（机械电子工程专业论文）一种仿生机器鱼的运动分析及其控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 仿生机器鱼采用鱼类游动的高速、高效率、机动性好、低噪声等特点的 推进方式，其研究内容具有重要的现实意义和直接的军事价值。本文对机器 鱼的研究文献进行分析和综述，对机器鱼的仿生运动及其实现技术进行了研 究。 本文以鲣科模式鱼类为仿生对象，通过对鲣科模式鱼类游动机理的仿生 学研究，设计了两自由度的尾鳍推进机构及单自由度的胸鳍机构的机器鱼机 械本体结构，建立了参数化的两关节尾鳍推进模式的数学模型，并对推进过 程进行了运动学、动力学分析，建立了推进系统动力学方程，对尾鳍和胸鳍 推进的水动力进行了初步分析。 针对仿生机器鱼运动特点，设计了基于a v r 单片机的机器鱼硬件控制系 统，包括关节伺服电机的驱动控制电路、串行通讯电路、a d 转换电路、力 矩传感器数据的差分放大电路，遥控发射接收电路等，建立了整个推进系统 的硬件控制平台，对控制系统硬件电路进行了调试。设计了运动控制实现的 基本算法，并进行了基于c 语言的下位机嵌入式控制软件的开发，规划并完 成了底层运动控制程序的编写及调试。 论文最后建立了机器鱼实验系统，进行了机器鱼关节驱动性能测试和推 进实验，验证了系统设计的可行性，对机器鱼在不同运动状态下的控制性能 进行了对比实验和分析。 关键词： 机器鱼；控制系统；尾鳍推进；a v r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em h n f i s ha d o p t sp r o p u l s i o nm e t h o do fr e a lf i s h ，w h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i c o fh i g hs p e e d ，h i g he f f i c i e n c y , e x c e l l e n tm a n e u v e r i n gp e r f o r m a n c e ，l o wn o i s ee t c i t sr e s e a r c hc o n t e n t sh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dd i r e c tm i l i t a r y v a l u e t h i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n dt h es u m m a r yt ot h ep r e s e n t r e s e a r c hl i t e r a t u r eo fr o b o f i s h ，m a l n i ys t u d i e dt h er o b o f i s h sb i o n i cm o t i o n sa n d i t sr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rt a k e st h es m a l lf i s ho fc a r a n g i f o r ma st h em i m e t i co b j e c t t h r o u g ht h eb i o n i c ss t u d yt ot h ep r i n c i p l eo fc a r a n g i f o r m sp r o p u l s i o n ，t h e r o b o f i s h sm a i nb o d ym e c h a n i s mt h a th a st w od e g r e e so ff r e e d o mt a i lf i na n d s i n g l ed e g r e eo ff r e e d o mp e c t o r a lf i nh a sd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，t h e p a r a m e t e r i z e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd o u b l e - h i n g e dp r o p u l s i o ns y s t e mh a s e s t a b l i s h e d t h ek i n e m a t i c sa n a l y s i s ，d y n a m i c sa n a l y s i st ot h ep r o p u l s i o np r o c e s s a n dp r e l i m i n a r yh y d r o d y n a m i c sa n a l y s i st ot h et a i lf i na n dt h ep e c t o r a lf i nh a v e b e e nc o m p l e t e d t h ed y n a m i ce q u a t i o n st ot h ep r o p u l s i o ns y s t e mh a v eb e e n