仿魚機器人介紹

Anlcm^JidimSAnlcm^JidimS洪※※※※※※※※※※※※※※※※※※※濃 2013年山東省大學生機器人大賽 淤京機器人創(chuàng)意項目組參賽作品 京※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※仿魚機器人MkivpnwcsMr+l\:riphcnilsAuintnumLaoskeletonIismnilCrriiiii^nLdilMid!BrieryMfiVlSwiJc^rstr山東科技大學信息與電氣工程學院二0—三年六月TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 1\o"CurrentDocument"機械與結(jié)構(gòu)設(shè)計 2\o"CurrentDocument"2.1魚的身體結(jié)構(gòu) 2\o"CurrentDocument"2.2魚的各種推進方式 3\o"CurrentDocument"2.3幾種機器魚機構(gòu)比較與分析 3\o"CurrentDocument"集成紅外傳感器的仿魚機器人 6\o"CurrentDocument"3.1集成紅外傳感器的機器魚設(shè)計方案 7\o"CurrentDocument"3.2仿生機器魚的基本運動 9\o"CurrentDocument"3.3仿生機器魚的智能控制策略 10\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 12\o"CurrentDocument"4.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計思想 12\o"CurrentDocument"4.2主控制芯片及控制系統(tǒng) 13\o"CurrentDocument"4.3舵機的構(gòu)造及控制方法 134.4PC機與單片機間通訊 錯誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"結(jié)論 14\o"CurrentDocument"參考文獻 14仿魚機器人引言隨著人類社會的急速發(fā)展，人口的急速增長，人類面臨很嚴重的發(fā)展的壓力，陸地資源的過度采集已經(jīng)使各國不斷向海洋，太空尋求更多的資源。而相對于太空，占地球大部分表面積的海洋自身蘊含著豐富的食物、礦產(chǎn)等資源，而且也是重要的運輸及軍事戰(zhàn)略空間，與任何一個國家的生存發(fā)展息息相關(guān)。為了充分利用海洋資源，各種船只，潛水艇及水下機器人等被廣泛的使用和設(shè)計，這些水上及水下作業(yè)的機器已經(jīng)拓展了我們的生存空間，但是殘酷的競爭激勵人們不斷探索高效、高機動性的水下推進控制技術(shù)。目前傳統(tǒng)的水下推進系統(tǒng)多采用螺旋槳和葉輪式等原理的常規(guī)推進器，并多以電磁馬達或液壓馬達驅(qū)動。這些常規(guī)推進器的存在能源利用低、結(jié)構(gòu)尺寸及重量大、受擾能力差，噪音大，隱蔽性差，可靠性差等缺點。而且常規(guī)的推進方式驅(qū)動水下運動裝置存在啟動、加速性能弱，運動靈活性差等缺點，受承載空間和能力的影響會限制其作業(yè)時間和范圍，從而限制了它的應用。采用波狀擺動推進的魚類，有著卓越的游動能力，就像飛機與雷達的研制，人們發(fā)現(xiàn)魚類在水中游動時，可以本能的利用流體力學的原理，減小阻力提高推力。十幾億年的進化使魚類能夠以最科學的方式駕馭水流，以達到高速，高效的游動。大多數(shù)魚類的游動推進效率在80%以上，鲹科魚類的推進效率可以超過90%，而傳統(tǒng)的推進方式的推進效率平均僅為40%-50%左右。魚類可以在不減速情況下迅速改變方向，轉(zhuǎn)彎半徑僅有體長的10%-30%，而船的轉(zhuǎn)彎半徑要比本身長度大一個量級，且通常在轉(zhuǎn)彎前先要減速一半；梭子魚可以以25倍的重力加速度迅速起動來獵取食物，海豚的加速度可以達到20-50倍的重力加速度。魚類優(yōu)良的游動運動方式給人類提高水下機器人系統(tǒng)的推進操控性能及與水環(huán)境的交互性能帶來了希望。魚類的高速，高效游動，吸引著學者們研究魚類的推進機理，并利用所研究的推進機理研制一些水下仿生學機器人，已驗證其高效，高速的性能，并希望在實際的船只、潛艇等水上水下作業(yè)的器械上加以利用，以提高其機動性和效率。

