCF模式具有推進(jìn)速度快、推進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，自然界中85%的魚(yú)類均采用該種推進(jìn)模式［3］，如鯉魚(yú)、金槍魚(yú)等；由于BCF 模式的優(yōu)點(diǎn)，具備BCF 推進(jìn)模式的魚(yú)類也是研究人員進(jìn)行仿生機(jī)器魚(yú)研制時(shí)研究的重點(diǎn)。

仿生尾鰭是機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)仿生游動(dòng)的重要部分，針對(duì)仿生尾鰭機(jī)械設(shè)計(jì)的不同，可大體分為剛性驅(qū)動(dòng)及柔性驅(qū)動(dòng)，如多關(guān)節(jié)舵機(jī)、形狀記憶合金（SMA）、離子交換聚合金屬材料（IPMC）等；以此為基礎(chǔ)，科研人員研制了多種機(jī)器魚(yú)樣機(jī)。1994 年，Triantafyllou 和Triantafyllou［4］以金槍魚(yú)為仿生對(duì)象，研制出了世界上第一臺(tái)真正意義的仿生機(jī)器魚(yú)RoboTuna；Liu和Hu［5］以鲹科魚(yú)類為仿生對(duì)象，提出了一種三關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)，通過(guò)搭載慣性測(cè)量單元（IMU）等傳感器，該機(jī)器魚(yú)可實(shí)現(xiàn)自主游動(dòng)；Zhu等［6］研制了一種單舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)，其尾鰭由柔性蒙皮及被動(dòng)末端關(guān)節(jié)構(gòu)成，由于關(guān)節(jié)數(shù)較少，該機(jī)器魚(yú)可實(shí)現(xiàn)最高15 Hz的高頻擺動(dòng)，直線游動(dòng)速度可達(dá)1.02 m/s；Katzschmann等［7］提出了一種循環(huán)液泵驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)器魚(yú)，該機(jī)器魚(yú)可實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)遙控，并能通過(guò)改變胸鰭攻角實(shí)現(xiàn)沉浮運(yùn)動(dòng)；Rossi等［8］提出一種可模仿魚(yú)類肌肉運(yùn)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)，該機(jī)器魚(yú)以SMA為驅(qū)動(dòng)材料，通過(guò)控制SMA的收緊及松弛從而實(shí)現(xiàn)尾鰭連續(xù)的彎曲擺尾等動(dòng)作。

文中研制了一種拉線驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)“逍遙”，該機(jī)器魚(yú)以拉線結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的柔性尾鰭作為主要推進(jìn)器，通過(guò)舵機(jī)及拉線直接控制尾鰭的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)搭載IMU 等傳感器，機(jī)器魚(yú)“逍遙”可具備自主游動(dòng)能力；同時(shí)，對(duì)機(jī)器魚(yú)“逍遙”開(kāi)展了開(kāi)敞水池試驗(yàn)，記錄分析了直行游動(dòng)速度、轉(zhuǎn)向游動(dòng)速度、角度調(diào)節(jié)時(shí)間等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)改變尾鰭擺尾角度控制信號(hào)輸入，對(duì)比分析了擺尾幅度及擺動(dòng)頻率對(duì)游動(dòng)性能的影響，綜合評(píng)估了其游動(dòng)性能。

1 魚(yú)類運(yùn)動(dòng)學(xué)及設(shè)計(jì)原理

在BCF 運(yùn)動(dòng)中，魚(yú)的擺尾運(yùn)動(dòng)主要集中在身體后1/3，基于對(duì)魚(yú)類運(yùn)動(dòng)形態(tài)的觀察，魚(yú)類研究學(xué)者Lighthill將此類擺尾運(yùn)動(dòng)以一組行波方程來(lái)描述，即魚(yú)體波函數(shù)［9］：

