基于舵機(jī)控制的仿生魚(yú)設(shè)計(jì)

仿生機(jī)器魚(yú)的提出有著深刻的意義，它具有效率高、機(jī)動(dòng)性好、噪音低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。仿生機(jī)器魚(yú)可以作為一個(gè)載體，根據(jù)需要裝配相應(yīng)的硬件，可在水面環(huán)境檢測(cè)、復(fù)雜環(huán)境中的水中作業(yè)、海底生物觀測(cè)、軍事偵察等方面發(fā)揮重大作用。當(dāng)然，作為一個(gè)載體，必須完成基本的運(yùn)動(dòng)，那就是能夠自動(dòng)避障。
1 魚(yú)類推進(jìn)理論
魚(yú)類行為學(xué)者的研究表明，大多數(shù)魚(yú)類把身體當(dāng)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)類游動(dòng)機(jī)理，該理論主要以魚(yú)的脊椎曲線為研究對(duì)象，魚(yú)體之所以能夠前進(jìn)，是因?yàn)榧棺登€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(shè)脊椎曲線包絡(luò)的工作質(zhì)質(zhì)量為M1，軀體對(duì)地速度為VB，λ是波長(zhǎng)，f為擺動(dòng)頻率，工作質(zhì)對(duì)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(jì),因此根據(jù)動(dòng)量守恒定理有公式(1)、(2)：

Y是一個(gè)小于1的系數(shù)，它表征了魚(yú)類的幾何特征、體重對(duì)速度的影響,稱之為動(dòng)力特征系數(shù)，波動(dòng)推進(jìn)假設(shè)是建立在對(duì)脊椎曲線包絡(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(nèi)，尾部產(chǎn)生一對(duì)旋向相反的漩渦，推動(dòng)魚(yú)前進(jìn)。由此根據(jù)波動(dòng)推進(jìn)理論，利用舵機(jī)設(shè)計(jì)一種三關(guān)節(jié)仿生魚(yú)，以實(shí)現(xiàn)仿生魚(yú)的前進(jìn)和自由轉(zhuǎn)向。
2 仿生魚(yú)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前一般用于機(jī)器魚(yú)外形設(shè)計(jì)的仿生對(duì)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(jī)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(yùn)動(dòng)模式，因而成為仿生魚(yú)模仿的典范。這些魚(yú)類的外形呈現(xiàn)為流線形,不僅從魚(yú)頭到魚(yú)尾的水流運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，而且水動(dòng)力學(xué)阻力也很小，顯示出這類外形具有良好的水動(dòng)學(xué)性能。因而，這類流線形魚(yú)體成為機(jī)器魚(yú)外形設(shè)計(jì)的最佳選擇[2]。
設(shè)計(jì)的仿生魚(yú)的外形也是設(shè)計(jì)成流線形的魚(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(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服舵機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)本段和前段的相對(duì)轉(zhuǎn)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(tái)上加工弧線部分，在電腦上用UG軟件畫(huà)出魚(yú)頭的弧線圖形，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(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(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)軸所受的彎矩，使摩擦減小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活[3]。
尾鰭設(shè)計(jì)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(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(yú)軟件設(shè)計(jì)
為了滿足設(shè)計(jì)要求，采用3個(gè)舵機(jī)設(shè)計(jì)了魚(yú)的三種姿態(tài)：前進(jìn)、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎。用傳感器的檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制魚(yú)的姿態(tài)，當(dāng)傳感器沒(méi)有接收到障礙物的信號(hào)時(shí)，3個(gè)動(dòng)力元件（舵機(jī)）分別以不同的角度來(lái)回?cái)[動(dòng)，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(dòng)角度最大，其他逐漸減小。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，尾部舵機(jī)來(lái)回?cái)[動(dòng)，其他兩個(gè)舵機(jī)在一個(gè)方向擺動(dòng)一定角度后保持不變，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。無(wú)線發(fā)送接收模塊用來(lái)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。控制線的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，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(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖4來(lái)表示。