仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

董慧芳，汪明，張燕魯，李旭，張仁昊

（山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

0 引言

隨著人類生活品質(zhì)和需求的不斷提升，資源問題變得日益嚴(yán)重，陸地資源的不斷減少，使得擁有豐富資源的海洋世界成為新的寵兒，研究各種水下機器人成為科研主流。仿魚類的水下機器人（即仿生機器魚）就是水下潛航器的一種。自然界中的魚類，經(jīng)過百萬年的進(jìn)化，對水域環(huán)境達(dá)到了完美的適應(yīng)，擁有了卓越的游動技巧，在機動性和效率上是人造推進(jìn)器所無法比擬的［1-2］。仿生機器魚作為一種新型水下推進(jìn)器，具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。在狹小的作業(yè)空間內(nèi)、復(fù)雜的工作環(huán)境中，高機動性、高靈活性的仿生機器魚是高效完成危險復(fù)雜任務(wù)的可靠方案［3-4］?；诖?，人們對仿生機器魚的研究也越來越多，仿生機器魚的功能也越來越完善［5］。

國內(nèi)外對仿生機器魚的研究方興未艾。國外的研究以美國和日本為主，美國麻省理工學(xué)院（MIT）在1994年研制出世界上第一條真正意義上的仿生機器魚 Robo Tuna［6］，之后對其進(jìn)行改良，研制出Pike、VCUUV等系列具有高速度、高自主性能的機器魚［7］；日本國家海洋研究中心（NMRI）研制出了許多不同功能的機器魚，如PF系列機器魚具有高速度和高加速性等特點［8］。國內(nèi)研究中，北京航空航天大學(xué)研制的SPC-II仿生機器魚可以用于水質(zhì)監(jiān)測［9］；中國科學(xué)院自動化所研制出了鲹科模型的“游龍”系列機器魚［10］，并用其做了大量的控制實驗，取得了很好的研究成果；哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的微型機器魚具有遠(yuǎn)程控制功能；北京大學(xué)制造出了三關(guān)節(jié)機器魚［11］。這些研究工作的實現(xiàn)使得仿生機器魚在實際水域中的作用越來越大［12］。

為實現(xiàn)仿生機器魚在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，能實時傳輸機器魚監(jiān)測到的信息，監(jiān)控系統(tǒng)的研究是基礎(chǔ)，但監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)具有很大挑戰(zhàn)性。仿生機器魚由于工作環(huán)境的特殊性，使其不能像陸地機器人那樣快速高效地通信，而在水下環(huán)境中可以使用的通信手段有限，這樣導(dǎo)致仿生機器魚和水面系統(tǒng)之間通信的困難［13］。如何解決仿生機器魚水下通信問題是建立監(jiān)控系統(tǒng)必須要解決的關(guān)鍵問題之一。為此，文章針對仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了探索，在系統(tǒng)的硬件、軟件、無線通信以及人機交互界面等方面進(jìn)行了設(shè)計與研發(fā)，并搭建了仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺。在通信系統(tǒng)中采用了433 MHz的射頻通信技術(shù)，RF433 MHz通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，傳輸時功耗低，因此在機器人的通信當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用［14］，對于在仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)中，可以用于淺水區(qū)域的通信環(huán)境。

文章主要研究仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)，目的是在監(jiān)控系統(tǒng)的計算機上動態(tài)監(jiān)控仿生機器魚多模態(tài)游動狀態(tài)，從而在此基礎(chǔ)上，希望能更進(jìn)一步研究仿生機器魚運動形態(tài)和推進(jìn)機理，提升仿生機器魚的機動性和游動效率。文章設(shè)計了仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)方案，并闡述了仿生機器魚硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了監(jiān)控計算機與仿生機器魚之間的通信協(xié)議，開發(fā)了通信模塊和監(jiān)控系統(tǒng)計算機的人機交互軟件；搭建了仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺，實現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)控仿生機器魚的直游、轉(zhuǎn)彎、上浮、下潛等功能。

1 仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

為了動態(tài)監(jiān)控仿生機器魚，文章所設(shè)計的仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包含監(jiān)控計算機、無線收發(fā)模塊、仿生機器魚、水池、高清攝像頭等。仿生機器魚系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

