[信息与通信]2013机器鱼.ppt

前言 鱼类的推进模式 鱼类的游动机理 仿生机器鱼的设计与实现 简单的仿鲹科模式机器鱼设计 简单扑翼式机器鱼 仿真机器鱼的设计实例 机械鱼的未来 机器鱼的研究热点,新型、高效的水下推进器在我国的国家安全、海洋开发、水下探测、环境监测等军事和民用领域有着重大需求。鱼类由于推进效率高、无噪声、机动性好等特点成为各国发展水下推进技术的重点仿生对象。 21世纪是海洋的世纪，随着海洋开发事业的发展，加上其它类科学（如材料科学和自动控制理论等学科）的全面发展的时也带动了综合学科机器人技术科学的发展，因而在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。 ,近十余年来，不同层次的仿鱼机器人样机分别在国内外面世，这些仿生机构的研制成功可能会给未来的航行推进技术带来巨大的变革。在仿鱼机器人样机的设计和研制中，纯机械地模仿鱼体的推进和机动动作，是无法复现其出色的水下本领的，比较科学的方法是先依靠计算机模拟虚拟鱼体和流场之间的相互作用，来优化鱼体的推进动作和设计参数，然后再由水下实验来验证。,1)运动效率高 鱼类游动的推进效率高达90%以上，这使得鱼类能够在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度并具有持久的耐力，而当前螺旋桨船舶的推进总效率不超过60%。 2)机动性好 动作灵敏，主要表现在两点:加速特性和转向特性。鱼类运动不像当前的螺旋桨推进方式，推进与转弯分离，鱼类通过胸鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统一，但在当前的螺旋桨推进方式下的舰艇在高速行驶时需要很大的转向半径。,3)低噪性 无螺旋桨，低噪声 螺旋桨在高速旋转时会产生过多不需要的紊流、非定常的涡流和热量，还会伴随产生大量的空泡噪音、扰动噪音。而鱼类的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失，充分利用并控制涡流，不产生漩涡尾迹，有利于隐身和突防，具有重要的军事价值。,4)利用电能，对环境无污染,5)不需任何保障设备，对人无危险,a.具有监测水污染，检验水质，搜寻污染源等环保功能。 b.具有更高的加速和转速能力，利用它可以探测广袤的大海，勘探地形。 c.海洋生物观察。由于机器鱼形状和游动方式与鱼类相似,运动噪音小,利于接近和观察海洋生物。,美国,美国,英国,英国艾塞克斯大学的科学家已经开发出一种新型机器鱼，用于探测河水的污染情况，并绘制河水的3D污染图。这种机器鱼每条长约50厘米、高15厘米、宽12厘米。每条都安装有探测污染的传感器和GPS系统，能“嗅出“水中的有害物质，而且它们还有组团的能力，即使没有人指挥，也能协同合作。当它们“嗅出“这片水域中的有害物质时，它们就通过wi-fi无线连接彼此交流一下。而GPS导航系统则可以让它们不需人的操作就能自由游动，而且，它们一旦发现了污染物，就会向环保部门的人员发出警报。,每一支机器鱼小组由5条机器鱼组成，将持续监测水中污染。当其中一条鱼发现水中污染物时，就会发信息给其它的鱼，之后它们集中到此水域来一起探测水污染情况。而且，这些机器鱼充电一次就能在水中持续游动24小时。,日本,4.1 前言,机器鱼的国内外研究现状,瑞士,中国,中国首条仿生机器鱼,北京航空航天大学机器人所和中国科学院成功研制成名为SPC仿生机器鱼, 是我国第一条可实际应用的仿生机器鱼。 SPC仿生机器鱼身长1.23米,通体色泽黑亮,总重达40公斤,最大下潜深度为5米。其头部上方有一个显眼的白色圆顶GPS导航天线,主要是通过一个如手掌大的小遥控器和一台计算机来发出各种指令。机器鱼没有眼睛和嘴, 只是在嘴的位置有一个直径5厘米的玻璃圆孔,那是水下摄像的窗口。SPC仿生机器鱼可以自由灵活地穿波逐浪，载沉载浮。,鱼体通常为纺锤形体或扁平形流线体，可以极大的减小形体阻力。鳍对大多数鱼类的游动能力起到决定性的作用，一般来讲，尾鳍提供前向游动的主要动力，中间鳍起平衡作用，而对鳍主要起到转弯和平衡的作用。,1) 喷射式 乌贼、鱿鱼、水母等依照身体躯干的特殊构造，它们由身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力，利用动量守恒原理推动身体前进。 2) BCF (Body and/or Caudal Fin)推进方式 这种推进方式也被称作尾鳍摆动式。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。 3）MPF (Median and/or Paired Fin)推进方式 它主要是利用除了尾鳍之外的一些鱼鳍划动向前推进，如胸鳍、腹鳍、臀鳍、背鳍等。这类鱼较少，大多数的鱼类只是利用这些鳍来保持平衡和控制转向。,据统计，大约只有15%的鱼类采用BCF推进方式以外的其他方式推进。由于MPF推进方式速度慢、效率低，因此我们把研究的重点放在BCF推进方式中在速度、加速度和可操控性上有最好的平衡的鲹科模式。,鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式和鲔科模式的主要区别在于产生推进运动的身体波的特征以及鱼体头部摆动的特征。 在鳗鲡模式中整个身体都参与了大振幅的波动运动，身体波波速大于鱼体游动的速度，以与鱼体游动方向相反的方向在身体上传播，头部亦参与了大振幅的侧向摆动。 