水中機(jī)器魚的實現(xiàn)及應(yīng)用

高俊文++楊東柯++韋金玲++陽盛德++楊成慧++馬小琴

本文在2016 年西北民族大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目背景下，制作一個自主研發(fā)的具有創(chuàng)新設(shè)計的水中機(jī)器魚系統(tǒng)。設(shè)計目的：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對各種資源的開發(fā)力度逐年加強(qiáng)，保護(hù)海洋資源，為持續(xù)發(fā)展提供足夠保障，仿真類機(jī)器人是在既不破壞自然環(huán)境和諧，又能夠協(xié)助人類觀察和監(jiān)控自然的有效方式。本文討論的水中機(jī)器魚為水下探索提供一個平臺，有效實現(xiàn)各類水下傳感器的靈活安裝拆卸，使其在一個穩(wěn)定的系統(tǒng)上運(yùn)行。魚體采用鲹科模式，靈動性和高效性較好，主要包括K60芯片的控制核心、電源管理單元、舵機(jī)控制單元、傳感器、串口通信模塊等。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器魚 分段設(shè)計 升潛控制 鲹科模式 水下

近年來隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和對水體資源利用的重視，水下機(jī)器人承擔(dān)越來越重的作用。由于水下工作和陸地上不一樣，導(dǎo)致僅依靠人力難以有效進(jìn)行開發(fā)利用，需要依靠機(jī)器人的幫助來實現(xiàn)。本文討論的機(jī)器魚是仿真型機(jī)器人，主要目的是用于對環(huán)境的探查和檢測。機(jī)器魚采用鲹科模式，即類似于鯉魚等鲹科的魚類運(yùn)動的方式，通過尾部的擺動提供前進(jìn)的動力，通過胸鰭的角度調(diào)整實現(xiàn)在水下平穩(wěn)運(yùn)動。采用仿真機(jī)器人對大自然的探索，既不影響大自然的魅力，也體現(xiàn)了人與自然的和諧相處。機(jī)器魚主要作為一個平臺，具有較強(qiáng)的安裝和拆卸傳感器的能力，安裝配套的傳感器，可以提高其使用的范圍。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

魚頭使用透明亞力克半球罩安裝攝像頭、光電開關(guān)等傳感器，通過中空膠管與魚體中間主控部分連接。魚體中間部分由直徑8厘米的亞克力管切割而成，主要安放控制電路、電池和兩個舵機(jī)（控制胸鰭）。魚尾動力結(jié)構(gòu)類似于機(jī)器臂，由三個金屬舵機(jī)組組成，外部由亞克力骨架支撐，包覆彈性橡膠皮。

外部滿足流體力學(xué)優(yōu)化效果，整體呈現(xiàn)流線型，在水下能夠很好的減少阻力，提高運(yùn)行效率。各個部分的連接使用彈性電子密封膠完成，保證在水下的防水性，為電子器件提供良好環(huán)境。如圖1所示。

2 主要硬件介紹

2.1 電源

由5500MAH的3S鋰電池供電，利用三個穩(wěn)壓電路為各個元件提供電源。調(diào)壓芯片：LM2941S（12V可調(diào)壓），LM2940（5V穩(wěn)壓），SPX1117（3.3V穩(wěn)壓） 。

2.2 舵機(jī)

35公斤金屬舵機(jī)，空載下能夠?qū)崿F(xiàn)0.11秒旋轉(zhuǎn)60度。

19公斤防水舵機(jī)，空載下能夠?qū)崿F(xiàn)0.10秒旋轉(zhuǎn)60度。

2.3 陀螺儀、加速度、磁力計傳感器

使用GY953模塊，該模塊綜合了陀螺儀、加速度、磁力計可以直接輸出歐拉角，也可以對原始數(shù)據(jù)輸出。內(nèi)置STM32芯片進(jìn)行卡爾曼濾波處理數(shù)據(jù)，與外部使用IIC和串口協(xié)議進(jìn)行通訊，串口通訊能達(dá)到100HZ的速度，能夠滿足主控對數(shù)據(jù)接收的要求。

