机器鱼本体及控制系统开发毕业论文.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）机器鱼本体及控制系统开发学 生：学 号：指导教师： 专 业：自动化重庆大学自动化学院二O一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Robot Fish and its Control SystemUndergraduate: Supervisor: Major: AutomationAutomationChongqing UniversityJune 2011摘 要本文的主要目的是设计一个观赏型机器鱼系统。相对于真鱼，机器鱼无需特别照顾，并可以与人进行交互。整个设计过程分为机械结构设计，硬件设计和软件设计。在选择舵机作为驱动源的基础上，提出了分段式机械设计方法，将机器鱼分为头部，中部和尾部三个部分分别设计。头部用于放置控制电路，中部用于放置舵机、电池及传动机构，尾部无内部结构。采用这种设计，可以使机器鱼设计更具有模块化的特点且便于密封防水。为了使机器鱼外形美观，采用了增加支架与架设肌肉的设计方案，并且对整条鱼进行蒙皮设计，使外观更真实。机器鱼的硬件部分包括电源、传感器、无线通信模块和控制电路。电源部分采用镍氢电池串联并添加稳压电路来实现。传感器用于检测障碍，采用的是红外光电传感器。对于无线通信，采用NRF24L01无线通信模块来实现。控制电路的主要作用是采集传感器的信号，控制无线模块接收数据以及通过运算控制舵机的运转，从而控制机器鱼的运动。软件部分主要包括运动模式的选取与控制程序的设计。对于运动模式，我们选择常见的鲹科模式，控制程序基于51单片机编写，内容包括无线通信，传感器检测，运算与舵机控制。经实验，机器鱼最终运动效果良好，可以正常躲避障碍物，使用遥控器可以对机器鱼进行自由遥控，达到了设计目标。关键词：机器鱼，观赏型，分段设计，躲避障碍，遥控ABSTRACTThe main purpose of this paper is to design an Ornamental robotic fish system. Relative to the real fish, the robotic fish dont need to be taken special care of and can interact with people. The entire design process is divided into mechanical design, hardware design and software design.On the basis of select the steering gear as the driving source, in mechanical design,. Proposed the segmental design, the robotic fish is divided into three parts of head, middle and tail and designed respectively. Head for placing the control circuit, the central place for the servo, battery and transmission, tail hasnt internal structure. Using this, robotic fish design is more modular and easy to seal waterproof. Use the increase in stent design and erection of muscle to make the robot fish beautiful. And the design of the whole fish skin make the fish look more real.The hardware of the robotic fish include power, sensors, wireless