仿生机器鱼
作者：林广硕
来源：《发明与创新·中学生》2018年第02期
很多人都喜欢养金鱼，金鱼浮游水中，翩翩起舞，尤其是那一摇一摆的大尾巴好似一把展开的扇子，非常优美。
通过观察金鱼的游动，我提出了一种仿生机器鱼的设计构想。
一、工作原理
金鱼的身体分为头部、躯干、尾部，鱼尾摆动时会形成向后的推力，利用作用力与反作用力原理，水也产生对鱼向前游动的力。
如图1所示，向左摆动鱼尾，鱼向左转，向右摆动鱼尾，鱼向右转，向左、向右快速摆动鱼尾，鱼就会向前游动，因此鱼尾的摆动是鱼游动的关键。
鱼的身体是流线型，在水中所受的阻力小，所以鱼游动的速度很快。
二、机器鱼的设计构想
机器鱼依靠尾部的摆动获得前进的动力，通过连杆机构将马达旋转运动转换为尾部的摆动，如图2所示。
马达带动曲柄旋转，通过连杆带动摇杆摆动，摇杆的摆动转化为尾部的摆动，尾部的摆动可以使鱼获得前进的动力。
机器鱼结构如图3所示，为把四连杆机构固定在鱼体内，我在鱼体内安装了支架，将马达固定在支架上，曲柄设计成圆盘状用于支撑连杆与摇杆，通过马达的旋转使鱼尾左右摆动，这样机器鱼就可以在水里游动了。
EXCHANGE OF EXPERIENCE 经验交流摘要：目前，海洋、河流的污染状况日趋恶化，海洋、河流中污染物的情况随着时间的推移而变得更加严重。
论文设计一种仿生机器鱼，模仿鱼的游动，并搭建复杂自动控制系统，实现仿生机器鱼的自主游动、遥控游动和水体监测等功能。
本仿生机器鱼可以在水中长时间工作，提高工作效率，降低风险，而且可以监测水体质量。
关键词：仿生鱼；水下机器人；模块化；多传感器一、系统总体设计本作品设计一种仿生机器鱼，模仿鱼的游动，并搭建复杂控制系统等，实现机器鱼的自主游动、遥控游动和水体监测等功能。
控制方式上，仿生鱼上安装红外光电开关等传感器，搭载32通道舵机控制器，蓝牙信号控制舵机，可实现仿生鱼在水中的受控游动，根据视频传输实时画面来控制，以适应复杂的使用环境，加强其可靠性程度。
机体中部设置主控板及电源，背部设置充电接口，尾部设置三枚舵机来实现机体的驱动动力来源，机体两侧的鱼鳍控制机体的上浮下沉，背部鱼鳍由舵机控制机体的运动趋势方向，头部及腹部配置多功能模块搭载平台，以根据不同需求搭载不同模块。
本仿生鱼上承载无线数据传输装置等，可实现图像拍摄、采集，将收集到的数据信号传输到中央处理设备并做出避障等动作，以及检测水体质量等功能。
二、硬件系统（一）测距模块机器仿生鱼头部壳载有模块化云台，搭载测距模块[1]，测距模块主要包括：电源电路、超声波发射单元、超声波接收单元、声音报警单元、单片机最小系统等。
（二）蓝牙控制模块蓝牙控制模块包括（如图1所示）：电源电路、继电器、单片机最小系统等。
蓝牙模块搜索蓝牙地址并连接，单片机最小系统接收到信号后控制主机的舵机控制板，控制板调取相应的指令库文件，执行相应的动作组，从而控制机身的运动。
（三）遥控单元遥控单元由控制电路、操纵器、无线数字传输单元和遥控接收机组成[2]。
操纵器采取按键识别，将每个按键对应的遥控指令转换成编码信号，并通过单片机的串口发出。
无线数字传输单元主要完成指令编码信号的调频和高频功率放大，然后由发射天线对编码信号进行发送。
仿生机器鱼运动控制算法设计及性能评估随着科技的不断发展，仿生机器鱼作为一种模拟真实鱼类行为的智能机器人得到了广泛的关注与研究。
仿生机器鱼具备了真实鱼类的机械结构和运动特征，能够在水中自由地游动、转向和操纵，具备了一定的灵活性和适应性。
在这篇文章中，我将着重探讨仿生机器鱼运动控制算法的设计和性能评估。
首先，我们需要考虑的是仿生机器鱼的运动控制算法的设计。
仿生机器鱼的运动控制算法需要模拟真实鱼类的运动方式，并具备自主的决策能力，以实现在水中灵活自如的运动。
为了实现这一目标，可以考虑以下几个关键因素：1. 运动模式选择：仿生机器鱼可以采用鱼类行为学中已有的运动模式，如直线游动、转向、盘旋等。
选择合适的运动模式可以使机器鱼更加适应不同的环境和任务需求。
2. 运动轨迹规划：仿生机器鱼需要通过计算和规划来确定运动轨迹，以实现预设的任务目标。
可以采用轨迹规划算法来生成运动轨迹，如最优路径规划、遗传算法等。
3. 运动控制策略：仿生机器鱼需要根据环境信息和任务目标来选择合适的运动控制策略，以实现良好的运动性能。
可以采用自适应控制、反馈控制等方法来实现运动控制策略。
4. 感知与感知处理：仿生机器鱼需要通过传感器来感知环境信息，并通过感知处理技术来提取和处理有效的信息。
可以采用视觉传感器、压力传感器等来感知水中的障碍物、水流等信息。
5. 控制器设计：仿生机器鱼的控制器设计需要考虑到运动特性、动力学模型和控制算法的综合因素。
可以采用模糊控制、神经网络控制等方法来设计控制器，以实现精确的运动控制。
在设计完成仿生机器鱼的运动控制算法之后，我们需要对其性能进行评估。
性能评估是评估算法的有效性和可行性的过程，可以通过以下几个方面进行评估：1. 运动准确性：评估仿生机器鱼的运动控制算法在执行各种任务时的准确性。
可以通过比较仿真结果和实际测试结果来评估运动的准确性。
2. 运动稳定性：评估仿生机器鱼在不同环境下的运动稳定性。
可以通过检测机器鱼的姿态、速度等参数来评估运动的稳定性。
仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能胸鳍结构设计与实验李 博 1, 余应明 1, 曹永辉 1,2, 郝艺伟 2, 潘 光 1,2, 曹 勇 1,2*(1. 西北工业大学宁波研究院 无人航行技术研究中心, 浙江 宁波, 315048; 2. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)摘 要: 现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点, 特别是前向游动稳定性, 但倒游性能研究不足, 因此文中针对性地讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能。
分别设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构, 通过对比实验测试验证了分体胸鳍结构较完整胸鳍结构倒游推力的优越性, 通过推力和电流的比值进一步分析能耗转化效率。
实验研究了前游和倒游推力与幅值和频率变化之间的关系, 并且通过采集的电流数据, 整理出2种胸鳍结构在前游和倒游工况下的推力等效效率与幅值和频率变化关系曲线; 分析了2种胸鳍结构产生推力及推力等效效率的原因。
实验结果表明: 前游工况下, 2种胸鳍推力值接近, 倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力增加明显, 最大可达0.22 N; 前游工况下, 分体胸鳍结构推力等效效率较完整胸鳍稍差, 倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力等效效率有显著提升。
