摘  要： 為實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)，分析魚類游動的特點(diǎn),，基于舵機(jī)的工作原理,，提出了自主避障的仿生魚設(shè)計(jì)方案,。根據(jù)魚類推進(jìn)理論，對仿生魚進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、軟件設(shè)計(jì),。
關(guān)健詞： 仿生機(jī)器魚；舵機(jī),；自主避障

　仿生機(jī)器魚的提出有著深刻的意義,，它具有效率高、機(jī)動性好,、噪音低,、對環(huán)境擾動小等優(yōu)點(diǎn),。仿生機(jī)器魚可以作為一個載體，根據(jù)需要裝配相應(yīng)的硬件,，可在水面環(huán)境檢測,、復(fù)雜環(huán)境中的水中作業(yè),、海底生物觀測,、軍事偵察等方面發(fā)揮重大作用,。當(dāng)然，作為一個載體,，必須完成基本的運(yùn)動,，那就是能夠自動避障,。
1 魚類推進(jìn)理論
    魚類行為學(xué)者的研究表明,，大多數(shù)魚類把身體當(dāng)作推進(jìn)器，身體左右擺動擊水,，利用其產(chǎn)生的反作用力使魚體向前推進(jìn),，基于這種推進(jìn)原理，學(xué)者們提出了所謂的“波動推進(jìn)理論[1]”的魚類游動機(jī)理,，該理論主要以魚的脊椎曲線為研究對象,，魚體之所以能夠前進(jìn)，是因?yàn)榧棺登€帶動它所包絡(luò)的流體向后噴出,，產(chǎn)生推力使魚向前,，其游姿可以近似為正弦波，如圖1所示,。

    設(shè)脊椎曲線包絡(luò)的工作質(zhì)質(zhì)量為M1,，軀體對地速度為VB，λ是波長,，f為擺動頻率,，工作質(zhì)對地速度為VW，由于魚體在水中的阻力與速度呈遞增關(guān)系,，故在啟動瞬間,，魚體受到的阻力可以忽略不計(jì),因此根據(jù)動量守恒定理有公式(1),、(2)：
  
    Y是一個小于1的系數(shù)，它表征了魚類的幾何特征,、體重對速度的影響,稱之為動力特征系數(shù),，波動推進(jìn)假設(shè)是建立在對脊椎曲線包絡(luò)的水的質(zhì)量積分和動量定理之上。魚游動時使流體產(chǎn)生了分離,，并且以漩渦的方式拋出尾部,，漩渦的拋出速度和擺動頻率一致，在一個周期內(nèi),，尾部產(chǎn)生一對旋向相反的漩渦,，推動魚前進(jìn)。由此根據(jù)波動推進(jìn)理論,，利用舵機(jī)設(shè)計(jì)一種三關(guān)節(jié)仿生魚,，以實(shí)現(xiàn)仿生魚的前進(jìn)和自由轉(zhuǎn)向。
2 仿生魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    目前一般用于機(jī)器魚外形設(shè)計(jì)的仿生對象有金槍魚,、梭子魚,、鯉魚、鰻魚,。這幾種魚或者具有極高的游動速度,，或者具有優(yōu)異的機(jī)動性能，或者具有絕佳的游動效率,，它們都符合“波動推進(jìn)理論”的運(yùn)動模式,，因而成為仿生魚模仿的典范。這些魚類的外形呈現(xiàn)為流線形,不僅從魚頭到魚尾的水流運(yùn)動平穩(wěn),，而且水動力學(xué)阻力也很小,，顯示出這類外形具有良好的水動學(xué)性能。因而,，這類流線形魚體成為機(jī)器魚外形設(shè)計(jì)的最佳選擇[2],。
    設(shè)計(jì)的仿生魚的外形也是設(shè)計(jì)成流線形的魚體。它由魚頭,、魚體,、魚尾鰭三部分組成，魚體部分共有3個關(guān)節(jié),，每一個關(guān)節(jié)由一個伺服舵機(jī)控制,，可以實(shí)現(xiàn)本段和前段的相對轉(zhuǎn)角位移。
    魚頭采用直徑為120 mm×250 mm的塑料圓柱,，考慮浮力平衡,，為了保證材料浮動在水里，在普通車床上鉆了直徑為55 mm,、孔深為100 mm的內(nèi)孔,，中心掏空以減輕重量,。然后在加工中心平臺上加工弧線部分，在電腦上用UG軟件畫出魚頭的弧線圖形,，并在兩邊掏孔,，安裝傳感器，做為魚的眼睛,。
    魚體由3個舵機(jī)組成,，舵機(jī)之間的連接采用L型架和U型架鋁材，它的質(zhì)地較輕,，強(qiáng)度較高,。L型架與U型架之間使用軸承連接，有利于減小各個舵機(jī)轉(zhuǎn)軸所受的彎矩,，使摩擦減小,，轉(zhuǎn)動靈活[3]。
    尾鰭設(shè)計(jì)是用鉛筆在塑料板上畫出所需要的魚尾形狀,，再經(jīng)過拋光等工藝完成尾鰭部分的加工,。通過數(shù)控機(jī)床加工出舵機(jī)與尾鰭的連接部分。整體效果如圖2所示,。

