智能化機器魚實驗平臺的研究

陳 凱，竇 路

（交通運輸部水運科學研究所，北京 100088）

隨著人類智能化科技的日益發展，陸上機器人及空中無人機技術已趨于成熟，但相關水下設備的研發仍處于落后狀態。載人深潛器不僅成本高，而且極具風險，因此，無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）開始成為海洋強國的研究熱點，遙控無人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）和自主式水下潛器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）被廣泛應用于海洋經濟、環境和軍事等領域中。而在2013年以前，我國對于水下機器人的研發幾乎一片空白，國內預計高達320億美元的市場需求主要依靠進口。

1 水下機器人運動及控制技術

魚類行為學家在研究過程中發現，大部分的魚類將自己的身體作為推進器，依靠身體左右擺動產生的反作用力，使自己向前游動[1]。對于大部分ROV產品，以及部分AUV產品來說，則主要是依靠螺旋槳推進，采用單套或多套無刷電機驅動，以實現其在水中的浮潛及前后和水平移動。這種推進方式的優勢在于移動速度快，平均速度可達3kts以上。但是這種推進方式也存在一定的問題：會對水中的魚類生存造成一定的影響；靠近水底工作時，高速運轉的螺旋槳攪起水中的砂石，對推進器本身也極易造成一定的傷害，同時，在水底工時也存在被水草等纏繞的風險。此外，這種推進方式能耗較高，能量轉化率僅為30%左右。除無刷電機驅動的螺旋槳推進方式外，部分AUV也采用活塞式發動機，這種推進方式雖然能量轉化率高，但其體積大、造價高，無法滿足便攜性的需求。

在控制方面，現階段，近海及內河主要采用便攜式的水下機器人，以有纜控制的ROV為主。此種機器人受線纜所限，運動范圍小，靈活性不高，也不適用于復雜水域。

綜合現有小型水下機器人在驅動及控制等方面存在的問題，研發的智能化機器魚實驗平臺選擇仿生技術，配合無纜自主操控，從而實現便攜及水下高效及無束縛的各種作業。

2 仿生魚類機器人構型分析

2.1 魚類游動分析

由魚類解剖學和形態學研究結果可知，自然界中根據魚類游動所依靠的身體結構及其游動時前進動力產生原理分類，可分為身體/尾鰭（Body and/or Caudal Fin，BCF）推進模式和中間鰭/對鰭（Median and/or Paired Fin，MPF）推進模式兩類[2]。

BCF模式是目前國內外科研人員研究的重點，該模式又可細分為Carangiform（通過尾鰭與尾部相連的身軀擺動游動，例如鮭魚）和Ostraciifrom（只通過尾鰭的擺動產生向前的推力，以熱帶魚為主）兩種。

2.2 仿生魚運動關節分配分析

仿生魚屬于仿生類水下機器人，是通過模仿自然界中水生生物的游動模式和推進方式設計而成的水下作業機器人。

仿生魚在水下可以最大限度的提高能量轉化率及降低機械噪聲，較之傳統螺旋槳驅動機器人，仿生魚的能量轉化率從30%提高至80%，其續航能力強，也可避開聲吶等設備的追蹤。