e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h er o b o f i s h sm o t i o n s ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dh a r d w a r eo f m b o f i s h sc o n t r o ls y s t e mb a s e d0 1 1t h ea v r m i c r o c o n t r o l l e r ，i n c l u d i n gt h ej o i n t s e r v o m o t o r sd r i v ec i r c u i t ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，t h ea dc o n v e r t i n g c i r c u i t ，t h ed a t aa c q u i r e df r o mm o m e n ts e n s o rd i f f e r e n t i a la m p l i f yc i r c u i t ，t h e r e m o t ec o n t r o lc i r c u i tf o rt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g ，e t c ，e s t a b l i s h e dt h ee n t i r e p l a t f o r mf o rc o n t r o l l i n gp r o p u l s i o ns y s t e ma n dd e b u g g e dt h eh a r d w a r ec i r c u i to f c o n t r o ls y s t e m m e a n w h i l e ，t h eb a s i ca l g o r i t h ma n ds o f t w a r ef o rm o t i o n sc o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nc l a n g u a g e n e l o w e r - l a y e rm o t i o n sc o n t r o ls o f t w a r eh a sb e e nc o m p i l e da n dd e b u g g e d f i n a l l y , t h ep a p e rh a se s t a b l i s h e dt h em b o f i s he x p e r i m e n ts y s t e m ，c a r r i e do n t h ed r i v ep e r f o r m a n c et e s t i n ge x p e r i m e n tt or o b o f i s h sj o i n ta n dt h ef l a p p i n g p r o p u l s i o ne x p e r i m e n t ，c o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n , c a r r i e do nt h e c o n t r a s te x p e r i m e n ta n da n a l y s i st h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ew h e nt h ei x ) b o f i s hu n d e r d i f f e r e n tm o t i o ns t a t e k e yw o r d s ：r o b o f i s h ；c o n t r o ls y s t e m ；t a i lf i np r o p u l s i o n ；a v r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本入郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：叠墨垡 日期：舛年a - 月】7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 课题研究背景及意义 二十一世纪是人类开发海洋的世纪，随着陆地资源的日益枯竭，人类将 大规模的开发和利用海洋的各种资源。为了适应这种需求，适应各种非结构 化环境的水下潜器和水下机器人将会得到迅猛的发展【l 】。 目前作为水下潜器和水下机器人关键技术之一的推进系统，多采用螺旋 桨、喷流回转式和叶轮式等原理的常规推进器，并多以电磁马达或液压马达 作为原动机。这些常规推进器存在能源利用低、结构尺寸大和重量大、对环 境扰动大、噪音大、动密封和可靠性差等许多缺点。并且，以常规推进方式 驱动的水下运动装置存在起动、加速性能差，运动灵活性差以及隐蔽性差等 缺点，这些缺点限制了它们的应用。为适应海洋科学发展的需要，国内外学 多学者不得不寻找其它高效率、机动灵活的水下推进方式。 通过脊椎动物学和流体力学方面的大量理论和实验研究，人们发现经过 上亿年进化的鱼类游动方式包含着深刻的流体力学和生物学机理，一些鱼类 在推进效率、机动灵活性和可操纵性方面比当今世界上任何水面、水下运载 器性能都要高。