机器鱼 毕业论文 - 图文(7)

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 4 运动模式与程序设计

4 运动模式与程序设计

4.1 机器鱼运动模式分类

鱼类经过几亿年的进化，产生了各种各样的生理结构，对于运动模式，也各不相同。Sfakiotakis.M等人在1999年给出了一种比较完整的运动模式分类方案：将水生生物的游动模式分为四种，包括喷射式，身体波动式，尾鳍摆动式，MPF推进式，其中，对于鱼类来说，运动模式有以下三种[11]-[13]：

1. 身体波动式。如水蛇、鳗鱼等，它们的游动姿态与正弦波形的前进姿态相似，它们把身体当作推进器，用身体的正弦波波动来向后推水来游动，速度不快，但其前进单位距离所需推力最小。

2. 尾鳍摆动式。这种模式的显著特点是身体前部几乎不动，主要利用鱼的身体后半段和尾鳍的协调摆动产生推进力，运动部分仅占身体长度的1/3到1/2。根据其尾部的特点，又可以分为鲹科模式和鲹科加新月形尾鳍模式，

1)鲹科模式。如鳟鱼、鲱鱼等，这种运动模式最为常见，大多数鱼类都采用这种模式，它拥有比较好的速度、加速度和机动性能。

2)鲹科加新月形尾鳍模式。如金枪鱼、马林鱼等，尾鳍的展弦比通常较大，在快速游动的时候效率非常高。

3. MPF (Median and/or Paired Fin) 推进式。这种推进模式比较特殊，它主要是利用除了尾鳍之外的一些鱼鳍划动向前推进，如胸鳍、腹鳍、臀鳍、背鳍等。这类鱼较少，大多数的鱼类只是利用这些鳍来保持平衡和控制转向。

表4.1给出了鱼类推进模式的分类与特点

鱼类推进模式分类

表 4.1

模式 身体波动式

推进速度 较慢

推进效率 较低 较高 最高 最低

鲹科模式 较快 鲹科加新月形尾鳍

最快

模式

MPF推进式 最慢

机动性能

在狭窄场所有较好的机动性能 较好 一般 最好

我们所设计的机器鱼是小型观赏型机器鱼，要求能在小的范围内如鱼缸中自由游动，对速度的要求不是特别高。经比较考虑，最终选择最常见的鲹科模式。该种模式运动速度较快，效率较高，机动性能也较好。

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4.2 运动模式 4.2.1 直线运动

对于鱼类来说，直线运动是最常用的运动，也是最能体现运动特征的运动模式。我们所设计的机器鱼的直线运动，就采用前面所说的鲹科模式。具体实施时，以我们设计的双关节机器鱼的结构为基础，经参考鲹科模式的运动学特点，并经过模型简化，我们设计了四变量运动模型。在此模型中，我们设定机器鱼的前后关节转角均按照正弦波规律摆动，符合中间快两侧慢的鱼类摆尾运动特点，同时也便于模型的简化。

该运动模型由以下四个变量组成：前面关节的正弦摆动幅值正弦摆动幅值

，前后正弦摆动的频率相同，为

运动方程的建立如下：

公式(1)

其中，

和

是前后关节与中心线的实时摆动夹角，为摆动的角速度。经过实

，后面关节的

，前后正弦摆动的相位差 ，

验验证，此模型可以很好的概括机器鱼的运动特征，达到较好的运动效果。

4.2.2 转弯运动

相对于直线运动来说，转弯运动要考虑的因素要少一些。鱼类转弯时，运动模式主要分为两种，一种是C型转弯模式，即突然向一侧快速大角度摆尾，整个身体呈C字的形状，这种摆尾模式转弯速度快，转弯半径小，机动性能好，但是对于驱动源的要求较高，需要提供快速，大扭矩的摆动，并且只能进行一次快速摆尾，不能持续转弯，鱼类采用这种转弯模式主要是为了躲避天敌的突然袭击。

另一种为渐进转弯模式，即在转弯时，鱼尾通过将摆动的中心值偏移，导致推力的方向不是鱼体的正后方，而是与鱼体有一定的夹角，这样由于受力不均，将产生转弯运动。这种转弯模式转弯半径稍大，但是对于驱动源的要求较低，容易实现，且可以持续转弯。

