仿鱼机器人介绍

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※2023年山东省大学生气器人大赛※※机器人创意工程组参赛作品※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※仿鱼机器人2023年六月年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程目录\l“_TOC_250014“引言 1\l“_TOC_250013“机械与构造设计 2\l“_TOC_250012“鱼的身体构造 2\l“_TOC_250011“鱼的各种推动方式 3\l“_TOC_250010“几种机器鱼机构比较与分析 3\l“_TOC_250009“集成红外传感器的仿鱼机器人 6\l“_TOC_250008“集成红外传感器的机器鱼设计方案 7\l“_TOC_250007“仿生气器鱼的根本运动 9\l“_TOC_250006“仿生气器鱼的智能掌握策略 10\l“_TOC_250005“掌握系统硬件设计 12\l“_TOC_250004“掌握系统硬件设计思想 12\l“_TOC_250003“主掌握芯片及掌握系统 13\l“_TOC_250002“舵机的构造及掌握方法 13PC机与单片机间通讯 错误!未定义书签。\l“_TOC_250001“5.结论 14\l“_TOC_250000“6.参考文献 142211仿鱼机器人引言器的存在能源利用低、构造尺寸及重量大、受扰力量差，噪音大，隐蔽性差，牢靠性差等缺点。而且常规的推动方式驱动水下运动装置存在启动、加速性能弱，限制了它的应用。游动。大多数鱼类的游动推动效率在80%以上，鲹科鱼类的推动效率可以超过90%，而传统的推动方式的推动效率平均仅为40%-50%左右。鱼类可以在不减10%-30%，而船的转弯半径要比25倍的重20-50倍的重力加速度。鱼类优良的游动运动方式给人类提高水下机器人系统的推动操控性能及与水环境的交互性能带来了期望。年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程机械与构造设计鱼的身体构造了大多数鱼的进化过程中产生了推动协调其各种运动的不同的鳍及各种为适应其特点而产生的运动机理。由图2-1可以看出鱼的根本形态和它们不同部位的鳍。2-1鱼的根本形态构造作用和它们的特点如表2-1。2-1各种鳍的比较鳍的类别鳍的类别所处部位作用是否有助于前进尾鳍尾部最终推动和转向的作用有背鳍身体的背后维持身体的平衡一般没有臀鳍肛门之后胸鳍头部腮孔之后四周的胸部维持平衡，可与背鳍合作帮助鱼体运动驱动前进、平衡、加速减速、转弯维持身体平衡、关心升降、转弯一般没有有腹鳍腹侧一般没有由表2-1可知鱼类的鳍主要是用来游动、平衡、转弯的。一般的，尾鳍是和平衡的作用。鱼的各种推动方式模式：喷射方式、身体波动方式、尾鳍推动方式和胸鳍推动方式。喷射方式：此类方式的生物体内部的特别部位可向后挤压产生水流后向水母。身体波动式：此类生物体的游动关节遍布全身，它们的游动如同正弦波动的生物体有鳗鱼、水蛇等。15，蹲行式如们的显著特点是主要利用鱼的身体后半段和尾鳍协调摇摆前进。胸鳍推动方式：单独利用胸鳍推动方式的鱼格外罕见，它的推动作用表天敌的作用。几种机器鱼机构比较与分析ESSEX大学机构ESSEXESSEX大学利用的执行器是的掌握规律也应归类于此。图2-2ESSEX大学研制的机器鱼。图2-2ESSEX大学机器鱼示意图巴沙蒂娜学院(PasadenaCityCollege)PasadenaCityCollege设计了一种被动式机器鱼机构，利用弹簧的反力吸取2-3是巴沙蒂娜学院机器鱼的核心构造。图2-3PasadenaCityCollege设计机构示意图东南大学传动之后变成鱼尾鳍摇摆运动。年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程

图2-4东南大学机械构造示意图GPS导航定位单元，温度传感器等多种传感器，根本可以完成自主定位与导航功能。图2-5密歇根州立大学机器鱼 图2-6密歇根州立大学电路构造示意图 机器鱼构造示意图南洋理工大学身体摇摆的高。这种运动机理属于鳗鲡式机器鱼推动模式。如图2-7就是南洋理工大学比较有代表的一款机器鱼。55年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程6611112-7南洋理工机械鱼示意图中国科学技术大学中国科学技术大学所开发的机器鱼是类鳝类机器鱼，它的仿生对象是蓝点2-8。2-8中科大仿生蓝点魟机器鱼示意图集成红外传感器的仿鱼机器人方法，并进展了试验。集成红外传感器的机器鱼设计方案传感器网络设计力量检测前方是否有障碍物，常被用于机器人系统中探测接近或突发运动障碍。时候，接收电路端口输出的为高电平，没有障碍的时候，端口输出的为低电平。通过凹凸电平的推断来识别是否有障碍物。传感器

