仿生機(jī)器魚的水下探測和避障控制

王 坤， 馮靜安， 王衛(wèi)兵

（石河子大學(xué) 機(jī)械電器工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

隨著科技的進(jìn)步，人們越來越關(guān)注水下世界，特別是在能源和軍事方面。由于人類身體自身?xiàng)l件的限制很難完成一些特定任務(wù)，但是魚類可以很輕松地完成。經(jīng)過上億年的進(jìn)化，魚類有很多無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如高機(jī)動(dòng)性、低噪音、高速性和水下隱蔽等，這些優(yōu)點(diǎn)為人類在水下世界進(jìn)行探索提供了一種新的思路?，F(xiàn)今仿生機(jī)器魚的研制已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題［1］，多個(gè)國家相繼研制出了不同功能、不同機(jī)構(gòu)的仿生機(jī)器魚。美國麻省理工大學(xué)在1994年成功研制了世界第一條真正有意義的仿生機(jī)器魚（仿生金槍魚 Robotuna）［2］。隨后，為了解決一些特定的問題出現(xiàn)了各種各樣的仿生機(jī)器魚。日本N.Kato設(shè)計(jì)了仿黑鱸的、依靠胸鰭波動(dòng)實(shí)現(xiàn)推動(dòng)的游動(dòng)機(jī)器魚，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向以及跟蹤預(yù)定的軌跡［3］。美國西北大學(xué)M.Epstein等研究了依靠背鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的裸背鰻科魚類black Ghost knifefish，給出了長鰭波動(dòng)推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)方案、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本分析［4］。國內(nèi)中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所針對具有機(jī)械胸鰭、能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的單關(guān)節(jié)仿鰰科魚的建模、控制以及多機(jī)器魚的協(xié)調(diào)控制開展了一系列的研究工作［5］。華中理工大學(xué)開展了柔性尾鰭推進(jìn)裝置的實(shí)驗(yàn)與理論研究，初步探討了尾鰭參數(shù)與推進(jìn)效率之間的關(guān)系，并對魚的尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水下實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證與尾部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性［6－7］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了仿機(jī)器章魚和仿生金槍魚的研究，建立了利用彈性組件提高驅(qū)動(dòng)效率的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［8］。北京航空航天大學(xué)也對仿生機(jī)器魚做了研究，提出了“波動(dòng)推進(jìn)理論”及分析的方法，研制出來速度達(dá)到0.6m／s的仿生鰻魚實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，之后又研制了“仿生機(jī)器海豚”，并在北京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了速度、功率參數(shù)的測定、魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和魚體阻力測定實(shí)驗(yàn)，獲得了魚的擺動(dòng)推進(jìn)深層次機(jī)理［9］。中科院自動(dòng)化所根據(jù)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，研究了仿生機(jī)器魚的控制問題，開展了多仿生機(jī)器魚的控制與協(xié)調(diào)研究，建成了多仿生機(jī)器魚協(xié)調(diào)系統(tǒng)（Multiple Biomimetic RobotFish Coordinate System，簡 稱 MRFS）平臺(tái)［10］。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿生機(jī)器魚技術(shù)水平的提升，通過對魚體游動(dòng)規(guī)律的觀察和研究，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，研究者提出了具有綜合性能的仿生機(jī)器魚，但是當(dāng)前的仿生機(jī)器魚主要要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：自動(dòng)躲避障礙物、水下環(huán)境探測、信息交互能力、自動(dòng)續(xù)航等。為了實(shí)現(xiàn)上述功能必須給機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)，給機(jī)器魚配置多種傳感器、CMOS攝像機(jī)、定位器等，使機(jī)器魚能夠通過傳感器和攝像機(jī)采集的信息進(jìn)行自主游動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的智能控制。本文主要是給魚體制定了多種傳感器、CMOS攝像頭、GPS定位器，通過采集到的信息進(jìn)行水下避障和探測，設(shè)計(jì)了機(jī)器魚避障規(guī)則，提出了一種智能的避障控制方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 機(jī)器魚的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)定