亚鲹科和鲹科模式中由于身体刚度较大，具有明显幅值的波动主要集中在身体后1/2部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍产生，推进效率和推进速度较鳗鲡模式高，且头部参与了具有明显幅值的摆动。 鲔科模式中，由于身体刚度较鲹科模式鱼类大，推进运动被限制在身体后1/3部分，大的侧向位移主要产生于后颈部和尾鳍，通过具有一定刚度尾鳍的运动产生近似90%的推进力，而身体的前2/3部分几乎保持刚性，头部的摆动幅值不太明显。,鲔科模式是推进效率最高、速度最快的推进模式，海洋中游速最快的鱼类几乎都采用这种推进模式，如鲨鱼、金枪鱼等。这种推进模式还被认为是水下运动装置的一个主要设计目标，可用于快速、高效仿鱼机器人的设计。 鳗鲡模式鱼类主要采用身体波动推进模式，其推进效率和推进速度较鲔科模式低，但由于其体形细长、柔韧性好，在空间狭窄、结构复杂的场所有着比鲔科模式更好的机动性能。 鲹科模式的推进性能、机动性能均介于鳗鲡模式与鲔科模式之间，因此具有很好的综合性能。 胸鳍摆动式或波动式推进模式的推进效率和推进速度最低，大部分鱼类主要通过胸鳍的摆动或波动来提高其游动的机动性能和作为辅助推进运动。,请分析如何实现前进中下潜？,4.4 仿生机器鱼的设计与实现,机器鱼是一个复杂的机器人系统，包括机械传动和机电控制两大部分，其中机械系统犹如整个系统的躯体，控制系统犹如整个系统的大脑和神经中枢。因此，它必须具有运动灵活、传动精密的机械本体，结构合理、高效运作的控制系统，以及运算高速、工作可靠的硬件平台。,由于d图有最小阻力，故设计参照d图,UPF-2001机构,PF-600机构,VCUUV机构,一种机器鱼本体机构图,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,运动方式的选择与关节数分析,前进摆尾涡流推进,转弯惯性前进中转弯,升潜改变胸鳍击水角度方式,尾关节一个,胸鳍关节一个,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,结构设计,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,平衡设计,请思考： 若浮力中心与重力中心垂直方向不在一条直线上，会出现什么问题？,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,前进运动的实现,前进摆尾涡流推进,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,升潜的实现,上升的实现,请思考： 下潜如何实现？,1）惯性前进中实现升潜,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,升潜的实现,2）改变重心位置实现升潜,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,升潜的实现,2）改变重心位置实现升潜,上升状态,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,升潜的实现,2）改变重心位置实现升潜,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,升潜的实现,2）改变重心位置实现升潜,结构设计,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,升潜的实现,2）改变重心位置实现升潜,上升与下潜的实现,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,转弯的实现,1）惯性中实现转弯,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,转弯的实现,2）在前进中实现转弯,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,转弯的实现,2）在前进中实现转弯,结构设计,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,转弯的实现,2）在前进中实现转弯,转弯实现,4.5 简单的仿鲹科模式机器鱼设计,转弯的实现,2）在前进中实现转弯,思路拓展： 若将尾和尾鳍旋转90度，能否实现在 前进中上升和下潜？,4.6 简单扑翼式机器鱼,4.6 简单扑翼式机器鱼,思考： 1.将翼理解为旋转90度的尾，分析其前 进的机理？ 2.设计一个策略，实现简单扑翼式机器 鱼的转弯？ 3.设计一个策略，实现简单扑翼式机器 鱼的升潜？,机器鱼的基本功能及组成 机器鱼的机械结构设计 机器鱼的硬件结构设计 机器鱼的软件设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,一、机器鱼的基本功能及组成,基本实现功能： 自由游动（如前进、左弯、右弯等） 遥控控制 基本组成： 6V自带减速器8r/m直流电机(4) 控制模块(1) 电源模块(1) 遥控模块(1) 12V电池(1) 6V电池(2) 铝合金骨架 防水鱼皮,4.7 仿真机器鱼的设计实例,机器鱼由鱼头、鱼体、鱼尾鳍三部分组成，鱼体部分共有3个关节，每一个关节相对于临近的部分独立。每一个关节由一个伺服舵机控制，可以实现本段和前段的相对转角位移。通过画图软件，基本设计出了鱼的外体模型。