communication module and control circuitry. For power using nickel-metal hydride batteries in series and add a voltage regulator circuit to achieve. Sensors for detect obstacles is an infrared photoelectric sensor. For wireless communication, the NRF24L01 is used. The main function of the control circuit is to collect the sensor signals, control the wireless module to receive data and control the steering operation by operation, so as to control the movement of robotic fish.The software part includes the selection of movement mode and control program design. For the movement mode, we choose the common Carangidae mode, the control program prepared based on 51 single-chip, including wireless communications, sensor, computing and the steering gear control.Experimental results, the movement robot fish works well finally, it can avoid obstacles normally and can be remote control freely. The design goal is achieved.Key words： Robot fish, Ornamental, Segmented design, Avoid obstacles, Remote control目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 概述11.2 仿生机器鱼研究概况21.2.1 国外研究概况21.2.2 国内研究概况51.3 课题设计目标62 机器鱼机械结构设计82.1 机器鱼驱动源选择82.2 机器鱼机械结构设计102.2.1 自由度选择与分段设计方案102.2.2 头部设计112.2.3 中部设计122.2.4 尾部设计142.2.5 鱼鳍设计142.2.6 防水结构设计142.3 机器鱼外观设计162.3.1 支架与肌肉162.3.2 蒙皮173 硬件设计193.1 电源193.2 传感203.3 无线通信213.4 控制电路234 运动模式与程序设计254.1 机器鱼运动模式分类254.2 运动模式264.2.1 直线运动264.2.2 转弯运动264.2.3 上浮与下潜274.3 程序设计275 实验与结论325.1 实验过程325.2 实验结果325.3 结论33参考文献341 绪论1.1 概述工程技术发展到今天，已经达到了相当高的地步。单一方向的技术发展越来越显现出它的局限性。因此，各种交叉科学异军突起，取得了许多不凡的成就。其中，就包括仿生学。仿生学是上世纪六十年代出现的一种边缘交叉科学。它是由生命科学与工程技术相互交叉、相互结合而成。通过把生物学应用到工程系统中，仿生学对机器人学的研究与发展起到了巨大的推进作用，因此，越来越多的注意力被投到了仿生学上。例如波士顿动力公司在美国军方的支持下研制出一种机器狗，其稳定性以及方向感令人惊叹，可以处理战场上许多未知的挑战。又如近日，德国科技公司费斯托(FESTO)的科学家发明了一种叫做SmartBird的机器鸟，它可以自主地启动、飞翔和降落，灵活程度可以和真正的鸟相媲美。