基于舵機(jī)控制的仿生魚設(shè)計(jì)

仿生機(jī)器魚的提出有著深刻的意義，它具有效率高、機(jī)動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小等優(yōu)點(diǎn)。仿生機(jī)器魚可以作為一個(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、復(fù)雜環(huán)境中的水中作業(yè)、海底生物觀測、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，那就是能夠自動避障。
1 魚類推進(jìn)理論
魚類行為學(xué)者的研究表明，大多數(shù)魚類把身體當(dāng)作推進(jìn)器，身體左右擺動擊水，利用其產(chǎn)生的反作用力使魚體向前推進(jìn)，基于這種推進(jìn)原理，學(xué)者們提出了所謂的“波動推進(jìn)理論[1]”的魚類游動機(jī)理，該理論主要以魚的脊椎曲線為研究對象，魚體之所以能夠前進(jìn)，是因?yàn)榧棺登€帶動它所包絡(luò)的流體向后噴出，產(chǎn)生推力使魚向前，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，軀體對地速度為VB，λ是波長，f為擺動頻率，工作質(zhì)對地速度為VW，由于魚體在水中的阻力與速度呈遞增關(guān)系，故在啟動瞬間，魚體受到的阻力可以忽略不計(jì),因此根據(jù)動量守恒定理有公式(1)、(2)：

Y是一個(gè)小于1的系數(shù)，它表征了魚類的幾何特征、體重對速度的影響,稱之為動力特征系數(shù)，波動推進(jìn)假設(shè)是建立在對脊椎曲線包絡(luò)的水的質(zhì)量積分和動量定理之上。魚游動時(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頻率一致，在一個(gè)周期內(nèi)，尾部產(chǎn)生一對旋向相反的漩渦，推動魚前進(jìn)。由此根據(jù)波動推進(jìn)理論，利用舵機(jī)設(shè)計(jì)一種三關(guān)節(jié)仿生魚，以實(shí)現(xiàn)仿生魚的前進(jìn)和自由轉(zhuǎn)向。
2 仿生魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前一般用于機(jī)器魚外形設(shè)計(jì)的仿生對象有金槍魚、梭子魚、鯉魚、鰻魚。這幾種魚或者具有極高的游動速度，或者具有優(yōu)異的機(jī)動性能，或者具有絕佳的游動效率，它們都符合“波動推進(jìn)理論”的運(yùn)動模式，因而成為仿生魚模仿的典范。這些魚類的外形呈現(xiàn)為流線形,不僅從魚頭到魚尾的水流運(yùn)動平穩(wěn)，而且水動力學(xué)阻力也很小，顯示出這類外形具有良好的水動學(xué)性能。因而，這類流線形魚體成為機(jī)器魚外形設(shè)計(jì)的最佳選擇[2]。
設(shè)計(jì)的仿生魚的外形也是設(shè)計(jì)成流線形的魚體。它由魚頭、魚體、魚尾鰭三部分組成，魚體部分共有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)本段和前段的相對轉(zhuǎn)角位移。
魚頭采用直徑為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上加工弧線部分，在電腦上用UG軟件畫出魚頭的弧線圖形，并在兩邊掏孔，安裝傳感器，做為魚的眼睛。
魚體由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)動靈活[3]。
尾鰭設(shè)計(jì)是用鉛筆在塑料板上畫出所需要的魚尾形狀，再經(jīng)過拋光等工藝完成尾鰭部分的加工。通過數(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)了魚的三種姿態(tài)：前進(jìn)、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎。用傳感器的檢測信號來控制魚的姿態(tài)，當(dāng)傳感器沒有接收到障礙物的信號時(shí)，3個(gè)動力元件（舵機(jī)）分別以不同的角度來回?cái)[動，以實(shí)現(xiàn)完美的前進(jìn)方式。一般靠近尾部舵機(jī)的擺動角度最大，其他逐漸減小。當(dāng)檢測到信號時(shí)，尾部舵機(jī)來回?cái)[動，其他兩個(gè)舵機(jī)在一個(gè)方向擺動一定角度后保持不變，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。無線發(fā)送接收模塊用來下達(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，方波脈沖信號的周期為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)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖4來表示。