小型智能機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)*

房啟志，張樹(shù)寧，徐 嵩，?？〗?，李昱潔，陳璽光，馬毓徽，賈和儒

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136)

水下機(jī)器魚(yú)是具有智能行為的高級(jí)水下機(jī)器人，具有活動(dòng)范圍廣、機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性好等特點(diǎn)，能夠適用于復(fù)雜的海底環(huán)境。 為了在不可預(yù)知的水下環(huán)境中安全完成既定任務(wù)[1]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)在水下的探測(cè)任務(wù)、定位、避障、循跡、信息傳輸?shù)裙δ茏兊糜葹橹匾?/p>

在探測(cè)時(shí)，為獲取水下機(jī)器魚(yú)與障礙物的實(shí)時(shí)位置，文獻(xiàn)[2-3]研究一種水下定位方法，該方法是基于多浮標(biāo)的水下導(dǎo)航定位方法，利用水面浮標(biāo)陣來(lái)完成水下無(wú)人潛航器的精確定位。 但存在精度低的問(wèn)題，為提高精度，慣導(dǎo)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組成的組合導(dǎo)航定位方法開(kāi)始廣泛應(yīng)用，如慣導(dǎo)/GPS 組合導(dǎo)航定位[4]。 文獻(xiàn)[5]利用低頻合成孔徑聲吶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下沉底小目標(biāo)的探測(cè)，但以上方法沒(méi)有與水下機(jī)器魚(yú)避障相結(jié)合。 為保障機(jī)器魚(yú)在水下的安全航行，高效的避障方法是必不可少的[6-7]。 水下機(jī)器人要能利用自身攜帶的傳感探測(cè)設(shè)備(聲吶、攝像頭等)并結(jié)合相應(yīng)的算法進(jìn)行實(shí)時(shí)避障。文獻(xiàn)[8]利用訓(xùn)練出的用于水下機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)通仿真證明了該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效性，但是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的訓(xùn)練過(guò)程比較漫長(zhǎng)且無(wú)法控制。 文獻(xiàn)[9]利用在水下機(jī)器人的側(cè)面和水平面安裝聲吶，采用雙層避障方法來(lái)有效避開(kāi)側(cè)面或水平面的障礙物，提高了避障的成功率，但過(guò)程計(jì)算復(fù)雜。

為實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器魚(yú)與地面的通信，傳統(tǒng)的水下機(jī)器人通信通常使用以下幾種方式:水聲通訊、光纖通訊、電磁通信、射頻通信、激光通信。 但其操作復(fù)雜。 利用LiFi 通信技術(shù)的水下機(jī)器人協(xié)同作業(yè)靈活性、協(xié)調(diào)性和精確性，解決了傳統(tǒng)通信的操作復(fù)雜的缺點(diǎn)[10]。 但以上方法并沒(méi)有將定位、避障、循跡等結(jié)合在一起。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展可以為運(yùn)動(dòng)載體提供導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)[11]。 因此將定位與避障、循跡、通信等技術(shù)融合在水下機(jī)器魚(yú)的探測(cè)過(guò)程中，利用陀螺儀、北斗系統(tǒng)、超聲測(cè)距、無(wú)線通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)的智能化。

1 總體設(shè)計(jì)

小型機(jī)器魚(yú)作為水下監(jiān)測(cè)終端，由Arduino 微處理器[12]、MPU6050 三軸MEMS 陀螺儀和三軸加速度模塊、水下超聲波測(cè)距模塊、北斗模塊、GPRS模塊、顯示模塊以及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前位置的定位，同時(shí)能夠?qū)⑺陆K端監(jiān)測(cè)的信息實(shí)時(shí)傳遞至上位機(jī)。 其中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由仿真魚(yú)尾和兩個(gè)螺旋槳組成，眾多實(shí)驗(yàn)和報(bào)道表明仿真魚(yú)尾是一種非常有前途的水下推進(jìn)器[13]，可以靈活地實(shí)現(xiàn)水下尋跡和避障運(yùn)動(dòng)。 上位機(jī)由手機(jī)App 組成，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件終端相關(guān)信息的接收，又能對(duì)下位機(jī)進(jìn)行軌跡控制。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)器魚(yú)的底部是紅外傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)水下避障[14]。 機(jī)器魚(yú)的尾部是由大扭力舵機(jī)和仿真橡膠魚(yú)尾共同構(gòu)成的動(dòng)力裝置，舵機(jī)能夠通過(guò)控制魚(yú)尾的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體的前進(jìn)與偏航運(yùn)動(dòng)；機(jī)器魚(yú)的中前部?jī)蓚?cè)各有一個(gè)螺旋槳，水平安裝，可以控制機(jī)器魚(yú)的橫滾和俯仰運(yùn)動(dòng)。 監(jiān)測(cè)終端通過(guò)UM220 北斗模塊實(shí)現(xiàn)定位功能，天線懸浮在水面上以便完成北斗導(dǎo)航信號(hào)的接收，獲取機(jī)器魚(yú)的位置。 采用AJ-SR04M 超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，LCD1602 液晶顯示屏顯示狀態(tài)信息?？刂破魍ㄟ^(guò)GPRS 模塊和SIM900A 模塊將水下信息傳遞給App，模塊天線也懸浮在水面上以便接收移動(dòng)通信信號(hào)。 App 是GSM 模塊接收信息的端口，可以接收并解析監(jiān)測(cè)終端的信息。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

