水下智能机器鱼
许晖，史荣燕，马云
（西北工业大学航海学院，陕西stu 西安710072）
摘要：21世纪是海洋的世纪。各种技术的全面发展带动了水下机器人技术的发展，本文设计了一种在潜水区域作业的微小型机器鱼，控制方式采用上位机控制。最后进行了水面试验，结果表明该机器鱼操纵方便、满足设计要求。
关键字：微小型机器鱼；上位机控制
中图分类号：TP29 文献标识码：B
The underwater intelligent robot fish
Xu Hui, Shi Rong-yan, Ma Yun
（School of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’An 710072, China）
Abstract： The 21st century is the century of ocean. The all-round development of various technologies drives the development of underwater robotics technology, this paper designs a miniature robotic fish in diving area operations, the mode of control adopts PC control. Finally the water test, the results show that the robotic fish is manipulation convenient ,and meets the design requirements.
Keywords: a miniature robotic fish, PC control.
1 引言
随着海洋开发的蓬勃发展，在海洋开发及相关领域中运用机器人技术已经引起了世界各国的重视。水下机器人出现了一些新的推进方式，能否利用鱼类的游动原理做出比螺旋桨推进更快和噪声更低的水下推行器，寻找新的运输方式和推进方式，已成为一个热门研究课题。本文以单片机STM32F103VET6为核心控制芯片，制作完成用来模拟鱼基本运动的鱼形机器人。
2机器鱼推进原理与数学建模
2.1 机器鱼的推进原理[1]
大部分鱼利用自身作为推进器，进行波状摆动推进，身体左右摆动击水，利用流体产生的反作用力获得鱼体前进的推力。如图1所示，假设脊椎曲
线占一个波长λ，鱼体是面积为的带状物，其质量为Μ，鱼体做正弦运动，其俯视图恰为一个波长的波形且波速为为v，频率为f，波幅为A。
以图1所示坐标系为参考系，则脊椎曲线包络
的工作质质量为：
收稿日期：2013-06-21；修稿日期：2013-06-xx
作者：史荣燕（1988-），女，陕西韩城人，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化。
通讯作者：许晖，副教授，E-mail: xuhui@nwpu.edu。
(1)
以地面为参考系，鱼体相对速度为, 流体相对地速度为，根据动能守恒得：
(2)
又因为
则鱼的速度为：
(3)
图1 鱼体脊椎曲线
fare
Fig 1 The curve of the spine of the fish body
2.2 机器鱼的转向原理[2]
机器鱼的转向参考真鱼游动时的转向原理，并利用了游动时的惯性，图2为机器鱼转向原理示意图。机器鱼转向时，尾部偏转并停留在最大摆动角位置，图2为左转，惯性使鱼体继续向前推进，此时鱼体所受的流体阻力比较大，纵向分量只阻碍鱼体的推进，横向分量实现鱼体的转向。
图2鱼转向受力分析
Fig 2 Force analysis of steering
2.3 机器鱼运动模型的建立
鱼类游动过程中，按照波动推进理论，通过身体的波动，把水对鱼身体的反作用力转换为前向的推进力和侧向分力，整个身体波动产生的侧向分力相互消减，推动身体向前运动，同时充分利用涡流的作用，对产生的涡流进行能量回收，提高游动效率。身体波动的形式决定了鱼的游动性能和游动效率。身体波动的方程为：
(4)
为鱼身体横向摆动的幅度, x为着鱼体的纵向位置坐标，,为身体波的波长, 为振幅的线性增益,振幅的二次增益， w为身体波的频率。为得到较好的鱼体波动方程,需要对，，w取值大小进行综合考虑。
3 机器鱼总体设计
3.1 水下智能机器鱼的技术指标
考虑到玻璃钢外形有便于加工、结构强度和稳定性高等优点，本文设计的水下智能机器鱼的头部线型选用半球形设计，整体结构框架材料选用的是玻璃钢，鱼身和鱼尾采用硅胶密封包裹。水下智能机器鱼可以在水下实现上浮、下潜、左右转向及避障的基本功能。
水下智能机器鱼的技术指标主要有：
负浮力：0kg
运动速度:0.1m/s
工作水深为:0-0.5 m
长度：440mm
3.2 水下智能机器鱼的总体设计
虚拟设计是设计水下智能机器鱼的第一步，借助于计算机的三维虚拟造型可将设计的航行器形体转化为可视、可分析、可修改、可进一步模拟加工的实体模型[3]。这样为其后的水下智能机器鱼加工提供方便。
本文采用Solidworks建模，虚拟装配。最终设计的机器鱼三维模型如图3所示.