这些亟待研究的突出特性包括 5 9 l ： 1 ) 高效性。大量海洋动物学的实验研究表明，鱼类游动的推进效率高达 9 0 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6 0 。 从长远看，仿鱼推进器的广泛采用可以大大节省能量，提高能源的利用率， 从而延长水下作业时间，提高续航力。 2 ) 机动性a 主要表现在两点：加速特性和转向特性。海洋动物学的实验 哈尔滨工程大学硕士学位论文 观察表明，某些鱼类制服猎物时具有15 0 m s 2 的加速度。由于在运动方式上 存在本质的区别，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，鱼的转向特性 可以随着前进速度的提高而更加灵活机敏，往往转弯半径只有它们体长的 1 0 3 0 。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。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、唱音和尾迹。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，完全不同于螺旋桨推进系统，有利 于隐身和突防，具有重要的军事价值。 鱼类瞬间启动、爆发式加速、小半径加速转弯、大仰角上浮和大俯角下 潜、倒向翻转、快速横移等多姿态高效推进的游动方式，为快速高机动的现 代水下战争和微小型智能化武器平台给予了新的启示。 因此，深入开展仿生机器鱼的研究，为未来海战设计研究高效、高机动 性、高度隐身的潜航武器，研制可用于诱饵、干扰、侦察、扫雷、布雷等方 面的大批量低成本的微小型水下作战武器，探讨建立基于仿生微型高效潜航 武器的水下作战体系等，都具有重要的理论意义和直接的军事价值。 近几年来国内外许多著名的研究机构和军事组织都纷纷投入专门的人 力、物力和财力对这一新兴的前沿技术进行深入的研究。可以预见，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领域得到广 泛应用： 1 ) 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。可以发挥机器鱼能源利用效率 高等特点，实现长时间、大范围的水下作业。 2 ) 军事应用领域。军事应用领域要求水下运动装置的隐蔽性强，由于 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机器鱼在雷达上的表现形式和生物鱼类几乎相同，并且具有噪音低、对环境 扰动小、不易被对方声纳所发觉等特点，有利于隐蔽。利用仿鱼推进技术可 制造小型潜航武器、无人驾驶仿生袖珍潜艇，比传统潜艇具有更高的机动性 和可操作性，可直接用于水下侦察和攻击。 3 ) 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。 4 ) 海洋生物观察。常规螺旋桨推进器噪声大，对环境的扰动大，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。 5 ) 海底勘探及海洋救捞。采用仿鱼推进方式可以较容易地进入环境复 杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群等，完成常规潜器所不能完成的作业 任务。 6 ) 娱乐方面。造型逼真、形态优美的机器鱼可用于科技馆和水族馆的 展览，人机交互友好操作简单的机器鱼可以“智能宠物”的形式走入人们的 休闲生活 1 0 1 。 1 2 机器鱼的发展概况 对机器鱼的研究，国内外已经开展了好多年。研究工作可分为两个阶段： 二十世纪九十年代以前主要集中于基础理论的研究，九十年代以后随着机器 人学、新型材料和驱动装置的发展，人们开始机器鱼的研制。 1 2 1 国外发展概况 1 美国麻省理工学院( m i t ) r o b o t u n a 是世界上第一条真正意义的机器鱼，诞生于1 9 9 4 年，如图1 1 ( a ) 所示。该机器鱼长约l _ 2 5 m ，宽0 2 1 m ，高0 3 m ，f l j 2 8 4 3 个零件组成。它具有 关节式铝合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、网状泡沫组织，并用聚氨基甲酸酯 哈尔滨工程大学硕士学位论文 弹性纤维纱表皮包裹，它由六台无刷直流伺服电动机驱动。机器鱼在多处理 器控制下，通过摆动躯体和尾鳍，能像鱼类一样游动，速度可达2 州s 【l l 】。 ( a ) r o b o t u n a 1 t i r o b o p i k e 1 2 】 图1 1 美国麻省理工学院研制的机器鱼 r o b o p i k e 是r o b o t u n a 的改进版，诞生于1 9 9 5 年，如图1 1 ( b ) 所示。研 究的目的是为了解释著名的格雷悖论：海豚看上去不具备使其游动那样快的 肌肉力量( 只有约七分之一) 。r o b o p i k e 的体长为3 2 英寸，排水量8 磅，利 用置于锥形鼻部的无线电设备来控制。尾鳍的摆动由伺服马达产生，马达拉 动钨线，钨线连接一组沿着梭鱼脊柱的滑轮。它的骨架是一螺旋形玻璃纤维 弹簧，这种结构的柔性使其能抗拒游动时的巨大撞击，而其强度又足以使其 承受水压【1 2 1 。 