式中：y(x，t)為魚(yú)體偏移身體軸線的側(cè)向位移；x為魚(yú)體體長(zhǎng)；c1和c2分別為一次波幅包絡(luò)系數(shù)及二次波幅包絡(luò)系數(shù)；k和λ分別為魚(yú)體波波數(shù)及波長(zhǎng)；ω= 2πf為魚(yú)體波的角頻率，f為魚(yú)尾拍動(dòng)頻率。

文中設(shè)計(jì)的機(jī)器魚(yú)選取c1=0.15，c2=0.20，k=1.2 作為設(shè)計(jì)參數(shù)，其中魚(yú)身總長(zhǎng)L=900 mm，設(shè)擺動(dòng)周期為T，則其理想擺動(dòng)形態(tài)如圖1所示。

2 仿生機(jī)器魚(yú)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

如圖2 所示，機(jī)器魚(yú)“逍遙”由剛性頭部、胸鰭及柔性魚(yú)尾組成，內(nèi)部器件參數(shù)規(guī)格如表1 所示。胸鰭由剛性鰭板通過(guò)舵臂與兩臺(tái)30 kg·cm、7.4 V 防水舵機(jī)直連驅(qū)動(dòng)，通過(guò)不對(duì)稱的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)沉浮運(yùn)動(dòng)。剛性頭部采用樹(shù)脂材料3D 打印制造，其形狀為流線型從而減少流體阻力，同時(shí)為水密艙、配重艙及胸鰭提供了放置空間。考慮到機(jī)器魚(yú)的體積較大，采用整體防水方式較為困難，因此單獨(dú)設(shè)置了水密艙以放置電控模塊，并且在艙外預(yù)留了水密插頭，從而實(shí)現(xiàn)在不拆卸水密結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行機(jī)器魚(yú)的充電、程序燒錄等操作。

表1 “逍遙”機(jī)器魚(yú)規(guī)格Tab.1 Specification of “XiaoYao”robotic fish

圖2 仿生機(jī)器魚(yú)結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical configuration of biomimetic robotic fish

柔性魚(yú)尾由拉線機(jī)構(gòu)、柔性脊骨及末端尾鰭構(gòu)成，柔性脊骨包括了中央一根較粗的彈性梁和一對(duì)較細(xì)的彈性梁，均為聚氨酯材料制作，具有較好的回彈性及耐老化性；相比于僅采用單根彈性梁作為魚(yú)尾脊骨，這種設(shè)計(jì)可防止魚(yú)尾在擺動(dòng)過(guò)程中發(fā)生軸向滾動(dòng)，干擾尾鰭的擊水動(dòng)作。拉線機(jī)構(gòu)由一臺(tái)50 kg·cm、7.4 V的防水舵機(jī)、拉線繩、導(dǎo)向輪及末端錨點(diǎn)構(gòu)成，考慮到舵機(jī)拉力較大且需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)，容易造成拉線的磨損及老化，經(jīng)過(guò)橫向?qū)Ρ龋罱K采用了抗拉力高、耐腐蝕的芳綸線。拉線的一端繞過(guò)安裝在舵機(jī)上方的繞線輪，另外兩端固定在魚(yú)尾末端關(guān)節(jié)。當(dāng)舵機(jī)往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)牽拉兩端拉線直接驅(qū)動(dòng)魚(yú)尾關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)魚(yú)尾的連續(xù)擺動(dòng)。因?yàn)槲馋挷糠譀](méi)有受到拉線的直接牽引而是由彈性脊骨連接，在擺尾過(guò)程中尾鰭受到水流阻力時(shí)可帶動(dòng)彈性脊骨彈性彎曲，產(chǎn)生相位滯后的擺動(dòng)，從而自然產(chǎn)生“S”型魚(yú)尾波動(dòng)，該擺尾動(dòng)作相比于“C”型擺動(dòng)能夠獲得更好的推進(jìn)效果［10］；此外，相比于傳統(tǒng)的多關(guān)節(jié)舵機(jī)魚(yú)尾設(shè)計(jì)，該種拉線式機(jī)構(gòu)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械損耗小、能量傳遞效率高等優(yōu)點(diǎn)［11］。