機械與結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1魚的身體結(jié)構(gòu)由于魚類的生活習性和生活環(huán)境的不同，魚的種類是也多種多樣的，水作為魚類的游動介質(zhì)，其難壓縮性和高密度性在魚類的進化中具有重要的作用，導致了大多數(shù)魚的進化過程中產(chǎn)生了推動協(xié)調(diào)其各種運動的不同的鰭及各種為適應其特點而產(chǎn)生的運動機理。由圖2-1可以看出魚的基本形態(tài)和它們不同部位的鰭。圖2-1魚的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)各個位置的鰭對大多數(shù)魚類的游動能力起到?jīng)Q定性的作用，各種魚鰭所起的作用和它們的特點如表2-1o表2-1各種鰭的比較鰭的類別所處部位作用是否有助于前進尾鰭尾部最后推進和轉(zhuǎn)向的作用有背鰭身體的背后維持身體的平衡一般沒有臀鰭肛門之后維持平衡，可與背鰭合作幫助魚體運動一般沒有胸鰭頭部腮孔之后附近的胸部驅(qū)動前進、平衡、加速減速、轉(zhuǎn)彎有腹鰭腹側(cè)維持身體平衡、輔助升降、轉(zhuǎn)彎一般沒有由表2-1可知魚類的鰭主要是用來游動、平衡、轉(zhuǎn)彎的。一般的，尾鰭是前向游動主要動力源，背鰭和臀鰭是起平衡作用的，而胸鰭和腹鰭主要起到轉(zhuǎn)彎和平衡的作用。2.2魚的各種推進方式按魚類的體形及由體型引發(fā)的功能的不同，有下面幾種常見的基本推進運動模式：噴射方式、身體波動方式、尾鰭推動方式和胸鰭推動方式。噴射方式：此類方式的生物體內(nèi)部的特殊部位可向后擠壓產(chǎn)生水流后向推力，通過反作用力使其向前游動的。此類方式產(chǎn)生動力的生物體有烏賊、魷魚、水母。身體波動式：此類生物體的游動關(guān)節(jié)遍布全身，它們的游動猶如正弦波形的前進，全身關(guān)節(jié)參與游動，這樣前進的單位距離所需推力最小。此類方式游動的生物體有鰻魚、水蛇等。尾鰭推進方式：此類游動方式還可分為：蹲行式和橢行式15,蹲行式如蟬魚、鮮魚等是最常見的方式，在速度、加速度方面和可操縱性上具有優(yōu)勢。橢行式魚類有精魚、馬林魚等，常有高展弦比的尾鰭，在快速運動中最為高效。它們的顯著特點是主要利用魚的身體后半段和尾鰭協(xié)調(diào)擺動前進。胸鰭推進方式：單獨利用胸鰭推進方式的魚非常罕見，它的推進作用表現(xiàn)在機動性上，胸鰭的推進方式的效率并沒有尾鰭的推進效率高，但是其機動性較尾鰭要高，所以在魚類的游動過程中，胸鰭只是起到提高魚類的機動性以逃避天敵的作用。2.3幾種機器魚機構(gòu)比較與分析1.ESSEX大學機構(gòu)ESSEX大學所使用的機構(gòu)為舵機串聯(lián)機構(gòu)。ESSEX大學利用的執(zhí)行器是舵機，舵機的優(yōu)點是出力大，并且可以直接驅(qū)動魚尾，因為其是有限轉(zhuǎn)角的電機，本身就完成的是擺動運動，所以不必考慮機械結(jié)構(gòu)問題可直接使用。在使用中利用連接件使得后一個舵機作為前一個的負載，只要舵機選擇合適就可較簡單的完成機械設(shè)計。麻省理工學院對以舵機為執(zhí)行器的機械設(shè)計上也有所研究，但具體的控制規(guī)律也應歸類于此。圖2-2是ESSEX大學研制的機器魚。

