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1、 2013年山东省大学生机器人大赛 机器人创意项目组参赛作品 仿鱼机器人山东科技大学信息与电气工程学院二一三年六月2013年山东省大学生机器人大赛机器人创意项目目 录1.引言12. 机械与结构设计22.1 鱼的身体结构22.2鱼的各种推进方式32.3 几种机器鱼机构比较与分析33. 集成红外传感器的仿鱼机器人63.1 集成红外传感器的机器鱼设计方案73.2 仿生机器鱼的基本运动93.3 仿生机器鱼的智能控制策略104. 控制系统硬件设计124.1 控制系统硬件设计思想124.2 主控制芯片及控制系统124.3 舵机的构造及控制方法134.4 PC 机与单片机间通讯135. 结论146. 参考文
2、献14仿鱼机器人1. 引言随着人类社会的急速发展，人口的急速增长，人类面临很严重的发展的压力，陆地资源的过度采集已经使各国不断向海洋，太空寻求更多的资源。而相对于太空，占地球大部分表面积的海洋自身蕴含着丰富的食物、矿产等资源，而且也是重要的运输及军事战略空间，与任何一个国家的生存发展息息相关。为了充分利用海洋资源，各种船只，潜水艇及水下机器人等被广泛的使用和设计，这些水上及水下作业的机器已经拓展了我们的生存空间，但是残酷的竞争激励人们不断探索高效、高机动性的水下推进控制技术。目前传统的水下推进系统多采用螺旋桨和叶轮式等原理的常规推进器，并多以电磁马达或液压马达驱动。这些常规推进器的存在能源利用
3、低、结构尺寸及重量大、受扰能力差，噪音大，隐蔽性差，可靠性差等缺点。而且常规的推进方式驱动水下运动装置存在启动、加速性能弱，运动灵活性差等缺点，受承载空间和能力的影响会限制其作业时间和范围，从而限制了它的应用。 采用波状摆动推进的鱼类，有着卓越的游动能力，就像飞机与雷达的研制，人们发现鱼类在水中游动时，可以本能的利用流体力学的原理，减小阻力提高推力。十几亿年的进化使鱼类能够以最科学的方式驾驭水流，以达到高速，高效的游动。大多数鱼类的游动推进效率在 80%以上，鲹科鱼类的推进效率可以超过 90%，而传统的推进方式的推进效率平均仅为 40%-50%左右。鱼类可以在不减速情况下迅速改变方向，转弯半径
4、仅有体长的 10%-30%，而船的转弯半径要比本身长度大一个量级，且通常在转弯前先要减速一半；梭子鱼可以以 25 倍的重力加速度迅速起动来猎取食物，海豚的加速度可以达到 20-50 倍的重力加速度。鱼类优良的游动运动方式给人类提高水下机器人系统的推进操控性能及与水环境的交互性能带来了希望。 鱼类的高速，高效游动，吸引着学者们研究鱼类的推进机理，并利用所研究的推进机理研制一些水下仿生学机器人，已验证其高效，高速的性能，并希望在实际的船只、潜艇等水上水下作业的器械上加以利用，以提高其机动性和效率。 2. 机械与结构设计2.1 鱼的身体结构由于鱼类的生活习性和生活环境的不同，鱼的种类是也多种多样的，
5、水作为鱼类的游动介质，其难压缩性和高密度性在鱼类的进化中具有重要的作用，导致了大多数鱼的进化过程中产生了推动协调其各种运动的不同的鳍及各种为适应其特点而产生的运动机理。由图 2-1 可以看出鱼的基本形态和它们不同部位的鳍。图 2-1 鱼的基本形态结构各个位置的鳍对大多数鱼类的游动能力起到决定性的作用，各种鱼鳍所起的作用和它们的特点如表 2-1。表 2-1 各种鳍的比较鳍的类别所处部位作 用是否有助于前进尾鳍尾部最后推进和转向的作用有背鳍身体的背后维持身体的平衡一般没有臀鳍肛门之后维持平衡，可与背鳍合作帮助鱼体运动一般没有胸鳍头部腮孔之后附近的胸部驱动前进、平衡、加速减速、转弯有腹鳍腹侧维持身体