水下智能机器鱼主要由头部，鱼身，鱼尾构成。
头部和鱼身是鱼的主要组成部分，控制电路和相关驱动电路都在其中，在头部装有两个简易的接近传感器，外部用橡胶套套住，防止漏水导电，内部装有一个外套环，在这个裸线套环上加高电平，鱼在规定的水域中游动时，若鱼须碰到障碍物，内部的须线便接触外套环，此时鱼须上为高电平，利用这个信号判断外部是否有障碍物。
鱼身与鱼尾结合处安装有沉浮系统，可以使机器鱼灵活地上浮下潜。
高中军训总结尾部由3个串联的舵机组成，通过机械支撑架连接起来，通过舵机摆动来实现机器鱼的各种运动。外皮利用高弹性的橡胶制作，满足整个鱼体密封设计需求和保持足够的弹性。电源部分能够自动感知电源的不足而及时报警，为使电源能够充电，而不必拆卸来更换电池，在鱼体上外接电源插头。如果需要扩充功能，可以方便地添加各种传感器件。
图3水下智能机器鱼三维模型简图
Fig 3 The three-dimensional model diagram of the underwater intelligent machine fish
4 机器鱼机构及控制系统设计
4.1 机器鱼摆动机构设计
为了实现水下机器鱼柔性摆动，选择的是三关节摆动模式，执行器件是模拟舵机。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于角度不断变化并可以保持的控制系统，是典型的闭环反馈伺服系统。。
舵机工作原理是：舵机的控制电路接收信号
源的控制脉冲，并驱动电机转动，电位器和齿轮组的末级一起转动，电路板检测并根据电位器判断转动角度，然后控制舵机转动到目标角度。
舵机的控制原理图如图4所示[4]2012灾难片。
图4 舵机控制原理图
Fig 4 Servo control schematics
舵机内部有一个基准电路, 产生周期20 ms, 宽度1.5ms的基准信号, 比较器将控制信号与基准信号相比较, 判断出方向和大小, 从而产生电机的转动信号。舵机控制信号为PWM信号，周期为20ms，正脉冲宽度的变化范围为0.5~2.5ms，相应的舵盘位置为～，且线性变化[5]。
控制好舵机位置的关键是控制正脉冲的宽度。通过机器鱼尾部的三个舵机带动尾部摆动来实现鱼的前行和转向。如图3所示，在前行过程中1#舵机和2#舵机摆动角度为300 重音，2#舵机摆动角度为100；在转向过程中，1#舵机摆动角度为200, 2#舵机和3#舵机停止摆动，2#舵机停留角度为300，3#舵机停留角度为00。
4.2 机器鱼的沉浮系统设计[6]
机器鱼在水中稳定游动，要保证其水中姿态的平稳，这就要求机器鱼在水中受到的自身重力和水的浮力相平衡。鱼类通过鱼鳔的伸缩和扩张实现灵活的沉浮，鉴于鱼类的沉浮原理，设计一个简单的沉浮机构，主要由齿轮泵、水袋、电磁阀构成，如图5所示。
图5沉浮系统原理图
Fig 5 System schematic of ups and downs高中试卷网
当电磁阀开启的时候，通过控制齿轮泵的正反转实现吸水和排水，来调节机器鱼体的重力，从而达到沉浮控制。
4.3机器鱼的控制系统设计
机器鱼的控制系统分为自身控制部分和计算机遥控部分。主要负责摆动机构和沉浮机构的运行，为机器鱼在水中游动的直接表现；计算机遥控部分主要体现操作者对机器鱼的控制。计算机遥控使得机器鱼的活动范围得到进一步的扩大。
自身控制系统采用的芯片采用的是STM32F103VET6单片机。它是意法半导体公司推出的32位单片机，可以同时实现多路PWM输出，可以控制舵机运动，还有3个SPI接口，可以连接无线通信模块，实现通信功能。同时包含3个USART通道，可以和PC方便的实现交互，可以作为无线模块的通信接口[7]，控制系统的总体原理如图6所示。hot dog
图6 控制系统的总体原理图
Fig 6 The overall schematic diagram of the control system
控制的对象包括：用于使机器鱼前进的3个舵机；沉浮系统的电磁阀和水泵的电机；操舵的舵机；摄像机支架上的舵机；鱼鳍的控制舵机。
控制系统的电源包括6V、12V和24V的电源，其中6V电源通过电路板上的电路转接为供STM32F103VET6单片机工作的3.3V电压；12V电源用于连接水泵驱动。
上位机软件是整个控制系统的上层管理软件，也是整个系统中直接与用户进行交互的部分[8]。其功能是将操作人员的命令信息通过无线发射模块实时地传给STM32F103VET6单片机，再由STM32F103VET6单片机对指令信息进行处理，驱动执行部件运动。本文通过我在新郑当守陵人VC++设计了上位软件，操作界面如图7所示。
图7 控制操作界面
fundamentum
Fig 7 Control interface
million的用法
5 水面实验
为了测试机器鱼的性能，进行了水面实验，首先测试的内容是航行器的密封性，将航行器放入水中长时间浸泡，观察内部是否渗水，实验结果表明机器鱼具有很好的密封性。其次试验的内容是通过上位软件测试无线通讯模块是否工作正常，并相应地进行了机器鱼的左转，右转，下潜，上浮，前进，壁障等试验。试验表明机器鱼能很好的实现设计要求。
6 结束语
本文设计了一种低成本的微小型水下智能机器鱼，阐述了机器鱼推进原理和转向原理，设计了机构和控制系统，并做了水面试验。
参考文献
[]梁建宏，王田苗，魏洪兴. 水下仿生机器鱼的研究进展—鱼类推进机理[J]. 机器人，2002.24(2):107-109