图1 2 美国d r a p e r 实验室研制的机器鱼v c u u v t l 3 i d r a p e r 实验室的v c u u v ( v o r t i c i t yc o n t r o lu n m a n n e du n d e r w a t e r 她c l e ) 名称来源于鱼类采用的涡流控制推进机制。v c u u v 是一条长2 4 米、 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 重1 3 6 k g 的黄鳍机器金枪鱼，如图1 2 所示。它在1 赫兹时达到了0 5 倍体长 速度( 速度体长) ，实际速度l 2 米秒。它比传统的u u v 具有更大的灵活性， 是第一个自治的仿生机器鱼，最大转艏速度7 5 度秒，最小转弯半径为一倍 体长，是传统u u v 的七分之一。 2 日本国家海洋研究中心【1 4 1 ( m 偶i ) 日本国家海洋研究中心从1 9 9 8 年开始机器鱼的研究工作，研制了多种类 型的机器鱼，用以研究鱼类游动的不同特性。下面对他们的研究工作中比较 有代表性的机器鱼加以简单介绍。 ( 1 ) p f 一6 0 0 1 5 】 p f ，6 0 0 体长6 0 0 m m ，是为研究直线 推进运动而设计的，如图1 3 所示。该样 机模仿具有高速度和高加速度的鱼类运 动，特别的，具有梭子鱼和金枪鱼形式的 尾鳍，当改换尾鳍形状时，模拟不同的鱼 类推进运动。p f 6 0 0 的控制系统采用遥 控方式，以两个r c 伺服电机作为动力 图1 3 机器鱼p f - 6 0 0 ”1 源。p f - 6 0 0 实验频率最大为3 h z ，速度为o 4 m s 左右。实验结果表明：梭子 鱼式的尾鳍在较低频率时比金枪鱼式尾鳍能获得更快的速度。 ( 2 ) p f 一5 5 0 图1 4 机器鱼p f 5 5 0 p f 5 5 0 是为了研究快速下潜运动而设计的，如图1 4 所示。该样机长 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 0 5 7 m ，外型为粗短的流线形，采用矢量推进的方式实现下潜运动。它具有较 好的转弯性能，但最大游动速度不快。p f 一5 5 0 采用了一种特殊的行星轮机构， 可将尾鳍及其驱动装置旋转9 0 度以上。改变尾鳍的方向后，原来的转弯运动 就变为下潜运动。 ( 3 ) p f 7 0 0 p f 一7 0 0 是为高速游动研究而设计的，如图1 5 所示。模仿秋刀鱼的外形， 体长7 0 0 m m ，直径8 0 m m 。由头部、身体部分、驱动装置箱、尾柄和尾鳍组 成。该样机采用了直流电机作为动力源，带动曲柄机构产生拍动，可以产生 l o 赫兹的拍动频率，最大速度可达o 7 m s 。但是它在结构上将尾柄和尾鳍连 成了体，推进部分实际上只有一个关节。这种结构使得尾鳍在最重要的振 幅中间位置没有达到合理的攻角，效率会比较低。 图1 5 机器鱼p f 7 0 0 1 1 4 ( 4 ) u p f 2 0 0 1 u p f 2 0 0 1 是一个高性能实验平台，如图 1 6 所示。u p f 一2 0 0 1 长o 9 7 m ，最大速度为 o 9 7 m s ( 9 5 h z 时) ，模仿金枪鱼外形，有两 个关节，使用升降舵实现上浮和下潜运动。 该样机采取了模块设计的概念，分为以下几 个模块：电源、动力单元、r c 单元、控制 单元、传动单元。动力单元采用直流电机驱 图1 6 机器鱼u p f 一2 0 0 1 “1 动，经齿轮组改变输出方向并减速后，由凸轮装置将回转运动变为摆动。r c 单元接收信号经放大驱动电动机，控制鱼体的转弯和上浮和下潜运动。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 日本东京工业大学 日本东京工业大学研制的两关节仿海豚型机器人，如图1 7 所示。第一 代海豚机器人长1 8 5 m ，采用气压驱动的方式，内有高压储气灌和气动马达， 通过曲柄驱动第一个关节，第二个关节则以弹簧联动。该机器人最高航速 1 1 5 m s ，推进效率可达7 0 。第二代海豚机器人采用电机驱动方式，结构与 第一代类似，长2 m ，最高航速可达1 9 m s 1 6 17 1 。 图1 7 日本东京工业大学的第一代和第二代仿海豚机器人【1 6 ，1 7 l 另外，随着智能功能材料的发展，人们开始将压电陶瓷、形状记忆合金f 1 8 】 和人造合成肌肉等先进驱动元件用于机器鱼推进技术。日本名古屋大学 t o s h i of u k u d a 教授利用将压电陶瓷微位移进行放大，实现一种摆动机构，机 器人长度筮, 3 2 m m ，宽度1 9 m m ，游动速度0 。0 2 1 6 0 0 3 2 m s 。美国佛罗里达大学研 究小组开发一种微电子机器鱼“m e r i f ”，主要采用s m a 铜i 成。美国a & m 公 司已经开始着手将记忆合金应用于一条3 米长的完全无噪音机器鱼，如图1 8 所示，计划在2 0 0 5 年为海军推出原理样机。 图1 8 美国a m 公司计划推出的记忆合金机器鱼 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 宣宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i | 宣i | i i 蕾皇_ i l l l - 1 2 2 国内发展概况 1 北京航空航天大学 2 7 , 2 8 , 2 9 l 北京航空航天大学机器人研究所从1 9 9 9 年开始了仿生机器鱼的研究工 作。