2.4 主控芯片

使用K60系列芯片，外圍模塊豐富，處理速度極快，能夠有效的擴(kuò)展傳感器的使用，極大的豐富了軟件控制的能力和數(shù)據(jù)處理能力。

K60最小系統(tǒng)板，各個模塊接口連接如圖2所示。

3 軟件思路和功能實現(xiàn)

3.1 運(yùn)動原理

水中機(jī)器魚的外形是模仿鲹科魚的造型，整個魚體呈現(xiàn)流線型。所有的控制和轉(zhuǎn)向使用五個舵機(jī)，用于提供驅(qū)動力和轉(zhuǎn)向力。基本運(yùn)動包括：直行、上升、下潛、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。三個舵機(jī)控制尾部，通過模仿魚S形的擺動，提供前進(jìn)的動力和轉(zhuǎn)彎時候的偏向力；兩個舵機(jī)控制胸鰭，通過上下擺動角度的改變來控制機(jī)器魚的水平平衡和上下潛的姿態(tài)調(diào)整。

3.2 控制方式

基本運(yùn)動通過k60主控編程控制舵機(jī)，通過GY953傳感器進(jìn)行姿態(tài)檢測反饋到K60主控，根據(jù)反饋控制舵機(jī)角度進(jìn)行調(diào)整，保持水中機(jī)器魚在水下平穩(wěn)運(yùn)動。

自主控制：編程設(shè)計預(yù)設(shè)路線，通過運(yùn)動過程中GPS位置定位比較，或者使用光電傳感器檢測水域邊緣和水中障礙物，實現(xiàn)自動避障，實現(xiàn)較大水域的自動巡游。

遙控控制：通過無線串口與k60芯片通訊，進(jìn)入遙控模式，在保持基本運(yùn)動方式不變的情況下，機(jī)器魚跳出自主路線，通過遙控器實現(xiàn)遙控。

3.3 編程思路（程序流圖如圖3）

首先估算舵機(jī)在擺動時會對機(jī)器魚的各個方向會產(chǎn)生多大的力。尾部易產(chǎn)生水平偏移的力，導(dǎo)致主體部分左右搖擺而并非筆直前進(jìn)，同時產(chǎn)生一定的傾斜力造成游動時左右傾斜。兩個胸鰭單獨控制能在垂直方向和傾斜角度有力的影響。所以利用相互作用力進(jìn)行一定的抵消。尾部的三個舵機(jī)相互間可以一定程度抵消水平力，兩個胸鰭可以抵消尾部帶來的傾斜力。然后將計算的舵機(jī)角度編程寫入主控中，但是由于估算過程和實際不可能完全一致，而且在速度不一樣的時候，受力肯定也是不一樣的。所以通過GY953進(jìn)行姿態(tài)解算，根據(jù)實際情況反饋到主控再進(jìn)行舵機(jī)角度調(diào)整。

自主巡游過程中使用簡單的路徑規(guī)劃方案。對于小湖小河，設(shè)定多次90度角轉(zhuǎn)，最前方的光電傳感器檢測到障礙或者岸邊時就轉(zhuǎn)90度，行進(jìn)半米后再向剛才同樣方向再轉(zhuǎn)90度，呈現(xiàn)出類似走“方波”效果。在實現(xiàn)需求次數(shù)的往復(fù)巡游后又以相反方式繼續(xù)，如此重復(fù)，實現(xiàn)全面“巡邏”。而對于大面積水域，利用GPS定位，以下水點作中心，在水域上模擬出一個閉合邊界在“觸碰”邊界時進(jìn)行90度角轉(zhuǎn)。

4 總結(jié)

（a）本文討論的水中機(jī)器魚實物已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)其基本功能，但運(yùn)動穩(wěn)定性還有待提高，可以通過繼續(xù)調(diào)試，來提高其各個參數(shù)的準(zhǔn)確度。

（b）利用仿真機(jī)器人對于大自然的探測是科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也是人與自然的和諧相處的體現(xiàn)，希望本文討論的水中機(jī)器魚為自然探索提供一個良好的啟發(fā)。

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作者單位

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 甘肅省蘭州市730124