一种仿生机器鱼的胸鳍与尾鳍协同控制系统及方法

技术领域

本发明属于机器鱼控制的技术领域，尤其涉及一种仿生机器鱼的胸鳍与尾鳍协同控制系统及方法。

背景技术

水下仿生机器鱼日趋成熟，从最初Lighthill的鱼体波曲线，衍生出了多种形态的鱼以及不同的控制方法。根据鱼体推进方法，可分为两种模式：身体/尾鳍模式(Body and/or Caudal Fin，简称BCF)和中间鳍/对鳍模式(Median and/or Paired Fin，简称MPF)。总结现有仿生机器鱼的游动性能可知，采用BCF模式的仿生机器鱼优点是游动速度快，高机动性能好，缺点是低速机动性能差，身体易晃动、稳定性差；采用MPF模式的仿生机器鱼优点是低速机动性能好，身体稳定性好，缺点是游动速度慢。现有技术大多只采用尾鳍控制。。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种仿生机器鱼的胸鳍与尾鳍协同控制系统及方法，引进了胸鳍和蠕动泵，来实现鱼类直游、转弯及上浮下潜的运动，同时增设多模态控制，实现不同挡位之间的切换。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种仿生机器鱼的胸鳍与尾鳍协同控制系统，其特征在于，包括鱼身壳体、设置在所述鱼身壳体两侧的胸鳍以及设于鱼身壳体尾部的尾鳍，鱼身壳体内部空腔中对应安设有胸鳍控制组件、尾鳍控制组件、浮潜模块和控制模块，所述胸鳍控制组件与胸鳍相连，所述尾鳍控制组件与尾鳍相连，所述浮潜模块包括浮潜舱和浮潜驱动组件，所述控制模块包括计算机、控制器和信息采集组件，所述信息采集组件与所述控制器的输入端相连，输出端分别与胸鳍控制组件、尾鳍控制组件和浮潜驱动组件相连，所述计算机与控制器通过水下无线光通信实现信息互联。

按上述方案，所述胸鳍控制组件包括两两一组的四个胸鳍舵机，一组为左右摆动驱动舵机，另一组为上下摆动驱动舵机，所述左右摆动驱动舵机通过连接件并排固定于所述鱼身壳体上，并通过舵臂与所述上下摆动驱动舵机相连，上下摆动控制舵机通过连接件与鳍条相连，所述鳍条与所述胸鳍相连。

按上述方案，所述尾鳍控制组件包括三组顺次连接的驱动关节，所述驱动关节由前、后U型支架和尾鳍舵机组成，所述前、后U型支架分别与尾鳍舵机的前后两侧相连，三组驱动关节通过前、后U型支架相连，位于前端的驱动关节的前U型支架固定于所述鱼身壳体上，位于后端的驱动关节的后U型支架与所述尾鳍相连。

按上述方案，所述浮潜驱动组件包括电机和蠕动泵，所述电机驱动蠕动泵运转，蠕动泵与所述浮潜舱相连通。

按上述方案，所述信息采集组件包括鱼眼相机和陀螺仪传感器，分别采集水域环境信息和机器鱼的方位信息。

一种仿生机器鱼的胸鳍与尾鳍协同控制方法，其特征在于，包括如下内容：

S1)多模态挡位切换：仿生机器鱼设置直游、左转、右转、上浮、下潜五个方向挡位，通过判断期望位姿与当前位姿的偏差，进行模糊控制分析，分别控制胸鳍、尾鳍的摆动，以及浮潜舱的吸排水，实现不同挡位的切换；

S2)变速运动控制：通过计算机和控制器操控，改变定时器数值，设置延时函数参数，控制尾鳍舵机每次转向之间时间的间隔，通过不同的摆动频率实现不同的游动速度。

按上述方案，步骤S1中各个所述挡位的控制方法如下：

直流控制：：通过鱼体波曲线，代入参数，将一个周期进行十等分，经Matlab计算后得出每个时刻尾鳍舵机相应转角，在控制器中设置参数完成直游运动；

转弯控制：在直游基础上，将尾鳍每个时刻每个尾鳍舵机向左或向右偏置22.5°，实现转弯变向；

上浮下潜：由胸鳍与蠕动泵配合运动，当浮潜舱所吸的水量使机器鱼的重力等于浮力时，机器鱼处于悬浮状态；胸鳍朝下摆动，蠕动泵排水，当浮潜舱水量小于悬浮状态时的水量时，浮力大于重力，机器鱼上浮；胸鳍朝上，蠕动泵吸水，当浮潜舱水量大于悬浮状态时，浮力小于重力，机器鱼下沉。