图1 9 ( a ) 为国内第一条仿生机器鱼r o b o t f i s h ，该样机仿鲨鱼外形的壳体， 长0 8 m ，重0 8 k g ，鱼体是一个平面6 关节机构，分别用直流伺服电机驱动， 运动频率2 h z 时达到最高航速0 6 m s 。 ( a ) ( b )( c ) 图1 9 北京航空航天大学机器人研究所研制的机器鱼【2 9 】 2 0 0 2 年，为了进行新型水动力布局的游动稳定性研究，确定尺寸和速度 的关系，北航机器人研究所研制t s p c i 机器鱼，如图1 9 ( b ) 所示。该样机长 1 9 m ，重1 5 6 k g ，在频率2 h z 时可达最大速度1 5 m s ，转艏速度约为7 0 度秒， 最小转弯半径为一倍体长。2 0 0 3 年，对s p c i 机器鱼的系统进行了改进，研制 了s p c - i i 机器鱼，如图1 9 ( c ) 所示，性能较改进前有所提高。 2 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学曾在国防基金支持下开展了仿生机器章鱼研究，其主要 目的是用于辅助打捞沉船。徐玉茹老师的课题组在水下无人探测器仿生推进 与操纵技术方面进行研究，研制了仿生机器鱼原理样机一“仿生i ”，如图 1 1 0 所示。“仿生一i ”长2 4 米，最大直径0 6 2 米，排水量3 2 0 公斤，潜深l o 米， 负载能力7 0 公斤。该样机具有可摆动的尾鳍和一对攻角可调的胸鳍，体内安 装两台伺服电机，分别驱动尾鳍和胸鳍，可完成直航、回转和改变下潜深度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等动作，已在循环水槽和水池进行了直航和遛航试验，最高航速已达1 3 米 秒，2 0 0 3 年1 1 月在海上进行了航行试验【3 0 】。 图1 1 0 哈尔滨工程大学研制的“仿生i ”号机器鱼1 3 0 】 3 中国科学院自动化研究所 2 0 0 1 年，中国科学院自动化所复杂系 统与智能科学实验室在国家8 6 3 高技术发 展计划机器入主题“多微小型仿生机器鱼 群体协作与控制的研究”课题经费的支持 下，开展了仿生机器鱼单体控制与群体协 作的研究。经过两年多的时河，研制了基 于鳇科模型的“游龙，系列机器鱼，如图 图1 - 1 1 “游龙系列机器鱼1 0 1 1 1 1 所剥。 中科院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、中国科技大学在国家自然科学 基金支持下开展了鱼类游动机理及水下机器人仿鱼尾鳍推进理论初步研究。 1 2 3 机器鱼研究的技术难点 仿生水下机器人是一个多学科交叉的研究领域，其涉及到的主要学科包 括：仿生学、机械设计及制造科学、流体动力学、自动控制科学、材料科学、 图形学等。机器鱼的研究有传统仿生水下机器人的难点，同时有自己的开发 难点： 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 机构设计问题 合理的机构设计是机器鱼实现的基础。鱼类的形态经过千百万年的进化， 其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只 有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能 开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器鱼机构。 2 控制优化问题 机器鱼的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂 大系统的实现不能全靠子系统的堆积，要研究高效优化的控制算法才能使系 统达到最优的控制效果。 3 信息融合问题 在机器鱼的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，需要装 备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术把分布在不同位置的多个同 类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感 器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速 性和正确性。 4 精确定位及零可见度导航问题 目前机器鱼在水上采用g p s ，水下定位采用声学定位技术。但目前的定 位精度和作业所允许的精度还有一定差距，水下g p s 技术正在迅速地发展， 自治导航地精度预计将在5 年内提高1 0 倍；随着声学、激光技术以及计算机 图形增强技术的发展，零可见度导航问题将得到解决【3 1 。 5 材料和能源问题 在水中每增加1 0 m 的水深，外界压力将增加一个大气压( o 1 m p a ) 。高 强度、轻质、耐腐蚀的结构材料和浮力材料是机器鱼研究重点发展的技术问 题。目前机器鱼的能源较多是使用铅酸电池和银锌电池，电池的容量成为水 下作业时间的关键，今后高密度电池的使用将会使此问题大大缓解。