1.1 傳感器的網(wǎng)路設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)由GP2YOA21YK型號(hào)紅外測距傳感器、GPS定位器、CMOS攝像頭組成。GP2YOA21YK傳感器采用三角測量方法，被測物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測量時(shí)間都不會(huì)影響傳感器的測量精度，測量的距離范圍為10～100cm，因此采用型號(hào)為GP2YOA21YK紅外測距傳感器進(jìn)行避障。紅外測距傳感器主要由紅外發(fā)射頭、紅外接收頭、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路組成。其具體的工作原理如下：紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭的紅外二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)紅外光遇到障礙物時(shí)被反射回來，反射回來的紅外光由紅外接收驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅外接收頭的光敏二極管接收到，通過電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成可測量的電壓值；因?yàn)榧t外光的強(qiáng)度會(huì)隨著距離的縮小而增強(qiáng)，紅外接收電路轉(zhuǎn)化的電壓值會(huì)隨之增強(qiáng)，又因?yàn)殡妷号c距離成比例，所以可以通過對電壓的計(jì)算，得出機(jī)器魚與障礙物之間的距離并發(fā)出信號(hào)。GPS定位器有非常強(qiáng)大的功能，在不同的場合都能實(shí)現(xiàn)定位功能，在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用也非常普遍。在機(jī)器魚遇到障礙物時(shí)，紅外傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)，這時(shí)GPS定位傳感器可以通過紅外測距傳感器發(fā)出的信息得出障礙物的具體位置，與CMOS攝像頭拍攝的機(jī)器魚周圍環(huán)境的畫面一起傳給上位機(jī)從而完成避障和探測的任務(wù)。

由于單個(gè)傳感器的局限性，制定多傳感器系統(tǒng)，可以得到機(jī)器魚周圍詳盡的信息，在魚體上分布了多種傳感器和定位器：上部紅外測距傳感器UP、左部紅外測距傳感器LE、右部紅外測距傳感器RI、下部紅外測距傳感器DO、前部紅外測距傳感器FR、后部紅外測距傳感器RE和內(nèi)部GPS定位器IN。這7種傳感器能夠探測到仿生機(jī)器魚周圍的上方、下部、左側(cè)、右側(cè)、后方的所有障礙物信息并且能夠?qū)@些障礙物進(jìn)行定位。在安裝這些不同傳感器時(shí)要根據(jù)紅外測距傳感器的分辨率來確定，確保其之間沒有相互干擾。機(jī)器魚通過傳感器反饋的信息，依據(jù)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)則實(shí)現(xiàn)自主游動(dòng)，傳感器在魚體上的分布如圖1所示。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.2 仿生機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)組成和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

仿生機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)主要由控制部分（主芯片控制系統(tǒng)、外圍組建）、支撐部分（魚骨架和魚頭）、通訊部分、驅(qū)動(dòng)部分（舵機(jī)）、其他（塑料薄膜材質(zhì)的防水魚皮和電池）5個(gè)基本部分組成，其中防水采用機(jī)械密封進(jìn)行防水。機(jī)器魚魚體的主要構(gòu)成部分如圖2所示，魚頭部位是整個(gè)機(jī)器魚的核心部分，包括電路板、通訊模塊CMOS攝像頭等，如圖3所示。

在控制模塊中采用ARM微處理器S3C2440作為板載主芯片（三星公司產(chǎn)品資料《S3C24401》）?？刂颇K中舵機(jī)主要由微處理器控制，機(jī)器魚通過微處理器控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制各個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)擺動(dòng)模仿魚類的身體擺動(dòng)。機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎主要靠改變各個(gè)關(guān)節(jié)的角度來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器魚的速度通過改變關(guān)節(jié)的擺動(dòng)頻率來控制。在機(jī)器魚的一個(gè)游動(dòng)周期內(nèi)通過改變不同的偏移量，可以實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)彎。仿生機(jī)器魚的主要參數(shù)見表1所列。

圖2 魚 體

圖3 魚 頭

表1 技術(shù)參數(shù)

2 仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)模式與轉(zhuǎn)彎模式

基于對魚類游動(dòng)的觀察以及考慮到水下世界的復(fù)雜性，給機(jī)器魚定義10種基本運(yùn)動(dòng)：直行（STRAIGHT）、懸停（STATIC）、加速（QUICKEN）、減 速 （SLOW DOWN）、倒 行 （RETROACT）、左轉(zhuǎn)彎（LEFT－TURN）、右轉(zhuǎn)彎（TURNRIGHT）、上?。≧ISE）、下潛（DESCEND）、平動(dòng)（HORIZON）。