2.2 電路設(shè)計(jì)

機(jī)器魚(yú)“逍遙”的電控系統(tǒng)采用了分層架構(gòu)形式，具體包括上位機(jī)Raspberry Pi 4B、下位機(jī)STM32單片機(jī)及IMU 等傳感器構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。Raspberry Pi 4B 作為數(shù)據(jù)處理器，其功能在于接收傳感器返回的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法處理后通過(guò)串口向STM32 單片機(jī)發(fā)送控制指令，STM32 作為脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)舵機(jī)動(dòng)作。機(jī)器魚(yú)中的傳感器主要包括IMU、壓力傳感器和聲吶。IMU（JY901B）可以獲取仿生機(jī)器魚(yú)的姿態(tài)、航向、三維位置和速度信息，壓力傳感器（MS5837）通過(guò)檢測(cè)環(huán)境壓力來(lái)計(jì)算所在深度，聲吶（P30）通過(guò)探測(cè)正面環(huán)境來(lái)返回障礙物信息，實(shí)現(xiàn)避障動(dòng)作。機(jī)器魚(yú)可通過(guò)無(wú)線模塊（ESP01S）完成與地面計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互及在線編程，有效避免了對(duì)水密艙的頻繁開(kāi)閉。采用分層架構(gòu)能夠提高傳感器的搭載能力，可將控制算法及底層驅(qū)動(dòng)算法進(jìn)行分別模塊化處理，減小單機(jī)計(jì)算負(fù)荷，便于后期算法的更新及維護(hù)。

圖3 仿生機(jī)器魚(yú)組成原理Fig.3 Function of biomimetic robotic fish

2.3 控制算法設(shè)計(jì)

為了模擬真實(shí)魚(yú)類擺尾運(yùn)動(dòng)，機(jī)器魚(yú)“逍遙”采用了改進(jìn)的中樞模式發(fā)生器（central pattern generator，簡(jiǎn)稱CPG）算法作為PWM 波發(fā)生器以控制尾鰭舵機(jī)［12］，通過(guò)設(shè)置幅值、頻率、偏置及周期比率4個(gè)參數(shù)，CPG能夠生成任意可模擬節(jié)律運(yùn)動(dòng)的正弦波形，其基本方程為：

式中：B為偏置量輸入；M為幅值輸入；ω為角頻率輸入量；R為時(shí)間比率；b為偏置狀態(tài)量；m為幅值狀態(tài)量；?為相位狀態(tài)量；kb為偏置量增益系數(shù)；km為幅值增益系數(shù)；α為波形輸出量。

為了獲取CPG 控制參數(shù)與實(shí)際尾鰭末端最大擺動(dòng)角的幾何關(guān)系，開(kāi)展擺尾運(yùn)動(dòng)學(xué)辨識(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)中將機(jī)器魚(yú)尾單獨(dú)固定，并在魚(yú)尾正上方架設(shè)高速攝影機(jī)，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送不同的CPG 參數(shù)控制魚(yú)尾低頻擺動(dòng)，利用高速攝影機(jī)完成拍攝。通過(guò)后期分幀圖像處理，最終得到CPG 幅值參數(shù)與真實(shí)魚(yú)尾最大擺動(dòng)角的關(guān)系。為了消除水流阻力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)選擇在空氣中進(jìn)行；根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，可確定不同的幅值參數(shù)M對(duì)應(yīng)的實(shí)際尾鰭末端單側(cè)最大擺動(dòng)角，如表2所示。

表2 CPG幅值參數(shù)與魚(yú)尾單側(cè)擺動(dòng)角關(guān)系Tab.2 Relationship of CPG amplitude parameter and single side bending angle of robotic fish tail