機(jī)器魚(yú)的電控系統(tǒng)包含多個(gè)傳感器和功能模塊，其整體電路如圖2 所示。

圖2 整體電路連接圖

設(shè)計(jì)中機(jī)器魚(yú)的平衡裝置采用的是三軸MEMS陀螺儀和三軸加速度傳感器MPU6050，它可以通過(guò)內(nèi)置的DMP(運(yùn)動(dòng)數(shù)字處理器)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成俯仰角和橫滾角正負(fù)90°、偏航角0 ～360°的測(cè)量，有良好的響應(yīng)特性。 MPU6050 與Arduino UNO 的A4、A5 連接，通過(guò)IIC 協(xié)議讀取相應(yīng)的姿態(tài)角并與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成閉環(huán)控制，保持機(jī)器魚(yú)的平衡。

采用AJ-SR04M 超聲波傳感器進(jìn)行水下測(cè)距。超聲波傳感器與Arduino UNO 單片機(jī)數(shù)字引腳D9、D10 連接，其電源端VCC、地端GND 分別接在Arduino UNO 的VCC、GND 端。

采用UM220 北斗模塊對(duì)小型機(jī)器魚(yú)定位與授時(shí)，該模塊與Arduino 單片機(jī)的虛擬串口連接，通過(guò)UART 串口將數(shù)據(jù)送至處理模塊做進(jìn)一步處理。 并通過(guò)模塊輸出的GNRMC、GNGGA、GNZDA 等語(yǔ)句獲取時(shí)間與位置信息[15]。

采用GSM/GPRS SIM 900A 作為無(wú)線模塊。 該模塊與Arduino 單片機(jī)的虛擬串口連接。 通過(guò)串口間的AT 指令，來(lái)實(shí)現(xiàn)位置等信息的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先調(diào)試機(jī)器魚(yú)，通過(guò)用手遮住紅外傳感器判斷是否正常工作。 若避障模塊檢測(cè)正常，則調(diào)試超聲波測(cè)距模塊、北斗模塊等，利用GSM/GPRS 等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將獲取的信息發(fā)送至手機(jī)App。 系統(tǒng)軟件的總體流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體軟件流程圖

3.1 定位信息獲取

北斗模塊獲取信息的軟件流程如圖4 所示，Arduino 單片機(jī)的虛擬串口引腳收到信息后，令其只輸出雙模最簡(jiǎn)定位信息協(xié)議。 信息處理流程為:當(dāng)UM220 模塊接收信號(hào)時(shí)，將變量flag＿rec 賦值為1，此時(shí)，串口產(chǎn)生中斷，并判斷定位是否有效，若有效，以“，”為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)存入變量flag＿data，并處理該變量的數(shù)據(jù)，其中變量byte＿count 用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中檢測(cè)到“，”的次數(shù)，以此判斷數(shù)據(jù)是否解析結(jié)束。

圖4 北斗模塊數(shù)據(jù)解析流程圖

3.2 運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

PID 控制原理簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)容易，適應(yīng)性較強(qiáng)，控制效果較好，因此其仍是遙控?zé)o人潛水器姿態(tài)和深度控制廣泛采用的控制方法[16-17]。 為了機(jī)器魚(yú)在水下的靈活運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)偏航、俯仰和橫滾三個(gè)姿態(tài)角進(jìn)行串級(jí)PID 控制，通過(guò)MPU6050 傳感器作為姿態(tài)角度反饋，魚(yú)尾舵機(jī)和兩側(cè)螺旋槳作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。

魚(yú)尾舵機(jī)的具體運(yùn)行方式可以用3 個(gè)量進(jìn)行描述，分別為擺動(dòng)幅度，擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)中心線。 擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率均與運(yùn)動(dòng)的速度相關(guān)，擺動(dòng)中心線則與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，所以PID 輸出的控制量控制的是魚(yú)尾舵機(jī)擺動(dòng)的中心線，以此實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。 兩側(cè)螺旋槳結(jié)構(gòu)由兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用直流電調(diào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，可以進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。