圖2-2ESSEX大學機器魚示意圖圖2-2ESSEX大學機器魚示意圖2.巴沙蒂娜學院(PasadenaCityCollege)PasadenaCityCollege設(shè)計了一種被動式機器魚機構(gòu)，利用彈簧的反力吸收一部分剛性的電機轉(zhuǎn)動定位時的能量，在回擺時產(chǎn)生助力，從而降低能量損耗，提高效率。但缺點是難于設(shè)計，如果設(shè)計不當，效果會適得其反。圖2-3是巴沙蒂娜學院機器魚的核心結(jié)構(gòu)。圖2-3PasadenaCityCollege設(shè)計機構(gòu)示意圖3.東南大學東南大學的機器魚比較簡單，只有一個自由度，即只利用一個電機控制經(jīng)過傳動之后變成魚尾鰭擺動運動。

圖2-4東南大學機械結(jié)構(gòu)示意圖4.密歇根州立大學密歇根州立大學研制的機器魚已經(jīng)加入了GPS導航定位單元，溫度傳感器等多種傳感器，基本可以完成自主定位與導航功能。KggJi:舊KWh5ftKggJi:舊KWh5ft圖2-5密歇根州立大學機器魚 圖2-6密歇根州立大學電路結(jié)構(gòu)示意圖 機器魚結(jié)構(gòu)示意圖南洋理工大學南洋理工大學一直致力于全身都可以蠕動的機器魚，此種機器魚的動力學特性與北京大學及本文所研究的魚的區(qū)別是：此種魚的機動性能強，由于其全身的運動致使其自由度很多，控制起來彈性很大，機動性能強，但是效率并不如局部身體擺動的高。這種運動機理屬于鰻鱺式機器魚推進模式。如圖2-7就是南洋理工大學比較有代表新的一款機器魚。

圖2-7南洋理工機械魚示意圖中國科學技術(shù)大學中國科學技術(shù)大學所開發(fā)的機器魚是類鱔類機器魚，它的仿生對象是藍點，航，它的機構(gòu)是并聯(lián)的舵機機構(gòu)，通過每個舵機的協(xié)調(diào)擺動產(chǎn)生不同大小方向的推力，從而完成魚的巡游，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，倒退等動作。其機器魚的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-8。圖2-8中科大仿生藍點航機器魚示意圖集成紅外傳感器的仿魚機器人本項目作品給出了集成多個紅外傳感器的仿生機器魚的設(shè)計方案，研究了基于紅外傳感器的機器魚避障規(guī)則和策略，提出了一種基于規(guī)則推理的智能避障控制方法，并進行了實驗。3.1集成紅外傳感器的機器魚設(shè)計方案3.1.1傳感器網(wǎng)絡設(shè)計紅外傳感器是一種比較有效地接近覺傳感器，利用紅外線的定向傳播和反射能力檢測前方是否有障礙物，常被用于機器人系統(tǒng)中探測臨近或突發(fā)運動障礙。由于光的方向性好，紅外傳感器具有角度分辨率高，反映靈敏，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。但在水中光的衰減比較嚴重，距離分辨率低。紅外傳感器由紅外發(fā)射管、紅外接收管、紅外發(fā)射電路和紅外接收處理電路組成。它的工作原理是：當有障礙物的時候，接收電路端口輸出的為高電平，沒有障礙的時候，端口輸出的為低電平。通過高低電平的判斷來識別是否有障礙物。由于單個紅外傳感器探測范圍有限，為了使得機器魚得到周圍環(huán)境的詳盡信息，可以在機器魚的表面安裝多個紅外傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡，使其覆蓋機器魚周圍的區(qū)域。圖3-1給出了傳感器的布局情況。按照傳感器安裝位置，分為五類：前部紅外傳感器（fir）、左側(cè)紅外傳感器（lir）、右側(cè)紅外傳感器（rir）、頂部紅外傳感器（tir）、底部紅外傳感器（bir）。這五類傳感器分別探測機器魚前方、左側(cè)、右側(cè)、頂部、底部的障礙物。各個方向傳感器的數(shù)量和安裝位置根據(jù)紅外傳感器的角度分辨率來確定，應該確保這些傳感器之間不存在相互干擾。機器魚通過傳感器網(wǎng)絡提供的環(huán)境信息，依據(jù)規(guī)定的運動策略實現(xiàn)自主運動。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡提供的信息和機器魚當前的運動狀態(tài)（運動方向和速度）對機器魚進行自主漫游運動的研究，即要求機器魚在自主游動時做到不與外部障礙物發(fā)生碰撞；在遇到危險物體逼進時，能夠快速逃逸，并遠離危險物體。