機(jī)器魚(yú)“逍遙”還采用了PID 控制器實(shí)現(xiàn)航向角控制。在機(jī)器魚(yú)游動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器魚(yú)的航向角將由IMU實(shí)時(shí)采集，將實(shí)際航行角與預(yù)定的航向角之差作為PID控制器輸入，并將PID控制器的實(shí)時(shí)輸出值作為后續(xù)CPG 算法的偏置量輸入值，最終由CPG 生成PWM 波控制舵機(jī)以特定角度范圍運(yùn)動(dòng)，完成航向角的閉環(huán)控制。基本方程為：

式中：θ為實(shí)際航向角；θ*為期望航向角；B(t)為CPG 的偏置量輸入；Kp、Ki及Kd分別為PID 控制器的比例、積分、微分增益系數(shù)。

經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)并選取控制效果最佳的參數(shù)組合，文中采用的PID參數(shù)分別為0.5、0.15及0.05。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在敞開(kāi)水池開(kāi)展試驗(yàn)，綜合評(píng)估機(jī)器魚(yú)“逍遙”的游動(dòng)性能。試驗(yàn)所使用的機(jī)器魚(yú)“逍遙”實(shí)物如圖4 所示。試驗(yàn)過(guò)程中上位機(jī)將通過(guò)無(wú)線模塊與機(jī)器魚(yú)上的微控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，對(duì)機(jī)器魚(yú)進(jìn)行預(yù)先編程后由機(jī)器魚(yú)自主決策完成預(yù)定任務(wù)，如直行、穩(wěn)定轉(zhuǎn)向及目標(biāo)角度轉(zhuǎn)向等。試驗(yàn)在尺寸為20 m×15 m ×1.8 m（長(zhǎng)×寬×高）的空曠水池進(jìn)行，游動(dòng)耗時(shí)的采集是通過(guò)人工計(jì)時(shí)及后期視頻分幀處理統(tǒng)計(jì)時(shí)間來(lái)完成的，每項(xiàng)試驗(yàn)均進(jìn)行5 次重復(fù)測(cè)量，最終取平均值作為測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)的目的在于測(cè)試機(jī)器魚(yú)游動(dòng)性能，即直行、穩(wěn)定轉(zhuǎn)向、目標(biāo)角度轉(zhuǎn)向等任務(wù)場(chǎng)景下的游動(dòng)速度及響應(yīng)時(shí)間，綜合評(píng)估機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)性能。

圖4 仿生機(jī)器魚(yú)實(shí)物Fig.4 Actual picture of robotic fish

3.1 直行試驗(yàn)

通過(guò)設(shè)定不同尾鰭期望擺角幅度及擺動(dòng)頻率，測(cè)得機(jī)器魚(yú)“逍遙”多組前行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

圖5 前行游動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Forward swimming experiment result

試驗(yàn)中測(cè)得的最大游動(dòng)速度為0.138 m/s，即0.153 BL/s；最小游動(dòng)速度為0.040 m/s，即0.044 BL/s。隨著擺動(dòng)頻率的升高，其游動(dòng)速度呈現(xiàn)二次函數(shù)形式，當(dāng)擺動(dòng)頻率較高時(shí)，其游動(dòng)速度明顯下降。以期望擺動(dòng)角45°為例，當(dāng)擺動(dòng)頻率為0.45 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的直行速度為138.3 mm/s；而當(dāng)擺動(dòng)頻率提升至1.05 Hz時(shí)，直行速度下降至84.9 mm/s，下降幅度為38.6%。這是由于當(dāng)仿生機(jī)器魚(yú)的擺尾頻率逐漸上升時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)舵機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的限制及高頻擺動(dòng)下流體阻力的增大，其尾鰭擺動(dòng)角幅度通常無(wú)法達(dá)到CPG 產(chǎn)生的期望最大擺幅，如0.45 Hz 下測(cè)得擺動(dòng)幅度為45°，在1.05 Hz 時(shí)僅為13°，擺動(dòng)幅度的下降造成有效前進(jìn)推力的下降，從而導(dǎo)致游動(dòng)速度的下降。