采用MATLAB 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制仿真。 首先由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程推導(dǎo)出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)。 對(duì)于魚(yú)尾舵機(jī)機(jī)構(gòu)，其偏航運(yùn)動(dòng)與前進(jìn)運(yùn)動(dòng)相互偶合，作用原理是通過(guò)改變魚(yú)尾擺動(dòng)中心線實(shí)現(xiàn)偏航角改變，如圖5 所示。

圖5 偏航運(yùn)動(dòng)原理圖

當(dāng)機(jī)器魚(yú)向Y 軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其魚(yú)尾舵機(jī)擺動(dòng)軸線由Y 軸方向改變到OA 方向，魚(yú)尾在弧MN 之間擺動(dòng)，則此時(shí)魚(yú)尾產(chǎn)生的動(dòng)力方向沿OA 向前，如力F1所示。 水的反作用合力如力F 所示，當(dāng)擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率不變時(shí)，可認(rèn)為F1和F 不變，故而產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩，使機(jī)器魚(yú)產(chǎn)生向左的偏航運(yùn)動(dòng)。 設(shè)向左的偏航運(yùn)動(dòng)為正，則其運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示:

式中:a 是前進(jìn)方向與Y 軸的夾角，θ 為偏航角，F(xiàn) 為水的反作用力，L 為水的反作用力作用中心點(diǎn)與O點(diǎn)的距離，為魚(yú)尾擺動(dòng)中心線與Y 軸的夾角，Iz為機(jī)器魚(yú)繞Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

對(duì)sina 進(jìn)行線性化處理，根據(jù)泰勒公式，當(dāng)a≈0 時(shí)，sina≈a，對(duì)式(1)進(jìn)行替換，并進(jìn)行拉氏變換，得到魚(yú)尾舵機(jī)的傳遞函數(shù)如式(2)所示。

對(duì)于左右兩側(cè)的螺旋槳機(jī)構(gòu)，其不同組合可分別控制橫滾角和俯仰角，作用原理如圖6 所示。

圖6 俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)原理圖

設(shè)定向右橫滾為正，俯仰仰頭為正。 當(dāng)左螺旋槳正轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上的力，右螺旋槳反轉(zhuǎn)產(chǎn)生向下同等大小的力時(shí)，如圖FL和FR2所示，機(jī)器魚(yú)產(chǎn)生正向橫滾運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)左螺旋槳和右螺旋槳同時(shí)正轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上同等大小的力時(shí)，如圖FL和FR1所示，機(jī)器魚(yú)產(chǎn)生正向俯仰運(yùn)動(dòng)。 FL和FR由電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生，升力可以近似為電機(jī)轉(zhuǎn)速的k 倍，則電機(jī)螺旋槳系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如式(3)所示。

式中:FL為電機(jī)螺旋槳系統(tǒng)產(chǎn)生的力，v 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，IM為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，M 為電磁轉(zhuǎn)矩，u 為數(shù)字量控制信號(hào)，k、k1、K 為系數(shù)常量，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程如式(4)所示。

式中:β 為俯仰角，Lx為電機(jī)連線中心點(diǎn)到O1點(diǎn)的距離，Ix為機(jī)器魚(yú)繞X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，α 為橫滾角，Ly為電機(jī)連線距離的一半，Iy為機(jī)器魚(yú)繞Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

對(duì)式(3)和式(4)式進(jìn)行拉氏變換，得到電機(jī)螺旋槳俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)如式(5)所示。

式(2)和式(5)中的系數(shù)很難進(jìn)行實(shí)際測(cè)算，所以給定大致的系數(shù)值，用MATLAB 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果即可表征系統(tǒng)在該種控制器下的實(shí)際運(yùn)行效果。式(2)中取F ＝10，L ＝1，Iy＝1，在式(5)中取K ＝1，Lx＝1，Ix＝10，IM＝0.1，Ly＝1，Iy＝10。 由式(2)和式(5)的傳遞函數(shù)構(gòu)建串級(jí)PID 進(jìn)行控制仿真。

對(duì)于偏航角控制，外環(huán)PID 參數(shù)整定為10、0.1、1，內(nèi)環(huán)PID 參數(shù)整定為1、0、0；對(duì)于俯仰角控制和橫滾角控制，其外環(huán)PID 參數(shù)均整定為15、0、3，內(nèi)環(huán)PID 參數(shù)均整定為8、0、3。 設(shè)置偏航角和俯仰角初始狀態(tài)為0°，目標(biāo)角度為10°，測(cè)試其零狀態(tài)響應(yīng)；設(shè)置橫滾角目標(biāo)角度為0°，初始角度為10°，測(cè)試其零輸入響應(yīng)。 姿態(tài)角度的控制仿真響應(yīng)曲線分別如圖7～圖9 所示。