3.1.2仿生機器魚內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)自主仿生機器魚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。它主要由5部分組成：控制單元（微控系統(tǒng)+外圍器件），通訊單元（通訊模塊），支撐單元（鋁制外骨架+魚頭），驅(qū)動單元（伺服電機組），附件（電池、防水魚皮及尾鰭等）。充電插頭控制單元 骨架關(guān)節(jié)1 尾絲魚眼電池貌開美美節(jié)2關(guān)節(jié)3400mm圖3-2自主仿生機器魚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在控制單元中，機器魚的擺動控制數(shù)據(jù)集成在頭部的微控制器內(nèi)，舵機組由微控制器ATmega128L單片機控制。機器魚通過微控制器ATmega128L單片機調(diào)制產(chǎn)生的PWM信號，控制各個舵機的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)3個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)擺動，模仿魚類的游動運動。機器魚直行游動的速度可通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的擺動頻率來控制，其方向可通過不同的關(guān)節(jié)偏移來實現(xiàn)。在一個擺動周期內(nèi)，在第一個關(guān)節(jié)迭加不同的偏移量，可以實現(xiàn)不同幅度的轉(zhuǎn)彎。自主仿生機器魚的技術(shù)參數(shù)見表3-1、表3-2。表3-1自主仿生機器魚的技術(shù)參數(shù)尺寸（長X寬乂高）重量關(guān)節(jié)數(shù)最大擺動頻率擺動部分長度最大游速（直行）430x48x75mm0.5kg32Hz（水中）178mm0.4m/s最小轉(zhuǎn)彎半徑最大扭矩驅(qū)動模式通訊模式工作電壓單獨運行時間200mm（1/2體長）3.2kg.cm直流伺服電機JTAG6v1~1.5小時表3-2機器魚的電機的擺動頻率（Hz）和直行游動速度（m/s）的關(guān)系