文中对分体胸鳍结构的设计为探究基于摆旋机构推进机器鱼倒游性能提供了参考。
关键词: 仿牛鼻鲼; 机器鱼; 胸鳍设计; 倒游性能中图分类号: U674.94; TJ630 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)01-0032-08DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157Pectoral Fin Structural Design and Experiments on Robotic Cow-Nosed Ray with Backward Swimming PerformanceLI Bo1, YU Yingming1, CAO Yonghui1,2, HAO Yiwei2, PAN Guang1,2, CAO Yong1,2*(1. Unmanned Vehicle Innovation Center, Ningbo Institute of Northwestern Polytechnical University, Ningbo 315048, China;2. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: Robotic fish with pectoral fin swing have many outstanding features, especially forward swimming stability, but the research on their backward swimming performance is insufficient. Therefore, this article specifically discussed the hydrodynamic performance of the robotic cow-nosed ray with backward swimming in pectoral fin swing propulsion mode. Complete pectoral fin and split pectoral fin were designed, and the superiority of split pectoral fin structure over complete pectoral fin structure in terms of backward thrust was verified through experimental testing. The energy conversion efficiency was analyzed through the ratio of thrust to current. According to the collected current data, the equivalent thrust efficiency and amplitude and frequency variation curves of the two pectoral fin structures under forward and backward swimming conditions were drawn. The reasons for the thrust generation and equivalent thrust efficiency of two types of pectoral fin structures were analyzed. The experimental results show that under the forward swimming condition, the two types of pectoral fins have similar thrust values. Under the backward swimming condition, with the increase in amplitude and frequency, the thrust of the split pectoral fin structure increases significantly, reaching a maximum of 0.22 N. Under the forward swimming condition, the split pectoral fin structure is slightly worse than that of a complete pectoral fin. Under the backward swimming condition, with收稿日期: 2023-12-06; 修回日期: 2024-01-04.作者简介: 李 博(1987-), 男, 硕士, 中级工程师, 主要从事仿生潜航器总体设计与研究.* 通信作者简介: 曹 勇(1986-), 男, 博士, 副研究员, 主要从事仿生水下机器人结构设计与智能控制研究.第 32 卷第 1 期水下无人系统学报Vol.32 N o.1 2024 年 2 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Feb. 2024[引用格式] 李博, 余应明, 曹永辉, 等. 仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能胸鳍结构设计与实验[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 32-39.the increase in amplitude and frequency, the equivalent thrust efficiency of the split pectoral fin structure is significantly improved. The design of the split pectoral fin structure in the article provides a reference for exploring the backward swimming performance of robotic fish based on the swing mechanism.Keywords: cow-nosed ray; robotic fish; pectoral fin design; backward swimming performance0 引言随着海洋探索和开发需求的增加, 自20世纪90年代, 仿生机器鱼已逐渐成为各高校及科研院所热点研究领域之一。