根據上文分析可知，對應三種類型的魚，仿生魚也可分為腹鰭驅動型（圖1a）、多關節尾鰭驅動型（圖1b）及單關節尾鰭驅動型（圖1c）三種。

圖1 仿生機器魚種類

其中，腹鰭驅動型機器魚雖然運動最為靈活，在低速游動時具有較高的推進效率，但其結構復雜、承載能力弱，現階段多用于實驗室研究。

多關節仿生機器魚運動也非常靈活，但其運動機構龐大，故其較難安裝浮潛機構及可提供的承載空間相應較小，同時耗能較高，多用于大型軍事類仿生設備。

單關節仿生機器魚相比前兩類靈活性有所下降，但仍可勝任河道及近海內狹小空間巡游的任務。同時其具有運動機構簡單，搭載空間大，承載能力強，耗能低等優點。

綜上所述，為保證智能化機器魚實驗平臺研究工作的順利開展，結合日常工作環境及相關的需求分析，智能化機器魚實驗平臺設計的研究選用單關節型仿生機器魚作為基礎平臺。

3 智能化機器魚實驗平臺設計

3.1 總體設計

實驗平臺對智能化機器魚的要求：可以在水下保持穩定姿態運行；能夠抵御一定程度的風浪；在水中具有較高的靈活性；可適應我國內陸95%的水域；可以通過GPS實現自主規劃路徑，在水中智能化運動；可以更換搭載多種外設及不同類型的水質傳感器，實現水中的三維檢測。

智能化機器魚實驗平臺由主機艙、運動控制艙、電池艙及外設艙四部分組成（圖2）。

主機艙包括STM32主控芯片、壓力傳感器和IMU傳感器及攝像頭。主控板（圖3）除控制舵機運動外，還將處理壓力傳感器及IMU數據，基于PID控制算法，根據壓力傳感器和IMU數據反饋，保證機器魚運動的穩定性，同時控制攝像頭進行水下拍照或錄像。

運動控制艙主要包括調節俯仰姿態的重心調節裝置和魚尾運動齒輪箱。保證設備在水中的姿態調整，實現浮潛及提供尾鰭擺動的動力。

電池艙主要包括鋰電池組與充電保護電路板。電池艙獨立給各個艙體供電，可避免機器魚運動過程因供電電壓不穩定對聲、磁傳感器造成干擾。

外設艙主要用于安裝采樣設備、水聲通信等小型外設，以此針對不同領域完成相應的水中任務。同時，外設艙前端還配有三盞高亮度LED探照燈，為水下拍攝提供照明。

3.2 硬件系統

3.2.1 混合驅動設計

（1）仿生高效驅動。結合上述分析，考慮到智能化機器魚實驗平臺實際的工作環境及需求，選擇使用單關節尾鰭驅動。同時對“魚尾擺頻-驅動效率”和“擺頻-游動速度”兩項進行分析，得出尾鰭的擺頻為1.5Hz時，在保證游速的前提下效率最高。對比魚類尾鰭擺頻均在1.0～2.5Hz之間，最終確定設備的平均擺頻為1.5Hz。考慮到水中阻力較大，故選擇大扭矩舵機配以減速箱驅動魚尾，在提供較大扭矩的同時降低輸出的擺動頻率以提高控制精度。

（2）螺旋槳輔助驅動。針對設備可能會在水流速度較快的水域工作的情況，故在設備兩側各配有一臺無刷推進器（圖4），在逆流行駛或需要較快游速時，代替魚尾產生較大的驅動力。同時，可在設備被異物纏繞后，提供一個瞬間爆發力，幫助設備有效脫困。

圖4 無刷推進器

3.2.2 浮潛機構

機器魚要在水下保持平衡，需保證其所受重力和浮力相等且重心和其浮心在同一鉛垂線上，因此，必須對其重力、重心、浮力、浮心進行計算，再根據計算結果微調其運動控制艙中的重量塊的形狀，直至滿足重浮心要求。

當需要下潛或上浮時，調節重心與浮心的相對位置，從而對設備在水中的俯仰角進行微調，配合尾鰭驅動，實現設備在水中的浮潛運動。

3.2.3 防水設計

在機械防水結構設計上，針對整體密封與整體開放局部密封技術優劣性進行多次實驗對比。最終采用了整體開放局部密封的設計思路，該實驗平臺的機械結構設計采用分艙模式。各個艙體按照功能劃分為上述的四個相互獨立的艙體。各艙體單獨密封，降低破損漏水后的損失，提高漏水后回收的成功率，易于后期維護。

3.2.4 擴展接口

在主機艙中的主板上配有預留的執行485通信協議的串口，并與主機艙下部的防水航插相連，可以搭載不同的使用485通信的水質傳感器，例如：氨氮傳感器、水中油傳感器等，從而對巡游水域的水質進行三維立體檢測。