根據(jù)機(jī)器魚在水下環(huán)境的復(fù)雜性，定義速度等級(jí)和轉(zhuǎn)彎檔次。速度分為7級(jí)，0級(jí)機(jī)器魚懸停，7級(jí)時(shí)達(dá)到最大。轉(zhuǎn)彎檔次分為7檔，左轉(zhuǎn)3檔，右轉(zhuǎn)3檔，4檔為直行。通過設(shè)定的10種基本運(yùn)動(dòng)、速度等級(jí)、轉(zhuǎn)彎檔次的組合能夠完成各種避障運(yùn)動(dòng)，例如加速逃跑、減速轉(zhuǎn)彎、加速轉(zhuǎn)彎、加速上浮等運(yùn)動(dòng)。直行：魚身平直，機(jī)器魚只靠尾鰭推進(jìn)，尾鰭左右擺動(dòng)的幅度一致，尾部的擺動(dòng)中心在魚體的中心線上；懸停：胸鰭直立（魚體的綜合密度為1）；加速：機(jī)器魚從較慢的速度快速轉(zhuǎn)到高等級(jí)的速度；減速：機(jī)器魚從高等級(jí)速度轉(zhuǎn)到低等級(jí)速度；倒行：機(jī)器魚在胸鰭推進(jìn)直游時(shí)，胸鰭旋轉(zhuǎn)180°；左轉(zhuǎn)彎：給機(jī)器魚的尾鰭逐步增大向左的偏移量，可以實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎；右轉(zhuǎn)彎：給機(jī)器魚的尾鰭逐步增大向右的偏移量，可以實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎；上?。和ㄟ^改變胸鰭的擺動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的上浮；下潛：通過改變胸鰭的擺動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的下潛；平動(dòng)：當(dāng)機(jī)器魚的胸鰭保持平行時(shí)，機(jī)器魚在水面上漂動(dòng)為平動(dòng)。

幾種游動(dòng)模式如圖4所示。

圖4 幾種游動(dòng)模式

在機(jī)器魚的設(shè)計(jì)中還添加了幾種轉(zhuǎn)彎模式，文獻(xiàn)［11－12］對尾鰭擺動(dòng)的轉(zhuǎn)彎模式進(jìn)行了定義，主要為3種模式，結(jié)合這3種模式分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。闡述如下：

（1）前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎。當(dāng)機(jī)器魚在游動(dòng)中給尾鰭逐步地增加幾何偏移量可以使機(jī)器魚在游動(dòng)中以不同的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，是最基本的轉(zhuǎn)彎模式。

（2）急轉(zhuǎn)彎。當(dāng)機(jī)器魚在游動(dòng)時(shí)，突然將尾部的幾何偏移量加到最大可以使機(jī)器魚的身體呈“C”狀，然后實(shí)現(xiàn)大幅度急轉(zhuǎn)彎。

（3）靜止轉(zhuǎn)彎。當(dāng)機(jī)器魚在靜止的狀態(tài)下，給尾鰭增加幾何偏移量，這樣可以使機(jī)器魚在靜止?fàn)顟B(tài)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

3 仿生機(jī)器魚的控制方法設(shè)計(jì)

3.1 控制規(guī)則庫的設(shè)計(jì)

本文所采用的是產(chǎn)生式系統(tǒng)，產(chǎn)生式就是使用事實(shí)的邏輯值產(chǎn)生先決條件，然后得到滿足這些條件所產(chǎn)生的結(jié)果，其形式就是if－then。把6個(gè)方向的傳感器和10種基本運(yùn)動(dòng)相組合，再加上GPS定位器和CMOS攝像頭設(shè)計(jì)了一種新的控制規(guī)則。規(guī)則庫包括2個(gè)子庫分別為機(jī)器魚在橫向和縱向的避障規(guī)則，見表2、表3所列。

表2 規(guī)則庫1

表3 規(guī)則庫2

從表2、表3可以得出，機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎和減速運(yùn)動(dòng)只與FR、LE、RI、RE 4個(gè)變量有關(guān)，而上升下潛和加速運(yùn)動(dòng)只與UP、DO 2個(gè)變量有關(guān)，所以在解決加速與減速時(shí)只需關(guān)注這幾個(gè)變量即可。當(dāng)規(guī)則庫中的加速運(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng)相沖突時(shí)優(yōu)先采用規(guī)則庫1。