它精简的材料和结构使得资源和能源的消耗降到最低，飞行效率远高于螺旋桨机构。对于鱼类的仿生同样早已开始，鱼类是水生生物，经过几亿年漫长的进化过程，形成了近乎完美的在水中行进的生理结构与运动模式。鱼类就像极其出色的流体力学专家，通过恰当的利用流体力学原理，鱼类获得了极高的推进效率和机动性能，远高于普通的螺旋桨推水机构。在推进效率方面，金枪鱼在速度高达80km/h的情况下，推进效率达到90%，而相比之下，普通螺旋桨推进系统只有4050%。在机动性能方面，起动时，鱼类的加速度竟然可以达到50倍重力加速度，远高于螺旋桨机构。转弯时鱼类的转弯半径只有体长的1030%，而普通螺旋桨推进系统要达到体长的35倍。由于鱼类的这些优越性，对于鱼类的仿生具有很大的研究与应用价值1。在应用方面，主要在以下方面有比较好的应用前景2。1. 军事方面，螺旋桨推进器在运行时会产生许多不必要的紊流，并产生许多空泡噪音、扰动噪音。由于仿生鱼类游动时有噪声低，尾流与真鱼相似的特点，不容易被对方声纳探测，使得仿生鱼具有较大的军事价值。2. 环境检测方面，由于机器鱼运行效率高，在能源限制的情况下，以有限的能源能进行更大范围，更长时间的检测，如水质检测等。3. 生物观察方面，由于机器鱼噪声小，外形与真鱼相似，更容易接近水生生物，进行近距离的科学观察，同时，机器鱼不具有类似螺旋桨的旋转机构，不容易被水草等障碍物缠住，更适合在水环境复杂的地方执行任务。4. 狭窄环境探测方面，由于机器鱼有更高的机动性，可以在狭窄的环境如管道中和缝隙中执行探测任务。5. 娱乐方面，通过对外观进行包装，可以做出各种美丽的机器鱼，在水族馆中供人观赏，并且通过加入智能模块，实现自动巡游以及人鱼交互的功能，具有较大的娱乐与商业价值。1.2 仿生机器鱼研究概况国内外开展机器鱼的研究已经很长时间了，不过对于机器鱼实体的设计，还是从上世纪九十年代开始。随着电子技术与材料科学的发展，机器鱼的设计也越来越成熟，以下做一个简单的介绍3-5。1.2.1 国外研究概况1. 世界上第一条真正意义的机器鱼产生于麻省理工学院，名为Robotuna，是一条机器金枪鱼。该机器鱼长约1.25m，宽0.21m，高0.3m，由2843个零件组成。它由六台无刷直流伺服电动机驱动，在处理器控制下，通过摆动躯体和尾鳍，游动速度可达2m/s，推进效率可达91。如图1.1和1.2图1.1 MIT机器金枪鱼Robotuna图1.2 MIT机器金枪鱼Robotuna结构图1995年，为了研究鱼的机动性和静止状态下的加速性，麻省理工学院又设计了Robotuna的改进版RoboPike。鱼体长约0.81米，重约3.6kg。它的骨架由螺旋形玻璃纤维弹簧构成，这种柔性结构可以使抵抗游动时的撞击，而其强度又足以使其承受水压。该机器鱼具有良好的加速能力。如图1.3和1.4图1.3 MIT机器金枪鱼RoboPike图1.4 MIT机器金枪鱼RoboPike结构图机器金枪鱼的最新版本如图1.5所示，这个新原型拥有柔软的身体，体内只装有1台电机以及6个移动部件，使其能够在更大程度上模拟真实鱼的移动。由于身体完全由一整块柔软的聚合体材料制成，避免了水破坏脆弱内部零件的可能性。由于材料透明，可以完全看到鱼体内部结构。图1.5 MIT最新机器金枪鱼2. 日本国家海洋中心从1998年就开始设计机器鱼。2000年，为了研究机器鱼的转弯原理，他们设计了PF-300。该鱼长度约0.34米，鱼头部中有一个电池组与一个伺服电机。另一个伺服电机位于尾部。通过使用木头做成一个漂浮于水面的天线，可以与外界进行无线通信。如图1.6和1.7图1.6 PF-300机器鱼图1.7 PF-300机器鱼转弯效果图2001年，他们设计出另一款机器鱼，PF-2001，主要面向高性能实验平台和多功能应用，如图1.8和1.9所示。UPF-2001长0.97m，最大速度为0.97m/s，有两个关节，使用升降舵实现上浮和下潜运动。该样机采取了模块设计的概念，分为以下几个模块:电源模块、动力模块、通信模块、控制模块，传动模块。图1.8 PF-2001机器鱼图1.9 PF-2001机器鱼结构图日本国家海洋中心的最新研究是PF-550，是为了研究快速上浮下潜运动而设计的。它采用了一种全新的上浮下潜原理，通过改变尾部的倾角方向实现矢量推进。