基于舵機(jī)控制的仿生魚設(shè)計(jì)

盧亞平，宋天麟

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215325)

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(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(dòng)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(dòng)推進(jìn)理論[1]”的魚類游動(dòng)機(jī)理，該理論主要以魚的脊椎曲線為研究對(duì)象，魚體之所以能夠前進(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，f為擺動(dòng)頻率，工作質(zhì)對(duì)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(dòng)瞬間，魚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)：

通過動(dòng)量守恒推出魚類推進(jìn)公式：

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(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，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(duì)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(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(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(duì)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(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(dòng)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(cè)信號(hào)來控制魚的姿態(tài)，當(dāng)傳感器沒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(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來表示。

從上述舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機(jī)的控制信號(hào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)可變寬度的方波信號(hào)(PWM)。一般采用MCU作為控制器。目前采用單片機(jī)作為舵機(jī)控制器的方案比較多，現(xiàn)利用單片機(jī)提出另一種編程方法，利用T0T1定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)PWM。該方案將20 ms的周期信號(hào)分為兩次定時(shí)中斷來完成。

上述已知 1.5 ms為中心位置，0.5 ms為-90°位置，2.5 ms為+90°位置，并且在此定義一個(gè)脈沖周期為20 ms。定時(shí)器T1定時(shí)20 ms，時(shí)間一到波形取反，T0定時(shí)器起到了脈寬調(diào)節(jié)功能，如圖5所示。

根據(jù)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可知PWM波形的波動(dòng)范圍，最低是在 0.5 ms，最高是在 2.5 ms，同時(shí)存儲(chǔ)器最大為256 B，現(xiàn)定義最大的數(shù)字為250，則有公式(3)：

定時(shí)器 T1定時(shí) 20 ms，定時(shí)器 T0定時(shí) 0.01 ms，在存儲(chǔ)器R3單元中放入立即數(shù)50并與定時(shí)器T0中斷次數(shù)相比較，當(dāng)定時(shí)器T0定時(shí)發(fā)生50次后即與R3相等，產(chǎn)生脈寬為0.5 ms，即為最小脈寬；當(dāng)在R3單元中放入立即數(shù)250并與定時(shí)器T0中斷次數(shù)相比較，當(dāng)定時(shí)器T0定時(shí)發(fā)生250次后即與R3相等，產(chǎn)生脈寬為2.5 ms，即為最大脈寬。

由此可知對(duì)存儲(chǔ)器R3不斷進(jìn)行加1操作，方波的脈寬可以從0.5 ms變化到2.5 ms,然后對(duì)立即數(shù)進(jìn)行減操作，方波的脈寬會(huì)減至0.5 ms，再進(jìn)行不斷的循環(huán)，產(chǎn)生脈寬在0.5 ms～2.5 ms不斷變化的PWM信號(hào)。這樣就能控制舵機(jī)在-90°～90°之間變化。由此，給出3個(gè)不同的存儲(chǔ)器 R3、R4、R5來控制 3個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，讓 3個(gè)存儲(chǔ)器的數(shù)值模擬正弦變化，就能夠?qū)崿F(xiàn)本文的波動(dòng)推進(jìn)理論。

同時(shí)采用E18-D80NK漫反射式光電傳感器作為魚的左右眼睛，分別來判斷障礙。當(dāng)距離80 cm時(shí)就能檢測(cè)到障礙物，此時(shí)讓R3、R4轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，并且尾部舵機(jī)R5往復(fù)擺動(dòng)，就能實(shí)現(xiàn)仿生魚的轉(zhuǎn)向。因此舵機(jī)在PWM控制下，由脈沖寬度的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，并可根據(jù)仿生魚的不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，來調(diào)用不同的子程序。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4仿生魚總調(diào)試和總結(jié)

在完成仿生魚裝配的基礎(chǔ)上對(duì)仿生魚運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)試。將魚體、控制電路板、供電電源整合在一起，并且在其表面裹上防水膠布，保證與水隔離。通過示波器觀察波形，調(diào)試過程中首先做到仿生魚運(yùn)動(dòng)軌跡基本符合要求，接下來進(jìn)行微調(diào)。由于各個(gè)舵機(jī)絕對(duì)位置都有偏差，并且軟件定時(shí)不夠準(zhǔn)確，因此就要根據(jù)實(shí)際情況更改脈沖值，直至仿生魚運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確。

下水實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的第一點(diǎn)是靜態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)。由于魚體各個(gè)部位選用的材料不同，并受裝配電路板、舵機(jī)、電池等元件的影響，魚體的重心不易確定，因此把魚體放入水中，觀察后在適當(dāng)部位進(jìn)行配重，直至魚體靜止時(shí)在水中保持平衡。第二點(diǎn)就是動(dòng)態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)，即魚體在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)平衡首先受靜態(tài)平衡的影響，因此在保證靜態(tài)平衡的條件下盡量滿足動(dòng)態(tài)平衡。另一調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)平衡就是通過程序控制，包括魚體運(yùn)動(dòng)的頻率、幅度。實(shí)物效果圖如圖7所示。

通過反復(fù)進(jìn)行調(diào)整裝配與調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了仿生魚在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但目前還沒有解決仿生魚在游動(dòng)過程中的加減速的問題，實(shí)際上根據(jù)魚類推進(jìn)公式已經(jīng)制定出了加減速方案。本項(xiàng)目是大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，也是教師科研項(xiàng)目，該項(xiàng)目根據(jù)魚類的游動(dòng)姿態(tài)，利用機(jī)電控制等對(duì)水下載體和作業(yè)裝備提供了新的設(shè)計(jì)思路。

[1]梁建宏，王田苗，魏洪興.水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展I—魚類推進(jìn)機(jī)理[J].機(jī)器人 ROBOT，2002，24(2)：107-111.

[2]梁建宏，王田苗，魏宏興.仿生機(jī)器魚技術(shù)研究進(jìn)展及關(guān)鍵問題探討[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003(3)：14-19.

[3]宋天麟，黃烈?guī)r.仿生機(jī)器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2005，34(5)：82-83,87.

[4]駱涵秀，李世倫，朱捷.機(jī)電控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1994：31-63.