圖7 偏航角控制仿真響應(yīng)曲線圖

圖8 俯仰角控制仿真響應(yīng)曲線圖

圖9 橫滾角控制仿真響應(yīng)曲線圖

從圖7 中可以看出，在設(shè)置的目標(biāo)偏航角度下，偏航控制系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為0.5 s，變化穩(wěn)定，且無(wú)超調(diào)。 從圖8 中可以看出，在設(shè)置的目標(biāo)俯仰角度下，俯仰控制系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為0.3 s，超調(diào)量小。 從圖9 中可以看出，在初始橫滾角度為10°，目標(biāo)角度為0°時(shí)，俯仰控制系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)時(shí)間約為0.3 s，超調(diào)量小。 由以上結(jié)果可以看出，控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)特性，符合穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性的性能要求。 當(dāng)避障傳感器探測(cè)到障礙物時(shí)，中心控制器便會(huì)通過(guò)預(yù)先設(shè)定的方案改變?nèi)S目標(biāo)角度，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而改變姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)避障運(yùn)動(dòng)。

3.3 App 程序設(shè)計(jì)

利用Android 進(jìn)行App 軟件開(kāi)發(fā)，以Eclipse 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的App 構(gòu)成。 通過(guò)導(dǎo)入百度地圖的BaiduLBS＿Android.jar 包和對(duì)應(yīng)的.so 文件實(shí)現(xiàn)對(duì)百度地圖SDK 部分功能的使用。 在布局文件中放置百度地圖的MapView、TextView 和按鈕。 MapView 用以顯示地圖，TextView 用于顯示短信發(fā)過(guò)來(lái)的信息。程序啟動(dòng)時(shí)開(kāi)啟一個(gè)服務(wù)來(lái)監(jiān)聽(tīng)content:/ /sms/inbox 短信數(shù)據(jù)庫(kù)。 當(dāng)短信數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)生變化時(shí)將對(duì)應(yīng)變化的短信的read 設(shè)為true 已讀。 創(chuàng)建一個(gè)廣播監(jiān)聽(tīng)短信，當(dāng)收到新短信的廣播時(shí)，獲取廣播內(nèi)容并分析，然后將短信內(nèi)容通過(guò)另一個(gè)廣播發(fā)送到MainActivity 更新UI。 當(dāng)點(diǎn)擊按鈕時(shí)地圖顯示終端上一次所在位置。

當(dāng)手機(jī)端軟件接收到水下終端通過(guò)GPRS 模塊發(fā)送的時(shí)間、位置的信息時(shí)，可以提取信息中的位置信息，并調(diào)用百度地圖，將經(jīng)、緯度打點(diǎn)于電子地圖上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下目標(biāo)的監(jiān)測(cè)，圖10 為手機(jī)監(jiān)測(cè)端軟件流程圖。

圖10 手機(jī)監(jiān)測(cè)端軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果與分析

圖11 機(jī)器魚(yú)水下測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在機(jī)器魚(yú)放入水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，在水中放入一些障礙物，例如船艦?zāi)Ｐ偷?，如圖11 所示，將機(jī)器魚(yú)放入水中進(jìn)行測(cè)試，打開(kāi)App 監(jiān)測(cè)中心，模塊初始化完畢后，設(shè)置串口波特率，軟件進(jìn)入待接收狀態(tài)，打開(kāi)水下目標(biāo)監(jiān)測(cè)終端，大約10 s 后可以在App中顯示相關(guān)參數(shù)值，同時(shí)其數(shù)據(jù)也會(huì)顯示在水下監(jiān)測(cè)終端的液晶顯示屏上。 由App 可以得知在10 時(shí)7 分47 秒 時(shí)，機(jī)器魚(yú)定位在北緯41°55. 486 205′，東經(jīng)123°24.177 011′，垂直方向偏斜0°，水平方向偏斜24.13°，目標(biāo)距離24.13 cm，系統(tǒng)工作正常。 根據(jù)圖12(a)、12(b)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器魚(yú)能夠?qū)φ系K進(jìn)行規(guī)避，并且自主循跡。

圖12 App 接收信息及顯示處理結(jié)果

5 結(jié)論

文中研究并設(shè)計(jì)了一種小型水下機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)，詳細(xì)研究了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了控制算法仿真實(shí)驗(yàn)和總體實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 通過(guò)對(duì)該水下探測(cè)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)表明:基于Arduino 微處理器和傳感器模塊組成的嵌入式硬件系統(tǒng)能有效地進(jìn)行信息探測(cè)和數(shù)據(jù)處理；終端軟件與手機(jī)軟件進(jìn)行協(xié)同工作；控制仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:串級(jí)控制算法可以高性能地完成控制任務(wù)；實(shí)際運(yùn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，該小型機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)可以有效對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位，完成水下任務(wù)。 文中研究的系統(tǒng)對(duì)水下小型智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。