與之相反的是，自然界的魚(yú)類往往通過(guò)提高擺動(dòng)頻率來(lái)提高游動(dòng)速度，其游動(dòng)速度與擺動(dòng)頻率大致呈線性正相關(guān)［13］；這是由于真實(shí)魚(yú)類在游動(dòng)頻率逐漸增大的同時(shí)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)自身尾部肌肉剛度變化，使其仍能保持較大的擺動(dòng)幅度，從而維持較高的游動(dòng)性能。然而仿生機(jī)器魚(yú)通常無(wú)法根據(jù)擺動(dòng)頻率自適應(yīng)地調(diào)節(jié)自身魚(yú)尾剛度，其機(jī)械系統(tǒng)整體固有頻率是基本不變的；當(dāng)擺尾頻率偏離自身固有頻率較遠(yuǎn)時(shí)，由于非共振狀態(tài)導(dǎo)致的擺幅衰減現(xiàn)象會(huì)逐漸顯著，同樣造成高擺頻時(shí)游動(dòng)性能的下降［14］。

3.2 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

試驗(yàn)主要考察不同控制參數(shù)下魚(yú)尾的轉(zhuǎn)向性能，通過(guò)機(jī)器魚(yú)穩(wěn)定繞圈進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，試驗(yàn)中魚(yú)尾均單側(cè)擺動(dòng)，即僅在魚(yú)體中軸線與單側(cè)最大擺尾角之間進(jìn)行擺動(dòng)，試驗(yàn)中CPG 的時(shí)間比率參數(shù)R均設(shè)為1；試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。試驗(yàn)中測(cè)得的最大轉(zhuǎn)向速度為0.123 m/s，即0.136 BL/s；最小轉(zhuǎn)向速度為0.056 m/s，即0.062 BL/s；最大轉(zhuǎn)向角速度為0.113 rad/s，即6.48 （°）/s；最小轉(zhuǎn)向角速度為0.042 rad/s，即2.41 （°）/s。隨著擺尾頻率上升，轉(zhuǎn)向速度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出與前行速度數(shù)據(jù)類似的二次函數(shù)形態(tài)，反映出前文提及的擺幅衰減現(xiàn)象對(duì)其轉(zhuǎn)向速度產(chǎn)生了相似的影響。與之相反的是，轉(zhuǎn)向角速度數(shù)據(jù)更多的呈現(xiàn)出單調(diào)下降趨勢(shì)。

圖6 轉(zhuǎn)向游動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Turning swimming experiment result

根據(jù)3.1 節(jié)直行試驗(yàn)結(jié)論的分析，當(dāng)擺動(dòng)頻率與自然頻率接近時(shí)，機(jī)器魚(yú)擺尾運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的推力最大，游動(dòng)性能最佳，直行游動(dòng)速度最快。然而由于轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的特殊性，最大的擺尾推力并不意味著每個(gè)轉(zhuǎn)彎周期產(chǎn)生的凈轉(zhuǎn)向角最大，這一現(xiàn)象反映在轉(zhuǎn)向角速度隨擺頻上升大致呈現(xiàn)單調(diào)下降現(xiàn)象。對(duì)于下降趨勢(shì)較為明顯的期望擺動(dòng)角為45°、40°及25°的試驗(yàn)組，當(dāng)擺動(dòng)頻率為0.45 Hz 時(shí)，三者對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向角分別速度為0.113、0.105 及0.061 rad/s；當(dāng)擺動(dòng)頻率為0.60 Hz 時(shí)，從3.1 節(jié)分析可知此時(shí)尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生的推力接近最大值，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向角速度為0.102、0.095 及0.058 rad/s，分別下降了9.7%、9.5%及4.9%。雖然在期望擺動(dòng)角35°及30°的組中，0.60 Hz 對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向角速度相比0.45 Hz 分別有3.0%及3.5%的提升，但是在同樣對(duì)比方式下轉(zhuǎn)向速度平均有12.9%的提升，直行速度有9.8%的提升，可見(jiàn)轉(zhuǎn)向角速度的提升仍較小。說(shuō)明在轉(zhuǎn)向的場(chǎng)景下，推力的增大使得單個(gè)周期的凈轉(zhuǎn)向角提升并不明顯，甚至不升反降。