该机器鱼长度约0.57米，尾鳍可以旋转角度达到90度。如图1.10和1.11图1.10 PF-550机器鱼图1.11 PF-550机器鱼结构图3. 英国Essex大学机器鱼课题组于2003开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。该课题组的机器鱼主要集中在两个系列：G系列和MT系列。其中G系列均是采用多电机多关节的尾部结构，通过对多个电机进行协调控制，该机器鱼游动姿态和真鱼极其相似。图1.12为他们所设计的最新版机器鱼G9的实物图。图1.12 Essex大学G9机器鱼图1.13 Essex大学MT1机器鱼而MT系列机器鱼则是采用单电机、多关节的尾部结构，采用5个参数的控制算法实现机器鱼的三维游动，如图1.13。MT1长约0.48m，重约3.6kg，平均前进速度约为0.4m/s，当采用20度的击水角时，下潜速度为0.021m/s，上升速度为0.022m/s。1.2.2 国内研究概况1. 北京航空航天大学从1999年开始研究机器鱼，为国内最早。2002年，为了进行新型水动力布局的游动稳定性研究，确定尺寸和速度的关系，北航机器人研究所研制了SPC-1机器鱼。该鱼长约1.9m，重约156kg，在频率2Hz时可达最大速度1.5m/s，最小转弯半径为一倍体长。利用这款机器鱼，北航对太湖水质进行了检测。2003年，北航对SPC-1机器鱼进行了改进，研了SPC-2机器鱼，性能较改进前有所提高。并将其用于郑成功古战船遗址的水下考古探测。如图1.14和1.15图1.14 北航机器鱼SPC-1图1.15 北航机器鱼SPC-22. 北京大学从2001年开始研究机器鱼，其设计的游龙系列机器鱼运动灵活，鱼体长约45厘米，驱动器包含四个舵机，可以更真实的模拟鱼的运动姿态。前侧鱼鳍可以控制机器鱼沉浮。鱼体中安装了摄像头与压力传感器，可以获取大量外部信息，便于进行控制与信息采集。如图1.16和1.17图1.16 北京大学机器鱼图1.17 北京大学机器鱼结构图3. 哈尔滨工程大学郭书祥教授课题组于2008年攻克了水中微型机器人的核心技术离子聚合物ICPF的制作工艺，成功研制出生物型驱动器像肌肉一样可以柔性弯曲的驱动器，同时此驱动器还具有传感器功能，由此奠定了水下微型仿生机器人的研究开发基础。2011年，哈尔滨工程大学利用ICPF研制的微型机器鱼参加了“十一五”国家重大科技成就展，该鱼的设计理念是将控制电路板作为鱼的骨架，这种结构改变了传统的设计理念，将机器鱼分成鱼身、尾鳍、胸鳍3部分。该鱼长约9cm，宽约5cm，厚约3cm，重约60g，却可以相当逼真的模拟鱼的游动姿态。如图1.18和1.19图1.18 微型机器鱼图1.19 微型机器鱼结构1.3 课题设计目标通过对鱼类的体型与运动模式进行模仿，设计并制作机器鱼的本体，并设计其控制系统软硬件，并最终进行下水实验，使其可以实现水中自由游动。主要在以下几个方面开展研究：（1）设计机器鱼的机械结构，主要包括自由度的确定，传动机构的设计，以及防水机构的设计。（2）设计机器鱼的外观。主要实现方法是通过内部支架与弹性肌肉配合外部蒙皮，达到所需的外观曲线，并且有比较美观的效果。（3）设计机器鱼的硬件电路，主要包括电源模块，驱动模块，控制模块，检测模块以及无线通信模块，先对各模块进行分部分调试，最终将其整合到一起进行综合实验，当达到预期效果后进行电路板印制。（4）选择机器鱼的运动模型，编写控制算法，使其可以控制机器鱼按合理的姿态运动，并达到良好的运动效果。（5）对机器鱼进行下水实验，观察设计的效果，获得实验数据，并针对不合理的地方进行改进，最后对实验结果进行分析。2 机器鱼机械结构设计2.1 机器鱼驱动源选择在进行机械结构设计之前，首先要选择合适的驱动源。这样才能为相应的驱动源设计其传动及支撑机构。目前驱动源主要包括两大类，一类是传统驱动，另一类是功能材料驱动6。传统驱动主要包括电机驱动，液压驱动与气压驱动。传统驱动一般来说体积都较大，难以用来设计微型机器鱼，但是材料容易获取，在一般机器鱼的设计中使用较多。1. 电机驱动。利用电机产生力矩，直接或经减速机构驱动机器鱼关节。它的特点技术成熟、精度较高，成本低。