6、平衡、辅助升降、转弯一般没有由表 2-1 可知鱼类的鳍主要是用来游动、平衡、转弯的。一般的，尾鳍是前向游动主要动力源，背鳍和臀鳍是起平衡作用的，而胸鳍和腹鳍主要起到转弯和平衡的作用。2.2鱼的各种推进方式按鱼类的体形及由体型引发的功能的不同，有下面几种常见的基本推进运动模式：喷射方式、身体波动方式、尾鳍推动方式和胸鳍推动方式。1. 喷射方式：此类方式的生物体内部的特殊部位可向后挤压产生水流后向推力，通过反作用力使其向前游动的。此类方式产生动力的生物体有乌贼、鱿鱼、水母。2. 身体波动式：此类生物体的游动关节遍布全身，它们的游动犹如正弦波形的前进，全身关节参与游动，这样前进的单位距离所需推力最小
7、。此类方式游动的生物体有鳗鱼、水蛇等。3. 尾鳍推进方式：此类游动方式还可分为：蹲行式和椭行式15，蹲行式如蝉鱼、鲜鱼等是最常见的方式，在速度、加速度方面和可操纵性上具有优势。椭行式鱼类有精鱼、马林鱼等，常有高展弦比的尾鳍，在快速运动中最为高效。它们的显著特点是主要利用鱼的身体后半段和尾鳍协调摆动前进。4. 胸鳍推进方式：单独利用胸鳍推进方式的鱼非常罕见，它的推进作用表现在机动性上，胸鳍的推进方式的效率并没有尾鳍的推进效率高，但是其机动性较尾鳍要高，所以在鱼类的游动过程中，胸鳍只是起到提高鱼类的机动性以逃避天敌的作用。2.3 几种机器鱼机构比较与分析1. ESSEX 大学机构ESSEX大学所使
8、用的机构为舵机串联机构。 ESSEX大学利用的执行器是舵机，舵机的优点是出力大，并且可以直接驱动鱼尾，因为其是有限转角的电机，本身就完成的是摆动运动，所以不必考虑机械结构问题可直接使用。在使用中利用连接件使得后一个舵机作为前一个的负载，只要舵机选择合适就可较简单的完成机械设计。麻省理工学院对以舵机为执行器的机械设计上也有所研究，但具体的控制规律也应归类于此。图 2-2 是ESSEX大学研制的机器鱼。 图 2-2 ESSEX大学机器鱼示意图2. 巴沙蒂娜学院(Pasadena City College) Pasadena City College设计了一种被动式机器鱼机构，利用弹簧的反力吸收一部
9、分刚性的电机转动定位时的能量，在回摆时产生助力，从而降低能量损耗，提高效率。但缺点是难于设计，如果设计不当，效果会适得其反。图2-3 是巴沙蒂娜学院机器鱼的核心结构。 图 2-3 Pasadena City College 设计机构示意图3. 东南大学 东南大学的机器鱼比较简单，只有一个自由度，即只利用一个电机控制经过传动之后变成鱼尾鳍摆动运动。图 2-4 东南大学机械结构示意图4. 密歇根州立大学 密歇根州立大学研制的机器鱼已经加入了GPS导航定位单元，温度传感器等多种传感器，基本可以完成自主定位与导航功能。 图 2-5 密歇根州立大学机器鱼 图 2-6 密歇根州立大学电路结构示意图 机器鱼
10、结构示意图5. 南洋理工大学 南洋理工大学一直致力于全身都可以蠕动的机器鱼，此种机器鱼的动力学特性与北京大学及本文所研究的鱼的区别是：此种鱼的机动性能强，由于其全身的运动致使其自由度很多，控制起来弹性很大，机动性能强，但是效率并不如局部身体摆动的高。这种运动机理属于鳗鲡式机器鱼推进模式。如图 2-7 就是南洋理工大学比较有代表新的一款机器鱼。 图 2-7 南洋理工机械鱼示意图6. 中国科学技术大学 中国科学技术大学所开发的机器鱼是类鳝类机器鱼，它的仿生对象是蓝点魟，它的机构是并联的舵机机构，通过每个舵机的协调摆动产生不同大小方向的推力，从而完成鱼的巡游，左转，右转，倒退等动作。其机器鱼的结构示