無線模塊通過串口芯片與主機相連實現(xiàn)仿生機器魚與監(jiān)控計算機的通信，監(jiān)控計算機發(fā)送指令時，無線模塊以無線廣播的方式將指令發(fā)送給機器魚，通過STM32F407控制器處理后控制機器魚運動，同時，機器魚會根據(jù)不同的動作發(fā)送相應(yīng)的返回值給監(jiān)控計算機。高清攝像頭通過USB接口線與監(jiān)控計算機主機連接，當(dāng)仿生機器魚在運動時，定時將機器魚游泳姿態(tài)傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機中。

仿生機器魚內(nèi)部有控制器模塊、無線收發(fā)模塊以及各種傳感器（陀螺儀、深度傳感器）等模塊，以下將詳細(xì)介紹這幾個模塊的結(jié)構(gòu)原理。

（1）控制器模塊

為使仿生機器魚具有更穩(wěn)定的性能，發(fā)揮更大的作用，其控制器模塊顯得尤為重要。故選擇工作頻率高、運行速度快的 STM32F407單片機，其USART和SPI通信速度更快，具有更低的功耗［15］，并集成了新的DSP和FPU指令，符合本設(shè)計對控制器的要求，運用STM32F407作為運動控制單元，負(fù)責(zé)運動控制的解算，獲取多路舵機驅(qū)動的PWM信號，并且隔離了舵機運行時信號的干擾，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性［16］。

（2）無線收發(fā)模塊

由于仿生機器魚工作在復(fù)雜的水下環(huán)境，需采用穿透性強、穩(wěn)定性較高的無線傳輸模塊，文章研究的監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)監(jiān)控計算機與仿生機器魚之間運動模式數(shù)據(jù)的傳輸，無線模塊選擇雙向射頻模塊RF200，其用于高頻范圍的高性價比的RFID系統(tǒng)，在本設(shè)計方案中，RF200工作在433 MHz的頻率上，數(shù)據(jù)傳輸速率為9600 b／s，使用433 MHz射頻技術(shù)主要是考慮選用此頻段通信較為穩(wěn)定，不容易發(fā)生丟包現(xiàn)象，且 RF200輸出為 TTL電平，直接通過USART接口與 STM32F407通信［17-19］，通信方式簡單。

RF433 MHz射頻通信技術(shù)的通信距離與發(fā)射電壓有關(guān)，在3～12 V內(nèi)，發(fā)射電壓越高其傳輸距離越遠(yuǎn)，最低傳輸距離為20～50 m，最大可傳輸700～800 m［20］。根據(jù)需求來調(diào)節(jié)通信距離的大小，在研究階段，采用短距離即可達(dá)到通信要求。

（3）傳感器模塊

鑒于仿生機器魚工作在復(fù)雜的水下環(huán)境中，功率消耗以及機器魚的大小限制了微型控制器的處理能力。故采用低成本多傳感器架構(gòu)，使得機器魚適應(yīng)不同的環(huán)境。具體有陀螺儀，深度傳感器，電流／電壓傳感器、紅外傳感器等，特別地，選擇MPU6050作為陀螺儀部件，MPU6050為集成的六軸運動跟蹤設(shè)備，其內(nèi)部結(jié)合了3軸陀螺儀 +3軸加速度計［21］，其具體原理如圖2所示。

圖2 MPU6050模塊原理圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：（1）監(jiān)控計算機的開發(fā)，即發(fā)送控制指令以及接收陀螺儀返回值；（2）仿生機器魚接收控制指令以及生成PWM波控制舵機運動。

監(jiān)控計算機軟件利用MFC（Microsoft Foundation Classes）編寫，通過按鍵觸發(fā)作用，輸入相應(yīng)按鍵生成控制指令，利用串口發(fā)送指令。機器魚接收指令的軟件設(shè)計通過C++實現(xiàn)，機器魚內(nèi)部控制器通過USART3接收監(jiān)控計算機的控制指令，生成PWM波作用到舵機上使機器魚產(chǎn)生相應(yīng)的動作，同時USART2向監(jiān)控計算機發(fā)送相應(yīng)的返回值。監(jiān)控計算機與仿生機器魚之間通過串口進(jìn)行通信，只需配置一個簡單的通信協(xié)議，以及利用無線串口配置軟件實現(xiàn)RF200模塊與監(jiān)控計算機對應(yīng)串口參數(shù)的配置，運用到兩個串口分別作為控制端和數(shù)據(jù)端。

