基于舵機控制的仿生魚(yú)設計

仿生機器魚(yú)的提出有著(zhù)深刻的意義，它具有效率高、機動(dòng)性好、噪音低、對環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。仿生機器魚(yú)可以作為一個(gè)載體，根據需要裝配相應的硬件，可在水面環(huán)境檢測、復雜環(huán)境中的水中作業(yè)、海底生物觀(guān)測、軍事偵察等方面發(fā)揮重大作用。當然，作為一個(gè)載體，必須完成基本的運動(dòng)，那就是能夠自動(dòng)避障。
1 魚(yú)類(lèi)推進(jìn)理論
魚(yú)類(lèi)行為學(xué)者的研究表明，大多數魚(yú)類(lèi)把身體當作推進(jìn)器，身體左右擺動(dòng)擊水，利用其產(chǎn)生的反作用力使魚(yú)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(dòng)推進(jìn)理論[1]”的魚(yú)類(lèi)游動(dòng)機理，該理論主要以魚(yú)的脊椎曲線(xiàn)為研究對象，魚(yú)體之所以能夠前進(jìn)，是因為脊椎曲線(xiàn)帶動(dòng)它所包絡(luò )的流體向后噴出，產(chǎn)生推力使魚(yú)向前，其游姿可以近似為正弦波，如圖1所示。

設脊椎曲線(xiàn)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(cháng)，f為擺動(dòng)頻率，工作質(zhì)對地速度為VW，由于魚(yú)體在水中的阻力與速度呈遞增關(guān)系，故在啟動(dòng)瞬間，魚(yú)體受到的阻力可以忽略不計,因此根據動(dòng)量守恒定理有公式(1)、(2)：

Y是一個(gè)小于1的系數，它表征了魚(yú)類(lèi)的幾何特征、體重對速度的影響,稱(chēng)之為動(dòng)力特征系數，波動(dòng)推進(jìn)假設是建立在對脊椎曲線(xiàn)包絡(luò )的水的質(zhì)量積分和動(dòng)量定理之上。魚(yú)游動(dòng)時(shí)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(dòng)頻率一致，在一個(gè)周期內，尾部產(chǎn)生一對旋向相反的漩渦，推動(dòng)魚(yú)前進(jìn)。由此根據波動(dòng)推進(jìn)理論，利用舵機設計一種三關(guān)節仿生魚(yú)，以實(shí)現仿生魚(yú)的前進(jìn)和自由轉向。
2 仿生魚(yú)結構設計
目前一般用于機器魚(yú)外形設計的仿生對象有金槍魚(yú)、梭子魚(yú)、鯉魚(yú)、鰻魚(yú)。這幾種魚(yú)或者具有極高的游動(dòng)速度，或者具有優(yōu)異的機動(dòng)性能，或者具有絕佳的游動(dòng)效率，它們都符合“波動(dòng)推進(jìn)理論”的運動(dòng)模式，因而成為仿生魚(yú)模仿的典范。這些魚(yú)類(lèi)的外形呈現為流線(xiàn)形,不僅從魚(yú)頭到魚(yú)尾的水流運動(dòng)平穩，而且水動(dòng)力學(xué)阻力也很小，顯示出這類(lèi)外形具有良好的水動(dòng)學(xué)性能。因而，這類(lèi)流線(xiàn)形魚(yú)體成為機器魚(yú)外形設計的最佳選擇[2]。
設計的仿生魚(yú)的外形也是設計成流線(xiàn)形的魚(yú)體。它由魚(yú)頭、魚(yú)體、魚(yú)尾鰭三部分組成，魚(yú)體部分共有3個(gè)關(guān)節，每一個(gè)關(guān)節由一個(gè)伺服舵機控制，可以實(shí)現本段和前段的相對轉角位移。
魚(yú)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(dòng)在水里，在普通車(chē)床上鉆了直徑為55 mm、孔深為100 mm的內孔，中心掏空以減輕重量。然后在加工中心平臺上加工弧線(xiàn)部分，在電腦上用UG軟件畫(huà)出魚(yú)頭的弧線(xiàn)圖形，并在兩邊掏孔，安裝傳感器，做為魚(yú)的眼睛。
魚(yú)體由3個(gè)舵機組成，舵機之間的連接采用L型架和U型架鋁材，它的質(zhì)地較輕，強度較高。L型架與U型架之間使用軸承連接，有利于減小各個(gè)舵機轉軸所受的彎矩，使摩擦減小，轉動(dòng)靈活[3]。
尾鰭設計是用鉛筆在塑料板上畫(huà)出所需要的魚(yú)尾形狀，再經(jīng)過(guò)拋光等工藝完成尾鰭部分的加工。通過(guò)數控機床加工出舵機與尾鰭的連接部分。整體效果如圖2所示。

3 仿生魚(yú)軟件設計
為了滿(mǎn)足設計要求，采用3個(gè)舵機設計了魚(yú)的三種姿態(tài)：前進(jìn)、右轉彎、左轉彎。用傳感器的檢測信號來(lái)控制魚(yú)的姿態(tài)，當傳感器沒(méi)有接收到障礙物的信號時(shí)，3個(gè)動(dòng)力元件（舵機）分別以不同的角度來(lái)回擺動(dòng)，以實(shí)現完美的前進(jìn)方式。一般靠近尾部舵機的擺動(dòng)角度最大，其他逐漸減小。當檢測到信號時(shí)，尾部舵機來(lái)回擺動(dòng)，其他兩個(gè)舵機在一個(gè)方向擺動(dòng)一定角度后保持不變，以實(shí)現轉彎。無(wú)線(xiàn)發(fā)送接收模塊用來(lái)下達指令。整體電路圖如圖3所示。

標準的舵機有3條導線(xiàn)：電源線(xiàn)、地線(xiàn)和控制線(xiàn)， 電源線(xiàn)和地線(xiàn)用于提供舵機內部的直流電機和控制線(xiàn)路所需的能源，一般取5 V?？刂凭€(xiàn)的輸入是一個(gè)寬度可調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)。當方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機轉軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖4來(lái)表示。