3.2 推理機(jī)制

上面的規(guī)則庫中設(shè)定了機(jī)器魚游動(dòng)路徑與傳感器之間的關(guān)系，定性地描述了機(jī)器魚的游動(dòng)規(guī)則，但沒有定量地描述。推理機(jī)制就是對機(jī)器魚的游動(dòng)進(jìn)行定量地描述，即機(jī)器魚離障礙物多遠(yuǎn)時(shí)開始轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)彎等級(jí)、轉(zhuǎn)彎速度等。

本文設(shè)計(jì)的推理機(jī)制就是根據(jù)機(jī)器魚在水下探測到的信息推出相應(yīng)的結(jié)論。首先讀取機(jī)器魚探測到的信息，根據(jù)探測的信息推出機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎等級(jí)、加速等級(jí)和轉(zhuǎn)彎模式。

下面定義2個(gè)參數(shù)：碰撞危險(xiǎn)度和上升下潛意愿強(qiáng)度［13］。當(dāng)機(jī)器魚探測到有障礙物便根據(jù)探測到的距離信息對危險(xiǎn)碰撞度和上升下潛意愿度進(jìn)行量化，量化規(guī)則見表4、表5所列。

表4 危險(xiǎn)碰撞度

表5 上升下潛意愿度

定義速度等級(jí)為7級(jí)，0級(jí)時(shí)是靜止的，速度從0～7級(jí)依次增加。4級(jí)直行，1、2、3級(jí)為減速，5、6、7級(jí)為加速。轉(zhuǎn)彎等級(jí)為7級(jí)，中間檔為4，左轉(zhuǎn)彎為1、2、3，右轉(zhuǎn)彎為5、6、7。從規(guī)則庫中可以看出機(jī)器魚的減速運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎等級(jí)只與危險(xiǎn)碰撞度有關(guān)，規(guī)定當(dāng)機(jī)器魚離障礙物越近（危險(xiǎn)碰撞度越小）的時(shí)候轉(zhuǎn)彎等級(jí)越大，速度越慢。機(jī)器魚的加速運(yùn)動(dòng)只與上升下潛意愿度有關(guān)，離障礙物越遠(yuǎn)（上升下潛意愿度越大），速度越快。

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的規(guī)則和方法設(shè)計(jì)了2組實(shí)驗(yàn)，即機(jī)器魚在簡單水環(huán)境下和在復(fù)雜水環(huán)境下進(jìn)行的避障。

實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器魚集成了4個(gè)傳感器和1個(gè)GPS定位器：前部、后部、左側(cè)、右側(cè)。實(shí)驗(yàn)的場景為一個(gè)長方形水池，障礙物為長方形小木塊。

在簡單水環(huán)境下進(jìn)行避障，機(jī)器魚先是探測到有障礙物并且探測到距離為45cm，減低速度向左游動(dòng)，這時(shí)遇到池子邊緣又進(jìn)行轉(zhuǎn)彎避過池子邊緣。整個(gè)過程機(jī)器魚先是避過障礙物之后又避過池子邊緣都沒有發(fā)生碰撞現(xiàn)象，而且游動(dòng)速度平穩(wěn)反應(yīng)靈敏，如圖5所示。

圖5 簡單環(huán)境下機(jī)器人避障路徑

復(fù)雜情況下，當(dāng)機(jī)器魚探測到距第1個(gè)障礙物有80cm時(shí)執(zhí)行減速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，之后開始直游，又探測到距第2個(gè)障礙物還有65cm時(shí)又開始執(zhí)行減速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，在逃離障礙物后執(zhí)行加速游動(dòng)，直到遠(yuǎn)離障礙物，在整個(gè)過程中機(jī)器魚游動(dòng)較好，能夠根據(jù)探測到的距離判別怎樣轉(zhuǎn)彎，并且能夠定位障礙物的位置，探測水下的環(huán)境，如圖6所示。

圖6 復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人避障路徑

這2組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，本文提出的控制方法是有效可行的，能夠使機(jī)器魚完成避障和探測的任務(wù)。

5 結(jié)束語

本文基于紅外測距傳感器和定位器設(shè)計(jì)了一種具有自主避障和探測功能的仿生機(jī)器魚，設(shè)計(jì)了避障規(guī)則并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法的有效性。由于水下力學(xué)問題，機(jī)器魚潛入水下的深度有限，只有60cm，并且紅外測距傳感器探測距離比較短而且探測范圍比較窄，存在一些盲區(qū)，所以在以后的研究中可以對這些問題進(jìn)行改進(jìn)。

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