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容及主要工作 本论文分析了目前机器鱼研究中存在的问题，并考虑现有的研究条件， 本文着重进行以下研究工作： 1 机器鱼结构的研究和设计 以鲣科模式鱼类为仿生对象，在对生物观察和仿生研究的基础上，建立 的鲣科模式鱼体游动的数学模型，抽象、简化鱼体的运动，进行机器鱼的具 体结构设计，建立完整的机器鱼本体结构。 2 机器鱼运动学及动力学分析 通过对鱼类游动的仿生学分析，建立尾鳍推进模式的数学模型，并对推 进过程进行运动学分析、动力学分析，对尾鳍和胸鳍推进进行水动力学分析。 3 机器鱼控制系统的研究和设计 设计基于a v r 单片机的机器鱼硬件控制系统，建立整个推进系统的硬件 控制平台，并进行基于c 语言的下位机嵌入式控制软件的开发，使机器鱼通 过手持遥控器或者上位p c 机单独控制，可实现直线推进，行进中转弯，惯 性转弯，静止急转及运动中上浮、下潜等运动，并能实时采集尾鳍力矩参数， 对系统进行功率分析。 4 原理样机的实验研究 搭建机器鱼实验平台，进行样机调试、性能测验。检测机器鱼的各项性 能指标是否达到设计要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章机器鱼系统总体设计 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。本章将从仿生学分析 的基础上对机器鱼的总体设计进行介绍。 2 2 鱼类推进机理及数学模型建立 下面对仿生机器鱼技术所涉及的一些基本概念做简要的介绍，包括鱼体 形态的描述、鱼类游动方式的分类、尾鳍的推进机理、鳕科模式推进方式鱼 体波模型等。 2 2 1 鱼类形态描述及推进模式分类 1 鱼类形态的一般描述 为了明确的描述鱼类的游动推进机理，图2 1 给出了常用的描述鱼体形 态的术语。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。 鱼鳍包括对鳍( p a i r e df i n s ) 、中间鲭( m e d i a nf i n s ) 和尾鳕( c a u d a lf i n ) 。其中对 鳍包括胸鳍( p e c t o r a lf i n s ) 和腹鳍( p e l v i cf i n s ) ，中间鳍指的是背鳍( d o r s a lf i n ) 和臀鳍( a n a lf i n ) 。中间鳍和对鳍根据鳍与身体相连接部分的长短分别称为长 基鳍( 1 0 n g b a s e df m s ) 和短基鳍( s h o r t b a s e df i n s ) 。尾鳍与身体连接部分称为尾 柄，鱼体中心对称线称为鱼体轴【2 4 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 生物学家研究得知鳍对大多数鱼类的游动能力起到决定性的作用，一般 的，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。 背懿一、 撼 图2 1 鱼体形态的描述术语f 驯 2 鱼类游动方式分类i 圳 从生物学的角度看来，鱼类依照其体型及功能不同，有下面几种常见的 基本推进运动模式：喷射式、b c f 推动式和m p f 推动式。 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 ) b c f ( b o d y a n d o rc a u d a lf i n ) 推进方式：这种推进方式也被称作尾鳍 摆动式。又可分为鳗行式( a n g u i l l i f o r m ) 、鳟行式( c a r a n g f o r m ) 和纳行式 ( t h u n n i f o r m ) ，如图2 2 所示。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。 ( 1 ) 鳗行式：又称身体波动式，如鳗鱼、水蛇等，它们的游动犹如正弦波 形的前进一样，把身体当作推进器，用从头到尾波动身体来游动，其前进单 位距离所需推力最小。 ( 2 ) 鳟行式：又称鳕科模式，如鳟鱼、鲱鱼等，是最常见的方式，在速度、 加速度方面和可操控性上有最好的平衡。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 鲇行式：又称鳢科结合新月形尾鳍模式，鱼类有鲇鱼、鲭鱼、马林鱼 等，常有大展弦比的尾鳍，在快速运动中最为高效。海洋中游速最高的鱼类 大都采用这种游动方式。 例刮创 崩碟烈 ( a ) 嘞 ( c ) 图2 2b c f 推进方式( a ) 鳗行式( b ) 鳟行式( c ) 鲇行式 3 ) m p f ( m e d i a na n d o rp a i r e df i l l ) 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1 5 的鱼类采用b c f 推进方式以外的其他方式推进。 由于m p f 推进方式速度慢、效率低，因此我们把研究的重点放在b c f 推进 方式中在速度、加速度和可操控性上有最好的平衡的鳇科模式。 2 2 2 鳞科模式推进机理 在有流速流场里的非流线型物体，会沿来流的方向在其后面形成一连串 交错而反向的尾涡，即卡门涡街嘲。