1.3 系統(tǒng)的無線通信設(shè)計

1.3.1 無線通信協(xié)議

仿生機器魚與監(jiān)控計算機的通信是通過串口發(fā)送和接收命令，如前所提的通過USART3接收監(jiān)控計算機發(fā)送的命令，通過USART2向監(jiān)控計算機發(fā)送命令。USART的字符由起始位、數(shù)據(jù)位（8位或者9位）、停止位（1位或者2位）組成，監(jiān)控計算機發(fā)送的控制指令含有4個字節(jié)。由于仿生機器魚要實現(xiàn)多模態(tài)游動，如直游、上升、下降、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、翻滾等模式，為了使通信簡單而高效，將仿生機器魚的運動模式和運動速度設(shè)置成兩種不同的通信協(xié)議格式。

在仿生機器魚的多模態(tài)游動中，速度檔位設(shè)置1～9檔，由慢到快，每個檔位的通信協(xié)議由4個字節(jié)組成，為了簡便起見，設(shè)置幀頭和幀尾以及機器魚ID均相同，仿生機器魚根據(jù)運動速度位區(qū)分不同的檔位。運動速度數(shù)據(jù)幀組成的通信協(xié)議見表1。

表1 運動速度通信協(xié)議表

在仿生機器魚的多模態(tài)游動中，每種游動模態(tài)的通信協(xié)議由4個字節(jié)組成，同樣設(shè)置幀頭和幀尾以及機器魚ID均相同，仿生機器魚根據(jù)運動模態(tài)位區(qū)分不同的游動模態(tài)。運動模式數(shù)據(jù)幀組成的通信協(xié)議見表2。

表2 運動模式通信協(xié)議表

1.3.2 無線通信控制軟件流程

按照通信協(xié)議的格式，仿生機器魚控制命令由運動模式和游動速度組成，監(jiān)控計算機利用MFC中的PreTranslateMessage函數(shù)按鍵觸發(fā)生成控制指令，GenerateCtrlCmd函數(shù)打包控制指令，通過串口發(fā)送。機器魚中的控制器（STM32）利用 USART_IRQHandler函數(shù)接收監(jiān)控計算機指令，控制舵機運動。同時，仿生機器魚將返回值返回給監(jiān)控計算機，利用OnRXChar函數(shù)解析仿生機器魚傳回來的數(shù)據(jù)，運動模式和運動速度的通信流程如圖3所示。

圖3 通信流程圖

監(jiān)控計算機控制指令的代碼如下：

2 仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

對游動仿生機器魚來說，監(jiān)測計算機需要對其進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)控，并接收機器魚從水下監(jiān)測到的各種信息，故開發(fā)了監(jiān)控計算機人機交互界面。用VC++2010中的MFC語言設(shè)計了監(jiān)控平臺，主要實現(xiàn)以下功能：程序運行之后，會自動產(chǎn)生一個名為Dogfishcontrol的監(jiān)控界面，如圖 4所示。設(shè)置COME4和COME6分別作為數(shù)據(jù)端和控制端，打開串口進(jìn)入控制模式，在命令區(qū)通過鍵盤輸入命令，仿生機器魚做出相應(yīng)的動作。界面下方是一個根據(jù)機器魚游動軌跡產(chǎn)生的曲線圖，pitch叫做俯仰角，yaw叫做偏航角，roll叫做翻滾角，其分別圍繞 x、y、z軸旋轉(zhuǎn)，仿生機器魚在執(zhí)行不同的控制指令時曲線圖中會產(chǎn)生不同的波形。

監(jiān)控計算機接收仿生機器魚返回值時，即接收陀螺儀數(shù)據(jù)時，根據(jù)通信協(xié)議，先分析幀頭標(biāo)志位，驗證正確后接收數(shù)據(jù)位、結(jié)束位，若字節(jié)數(shù)已夠，則解析陀螺儀數(shù)據(jù)。

圖4 監(jiān)控計算機人機交互界面圖

監(jiān)控計算機解析仿生機器魚返回值數(shù)據(jù)的代碼如下：

3 仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺測試與結(jié)果分析

通過上述的設(shè)計與研發(fā)，在實驗室搭建了由監(jiān)控計算機、攝像頭、通信模塊、仿生機器魚、水池等構(gòu)成的仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺。為驗證監(jiān)控系統(tǒng)，在實驗平臺上做了仿生機器魚多模態(tài)游動實驗。仿生機器魚多模態(tài)節(jié)律運動采用中樞模式發(fā)生器CPG（Central Pattern Generator）控制，推進(jìn)方式為 BCF（Body and Caudal Fin）方式，即由身體后部及尾鰭推進(jìn)。仿生機器魚CPG網(wǎng)絡(luò)模型由式（1）表示為