隨著擺動(dòng)頻率繼續(xù)增加并遠(yuǎn)離自然頻率，此時(shí)轉(zhuǎn)向角速度繼續(xù)下降主要是由于轉(zhuǎn)向力變小的原因；由于頻率的繼續(xù)提升導(dǎo)致機(jī)器魚(yú)尾鰭最大擺幅開(kāi)始下降，造成凈轉(zhuǎn)向力的下降，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)向角速度的下降。機(jī)器魚(yú)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中尾鰭的不平衡擺動(dòng)除了帶動(dòng)機(jī)器魚(yú)轉(zhuǎn)向外，還產(chǎn)生軸向的推力使得機(jī)器魚(yú)前進(jìn)。與轉(zhuǎn)向角速度的數(shù)據(jù)趨勢(shì)不同，轉(zhuǎn)向速度與轉(zhuǎn)向走過(guò)的路徑長(zhǎng)度及耗時(shí)直接相關(guān)，該路徑長(zhǎng)度除了受每輪轉(zhuǎn)向的凈轉(zhuǎn)向角影響，還跟轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的前向速度有關(guān)，因此轉(zhuǎn)向速度受復(fù)位力的影響較小，其數(shù)據(jù)特征呈現(xiàn)出與前行速度相似的形式。

3.3 目標(biāo)角度轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康脑谟诮o機(jī)器魚(yú)設(shè)定相同的初始艏向角及不同期望艏向角度，觀察并統(tǒng)計(jì)在PID-CPG 控制器控制下機(jī)器魚(yú)達(dá)到目標(biāo)角度所需游動(dòng)時(shí)間，以及擺尾控制參數(shù)的改變對(duì)該時(shí)間的影響。圖7 展示了試驗(yàn)中機(jī)器魚(yú)游動(dòng)過(guò)程的序列，此次試驗(yàn)選取的目標(biāo)角度值為30°、60°以及90°，考慮到實(shí)際游動(dòng)中產(chǎn)生的機(jī)器魚(yú)搖艏導(dǎo)致的角度波動(dòng)情況，將統(tǒng)計(jì)的游動(dòng)時(shí)間取為機(jī)器魚(yú)從初始角度出發(fā)，直到一個(gè)擺尾周期內(nèi)平均艏向角與目標(biāo)角度值相差2°所需游動(dòng)時(shí)間。

圖7 目標(biāo)角度轉(zhuǎn)向試驗(yàn)序列Fig.7 Sequence of target orientation turning experiment

機(jī)器魚(yú)需要從初始艏向角逐漸轉(zhuǎn)向至目標(biāo)角度，在游動(dòng)初期由于二者差異較大，PID-CPG控制器輸出的擺尾偏移量也較大，因此前期艏向角變化較大；后期隨著機(jī)器魚(yú)艏向角逐漸達(dá)到期望角度，角度變化進(jìn)入平臺(tái)調(diào)節(jié)期，因此艏向角變化較小。試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，目標(biāo)角度為30°、60°及90°時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得最短調(diào)節(jié)時(shí)間分別為17.7、20.9、27.4 s；最長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間分別為50.9、62.8、58.9 s。對(duì)于相同的目標(biāo)艏向角及相同的尾鰭擺角控制參數(shù)，隨著擺動(dòng)頻率的增加，游動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，這是由于前文提及的游動(dòng)性能衰減現(xiàn)象造成游動(dòng)速度先升后降的結(jié)果。