3 仿生魚軟件設(shè)計(jì)
    為了滿足設(shè)計(jì)要求,，采用3個舵機(jī)設(shè)計(jì)了魚的三種姿態(tài)：前進(jìn)、右轉(zhuǎn)彎,、左轉(zhuǎn)彎,。用傳感器的檢測信號來控制魚的姿態(tài)，當(dāng)傳感器沒有接收到障礙物的信號時,，3個動力元件（舵機(jī)）分別以不同的角度來回?cái)[動,，以實(shí)現(xiàn)完美的前進(jìn)方式,。一般靠近尾部舵機(jī)的擺動角度最大,，其他逐漸減小。當(dāng)檢測到信號時,，尾部舵機(jī)來回?cái)[動,，其他兩個舵機(jī)在一個方向擺動一定角度后保持不變，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,。無線發(fā)送接收模塊用來下達(dá)指令,。整體電路圖如圖3所示。

    標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線：電源線,、地線和控制線,， 電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源，一般取5 V,?？刂凭€的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號,，方波脈沖信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時,，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變,，角度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖4來表示,。

    從上述舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制方法可看出,，舵機(jī)的控制信號實(shí)質(zhì)是一個可變寬度的方波信號(PWM)。一般采用MCU作為控制器,。目前采用單片機(jī)作為舵機(jī)控制器的方案比較多,，現(xiàn)利用單片機(jī)提出另一種編程方法，利用T0\T1定時器中斷來實(shí)現(xiàn)PWM,。該方案將20 ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成,。
    上述已知1.5 ms為中心位置，0.5 ms為-90°位置,，2.5 ms為＋90°位置,，并且在此定義一個脈沖周期為20 ms。定時器T1定時20 ms,，時間一到波形取反,，T0定時器起到了脈寬調(diào)節(jié)功能，如圖5所示,。

    根據(jù)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度可知PWM波形的波動范圍,，最低是在0.5 ms，最高是在2.5 ms,，同時存儲器最大為256 B,，現(xiàn)定義最大的數(shù)字為250，則有公式(3)：