为提高精度，可以使用伺服电机。目前研制出的机器鱼， 使用电机驱动的方式最多。不过，电机驱动也有它固有的缺点，那就是体积大，重量大，驱动关节时需要传动机构，体积上难以缩减，比较难以用来设计微型机器鱼。2. 液压驱动。液压驱动器的输出力矩与重量比最大、反应灵敏、承载能力大，比较适合于低速大力矩场合。不过液压驱动需要一个恒压泵，并且移动件容易漏油，可能会污染水环境。不适合用在机器鱼之中。3. 气压驱动。利用气缸可以实现高速直线运动，利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制。但由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差。并且在汽缸排气的时候产生的噪音比较大，在水下的情况下，还会产生大量的气泡，不适合利用在机器鱼的设计之中。功能材料驱动主要包括形状记忆合金、压电陶瓷以及人造肌肉。功能材料一般体积都较小，驱动力与重量比较大，可以用来设计微型的机器鱼，鱼体长度可缩减至几厘米。但是对于功能材料的研究还处于比较初级的阶段，材料难以获取，所以只有少数有条件的实验室进行试验性研究。1. 形状记忆合金。这种合金在发生了可塑性变形后，经过合适的加热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应。形状记忆合金驱动力与重量比较大，变形量较大，驱动结构简单，在大多数情况下可以省去传动机构，驱动电压较低，并且对环境无污染。但是它也有固有的缺点，例如在重复运动过程中记忆效应会退化，并且由于目前对该材料的研究还比较初步，材料难以获取，价格昂贵，所以一般机器鱼设计中不太适用。2. 压电陶瓷。压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料，所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。通过对压电陶瓷的逆压电效应进行利用，对其施加电压，即可以用来对机器鱼进行驱动。压电陶瓷的变形精度高，响应非常快，但是也有它的缺点，首先当形变增大时，输出的力矩较小，并且对外界的力的变化敏感。其次，压电陶瓷的型变量很小，一般不超过千分之一，需要增加位移放大机构，最后，压电陶瓷要求的驱动电压较高，达到100V以上，并且压电陶瓷材料也不容易获取，价格较高。3. 人工肌肉。人工肌肉由导电高分子材料集束在一起制成的像肌肉一样的复合体，通过电流激活高分子材料中的离子或电子，使之完成伸缩、折曲的动作，控制电流强弱可调整离子或电子的多少，从而改变其伸缩性。如图2.1和2.2所示。它的特点是能耗低、无噪声、质量轻，形变量大。不过对其的研究还处于初期阶段，距离实用化还有一定距离。图2.1 人工肌肉工作示意图图2.2 人工肌肉工作原理综合成本因素与技术成熟因素方面考虑，我们最终选择了使用电机作为驱动源。电机按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。在机器鱼系统中，交流电源难以获取。只能选择直流电机。直流电机又可分为有刷电机和无刷电机，无刷电机是一种比较新型的电机，因为没有电刷结构，寿命很长，并且其驱动力矩也很大。不过，无刷电机工作时需要专用的驱动电路，且驱动电路体积较大。同时，无刷电机的额定转速一般为3000转每分，为了实现低速大力矩驱动，需要安装大比例减速器，这样就大大增加了电机的体积与重量，所以无刷电机主要在设计大型机器鱼的时候使用，不适合用于我们的小型机器鱼之中。普通直流电机和无刷电机类似，仅仅省去了驱动电路部分，体积仍然很大，考虑到机器鱼的体积限制以及所需力矩并不太大，有一种电机正好符合要求，那就是舵机。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成7。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。舵机是一种角度伺服电机，体积较小，输出转矩较大，控制方便（使用PWM波直接控制），价格便宜，能够满足机器鱼的设计要求。