通过观察，人们发现b c f 推进方式中摆 动尾鳍后同样有尾涡串的存在，但和卡门涡街恰好相反，称为反卡门涡街。 反卡门涡街形成一种类似喷流的流动，这种喷流平行于鱼体前进的方向，产 生推力。 鱼类之所以能造成如此高效率的推进力量，是由于来自尾鳍整合背后涡 流的方式。这些涡流的强度随着尾鳍的力量而增加，但是它们的旋转轴方向 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一直都是垂直于鱼体前进的方向，也就使形成有效推力的喷流平行于鱼体前 进的方向。相比之下，一般船用螺旋桨形成的喷流是螺旋桨转动方向一致的， 也就是垂直于船前进的方向，而多半不能被有效利用，因而效率较低【2 0 1 。图 2 3 为尾鳍摆动形成反卡门涡街的过程。 茗d渤画鼢 a bc d 图2 3 一个摆动周期产生反卡门涡街的过程 a 尾鳍先以摆动造成一个大涡流； b 迅速的顶端摆动造成一个相反方向的涡流： c 下摆之后的尾鳍使两个涡流相遇： d 相佛的两个涡流形成一柱强力的向后喷流，并相互减弱其涡流强度。 表示尾流反卡门涡街的参数是斯特劳哈尔数s t ( s t r o u h a ln u m b e r ) 。对于 b c f 推进方式，斯特劳哈尔数定义为： s t - - 百f a = u f ( 2 1 ) u 。 式中：_ 尾鳍摆动频率，h z 。 a 尾流宽度，通常取尾鳍摆幅近似表示； u 一平均游动速度。 由于鱼尾在一个拍动周期里产生对漩涡，所以u f 表示了一个拍动周 期里涡街稠密的程度。鱼游得越快，涡街越稀疏。通过试验，t r i a n t a ：f y l l o u 等指出，当0 2 5 s t o 4 0 时，将会达到较高效率【2 1 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 鳢科模式鱼体波模型建立及分析 根据对鳢科模式鱼类游动的仿生研究及图像分析，得到的鱼体波特征为 一波幅逐渐加大、由头部至尾鳍传播的行波。鱼体波曲线可通过鱼体波波幅 包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述【9 - 2 3 】： y b 。舟( x ，r ) = ( c l x + c 2 x 2 ) s i n ( b f + ( a t ) ( 2 - 2 ) 式中y b o d y - - 身体横向位移( 波幅) ： x x 轴坐标值； c ，一线性波幅包络线系数； c 一二次波幅包络线系数； i 一身体波波数，七= 2 z r ( a 一身体波波长) ； 一身体波频率，= 2 t r f o 通过调整参数c t 、c 2 的值，可以控制尾鳍摆动轴的摆幅，调整鱼体波波 幅分布状态。鳕科模式鱼类在推进游动过程中，身体长度上鱼体波波数七s 1 ， 即鱼体波波长肛1 b ，( b 一鱼体长) ，鱼体的前部刚度很大，几乎保持刚性， 身体波幅限制在身体的后1 3 部分，并且在末端达到最大值。所以在设计中 不需要复杂机构来产生足够的柔韧性来模拟鱼体的多个鱼体波。 够科模式鱼类在游动过程中通过尾鳍的运动产生超过9 0 的推进力t 2 4 1 ， 尾鳍的运动是研究的关键。尾鳍运动可视为平动运动和摆动运动的合成，鱼 体波使尾鳍产生平动运动，此运动主要产生击水动作；尾鳍绕关节旋转产生 摆动运动，此运动主要为尾鳍的击水动作提供合适的攻角。 基于以上分析，可将鱼体的前部简化为刚体，由后颈部的摆动运动代替 鱼体波产生尾鳍的平动运动，这也有助于在身体的前部安装驱动、控制系统 以及检测传感器等：后颈部与尾鳍相连的部位简化为一个旋转的关节，尾鳍 则简化为刚性的平板。尾鳍在特定的旋转和平动运动情况下产生最佳的推进 性能。具体的机构形式及运动规律，后文将详细阐述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 机器鱼机械结构设计 2 3 1 几种机器鱼机构的分析 1 u p f - 2 0 0 1 机构分析 u p f - - 2 0 0 1 ( 图1 6 ) 的尾部摆动机构如图2 4 所示，尾部为两个关节形 式，采用了逆平行四连杆结构，往复运动由同一个曲柄机构产生，关节1 处 的挡块角度调节尾鳍和尾柄之间的相位角。u p f 2 0 0 1 采用了大面积的刚性尾 柄，这种设计在尾柄摆动到大振幅位置时，会产生较大的阻力。根据波动推 进原理，当波速大于来流速度时，细长柔体能够产生推力，例如蝌蚪的尾。 但是u p f 2 0 0 1 这么大面积的刚性尾柄，估计除了产生阻力外，还会产生较 大的侧向力，使鱼体晃动 2 r j 。 图2 4u p f 2 0 0 1 尾部机构 2 p f - 6 0 0 机构分析 p f 6 0 0 ( 图1 3 ) 的尾部结构如图2 5 所示，尾部由3 部分组成：尾柄1 、 尾柄2 和尾鳍。尾柄1 和尾柄2 是由同一个往复运动提供动力的并联机构。 尾鳍由另外一个往复运动提供动力，和尾柄动力分离。驱动尾鳍运动的是两 个串连平行四杆机构，尾柄1 则为一个滑块摆杆机构，尾柄2 为滑块摆杆机 构与非平行四杆机构的串连。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5p f 6 0 0 尾部机构及其运动状态 这种机构的优点是欠驱动系统，减少动力单元个数，进而减少控制系统 的复杂度。存在运动耦合，减少驱动源个数，降低控制难度。动力单元集中 于鱼体前部，降低密封难度，只需要对鱼体前部进行密封。