水中机器鱼的实现及应用

高俊文++杨东柯++韦金玲++阳盛德++杨成慧++马小琴

本文在2016 年西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划项目背景下，制作一个自主研发的具有创新设计的水中机器鱼系统。设计目的：随着科学技术的发展对各种资源的开发力度逐年加强，保护海洋资源，为持续发展提供足够保障，仿真类机器人是在既不破坏自然环境和谐，又能够协助人类观察和监控自然的有效方式。本文讨论的水中机器鱼为水下探索提供一个平台，有效实现各类水下传感器的灵活安装拆卸，使其在一个稳定的系统上运行。鱼体采用鲹科模式，灵动性和高效性较好，主要包括K60芯片的控制核心、电源管理单元、舵机控制单元、传感器、串口通信模块等。

【关键词】机器鱼 分段设计 升潜控制 鲹科模式 水下

近年来随着科学技术发展和对水体资源利用的重视，水下机器人承担越来越重的作用。由于水下工作和陆地上不一样，导致仅依靠人力难以有效进行开发利用，需要依靠机器人的帮助来实现。本文讨论的机器鱼是仿真型机器人，主要目的是用于对环境的探查和检测。机器鱼采用鲹科模式，即类似于鲤鱼等鲹科的鱼类运动的方式，通过尾部的摆动提供前进的动力，通过胸鳍的角度调整实现在水下平稳运动。采用仿真机器人对大自然的探索，既不影响大自然的魅力，也体现了人与自然的和谐相处。机器鱼主要作为一个平台，具有较强的安装和拆卸传感器的能力，安装配套的传感器，可以提高其使用的范围。

1 机械结构设计

鱼头使用透明亚力克半球罩安装摄像头、光电开关等传感器，通过中空胶管与鱼体中间主控部分连接。鱼体中间部分由直径8厘米的亚克力管切割而成，主要安放控制电路、电池和两个舵机（控制胸鳍）。鱼尾动力结构类似于机器臂，由三个金属舵机组组成，外部由亚克力骨架支撑，包覆弹性橡胶皮。

外部满足流体力学优化效果，整体呈现流线型，在水下能够很好的减少阻力，提高运行效率。各个部分的连接使用弹性电子密封胶完成，保证在水下的防水性，为电子器件提供良好环境。如图1所示。

2 主要硬件介绍

2.1 电源

由5500MAH的3S锂电池供电，利用三个稳压电路为各个元件提供电源。调压芯片：LM2941S（12V可调压），LM2940（5V稳压），SPX1117（3.3V稳压） 。

2.2 舵机

35公斤金属舵机，空载下能够实现0.11秒旋转60度。

19公斤防水舵机，空载下能够实现0.10秒旋转60度。

2.3 陀螺仪、加速度、磁力计传感器

使用GY953模块，该模块综合了陀螺仪、加速度、磁力计可以直接输出欧拉角，也可以对原始数据输出。内置STM32芯片进行卡尔曼滤波处理数据，与外部使用IIC和串口协议进行通讯，串口通讯能达到100HZ的速度，能够满足主控对数据接收的要求。

2.4 主控芯片

使用K60系列芯片，外围模块丰富，处理速度极快，能够有效的扩展传感器的使用，极大的丰富了软件控制的能力和数据处理能力。

K60最小系统板，各个模块接口连接如图2所示。

3 软件思路和功能实现

3.1 运动原理

水中机器鱼的外形是模仿鲹科鱼的造型，整个鱼体呈现流线型。所有的控制和转向使用五个舵机，用于提供驱动力和转向力。基本运动包括：直行、上升、下潜、左转、右转。三个舵机控制尾部，通过模仿鱼S形的摆动，提供前进的动力和转弯时候的偏向力；两个舵机控制胸鳍，通过上下摆动角度的改变来控制机器鱼的水平平衡和上下潜的姿态调整。

3.2 控制方式

基本运动通过k60主控编程控制舵机，通过GY953传感器进行姿态检测反馈到K60主控，根据反馈控制舵机角度进行调整，保持水中机器鱼在水下平稳运动。

自主控制：编程设计预设路线，通过运动过程中GPS位置定位比较，或者使用光电传感器检测水域边缘和水中障碍物，实现自动避障，实现较大水域的自动巡游。

遥控控制：通过无线串口与k60芯片通讯，进入遥控模式，在保持基本运动方式不变的情况下，机器鱼跳出自主路线，通过遥控器实现遥控。

3.3 编程思路（程序流图如图3）

首先估算舵机在摆动时会对机器鱼的各个方向会产生多大的力。尾部易产生水平偏移的力，导致主体部分左右摇摆而并非笔直前进，同时产生一定的倾斜力造成游动时左右倾斜。两个胸鳍单独控制能在垂直方向和倾斜角度有力的影响。所以利用相互作用力进行一定的抵消。尾部的三个舵机相互间可以一定程度抵消水平力，两个胸鳍可以抵消尾部带来的倾斜力。然后将计算的舵机角度编程写入主控中，但是由于估算过程和实际不可能完全一致，而且在速度不一样的时候，受力肯定也是不一样的。所以通过GY953进行姿态解算，根据实际情况反馈到主控再进行舵机角度调整。

自主巡游过程中使用简单的路径规划方案。对于小湖小河，设定多次90度角转，最前方的光电传感器检测到障碍或者岸边时就转90度，行进半米后再向刚才同样方向再转90度，呈现出类似走“方波”效果。在实现需求次数的往复巡游后又以相反方式继续，如此重复，实现全面“巡逻”。而对于大面积水域，利用GPS定位，以下水点作中心，在水域上模拟出一个闭合边界在“触碰”边界时进行90度角转。

4 总结

（a）本文讨论的水中机器鱼实物已经能够实现其基本功能，但运动稳定性还有待提高，可以通过继续调试，来提高其各个参数的准确度。

（b）利用仿真机器人对于大自然的探测是科学技术的进步，也是人与自然的和谐相处的体现，希望本文讨论的水中机器鱼为自然探索提供一个良好的启发。

参考文献

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作者单位

西北民族大学电气工程學院 甘肃省兰州市730124