我们所选用的舵机外观如图2.3所示图2.3舵机实物图以下为其具体参数：产品型号：辉盛MG996R产品净重：55g产品尺寸：40.7*19.7*42.9mm产品拉力：11kg/cm(6V)反应速度：0.14sec/60degree(6V)工作电压：4.8-7.2V工作温度：0-55齿轮形式：金属齿轮工作死区：5us2.2 机器鱼机械结构设计2.2.1 自由度选择与分段设计方案现有的机器鱼自由度设计方案中，最简单的为单自由度，复杂的可以达到六个自由度以上。一般来说，自由度越大，鱼体运动的平滑性就越好，对真鱼的模拟效果也更好。但自由度越大，体积就会相应越大。同时，自由度增加，各个关节之间的协调控制也更加困难，也就导致控制难度的增加，在控制水平达不到的情况下，其真正的运动效果并不理想。单关节机器鱼的结构虽然简单，但运动姿态过于生硬，因此不予采用。两关节机器鱼，可以较好的模拟鱼类的运动姿态，控制上也比较简单，因为关节较少，体积可以压缩到一个可承受的范围内，因此，最终选择两个关节作为我们机器鱼的设计方案。在机器鱼的设计中，密封防水一直是一个比较严重的问题。为了解决防水问题，并且使机器鱼系统设计更具有模块化的特点，我们采用了三段式的设计方法。整个鱼体可以分为头部，中部和尾部。头部中主要放置传感器，控制器以及无线通信模块。中部主要放置舵机与电池，并包括传动与固定机构。尾部采用弹性材料铸造而成，为实心结构。头部和中部分别密封，尾部没有需要防水的部件，无需密封。头部的控制器与中部的电机与电池直接采用五根导线连接，可以完成充电，供电，控制等全部功能。这样只需要头部与中部的导线接头处做好防水，而这种防水相对于整体防水而言是较为简单的。2.2.2 头部设计鱼的头部中主要放置检测障碍物用的传感器，控制电路与无线通信模块。因此要求内部有比较大的空间，整个鱼的头部应该设计成空壳形式的。为了外形美观，我们将无线通信模块放置在鱼头内部，为了减少对信号的屏蔽，鱼头在不漏水的前提下应该尽量的薄。鱼头内的元器件对水都非常敏感，严重情况下可能会导致电路短路，造成不可挽回的损害。因此，鱼头部的防水非常重要。因为鱼头内部需要放置无线通信模块，所以头部不能整体使用金属加工而成，那样会阻碍信号的传播。为了美观考虑，鱼头整体应该是流线型，符合大多数鱼类的外形结构。虽然在设计上，曲面造型并不是特别困难，但是数控加工的成本较高。为了节约成本，我们可以手工切削鱼头外形轮廓，并使用石膏制作内外模具，最后使用快速成型树脂浇注，制作出我们需要的外形。鱼头上的传感器应该安装在鱼头的外部，这样才能准确检测到障碍物。为了将传感器信号引入，应该在鱼头上打孔。并且，为了可持续使用已经控制方便，鱼头上还要加工开关孔与充电孔。这些孔都要求完全密封防水。为了方便拆装电路，鱼头的后部应该有较大的开口，这样可以方便的安装电路板与无线模块。为了方便拆装，电路板与各种导线的连接采用插接件。虽然开口大便于拆装，但防水也较困难些。对于大面积开口，可以采用压垫片的方式防水。由于头部采用树脂浇注而成，材料强度较低，如果直接采用压垫片的方式，会损坏鱼头，所以我们的设计是将鱼头通过密封胶粘接到一个铝合金垫片上，再压垫片进行防水。鱼头的设计如图2.4所示图2.4鱼体设计实物图2.2.3 中部设计鱼体的中部主要放置舵机与电池，以及传动与固定机构。因此，鱼体是机器鱼中最主要的部分。关节的设计位置，电机的安装位置，都会影响机器鱼的游动姿态。并且舵机与电池也属于不防水器件，所以，设计好机器鱼的中部非常重要。在固定舵机时，我们选用了现成的铝合金管材，通过简单的切削与打孔，即可很合适的安装我们的舵机，同时，通过调整管材的长度，可以很方便的调整两个关节之间的距离。加工后的铝合金管材效果图如2.5所示图2.5铝合金管材效果图管材的上面切出两个方孔，用来安装舵机，方孔的两端打孔，用来固定舵机。在舵机轴对应的下表面，打一个孔用来安装关节轴承，用来减少摩擦损耗。为了结构上的简单，直接将舵机的输出轴作为鱼体的关节。传动机构采用U型框，具体结构如图2.6所示图2.6型框效果图通过查阅资料得知，对于大多数鱼类来说，身体的可弯曲部分一般都在鱼体总长度的1/2之后，前面部分的姿态基本上是固定的，这样可以增加鱼类游动时头部的稳定性，对于提高效率也有比较大的作用。