针对我们的观赏型机器鱼，对于转弯半径的需求不是特别高，在有些情况下可能需要持续转弯，所以，我们转弯的主要模式为渐进转弯。转弯时，前面关节朝转弯方向偏转一定角度并保持固定，有利于借助水流的作用进一步减小转弯半径。后面关节以鱼体的中心线偏转一定角度后进行正弦摆动，运动方程如下：

公式(2)

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其中，和为前后关节的初始偏角，度。通过改变，和

为尾部的摆动幅值，为摆动的角速

的参数值，即可改变转弯的速度与转弯半径的大小。经过

试验验证，我们所用的转弯模式转弯效果较好。

4.2.3 上浮与下潜

上浮与下潜功能对于观赏型机器鱼来说是比较重要的。鱼类的上浮下潜主要是靠鱼鳔的增大减小并配合鱼鳍的运动实现的。对于机器鱼来说，实现的方法就比较多，目前主要有以下几种方法：

1. 鱼鳔式：通过模拟鱼类的鱼鳔，在机器鱼体内增加一个水囊，通过改变水囊中水量的多少来改变机器鱼的重量，进而使机器鱼上浮或下潜。使用该原理进行升潜，需要增加一个压水机构与一个水囊，需要占用较大空间。

2. 变胸鳍倾角式。通过改变胸鳍的倾角，来改变胸鳍所产生的浮力大小，和飞机的飞行原理类似。但存在的问题是浮力的大小与机器鱼的运动速度有关，速度越快，浮力越大，所以需要进行反馈调整，另外，调整胸鳍倾角需要增加一个电机，对于电机输出轴的防水也是一个比较麻烦的问题。

3. 变推水方向式。通过改变鱼尾的推水方向，从而改变机器鱼整体的受力方向。推水方向的改变主要是通过内部机构改变鱼尾的上下倾角，当需要向下运动时，将鱼尾向上倾角，向上时反之。使用该模式，机器鱼运动模式与真鱼有较大差异，谈不上仿生。

4. 变重心式。通过改变机器鱼的总体重心，改变机器鱼在水中的倾角，进而改变机器鱼的推水方向，从而使机器鱼产生升潜运动。不过这种方式同样需要比较大的空间进行放置重心调整机构。

最终，经过对占用空间及升潜效果的权衡，我们采用的方式是第二种方式的简化方法。胸鳍倾角固定不变，这样可以减少一个电机，并解决了难以防水的问题。因为倾角固定不变，浮力的改变只能通过改变速度来实现。当需要上浮时，加快速度，下潜时反之。虽然使用这种方式调整升潜比较僵硬，但考虑到实现方便，无需占用任何内部空间，故而被我们采用。

4.3 程序设计

因为我们的机器鱼主要分为两部分：机器鱼本体部分与遥控部分，因此本体部分与遥控部分的程序是分开的，下面分别进行讲述。

遥控部分：机器鱼的遥控部分是通过单片机控制无线模块来实现的，为了能够实现遥控功能，还需要加入功能按键。按键主要有：自动，遥控，前行，左转，右转，加速，减速，停止。其中自动和遥控指的是让机器鱼自动运动和通过接受遥控信号来运动。当分别按下这些按键后，单片机通过控制无线模块发送单字节

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的数据，数据的值为无符号整型数据0-7。遥控程序较为简单，主要程序流程如4.1

开始是否按下自动键否是否按下遥控键否是否按下前进键否是否按下左转键否是否按下右转键否是否按下加速键否是否按下减速键否是否按下停止键否是发送数据 0是发送数据 1是发送数据 2是发送数据 3是发送数据 4是发送数据 5是发送数据 6是发送数据 7

图4.1 遥控部分程序流程图

机器鱼本体控制程序的主程序的主要功能是接收无线的控制信号和传感器的信号，并进行动作的决定。当接收到数据0时，将运动模式改为自动运行状态，这时机器鱼将不再接受动作遥控，而是通过传感器来判断该进行合作运动，当下方有障碍是，只需上浮，故不列于表中，主要判定规则如表4.2

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传感器判定规则表

表 4.2

前方是否障碍 是 是 是 是 否 否 否 否

左侧是否障碍 是 是 否 否 是 是 否 否 右侧是否障碍 是 否 是 否 是 否 是 否 运动状态 随机转向 右转 左转

随机转向 前行 右转 左转 前行

当接收到数据1时，机器鱼转变为遥控模式，此时，机器鱼的运动可由遥控器来控制，例如前行，左转，右转，加减速，停止等等。运动控制命令也是通过判断接收的数据值来进行的。机器鱼本体主程序的流程图如图4.2

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