水中机器鱼的实现及应用

《水中机器鱼的实现及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、水中机器鱼的实现及应用　　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?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。　　

2、【关键词】机器鱼分段设计升潜控制?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?科模式，即类似于鲤鱼等?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

3、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5500M

4、AH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

5、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?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

6、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

7、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

8、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