頻率（Hz）0.50.570.670.81.01.34頻率（Hz）0.50.570.670.81.01.342.0速度（僦） 0.12 0.16 0.18 0.20 0.23 0.26 0.323.2仿生機器魚的基本運動根據(jù)避障任務的要求，綜合考慮自主仿生機器魚的運動特點、物理結(jié)構(gòu)、控制器及工作環(huán)境的特點，我們?yōu)榧t外機器魚設(shè)計了以下8種基本運動：上升（UP）、下潛（DOWN）、平動（HORIZON）、加速（ACCE）、減速（DECE）、左轉(zhuǎn)（L_TURN）、右轉(zhuǎn)（R_TURN）、直行（STRAIGHT）。速度分為0-7級，7級為最大，0級速度為0。方向分為9檔：左轉(zhuǎn)4檔、右轉(zhuǎn)4檔以及中間檔。機器魚避障任務中的運動是這些基本運動的組合，如加速轉(zhuǎn)彎，減速轉(zhuǎn)彎，加速下潛，加速上升等等。上升：機器魚在游動過程中利用胸鰭實現(xiàn)上浮下潛運動。當機器魚以一定的速度游動時，如果胸鰭沿軸線順時針擺動一定的角度（圖3-3所示的上升位置），由于水壓的作用，機器魚的頭部向上傾斜，從而向水面游動。下潛：當機器魚以一定的速度游動時，如果胸鰭沿軸線順時針擺動一定的角度（下潛位置），由于水壓的作用，機器魚的頭部向下傾斜，從而向水底游動。平動：當機器魚的胸鰭保持在中間狀態(tài)時，機器魚在水面上游動，我們把這種運動定義為平動。直行：機器魚的三個擺動關(guān)節(jié)以頭尾軸為中心擺動時，機器魚沿直線運動（嚴格意義上，應該是類直線），這種運動定義為直行。加速：機器魚從較低的速度等級切換到較高的速度等級。減速：機器魚從較高的速度等級切換到較低的速度等級。左轉(zhuǎn)：當給尾部三個電機施加向左的幾何偏移量時，機器魚向左轉(zhuǎn)彎。右轉(zhuǎn)：當給尾部三個電機施加向右的幾何偏移量時，機器魚向右轉(zhuǎn)彎。9999圖3-3胸鰭的三種基本狀態(tài)（原理圖）3.3仿生機器魚的智能控制策略3.3.1規(guī)則庫的設(shè)計本文中設(shè)計的自主仿生機器魚智能控制系統(tǒng)采用了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。產(chǎn)生式規(guī)則的左半部一般為若干事實的邏輯積，確定了可應用的先決條件，右半部描述了規(guī)則的先決條件得到滿足時所采取的行動或得出的結(jié)論。產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式為“條件一行動”或“前提一結(jié)論”，即用“輸入-輸出”語句表示每一個知識項。為了簡化規(guī)則庫的設(shè)計，我們在五個方向上都只采用了一個傳感器。根據(jù)五個輸入量Fir、Lir、Rir、Tir、Bir和8個基本運動UP、DOWN、HORIZON、ACCE、DECE、L_TURN、R_TURN、STRAIGHT之間的因果關(guān)系，機器魚的控制規(guī)則被劃分為兩個子規(guī)則庫：規(guī)則庫1（包含避障規(guī)則）和規(guī)則庫2（包含上升下潛規(guī)則），如表3-3、表3-4所示。表3-3規(guī)則庫1輸入輸出環(huán)境描述運動描述FirLirRirl_turnr_turnDECEstraight0000001無障礙直行0011000右側(cè)有障礙減速左轉(zhuǎn)0100100左側(cè)有障礙減速右轉(zhuǎn)0110011左、右側(cè)有障礙減速直行1001000前方有障礙減速左轉(zhuǎn)1011010前方、右側(cè)有障礙減速左轉(zhuǎn)1100110前方、左側(cè)有障礙減速右轉(zhuǎn)1111010三方向都有障礙減速右轉(zhuǎn)

