盧亞平，宋天麟，章月婷
（蘇州大學 應(yīng)用技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215325）
摘要：設(shè)計了微舵機控制的仿生魚，結(jié)合魚胸鰭和魚尾鰭的配合動作，完成一系列的游弋動作。其中根據(jù)魚類“波動推進理論”的游動機理，實現(xiàn)仿生魚的前進、轉(zhuǎn)彎運動；根據(jù)魚類“胸鰭法理論”實現(xiàn)上浮、下潛運動；提出加減速游動方案，通過修改X值的方法，實現(xiàn)仿生魚的加減速游。組裝并進行水上模擬實驗和水下實際實驗，調(diào)試仿生魚的各動作協(xié)調(diào)性，分析仿生魚在水中的靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡問題。
關(guān)鍵詞：微舵機；仿生魚；波動推進理論；胸鰭法
中圖分類號：TH113文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.023
引用格式：盧亞平，宋天麟，章月婷. 基于微舵機控制的仿生魚設(shè)計與實驗分析［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（1）：76-78，82.
0引言
隨著仿生魚技術(shù)發(fā)展的成熟和社會關(guān)注度的提高，仿生魚逐漸成為機器人研究的重點，目前科學家們研制出了許多高效率、高機動性和高娛樂性的水下仿生魚，吸引著越來越多的研究者的興趣。如：2002年日本成功利用高分子材料(人造肌肉)研制了一種仿生魚，這種仿生魚全長6.7 cm;2003年日本三菱重工業(yè)公司推出的金色鯉魚外形機器魚在東京展出供人觀賞，這種機器魚外形與真魚一樣，完全可以迷惑人們的眼睛。
目前，國內(nèi)外設(shè)計的仿生魚主要由直流電機或步進電機通過一定的傳動機構(gòu)實現(xiàn)魚尾部的相關(guān)運動，或利用人造肌肉或電磁線圈的方法來實現(xiàn)仿生魚尾部的運動。很少使用微型舵機的方法驅(qū)動魚尾部的運動，實現(xiàn)仿生魚的水中游弋，更沒有使用微型舵機直接連接胸鰭，通過胸鰭舵機的擺動實現(xiàn)仿生魚的上浮下潛。同時國內(nèi)外設(shè)計的仿生魚并沒有充分利用仿生魚的胸鰭和尾鰭的協(xié)調(diào)運動來實現(xiàn)仿生魚的水中游弋，也沒有豐富魚類急游、慢游、轉(zhuǎn)彎、下潛上浮的游姿［12］。
1仿生魚機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文通過研究分析不同魚類的推進方法和游動姿態(tài)，設(shè)計了一條基于微舵機控制的仿生魚。仿生魚的機械結(jié)構(gòu)由魚頭、魚身、魚尾和一對胸稽組成。魚頭安放控制模塊（仿生魚的大腦），魚身部分安放電池（仿生魚的動力源）。通過4個微舵機連接形成多自由度的機構(gòu)，其中2個微舵機置于仿生魚的尾部,通過舵機的擺動來實現(xiàn)急游、慢游，另2個舵機置于仿生魚的鰓部和胸鰭，通過舵機的擺動來實現(xiàn)下潛、上浮。通過不同的游泳姿態(tài)組合，達到豐富人們視覺的效果［3］。設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2仿生魚控制設(shè)計
仿生魚右、左轉(zhuǎn)彎動作控制方法：必須使得尾部產(chǎn)生一個單方向的轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩的作用下實現(xiàn)魚體轉(zhuǎn)角。通過編程控制兩尾部舵機，魚尾前舵機偏置一定角度并保持，同時魚尾后舵機以45°快速往復擺動。即,通過魚尾前舵機的轉(zhuǎn)向，再配合魚尾后舵機45°角的擺動產(chǎn)生推力實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。