在運動艙下方還配有外設艙，通過兩個剛性連接點與運動控制艙相連，允許搭載小于9kg的近似于圓柱形的外接設備，例如抽排水設備，可以在水下實現水樣采集。

3.3 軟件系統

（1）自主路徑規劃。智能化機器魚實驗平臺配有GPS導航裝置及高精度IMU和壓力傳感器。在水面航行時（GPS天線露出水面），可以根據設備當前GPS坐標點和PC端設定的目標位置自動計算出航向和距離。在自主航行過程中，結合IMU數據反饋，實時監測設備的偏航角，當發現行駛軌跡與計算軌跡的偏差超過閾值時，便進行航向的微調，最終實現點對點的精確自主航行，其定位精度可保證在5m以內。

（2）姿態調整系統。在機器魚的運動及姿態控制系統中，均加入了經典PID閉環控制算法。根據IMU數據反饋，可實時監控設備的俯仰角和翻滾角。當發現其姿態角超出了預設閾值時，便通過運動控制艙對其重心和浮心之間的相對位置進行微調。這樣當水下機器魚受到水流作用而傾斜時，就會自動產生一個恢復力矩，使水下機器魚回到原來的平衡位置。

4 智能化機器魚實驗平臺試驗

4.1 靈活性試驗

靈活性試驗主要是對設備的最小轉向半徑進行分析。如圖5所示，在尾鰭停止擺動，左右無刷推進器反轉時，設備可以實現原地轉向，已知設備總長約為600mm，即其最小轉向半徑為300mm。若使用尾鰭轉向時（圖6），其最小轉向半徑約為600mm。同時無刷倒轉，可以實現沿原路徑倒退返回。故基本可以滿足國內河流及水下較小縫隙中的勘測任務。

圖5 無刷原地轉向試驗

圖6 尾鰭轉向試驗

4.2 自主路徑規劃試驗

自主路徑規劃試驗主要是針對設備的智能化進行試驗。試驗中，為設備發送目標點的坐標值及深度后，設備可自主規劃路徑游至坐標點，并螺旋下潛到達指定深度，執行完規定動作后上浮并自動返回開機點。根據下潛和上浮點的位置判斷，其下潛后的工作點與目標點的精度在5m以內。

4.3 自救試驗

自救試驗主要是針對設備在低電量狀態下內部電機失步后的自救程序的試驗，該試驗可以驗證設備在規定海況中運行時的安全性。試驗過程中，模擬電機失步后異常下潛狀態，最終設備在多次異常下潛10s后均可自動上浮，并獲取GPS坐標后返回開機點。

4.4 試驗結果

經過以上三項試驗得出，設備在水中可以準確完成自主路徑規劃及精確返航，在設備允許海況范圍內可以實時調節設備姿態，保證水中運行的穩定性，同時自救程序可以正常運行，保證在異常情況下仍能安全返航。

5 結束語

研制的智能化機器魚實驗平臺，首先從仿生學角度對其驅動方式進行了對比分析，選擇采用混合模式驅動，能夠完成對機器魚的運動調控、指揮和水樣采集等工作[3]。最終得出研制的智能化機器魚實驗平臺具有體積小，便于攜帶；耗能小，效率高；靈活性好；具有一定程度的智能化及使用過程中有較高的安全保障。

由于該設備具有一定的擴展性，在未來可以集成不同類型的水質傳感器，可廣泛應用于近海港口或城市內河道，對水質進行三維的全天巡查或不定期抽查，可以極大程度的降低檢測成本，同時較傳統的定點及二維檢測其檢測精度更高。

未來針對設備的穩定性進行進一步優化，同時對其智能化程度進一步提高，將可逐步應用于交通運輸行業及環保等部門。由于其低噪的特性，也可搭載相應的傳感器逐步運用于水下軍事方面。