所以，通过调整舵机的安装方向，将旋转轴尽量后移。U型框的一侧用螺钉固定到舵盘上，另一侧用轴承固定到管材下表面与舵机轴对应的安装孔上，即可将舵机的转动传递出来。安装结构如图2.7所示图2.7安装结构效果图鱼体的中部使用这种方法进行设计，结构简单，成本低，安装方便。并且可以满足我们对机器鱼自由度的要求。2.2.4 尾部设计通过观察鱼类的游动姿态，发现鱼尾部应该具有一定的柔性。因为我们设计的是两关节机器鱼，运动姿态不是特别真实，但是通过柔性尾部在水阻力作用下的被动运动，相当于增加了一个被动自由度，可以使鱼的游动姿态更加真实。为了使尾部具有柔性，我们采用有弹性的材料硅胶进行铸造。首先手工削制鱼尾模型，然后使用石膏制作模具，最后使用双组份的硅胶混合后进行铸造。最终铸造出的鱼尾弹性较好，安装在鱼体上在水中摆动时，后可以较好的在水流的阻力下被动运动，与真鱼的运动姿态比较相似。2.2.5 鱼鳍设计鱼鳍对于鱼的运动有极其重要的作用，尤其是尾鳍，合理的尾鳍可以大幅增加推水效率，提高前进速度。背鳍和腹鳍对于鱼体的稳定有帮助作用。由于我们设计的机器鱼体积限制，鱼体中未加入重心调整及沉浮装置。为了控制机器鱼的沉浮，可以通过调整胸鳍的倾角来实现。原理与飞机飞行原理相似，当鱼具有前进的速度时，有倾角的鱼鳍将会产生浮力，浮力的大小与速度有关。所以当速度小时，机器鱼就会下沉，速度大时，机器鱼就会上浮。为了真实的模拟鱼鳍，我们采用具有一定硬度的塑料片经裁剪而成。通过对鱼鳍的外形进行设计，还可以达到美化外观的效果。尾鳍的实物图如2.8所示图2.8尾部与尾鳍实物图2.2.6 防水结构设计在机器鱼的结构设计中，密封防水是一个非常重要的问题。对于固定件的防水方法比较简单，可以通过密封胶或橡胶垫片来进行防水。而对于运动部件，通常使用的防水方法包括防水轴承，防水轴套，以及使用弹性橡胶套。防水轴承和轴套虽然能够防水，但对于长期浸没在水下的机器鱼，防水效果并不理想，时间久了会产生渗水现象。弹性橡胶套的防水效果较好，它是将运动部件安全包覆在有弹性的橡胶套中，将运动部件转换为固定部件，缺点是弹性橡胶套会对运动部件产生一定的弹性阻力，虽然有缺点，但防水效果对机器鱼更加重要，所以目前对于机器鱼的防水大多采用此种结构，同时为了减少弹性阻力，很多机器鱼将弹性橡胶套做成了褶皱状，弹性阻力有所降低。本机器鱼为了更方便的进行防水以及进行模块化的设计，将整个鱼体分为三部分。头部和中部分别防水，尾部无需防水。因为头部中不含有运动部件，所以可以采用密封胶和橡胶垫片进行防水。在头部中安装传感器、充电接口和开关的部分，在所打孔处用密封胶进行防水。对于鱼头后部用来安装电路板的大开口处，使用橡胶垫压紧进行密封，密封效果较好，且容易拆装。控制线与电源线的引出线也用密封胶进行密封，这样头部的密封就完成了。如图2.9图2.9头部防水结构实物图对于中部，我们采用利用橡胶套，整体将所有运动部件密封到内部的方法。因为鱼体中部呈圆柱状，比较容易加工，只要将两头密封，整个中部就可以防水。对于橡胶套两头的密封，我们采用的仍然是使用橡胶垫压紧的方法，比较容易拆装且密封效果好。通过将压紧橡胶的垫片加工出特殊的结构，即可使用螺钉将头部与中部，中部与尾部连接起来，连接结构如图2.10和2.11所示，这样就形成了机器鱼整体。图2.10头部连接结构效果图图2.11整体连接结构效果图2.3 机器鱼外观设计因为我们设计的机器鱼主要用于观赏目的，所以对于外观的要求较高，有两个方面需要主要，一方面是外形曲线，另一方面是蒙皮装饰。2.3.1 支架与肌肉头部与尾部的外形曲线可以通过改变铸造用的模具外形来实现，而中部在未经处理之前主要是长方体状。为了产生观赏鱼的中间粗两端细的曲线，我们采用增加支架，并且在支架上架设弹性硅胶的方法来实现。通过在舵机的固定架上和U型框上打孔，并在孔上安装不同长度的立柱，可以塑造出各种需要的曲线。通过这种方式进行曲线设计比较简单，调整方便。支架安装的位置要比较合理，在鱼体曲线的最高点一般需要安装支架。由于支架上安装的硅胶棒弹性较好，所以支架数量无需太密集，我们采用的是上下分别安装四个支架。具体结构如图2.12所示图2.12支架安装效果图机器鱼的肌肉主要是为了使外形曲线更平滑，以及将密封用的橡胶套支撑起。