仿生魚加速、減速控制方法：通過MCU編程設(shè)置定時器中斷(T0/T1)來控制兩尾部舵機PWM波形占空比的變化速度，實現(xiàn)控制舵機往復擺動的頻率，即改變舵機轉(zhuǎn)動一定角度所需時間。時間短，魚尾部來回擺動完成角度的速度加快，就會產(chǎn)生較大的前進推力，使得仿生魚能以較快的速度前行；時間長，魚尾部來回擺動完成角度的速度變慢，產(chǎn)生較小的前進推力，使得仿生魚前進速度較慢［4］。
舵機的PWM波是一個周期為20 ms，且其脈寬在0.5 ms~2.5 ms之間變化的方波。T1定時中斷設(shè)定為20 ms，T0定時中斷設(shè)定為0.01 ms，根據(jù)脈沖變化范圍（0.5~2.5 ms），此時可確定T0的定時中斷次數(shù)范圍為50~250。以50為起點，X為步長，從0.5 ms變化到2.5 ms的速度取決于X的大小，理論上當X=1時舵機要經(jīng)過200次的20 ms脈沖周期才能從-90°擺動到90°，變化速度最慢。當X=10時舵機要經(jīng)過20次的20 ms脈沖周期才能從-90°擺動到90°，速度較快。由此為仿生魚的加減速游提供了很好的編程思路，X的大小決定了舵機的擺動速度［5］。舵機擺動速度與X的關(guān)系如圖2所示。
仿生魚上浮、下潛控制方法：仿生魚的前部安裝一對具有轉(zhuǎn)動自由的胸鰭，在游動過程中，通過改變胸鰭的姿態(tài)，利用水流對胸鰭產(chǎn)生的升力或壓力實現(xiàn)上浮下潛。當控制系統(tǒng)驅(qū)動兩臺胸鰭舵機轉(zhuǎn)動時，若帶動胸鰭的姿態(tài)傾斜向下，同時，兩尾部舵機加速擺動，提升游速，會使兩端胸鰭產(chǎn)生向下壓力，仿生魚下潛；當兩臺胸鰭舵機轉(zhuǎn)動使胸鰭姿態(tài)傾斜向上，同時，兩尾部舵機加速擺動，提升游速，會使兩端胸鰭產(chǎn)生向上升力，仿生魚則上??；當胸鰭保持水平且仿生魚游速較低時，不產(chǎn)生升力或升力較小，仿生魚水平運動［6］。如圖3所示。
3水上模擬實驗
水上模擬調(diào)試的首要任務(wù)是調(diào)整仿生魚運動軌跡，使其符合波動推進理論的基本要求。在開始調(diào)試時，需先校準各舵機角度的初始位置（0°），通過編程調(diào)試各舵機的擺動，觀察舵機擺動的相對位置關(guān)系，及時更改舵機角度或有缺陷的程序指令，確定各舵機位置與前一位置間的角度變化量，完成一個周期內(nèi)每個關(guān)節(jié)的擺動姿態(tài)，使仿生魚能夠完成規(guī)定的運動軌跡。魚體運動波形如圖4所示，分別給出了調(diào)試并修正后左右擺動的輪廓圖?？梢钥闯鲷~體運動軌跡遵循擺幅逐漸放大的正弦行波規(guī)律［7］。
在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)仿生魚體的運動頻率決定了魚體擺動的速度，即單位時間內(nèi)魚體來回擺動的次數(shù)。擺動的次數(shù)越多，游速也越快。當舵機的供電電壓為固定值6 V時，通過改變X值的大小可實現(xiàn)仿生魚擺動頻率的調(diào)節(jié)。仿生魚的快慢速擺動頻率測試結(jié)果如圖5所示，慢速游動時的擺動頻率為0.8 Hz，快速游動時的擺動頻率為1.6 Hz，而魚類游弋時擺動頻率一般為0.5~2.5 Hz，仿生魚擺動頻率符合魚類的游動要求?？梢娡ㄟ^編程便能實現(xiàn)對仿生魚的多級調(diào)速。當然在慢速游和快速游狀態(tài)中都各需要一個合適的X值，必要時還可通過同時改變魚尾擺動幅度和X值，以達到仿生魚的加減速游動［8］。