按上述方案，步骤S2中所述直游、左转、右转三个方向挡位均设置三种速度，控制尾鳍舵机每次转向之间时间的间隔分别为：100ms、110ms、120ms。

本发明的有益效果是：提供一种仿生机器鱼的胸鳍与尾鳍协同控制系统及方法，利用胸鳍与尾鳍的协同运动对机器鱼的直线游动、转弯和变速游动等多种模态进行控制设计，同时通过蠕动泵及胸鳍协调控制完成上浮下潜的运动，以实现单模态的平稳运动控制和多模态的协调切换控制；拟采用模糊控制理论设计模糊运动控制器，实现变速时的速度平滑变化，提高运动稳定性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整机控制流程框图。

图2为本发明一个实施例的胸鳍控制组件的结构示意图。

图3为本发明一个实施例的尾鳍控制组件的结构示意图。

图4为本发明一个实施例的机器鱼上浮的示意图。

图5为本发明一个实施例的机器鱼下潜的示意图。

图6为本发明一个实施例的控制硬件系统设计图。

图7为本发明一个实施例的整机控制方案图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1、图6、图7所示，一种仿生机器鱼的胸鳍与尾鳍协同控制系统，包括鱼身壳体1、设置在鱼身壳体两侧的胸鳍2以及设于鱼身壳体尾部的尾鳍3，鱼身壳体内部空腔中对应安设有胸鳍控制组件、尾鳍控制组件、浮潜模块和控制模块，胸鳍控制组件与胸鳍相连，尾鳍控制组件与尾鳍相连，浮潜模块包括浮潜舱4和浮潜驱动组件，控制模块包括计算机、控制器和信息采集组件，信息采集组件与控制器的输入端相连，输出端分别与胸鳍控制组件、尾鳍控制组件和浮潜驱动组件相连，所述计算机与控制器通过水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication)实现信息互联。

信息采集组件包括鱼眼相机和陀螺仪传感器，分别采集水域环境信息和机器鱼的方位信息。

本控制系统由操作系统层、通信协议层、底层驱动层三大层级构成。操作系统层主要是用户端(计算机)进行指令控制；通信协议层上下行数据链路采用光通信方式；底层驱动层为基于STM32单片机的控制器，实现机器鱼鱼眼相机、全局监视相机、陀螺仪、湿度传感器等传感器的信息采集、运动电机控制，同时通过模糊控制理论设计模糊运动控制器，实现变速时的速度平滑变化，提高运动稳定性，依据仿生机器鱼控制系统层级，总成实现对仿生机器鱼的控制。

如图2所示，胸鳍控制组件包括两两一组的四个胸鳍舵机，一组为左右摆动驱动舵机5，另一组为上下摆动驱动舵机6，左右摆动驱动舵机通过连接件7并排设置并与鱼身壳体相连，并通过舵臂8与上下摆动驱动舵机相连，上下摆动控制舵机通过连接件与鳍条9相连，鳍条与胸鳍相连。左右摆动驱动舵机的转动实现胸鳍绕展向轴的转动即胸鳍左右摆动；上下摆动驱动舵机的转动实现胸鳍绕弦向轴的转动即胸鳍上下摆动。

如图3所示，尾鳍控制组件包括三组顺次连接的驱动关节，驱动关节由前U型支架10、后U型支架11和尾鳍舵机12组成，前、后U型支架分别与尾鳍舵机的前后两侧相连，三组驱动关节通过前、后U型支架相连，位于前端的驱动关节的前U型支架固定于鱼身壳体上，位于后端的驱动关节的后U型支架与尾鳍相连。

通过Lighthill曲线，代入合适参数，将一个周期进行十等分，经Matlab计算后得出每个时刻尾鳍舵机相应转角，在stm32中设置参数即可完成直游运动。在直游基础上，将尾鳍每个时刻每个尾鳍舵机向左或向右偏置22.5°，即可实现转弯变向。

其中直游、左转、右转每个挡位设置三个游动速度，如加速直游、加速转弯等，控制尾鳍舵机每次转向之间时间的间隔分别为：100ms、110ms、120ms，以适应不同的水下环境需求。同时，仿生机器鱼可通过判断期望位姿与当前位姿的偏差，进行模糊控制分析，实现不同的挡位间的切换。

浮潜驱动组件包括电机和蠕动泵，电机驱动蠕动泵运转，蠕动泵与浮潜舱相连通。上浮下潜的原理为：由胸鳍与蠕动泵配合运动，当浮潜舱所吸的水量使机器鱼的重力等于浮力时，机器鱼处于悬浮状态；胸鳍朝下摆动，蠕动泵排水，当浮潜舱水量小于悬浮状态时的水量时，浮力大于重力，机器鱼上浮；胸鳍朝上，蠕动泵吸水，当浮潜舱水量大于悬浮状态时，浮力小于重力，机器鱼下沉(见图4、图5)。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。