表3-4規(guī)則庫2輸入輸出環(huán)境描述運動描述TirBirUPDOWNACCEHORIZON000001無障礙平動011000下方有障礙加速上升100100上方有障礙加速下潛110010上下方都有障礙加速平動3.3.2推理機的設(shè)計規(guī)則庫定義了傳感器狀態(tài)與機器魚運動之間的映射關(guān)系，給出了運動的定性描述，但是沒有給出運動的定量描述，即轉(zhuǎn)彎等級，轉(zhuǎn)彎模式和速度級別等。推理機正是為完成運動的定量描述而設(shè)計的。所謂推理就是依據(jù)一定的規(guī)則從已有的事實推出結(jié)論的過程，按照推理方向可把推理分為正向推理、反向推理和混合推理。本系統(tǒng)采用正向推理策略，推理工作周期為讀紅外傳感器數(shù)據(jù)，檢測并計算有規(guī)則條件，沖突消解，規(guī)則執(zhí)行，推導機器魚的速度等級，轉(zhuǎn)彎模式，轉(zhuǎn)彎等級等。推理機的功能包括分析當前的碰撞情況，估計碰撞的危險度，規(guī)劃機器魚的速度等級、轉(zhuǎn)彎等級、轉(zhuǎn)彎模式等。下面定義兩個重要參數(shù)：碰撞危險度（RiskFactor）和上升下潛意愿強度（AwarenessIntensity）。推理機根據(jù)RiskFactor的大小確定機器魚的減速等級、避障時的轉(zhuǎn)彎等級和轉(zhuǎn)彎模式，根據(jù)AwarenessIntensity決定機器魚的加速等級。01/301/3RiskFactor=42/3<1「0AwarenessIntensity= 1/3『2/3Fir=Lir=Rir=0Fir+Lir+Rir=1Fir+Lir+Rir=2Fir+Lir+Rir=3（1）Tir=Bir=0Tir+Bir二1（2）Tir=BirT我們規(guī)定：當所有傳感器的輸出為0，即（Fir、Lir、Rir、Tir、Bir）=（0，0，0,0,0）時，機器魚的速度等級為4,規(guī)則庫中的加速和減速運動都是以這個速度等級為基準的。因此，加速等級取值范圍為｛5，6,7｝；減速等級取值范圍為｛0，1，2,3｝。根據(jù)RiskFactor的值決定轉(zhuǎn)彎模式、轉(zhuǎn)彎等級、減速等級的指導原則是：RiskFactor越大，碰撞的危險性越大，轉(zhuǎn)彎半徑越小，轉(zhuǎn)彎等級越大，速度等級越小，越容易避開障礙，反之亦然。同理，AwarenessIntensity越大，機器魚的加速等級越高?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計機器魚的硬件設(shè)計是控制的基礎(chǔ)，通過各種傳感器采集外界數(shù)據(jù)和自身狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對機器魚的有效控制。合理的硬件設(shè)計可以充分發(fā)揮系統(tǒng)功能，避免調(diào)試的困難，達到較高的控制精度。4.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計思想為將整個控制系統(tǒng)硬件部分說清楚，決定將硬件控制系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，此種分離方式就是為了理清思路說明問題，實際上整個系統(tǒng)是互相作用，互相配合，不可分離的。機械魚的硬件控制系統(tǒng)主要包括以下子系統(tǒng)：舵機驅(qū)動電路子系統(tǒng)：利用單片機內(nèi)部定時器中斷產(chǎn)生，具有特定控制意義的PWM波形來驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動。全局傳感器子系統(tǒng)：本系統(tǒng)的傳感器是一個全局攝像頭，既能定位魚本身位置又能定位障礙物的位置，將所有機器魚需要的外界數(shù)據(jù)采集到并分析出有效的控制策略。

JTAG下載線時鐘信號輸入復位信號輸入定時器*中央處*/計數(shù)

理單元器^看門狗定時器自定義*酎I/O端口f第一路啞產(chǎn)生

控制波形＞控制第一路—舵機一*■第二路JTAG下載線時鐘信號輸入復位信號輸入定時器*中央處*/計數(shù)

理單元器^看門狗定時器自定義*酎I/O端口f第一路啞產(chǎn)生

控制波形＞控制第一路—舵機一*■第二路PWM電源輸入院—?控制第二路—舵機一第三路PWM4控制第三路

—舵機一圖4-1硬件控制系統(tǒng)框圖4.2主控制芯片及控制系統(tǒng)機器魚下位機系統(tǒng)選用ATmega128L單片機作為主要控制芯片，ATmgeal28L是ATMEL公司推出的一款新型AVR單片機。具有先進的RISC架構(gòu)，采用低功耗CMOS技術(shù)，而且在軟件上支持C語言及匯編語言。芯片內(nèi)部集成了很多大容量的存儲器和豐富