此設(shè)計方案中，魚體的幾何特征、重心等對速度均有影響，它們影響仿生魚在游動時的剛性問題。魚體的幾何特征涉及魚尾的關(guān)節(jié)數(shù)、尾部長度占總長度的比例，而重心的布局致關(guān)重要。通過各參數(shù)的調(diào)整能夠更好地完善波動推進理論［9］。
4水下實際實驗
仿生魚下水前先在魚身的底部加裝配重，在配重的垂直重力影響下使仿生魚在水中保持平衡，魚體不側(cè)翻。水下實際調(diào)試過程用相機拍攝視頻，通過截拍得到大量仿生魚水下運動圖像。仿生魚水面游弋實拍圖如圖6所示，通過這些圖像進行仿生魚水下運動的特征分析。在調(diào)試過程中得到大量漩渦形成和演變的連續(xù)圖像，尾鰭拍動產(chǎn)生了一系列漩渦序列，漩渦是在尾鰭前緣卷起生成的，并在每次反向拍動時脫落，一個周期形成一對旋向相反的漩渦。并且發(fā)現(xiàn)魚尾鰭在波動推進時主要是漩渦在起作用，在尾鰭的拍動中，水面卷起很強的錐形渦，并穩(wěn)定地附著在尾鰭表面，形成很大的推進力。
調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，仿生魚的航向穩(wěn)定性與魚尾的擺動頻率有關(guān)，即仿生魚的剛性問題受到推進速度的影響。在調(diào)試過程中，用相機進行記錄，顯示出在仿生魚尾部不同的擺動頻率下，魚頭的擺動幅度受到影響，擺動頻率越大，仿生魚的航向跟隨性就越差，推進效率也越差。在不同頻率下魚頭擺動曲線各不一樣。魚頭的橫向晃動幅度，即魚的剛性問題。當魚體擺動頻率較低時（0.8 Hz），魚頭擺動曲線變化平緩，此時剛性最好。當魚體擺動頻率較高時（1.6 Hz），魚頭擺動曲線出現(xiàn)比較劇烈的超調(diào)，此時剛性最差?？梢姺律~在低速游動時，擺動頻率低，魚頭剛性好，推進效率高;而在高速游動時，擺動頻率高，魚頭剛性差，推進效率受到很大影響。
本文對高速運動時剛性差的問題提出解決方案，通過減小魚尾在高速時的擺動幅度來彌補剛性差的缺陷。實驗測試證明，高速運動時減小魚尾擺動幅度和修改合適的X值，能得到較好的仿生魚剛性。
通過相機拍攝，同樣得到大量仿生魚的下潛動作圖，如圖7所示。下潛前胸鰭上翹，尾鰭加速擺動，水面激起漩渦，頭部開始下潛，當尾部也完全淹沒在水里后，水面漩渦消失。下潛完成后，仿生魚在水底進行波動推進，從測試結(jié)果來看，水底的波動推進效果更佳，主要原因是尾部完全沉浸在水里后，動能量損失最小，魚體受到的阻力也最小，仿生魚推進效果更完美。
仿生魚上浮動作過程與下潛動作一致。測試得到仿生魚在上浮過程中也有較好的實驗效果，依靠作用在胸鰭上的浮力，以及尾鰭的推動完成上浮測試，由于仿生魚在水底具有較高的推動效率，尾部擺出的旋渦反作用力能夠充分作用在尾鰭上，因此上浮比下潛更容易實現(xiàn)［10］。
5結(jié)論
通過仿生魚機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的設(shè)計，以及水上和水下兩階段的測試，實現(xiàn)仿生魚在水中轉(zhuǎn)彎、上浮下潛、加減速的游弋姿態(tài)。各姿態(tài)受到4個微舵機的協(xié)調(diào)控制，而各舵機的協(xié)調(diào)性受到X值的影響。通過修改X值可改變矩形波占空比的變化速度,提升魚尾部的推動力，改善仿生魚上浮下潛的效率。但是X值又影響著仿生魚的航向穩(wěn)定性。由此在不同的游弋姿態(tài)中給出一個合適的X值，對仿生魚的仿生運動至關(guān)重要。
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