    定時器T1定時20 ms,，定時器T0定時0.01 ms,，在存儲器R3單元中放入立即數(shù)50并與定時器T0中斷次數(shù)相比較，當(dāng)定時器T0定時發(fā)生50次后即與R3相等,，產(chǎn)生脈寬為0.5 ms,，即為最小脈寬；當(dāng)在R3單元中放入立即數(shù)250并與定時器T0中斷次數(shù)相比較,，當(dāng)定時器T0定時發(fā)生250次后即與R3相等,，產(chǎn)生脈寬為2.5 ms，即為最大脈寬,。
    由此可知對存儲器R3不斷進(jìn)行加1操作,，方波的脈寬可以從0.5 ms變化到2.5 ms,然后對立即數(shù)進(jìn)行減操作，方波的脈寬會減至0.5 ms，再進(jìn)行不斷的循環(huán),，產(chǎn)生脈寬在0.5 ms～2.5 ms不斷變化的PWM信號,。這樣就能控制舵機(jī)在-90°～90°之間變化。由此,，給出3個不同的存儲器R3,、R4、R5來控制3個舵機(jī)的轉(zhuǎn)角,，讓3個存儲器的數(shù)值模擬正弦變化,，就能夠?qū)崿F(xiàn)本文的波動推進(jìn)理論。
    同時采用E18-D80NK漫反射式光電傳感器作為魚的左右眼睛,，分別來判斷障礙,。當(dāng)距離80 cm時就能檢測到障礙物，此時讓R3,、R4轉(zhuǎn)動一定的角度,，并且尾部舵機(jī)R5往復(fù)擺動，就能實(shí)現(xiàn)仿生魚的轉(zhuǎn)向,。因此舵機(jī)在PWM控制下,，由脈沖寬度的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，并可根據(jù)仿生魚的不同的運(yùn)動狀態(tài),，來調(diào)用不同的子程序,。主程序流程圖如圖6所示。

4 仿生魚總調(diào)試和總結(jié)
    在完成仿生魚裝配的基礎(chǔ)上對仿生魚運(yùn)動進(jìn)行調(diào)試,。將魚體,、控制電路板、供電電源整合在一起,，并且在其表面裹上防水膠布,，保證與水隔離。通過示波器觀察波形,，調(diào)試過程中首先做到仿生魚運(yùn)動軌跡基本符合要求,，接下來進(jìn)行微調(diào)。由于各個舵機(jī)絕對位置都有偏差,，并且軟件定時不夠準(zhǔn)確,，因此就要根據(jù)實(shí)際情況更改脈沖值，直至仿生魚運(yùn)動軌跡準(zhǔn)確,。
    下水實(shí)驗(yàn)時，實(shí)驗(yàn)的第一點(diǎn)是靜態(tài)平衡實(shí)驗(yàn),。由于魚體各個部位選用的材料不同,，并受裝配電路板、舵機(jī),、電池等元件的影響,，魚體的重心不易確定,，因此把魚體放入水中，觀察后在適當(dāng)部位進(jìn)行配重,，直至魚體靜止時在水中保持平衡,。第二點(diǎn)就是動態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)，即魚體在運(yùn)動時保持運(yùn)動的穩(wěn)定性,。動態(tài)平衡首先受靜態(tài)平衡的影響,，因此在保證靜態(tài)平衡的條件下盡量滿足動態(tài)平衡。另一調(diào)節(jié)動態(tài)平衡就是通過程序控制,，包括魚體運(yùn)動的頻率,、幅度。實(shí)物效果圖如圖7所示,。

    通過反復(fù)進(jìn)行調(diào)整裝配與調(diào)試,，基本實(shí)現(xiàn)了仿生魚在水中的運(yùn)動狀態(tài)。但目前還沒有解決仿生魚在游動過程中的加減速的問題,，實(shí)際上根據(jù)魚類推進(jìn)公式已經(jīng)制定出了加減速方案,。本項(xiàng)目是大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，也是教師科研項(xiàng)目,，該項(xiàng)目根據(jù)魚類的游動姿態(tài),，利用機(jī)電控制等對水下載體和作業(yè)裝備提供了新的設(shè)計(jì)思路。
參考文獻(xiàn)
[1] 梁建宏,，王田苗,，魏洪興.水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展I—魚類推進(jìn)機(jī)理[J].機(jī)器人ROBOT，2002,，24(2)：107-111.
[2] 梁建宏,，王田苗，魏宏興.仿生機(jī)器魚技術(shù)研究進(jìn)展及關(guān)鍵問題探討[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,，2003(3)：14-19.
[3] 宋天麟,，黃烈?guī)r.仿生機(jī)器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械制造與自動化，2005,，34(5)：82-83,87.
[4] 駱涵秀,，李世倫，朱捷.機(jī)電控制[M].杭州：浙江大學(xué)出 版社,，1994:31-63.