11、意图见图 2-8。 图 2-8 中科大仿生蓝点魟机器鱼示意图3. 集成红外传感器的仿鱼机器人本项目作品给出了集成多个红外传感器的仿生机器鱼的设计方案，研究了基于红外传感器的机器鱼避障规则和策略，提出了一种基于规则推理的智能避障控制方法，并进行了实验。3.1 集成红外传感器的机器鱼设计方案3.1.1 传感器网络设计红外传感器是一种比较有效地接近觉传感器，利用红外线的定向传播和反射能力检测前方是否有障碍物，常被用于机器人系统中探测临近或突发运动障碍。由于光的方向性好，红外传感器具有角度分辨率高，反映灵敏，结构简单等优点。但在水中光的衰减比较严重，距离分辨率低。红外传感器由红外发射管、红外接收管、红
12、外发射电路和红外接收处理电路组成。它的工作原理是：当有障碍物的时候，接收电路端口输出的为高电平，没有障碍的时候，端口输出的为低电平。通过高低电平的判断来识别是否有障碍物。图 3-1 传感器网络示意图由于单个红外传感器探测范围有限，为了使得机器鱼得到周围环境的详尽信息，可以在机器鱼的表面安装多个红外传感器，组成传感器网络，使其覆盖机器鱼周围的区域。图3-1 给出了传感器的布局情况。按照传感器安装位置，分为五类：前部红外传感器（FIR）、左侧红外传感器（LIR）、右侧红外传感器（RIR）、顶部红外传感器（TIR）、底部红外传感器（BIR）。这五类传感器分别探测机器鱼前方、左侧、右侧、顶部、底部的障
13、碍物。各个方向传感器的数量和安装位置根据红外传感器的角度分辨率来确定，应该确保这些传感器之间不存在相互干扰。机器鱼通过传感器网络提供的环境信息，依据规定的运动策略实现自主运动。根据传感器网络提供的信息和机器鱼当前的运动状态（运动方向和速度）对机器鱼进行自主漫游运动的研究，即要求机器鱼在自主游动时做到不与外部障碍物发生碰撞；在遇到危险物体逼进时，能够快速逃逸，并远离危险物体。3.1.2 仿生机器鱼内部结构和技术参数自主仿生机器鱼的内部结构如图 3-2 所示。它主要由 5 部分组成：控制单元 (微控系统 + 外围器件)，通讯单元 (通讯模块)，支撑单元 (铝制外骨架 + 鱼头)，驱动单元 (伺服电
14、机组)，附件 (电池、防水鱼皮及尾鳍等)。图 3-2 自主仿生机器鱼的内部结构在控制单元中，机器鱼的摆动控制数据集成在头部的微控制器内，舵机组由微控制器ATmega128L 单片机控制。机器鱼通过微控制器ATmega128L 单片机调制产生的 PWM 信号，控制各个舵机的转角，从而实现 3 个关节的协调摆动，模仿鱼类的游动运动。机器鱼直行游动的速度可通过调节关节的摆动频率来控制，其方向可通过不同的关节偏移来实现。在一个摆动周期内，在第一个关节迭加不同的偏移量，可以实现不同幅度的转弯。自主仿生机器鱼的技术参数见表3-1、表3-2。表 3-1 自主仿生机器鱼的技术参数尺寸(长宽高)重量关节数最大摆
15、动频率摆动部分长度最大游速(直行)4304875 mm0.5 kg32 Hz (水中)178 mm0.4 m/s最小转弯半径最大扭矩驱动模式通讯模式工作电压单独运行时间200 mm（1/2 体长）3.2 kg.cm直流伺服电机JTAG6 v11.5 小时表 3-2 机器鱼的电机的摆动频率(Hz)和直行游动速度(m/s)的关系频率(Hz)0.50.570.670.81.01.342.0速度(m/s)0.120.160.180.200.230.260.323.2 仿生机器鱼的基本运动根据避障任务的要求，综合考虑自主仿生机器鱼的运动特点、物理结构、控制器及工作环境的特点，我们为红外机器鱼设计了以下 8 种基本运动：上升(UP)、下潜(DOWN)、平 动 (HORIZ