式中：xi和yi分別為非線性振蕩器的2個狀態(tài)變量；ωi為第i個振蕩器的固有震蕩頻率；Ai為第i個振蕩器的固有振幅；aij和bik分別為鏈?zhǔn)饺躐詈祥g的耦合系數(shù)，表示神經(jīng)振蕩元之間的激勵和抑制作用。

此模型采用簡單的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，以最近相鄰單元構(gòu)建線性耦合，極大減少模型的參數(shù)數(shù)量，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。其控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，通過控制參數(shù)ω和A，可以直接控制振蕩器的頻率和振蕩器的幅值，產(chǎn)生輸出信號，經(jīng)過控制器處理后輸入到各關(guān)節(jié)驅(qū)動舵機，實現(xiàn)機器魚的多模態(tài)控制。

圖5 仿生機器魚CPG網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在搭建好的實驗平臺上對仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測試。圖6～9的（a）圖分別為機器魚在水池中靜止、直游、左轉(zhuǎn)彎及右轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，在監(jiān)控計算機上顯示的波形分別對應(yīng)圖6～9的（b）圖。

由圖6～9中曲線可分析，當(dāng)機器魚靜止時，曲線圖由3條直線組成，如圖6（b）所示；直游時，yaw曲線波動較大，即偏航角波動較大，機器魚在向前游動的過程中，圍繞y軸旋轉(zhuǎn)，故體現(xiàn)在曲線圖中是偏航角的變化較為明顯，如圖7（b）所示；當(dāng)機器魚執(zhí)行轉(zhuǎn)彎運動時，偏航角會達(dá)到較大值，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)方向正好相反，如圖8（b）和9（b）所示。

圖6 靜止模式下的實際游態(tài)及數(shù)據(jù)波形圖

圖7 向前直游模式下的實際游態(tài)及數(shù)據(jù)波形圖

圖8 向左轉(zhuǎn)彎模式下的實際游態(tài)及數(shù)據(jù)波形圖

圖9 向右轉(zhuǎn)彎模式下的實際游態(tài)及數(shù)據(jù)波形圖

實驗過程中監(jiān)控計算機能夠通過按鍵準(zhǔn)確控制仿生機器魚運動模態(tài)的切換，在不同運動模態(tài)下，通過在監(jiān)控計算機上輸入不同數(shù)字鍵，亦可實現(xiàn)機器魚速度檔位的切換，監(jiān)控系統(tǒng)可實時記錄機器魚在游動過程中的波形變化。實驗結(jié)果證明文章提出的仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成機器魚各模態(tài)運動的監(jiān)控任務(wù)，可實現(xiàn)監(jiān)控計算機與機器魚的穩(wěn)定通信，但也存在很多需下一步解決的問題，比如在進(jìn)行模態(tài)和速度檔位切換的瞬間，機器魚動作稍微延遲，即通信速率沒達(dá)到理想要求，丟包率雖小但也存在，以及實驗在實驗室內(nèi)完成，通信距離體現(xiàn)不出優(yōu)勢，在下一步的研究工作中，會從這2個方面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

4 結(jié)論

仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是仿生機器魚推廣應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)。文章設(shè)計并實現(xiàn)了仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)，搭建了實驗平臺，通過具體的實驗結(jié)果可得出：

（1）仿生機器魚根據(jù)監(jiān)控計算機鍵盤上的輸入命令做出了相應(yīng)動作，同時監(jiān)控系統(tǒng)界面上實時產(chǎn)生了機器魚不同運動模態(tài)下的運動曲線。

（2）仿生機器魚執(zhí)行命令時向監(jiān)控計算機實時發(fā)送反饋機器魚當(dāng)前運動狀態(tài)的指令，實現(xiàn)了兩者之間的無線通信協(xié)議。

（3）仿生機器魚監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了仿生機器魚與監(jiān)控計算機兩者間的穩(wěn)定交換游動控制命令、游動模式、游動姿態(tài)等數(shù)據(jù)，形成了一個穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，運行效果良好。

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