传感器传感器

传感器

传感器图3-1传感器网络示意图IR 类：前部红外传感器〔FI、左侧红外传感器〔L、右侧红外传感器〔RIR 顶部红外传感器TI、底部红外传感器〔BIR。这五类传感器分别探测机器鱼机器鱼通过传感器网络供给的环境信息，依据规定的运动策略实现自主运动。〔运动方向和速度对物发生碰撞；在遇到危急物体逼进时，能够快速逃逸，并远离危急物体。仿生气器鱼内部构造和技术参数3-25局部组成：掌握单(微控系统+外围器件(通讯模块(铝制外骨架+鱼头)(伺服电机组)，附件(电池、防水鱼皮及尾鳍等)。图3-2自主仿生气器鱼的内部构造ATmega128LATmega128L单片机PWM3个关节的协调摇摆，仿照鱼类的游动运动。机器鱼直行游动的速度可通过调整关节的摇摆频率来控加不同的偏移量，可以实现不同幅度的转弯。自主仿生气器鱼的技术参数见表3-2。表3-1自主仿生气器鱼的技术参数尺寸尺寸(长×宽×高)430×48×75mm重量关节数最大摇摆频率摇摆局部长度最大游速(直行)0.5kg32Hz(水中)178mm0.4m/s最小转弯半径最大扭矩驱动模式通讯模式工作电压单独运行时间200mm〔1/2体长〕3.2kg直流伺服电机JTAG6v1~1.5小时表3-2机器鱼的电机的摇摆频率(Hz)和直行游动速度(m/s)的关系频率(Hz)0.50.570.670.81.01.342.0速度(m/s)0.120.160.180.200.230.260.32仿生气器鱼的根本运动器鱼的运动特点、物理构造、掌握器及工作环境的特点，我们为红外机器鱼设计了以下 8种根本运动：上升、加速(ACCE)、减速(DECE)、(L_TURN)、右转(R_TURN)、直行(STRAIGHT)。速度分为0-7级速度为0944档以及中间档。机器鱼避障任务中的运动是这些根本运动的组合，如加速转弯，减速转弯，加速下潜，加速上升等等。〔图3-3所示的上升位置由于水压的作用，机器鱼的头部向上倾斜，从而向水面游动。度〔下潜位置，由于水压的作用，机器鱼的头部向下倾斜，从而向水底游动。种运动定义为平动。〔严格意义上，应当是类直线，这种运动定义为直行。年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程年山东省大学生气器人大赛机器人创意工程10101111下潜位置中间位置上升位置胸鳍 轴图3-3胸鳍的三种根本状态〔原理图〕仿生气器鱼的智能掌握策略规章库的设计一般形式为“条件→行动”或“前提→结论“输入-输出”语句表示每一个学问项。FIR、LIR、RIR、TIR、BIR8个根本运动UP、DOWN、HORIZON、ACCE、DECE、L_TURN、R_TURN、STRAIGHT之间的因果关系，机器鱼的1〔包含避障规章〕2〔包含上升下潜规章，如表3-、表3-4所示。输入输出FIRLIR输入输出FIRLIRRIR0 0 0L_TURN R_TURN DECE0 0 0STRAIGHT1环境描述运动描述无障碍直行0011000右侧有障碍减速左转0100100左侧有障碍减速右转0110011左、右侧有障碍减速直行1001000前方有障碍减速左转1011010前方、右侧有障碍减速左转1100110前方、左侧有障碍减速右转1111010三方向都有障碍减速右转TIR输入BIRUP表3-4规章库2输出DOWN ACCE HORIZON环境描述运动描述000001无障碍平动011000下方有障碍加速上升100100上方有障碍加速下潜110010上下方都有障碍加速平动推理机的设计理机正是为完成运动的定量描述而设计的。推导机器鱼的速度等级，转弯模式，转弯等级等。速度等级、转弯等级、转弯模式等。下面定义两个重要参数：碰撞危急度 (RiskFactor)和上升下潜意愿强度(AwarenessIntensity)推理机依据RiskFactor的大小确定机器鱼的减速等级避障时的转弯等级和转弯模式，依据AwarenessIntensity打算机器鱼的加速等级。00RiskFactor=1/32/31FIR=LIR=RIR=0FIR+LIR+RIR=1FIR+LIR+RIR=2FIR+LIR+RIR=3〔1〕0AwarenessIntensity=1/3TIR=BIR=0TIR+BIR=1TIR=BIR=1〔2〕2/3我们规定：当全部传感器的输出为0RIR度等级为基准的。因此，加速等级取值范围为{5，6，7}；减速等级取值范围为{0，1，2，3}。RiskFactor的值打算转弯模式、转弯等级、减速等级的指导原则是：RiskFactor越大，碰撞的危急性越大，转弯半径越小，转弯等级越大，速度等级越小，越简洁避开障碍，反之亦然。同理，AwarenessIntensity越大，机器鱼的加速等级越高。掌握系统硬件设计调试的困难，到达较高的掌握精度。掌握系统硬件设计思想，不行分别的。机械鱼的硬件掌握系统主要包括以下子系统：PWM波形来驱动舵机转动。全局传感器子系统：本系统的传感器是一个全局摄像头，既能定位鱼本效的掌握策略。JTAG下载线JTAG下载线时钟信号输入复位信号输入看门狗定时器中心处理单元定时器/计数器1RAM电源输入PWM掌握第一路舵机SRAM产生掌握波形PWM掌握其次路舵机指示灯自定义I/O端口PWM掌握第三路舵机传感器图4-1硬件掌握系统框图主掌握芯片及掌握系统机器鱼下位机系统选用ATmega128L单片机作为主要掌握芯片，架构，承受低功耗CMOS技术，而且在软件上支持C语言及汇编语言。芯片PWM信号，节约系统硬件资源，降低软件设计简单性。舵机的构造及掌握方法来将转动转换为摇摆，而且掌握信号是PWM信号，掌握信号简洁，易于利用单片机等芯片来实现掌握。PWM信号。舵机的转轴和输入信号的脉宽成正比。结论这种方法的有效性。由于红外传感器探测信息有限〔只能探测障碍物的有无，无法得到距离信息，必需为机器鱼集成多种传感器，才能使机器鱼具备自主路径规划和自主导游动路径与最有效的游动方式。这也是我们