缺点是运动不对 称，在两侧往复运动位移相同的情况下，运动存在明显的不对称性。图中为 动力单元摆动4 0 0 时，尾柄和鱼体轴的夹角分别为4 9 0 和3 2 0 。为了实现运动 的对称性，要求进行一系列的数值解算，难以实现很好的速度、加速度控制。 机构比较复杂，过多的传动环节，大大降低了系统的效率。 3 v o u u v 机构分析 v 吼m v ( 图1 _ 2 ) 的内部结构图如图2 6 所示，它采用一个4 个关节的 尾柄带动一个大展弦比的尾鳍。由于关节数较多，这个结构能够较好的模拟 黄鳍金枪鱼的游动形态，此外也能够得到比较小的转弯半径和角速度。但是 由于尾柄必需是柔性结构，所以耐压是个问题，该方案采用了液压作为驱动 方式，柔性尾柄采用透水方式。由于采用液压驱动，该方案难以达到更高的 驱动频率，并且在1 赫兹时出现了驱动波形失真的问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6v c u u v 的内部结构图 2 3 2 机器鱼机械结构设计 1 尾部机械结构设计 对机器鱼的机械结构设计，我们遵循以下原则：传动路线尽量简短，机 构尽量简单；尽量缩小机构尺寸；有利的传力条件：零件易于加工，保证运 动精度。 由于连杆机构具有传动精度高、质量小、调整方便、加工制造容易等优 点1 2 6 1 ，我们进行机构设计时，优先考虑采用杆机构。根据2 2 3 的分析，我 们设计了具有两个自由度的尾部推进机构，机器鱼本体结构如图2 7 所示。 鱼体外形设计成纺锤体形，其纵轴与铅垂轴之比取4 左右，并且体后很 快收敛成尾柄，这样的外形可以保持边界层的层流状态，同时不致引起流动 分离。尾部机构为平行四连杆机构串连的形式，这样，尾鳍的运动就由两转 动关节的运动合成，两个关节运动满足一定的相位跟随关系，产生推力，推 进鱼体运动。图中7 为刚性的背鳍，设计目的是为了增加鱼体的稳定程度， 不产生推力作用。以上结构的优点是： 1 自由度较少，运动控制系统简单，易于实现精确控制； 2 运动对称性好，能够较好模拟鳕科模式鱼类的运动形态； 3 机构简单，传动环节较少，传动线路短，效率高： 4 机构紧凑，易于水下密封，并能保证运动精度。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 鱼体蒙皮2 上托架3 - 负载腔4 1 2 1 8 鱼体填充物5 齿轮6 尾柄关节7 背鲳 8 力矩传感器9 尾鳍关节1 0 尾鳍1 1 尾鳍伺服舵机1 3 直流电机1 4 光电码盘 1 5 电位计1 6 胸鳍伺服电机1 7 电源1 9 配重2 0 密封环2 1 胸鳍2 2 主体托架 图2 7 机器鱼本体机构图 2 胸鳍机械结构设计 鳇科模式鱼类胸鳍的运动一般包含三个自由度，这样才能保证胸鳍产生 三维的力，机器鱼只需进行功能仿生，有以下几种方式实现上浮、下潜运动： 1 在鱼体内内置水箱和泵，通过改变自身重力来改变在水中的浮力； 2 通过胸鳍的上下摆动产生升力： 3 改变尾鳍矢量推进方向，如将尾鳍旋转9 0 度，则原来的转弯运动转 化为上浮运动： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 改变鱼在水中的姿态，即改变机器鱼重心位置，使鱼体与水平面成一 定角度，在推进的同时实现了上浮运动； 为了实现机器鱼的上浮和下潜运动，我们设计了具有单自由度的翼形胸 鳍，采用第二种形式，由伺服电机通过平行四连杆驱动胸鳍，通过改变击水 角度实现上浮、下潜运动，胸鳍水动力学分析见3 4 2 。 2 4 关键器件的选择 机器鱼样机的直流伺服电机的性能将直接影响机器鱼行动能力和可控性 能，直流电机经减速器和传动链后必须满足如下性能要求： 1 在关节转轴可输出的扭矩必须大于要求负载扭矩： 2 在关节转轴的输出速度必须达 到最大摆动频率时的角速度： 3 在非极限工作条件下，电机处 于最佳使用寿命工作状态。 1 最大力矩的计算 坐标系建立如图2 8 所示，机器鱼运 动方向为x 轴的负方向。为了简化计算， 将尾柄和尾鳢简化为一平板，且刚性连 接。参数说明如下： g 一尾鳍和尾柄的重心位置： ，一重心与关节间的距离，m ： 4 一尾柄振幅，d e g ； j ， 、 、 j 、 、 图2 , 8 机器鱼计算简化模型 s 一尾鳍和尾柄的名义击水面积，m 2 。 当尾柄以正弦规律运动时( 具体运动规律见3 2 ) ，重心坐标描述为： x g = ( r s i n a ) s i n 2 聊t( 2 - 3 ) 式中：产尾柄摆动频率。 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最大水阻力： v 。= 鲁= 2 矿s i n a c o s 2 矽 v g m 。= 2 n f rs i n a 坛。= 巴三雕一s ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：c 。一阻力系数： p 一水的密度，p = 1 0 0 0 k g m 3 。 最大力矩：7 k = f o 。， ( 2 - 7 ) 将式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 带入( 2 7 ) 可得所需最大转矩为： 丁k = 2 刀2 c d p ，3 s ，2s i n 2 彳 ( 2 8 ) 从式( 2 8 ) 可以看出，摆动所需力矩的大小和频率平方成