通过支架形成的外形曲线是由分段的直线组成，平滑性较差。而通过在支架上架设有弹性的硅胶棒，可以形成一条相当平滑的曲线。同时，弹性硅胶棒对于机器鱼摆动时关节的转折也具有平滑的作用，可以将关节的直接转角在外部效果上转变为曲线的过度。示意图如2.13所示图2.13硅胶棒平滑作用示意图因为机器鱼的中部完全使用橡胶套密封。而橡胶套本身没有塑形能力，所以，通过硅胶棒还可以将橡胶套支撑起，使其避免接触到内部金属部件，防止刮破。鱼体上下侧的曲线主要通过支架加硅胶棒来塑造，两侧的曲线则主要通过在舵机固定架上覆盖有弹性的海绵来实现。使用海绵还会使机器鱼触感柔软，同时，海绵可以吸水，对于意外情况下橡胶套渗水时也可以产生临时的保护作用，避免内部元件被快速损坏。2.3.2 蒙皮通过支架与肌肉可以设计出机器鱼的基本外形曲线，但是对于观赏型机器鱼来说，外部装饰同样十分重要。对于蒙皮的设计，我们首先使用弹性布料根据机器鱼的外形曲线裁剪出相应的形状，并将其缝合起来，相当于为机器鱼量体制作了一件衣服。为了穿脱方便，可以在下部不明显的地方安装拉链。在弹性布料上，我们缝制上鱼鳞状的反光塑料片。缝制塑料片有两方面的好处，第一，塑料片与真实的鱼鳞效果相似，可以更真实的模拟鱼类的外观形态；第二，机器鱼的外蒙皮在鱼体摆动弯曲的时候会产生褶皱，鱼鳞因为是经层叠缝制而成，可以将褶皱遮挡住，进一步美化了机器鱼的外观。3 硬件设计3.1 电源电源是机器鱼硬件构成的重要组成部分。考虑到机器鱼需要在水中自由游动的特点，不便采用外接电缆供电，而应该使用电池供电8。对于供电电池，有多种选择，在类别上分为不可充电电池和可充电电池。不可充电电池需要经常更换，更换不方便且不环保，所以一般采用可充电电池。充电电池根据工作原理有多种，主要有镍镉电池，镍氢电池，锂电池，铅蓄电池。镍镉电池是较早出现的一种可充电电池，单体电压为1.2V，优点是自放电率较镍氢电池低、内阻小、价格相对便宜；缺点是容易产生记忆效应，并且电池容量不大。镍氢电池是一种新型的高容量可充电电池，他的很多特性与镍镉电池相同，性能优于镍镉电池，可望代替传统镍镉电池。镍氢电池的单体电压也为1.2V，常见型号与镍镉电池相同。它的优点是单体电池容量大、内阻低、基本没有记忆效应；缺点是自放电率较高。可充电的锂离子电池是目前比较先进的电池，它具有能量密度高的特性，使锂电池具备重量轻、体积小、容量大、无记忆效应等优点，但对充电要求很高，需要专用的充电器，过充电可能会导致漏液和爆炸，并且价格较贵。铅蓄电池主要用在需要大容量电池的场合，不过一般铅蓄电池体积都比较大，不适合使用。在机器鱼的设计中比较合适的是镍氢电池和锂电池。不过为了安全考虑，我们最终选择了镍氢电池作为机器鱼的电源。由于在机器鱼系统中，单片机的供电电压是4.5-5.5V，舵机的供电电压是4.8-7.2V以上，所以我们采用6节电池串联来供电。镍氢电池的特点是电池刚充满时电压很高，当电量将耗尽时电压较低，存在电压不稳定的问题。舵机对于电压的耐受范围较宽，可以不予考虑，但是单片机需要比较稳定的电压，所以需要将电池电压经过稳压后再供应给单片机。用于通信的无线模块，其工作电压为3.3V，同样不能直接使用单片机的5V电压，需要经过另一个稳压芯片将电压降至3.3V后才可以使用。稳压芯片根据工作原理主要有两种类型：串联型稳压和DC-DC稳压。串联型稳压芯片一般需要有1.5V以上的压降才能正常工作，并且能耗比较大，不过稳压后的电压平稳无杂波，且芯片价格便宜；而DC-DC型稳压基本没有压降，能耗少，但稳压后的电压有轻微的高频干扰，并且芯片价格稍贵。为了尽量降低电路的功耗，我们优先采用DC-DC稳压芯片。经试验，该芯片产生的电压可以完全满足单片机正常工作的要求。在产生无线模块使用的3.3V电压时，采用的是比较便宜的串联稳压芯片，经试验可以完全满足无线模块工作要求。具体电源电路设计如图3.1和3.2图3.15V电压稳压电路图图3.23.3V电压稳压电路图3.2 传感在设计机器鱼时，传感器的主要作用是用来进行障碍物的检测。能进行障碍物检测的传感器一般包括激光传感器，超声波传感器，红外光电传感器。激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快