如右图,二、机器鱼的机械结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,二、机器鱼的机械结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,材料：白铁皮、薄钢板等 厚度0.9cm 连接机构要求质地较轻，满足强度要求，根据设计要求设计了两种连接方案：,舵机之间的连接机构设计,二、机器鱼的机械结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,舵机之间的连接机构设计,由于购买的材料是0.9CM厚的白铁皮，强度要求欠缺点，为了有效减小各个舵机转轴所受的弯矩，提高运动效率，减少能量损失。所以采用方案（1）轴承连接方式，完全能达到要求。 U形架的实物,二、机器鱼的机械结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,尾鳍设计（新月牙形）,尾鳍材料：塑料 厚 度：4mm 实验结果：新月形尾鳍推进是一种新颖的、适合微小型水下机器的推进方式。,二、机器鱼的机械结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,鱼头设计,材料：直径为120*250的塑料圆柱,鱼头效果图,鱼头是用直径为120*250的塑料圆柱，为了保证材料浮动在水里，钻了直径55的孔深度为100内孔。然后在加工中心上加工弧线部分，经过粗细加工，完成鱼头的加工。,二、机器鱼的机械结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,总体结构、封装实物图,三、机器鱼的硬件结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,在整个电路中由发射/接受模块、单片机At89c51、动力元件（舵机）、电源四部分组成。,三、机器鱼的硬件结构设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,控制原理图,四、软件设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,软件流程图,四、软件设计,4.7 仿真机器鱼的设计实例,软件功能,本系统的软件主要实现如下功能： 1、接收无线信号并判断功能号。 2、PWM输出，利用I/O口模拟PWM输出完成对舵机的PWM控制，实现前进、转弯等功能。,五、仿真机器鱼装配与调试,4.7 仿真机器鱼的设计实例,机器鱼的装配,据机械结构设计部分的提出的方案，制作各个连接件。连接件与舵机、鱼头、尾鳍采用螺丝钉固定，个别不易固定的地方可使用万能胶水胶合。保证各个部位连接可靠。整个鱼体连接完成以后，把电路板安装在鱼身上。鱼体上共有两块电路板，一块是无线接收板，另外一块为控制板，其中无线接收板安装在鱼体部位，控制板安装在鱼头与鱼身之间的连接处；电池放鱼头里，经实验这样的摆放有利于安装和拆卸。,五、仿真机器鱼装配与调试,4.7 仿真机器鱼的设计实例,机器鱼的调试,在完成机器鱼装配的基础上对机器鱼运动进行调试。调试过程中首先做到机器鱼运动轨迹基本符合要求，接下来进行微调。由于各个舵机绝对位置都有偏差，并且软件定时不够准确，离散化后的脉冲值不够理想，因此就要根据实际情况更改脉冲值，直至机器鱼运动轨迹准确。,五、仿真机器鱼装配与调试,4.7 仿真机器鱼的设计实例,机器鱼总装、总调,在完成装配与调试过后，机器鱼进行总体安装，即鱼体、控制电路板、供电电源整合在一起，并且在其表面裹上防水胶布，保证与水隔离。 下水实验，实验的第一点是静态平衡实验，由于鱼体各个部位选用的材料不同，以及装配电路板、舵机、电池等元件的影响，鱼体的重心不易确定，因此把鱼体放入水中，观察后在适当部位进行配重，直至鱼体静止时在水中保持平衡。第二点就是动态平衡实验，即鱼体在运动时保持运动的稳定性。动态平衡首先受静态平衡的影响，因此保证静态平衡的条件下尽量满足动态平衡。另一调节动态平衡就是通过程序控制，包括鱼体运动的频率、幅度。,六、制作过程中的难点与问题,4.7 仿真机器鱼的设计实例,多部电机的协调控制 外壳的封装 自身重力和所受浮力的差异调整 防水密封,七、机器鱼水中实验,4.7 仿真机器鱼的设计实例,4.8 机械鱼的未来,随着科学技术的发展，人类对海洋的开发和利用不断增强，适应各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛的发展。作为一种新型的水下运载器，与传统推进器相比较，仿生机器鱼以其效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的优势将在以下等领域得到广泛应用。 1.要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或承载空间有限、不能加载太多能源的场合，如环境监测、军事侦察等。 2.要求机动性能高的场合或空间狭窄、空间结构复杂的场所。如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可较好地完成作业任务。 3.海洋生物观察。常规螺旋桨推进器噪声大，对环境扰动大，使水下运动装置 很 难 接近所要观察的海洋生物，采用静音驱动的机器鱼有望解决这一难题 。,4.9 机器鱼的研究热点,1)仿生推进机理 通过鱼体的运动可以利用外部流场能量降低自身能耗，然而对于鱼体