值得注意的是隨著設(shè)定的期望角度增大，游動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)的分層現(xiàn)象逐漸明顯，數(shù)據(jù)一致性增強(qiáng)。這是由于在目標(biāo)艏向角度較小時(shí)，轉(zhuǎn)向過(guò)程容易受到機(jī)器魚(yú)搖艏現(xiàn)象的影響，造成角度超調(diào)；對(duì)于擺尾幅度較大的試驗(yàn)組，雖然在轉(zhuǎn)向的初期能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)向力，使得機(jī)器魚(yú)艏向角快速逼近目標(biāo)角度，但是尾鰭大擺幅擺動(dòng)時(shí)會(huì)增強(qiáng)機(jī)器魚(yú)的艏搖現(xiàn)象［15］，造成艏向角的波動(dòng)，影響了后半段平均艏向角最終穩(wěn)定至目標(biāo)角度的過(guò)程，造成整體調(diào)節(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，甚至高于小擺幅的調(diào)節(jié)時(shí)間。例如目標(biāo)艏向角度為30°，擺動(dòng)頻率為0.75 Hz 時(shí)，擺幅為35°及40°的調(diào)節(jié)時(shí)間分別為22.8 s 及24.6 s；當(dāng)擺尾角度為40°時(shí)，擺動(dòng)頻率為0.60 Hz 及0.90 Hz對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間分別為25.1 s及24.7 s。因此較小的目標(biāo)艏向角度容易受到機(jī)器魚(yú)搖艏現(xiàn)象的影響，造成調(diào)節(jié)時(shí)間數(shù)據(jù)的波動(dòng)。而當(dāng)期望角度逐漸增大，機(jī)器魚(yú)游動(dòng)所需轉(zhuǎn)向角度增大，游動(dòng)時(shí)間上升，艏向擺動(dòng)現(xiàn)象對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程的影響被削弱，數(shù)據(jù)一致性及分層現(xiàn)象得到增強(qiáng)，更有助于體現(xiàn)不同的擺尾控制參數(shù)對(duì)游動(dòng)時(shí)間的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了一種線驅(qū)動(dòng)自主巡游機(jī)器人，對(duì)其直行、轉(zhuǎn)向及期望角度游動(dòng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，特定擺尾角度下機(jī)器魚(yú)存在最佳擺尾頻率。當(dāng)擺尾頻率接近機(jī)器魚(yú)的最佳擺尾頻率時(shí)其擺尾角度較大，直行及轉(zhuǎn)向的游動(dòng)速度最快；當(dāng)擺尾頻率較高時(shí)，由于機(jī)器魚(yú)機(jī)械系統(tǒng)舵機(jī)最大扭矩限制、流體阻尼的增大及與自身機(jī)械共振頻率差異等原因，尾鰭擺尾幅度無(wú)法達(dá)到最大期望值，造成有效推力的下降，最終導(dǎo)致游動(dòng)速度減小。在目標(biāo)角度轉(zhuǎn)向試驗(yàn)中，當(dāng)設(shè)定的目標(biāo)艏向角度較小時(shí)，機(jī)器魚(yú)的角度調(diào)節(jié)時(shí)間較短，但是調(diào)節(jié)時(shí)間的數(shù)據(jù)一致性較差；隨著目標(biāo)艏向角度逐漸增大，數(shù)據(jù)一致性逐漸增強(qiáng)，擺尾參數(shù)的變化對(duì)游動(dòng)時(shí)間的影響差異逐漸明顯。考慮到機(jī)器魚(yú)實(shí)際游動(dòng)中涉及到復(fù)雜的三維流場(chǎng)問(wèn)題，未來(lái)將對(duì)機(jī)器魚(yú)多自由度下的動(dòng)力學(xué)建模及游動(dòng)性能進(jìn)行研究。