一种智能观赏仿生鱼及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种智能观赏仿生鱼。仿生鱼的鱼头部分包括两台胸鳍舵机、一对胸鳍和L型架；L型架的一端与鱼身椭型连接件固定连接，两台胸鳍舵机固定在L型架上，对称安装在鱼头中部，舵机轴与胸鳍齿型啮合。仿生鱼的鱼身部分包括鱼尾前舵机和后舵机、舵机架、U型架和L型架；两台鱼尾舵机分别固定在两个舵机架上，两个U型架分别连接鱼尾前舵机和鱼尾后舵机的输出轴，两个舵机架和两个U型架分别通过两个L型架连接，鱼尾前舵机和鱼尾后舵机串连，形成相对转动的关节。本发明通过四台舵机分别控制鱼胸鳍的转动和鱼尾的摆动，完成仿生鱼的急游、慢游、下潜、上浮等姿态；可通过不同的游动姿态组合，达到丰富观赏效果的目的。
【专利说明】一种智能观赏仿生鱼及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种观赏仿生鱼及其对其游动姿态的控制方法，属于机械仿生【技术领域】。
【背景技术】
[0002]国内从事鱼类推进机理研究和机器鱼相关研究的研究机构较少，由于起步较晚，加上各方面因素的影响，使得在鱼类推进机理研究和机器鱼研制方面与国外有相当差距。80年代中后期开始，中国科技大学的童秉纲和程健宇博士采用半解析-半数值的方法，建立了模拟鱼类运动的三维波动板理论，才逐渐开始了国内机器鱼的研究。如今，北京航空航天大学机器人研究所深入开展了仿鱼机器人(潜水器)技术的研究，提出了“波动推进理论”及其分析方法，设计研制仿生机器鳗鱼、机器海豚；2001年中科院自动化研究所研发的基于微机电系统传感器的仿生机器鱼，其胸鳍机构由舵机通过一对万向轴和一对齿轮带动，胸鳍转动机构由舵机通过一对锥齿轮带动，尾部左右摆动机构由一个直流电机通过两个共轭凸轮控制两个关节的摆动。2008年中科院自动化研究所又提出一种通过步进电机驱动实现仿生鱼的转动和拍动运动，通过直线电机带动活塞往复运动调节机器鱼体积的方式改变机器欲所受的浮力，实现上升下潜的方法。
[0003]目前，国内外设计的仿生鱼主要由直流电机或步进电机通过一定的传动机构实现胸鳍或尾部的相关动作。即使使用舵机，也并没有将胸鳍与尾部一起使用，也没有通过舵机直接连接胸鳍，实现仿生鱼的上浮下潜，也没有将两个舵机串连实现仿生鱼加减速游动。同时随着仿生鱼技术发展的成熟和社会热点的提高，仿生鱼娱乐方面的需求逐渐体现出来，但是国内设计的仿生鱼体型一般都比较大，与一般真鱼有较大的差距，当与真鱼放在一起游弋时，会非常不协调。现根据有关鱼类推进理论，提出一种小型智能观赏仿生鱼设计，它共用4个微型舵机控制，其中2个舵机实现尾部摆动，达到快慢速游动的效果。另2个舵机实现胸鳍转动，实现上浮下潜的效果。它比较独特的地方是可以和真鱼一起在水池里自由游动，不仅在家里，在公园，学校，休闲和旅游景点等也都满足社会需求，能够吸引大批人们驻足观赏，具有一定的经济效益。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有仿生鱼技术存在的不足，提供一种能实现急游、慢游、下潜、上浮等姿态的智能观赏仿生鱼及其控制方法。
[0005]实现本发明发明目的的技术方案是提供一种智能观赏仿生鱼，包括鱼头、鱼身、鱼尾和控制系统。仿生鱼的鱼头与鱼身通过鱼身椭型连接件连接并密封，鱼身与鱼尾通过鱼尾椭型连接件连接并密封；所述的鱼头，包括两个胸鳍舵机及电源、一对胸鳍和L型架，L型架的一端与鱼身椭型连接件固定连接，控制系统的胸鳍舵机输出端分别与两台胸鳍舵机的控制端连接；两台胸鳍舵机固定在L型架上，对称安装在鱼头中部，两台舵机的输出轴分别与对应的胸鳍齿型啮合；所述的鱼身，包括鱼尾前舵机及电源、鱼尾后舵机及电源、舵机架、U型架和L型架；鱼尾前舵机和鱼尾后舵机分别固定在两个舵机架上，两个U型架分别连接鱼尾前舵机和鱼尾后舵机的输出轴，两个舵机架和两个U型架分别通过两个L型架连接，鱼尾前舵机和鱼尾后舵机串连，形成相对转动的关节；控制系统的鱼尾舵机输出端分别与鱼尾前舵机、鱼尾后舵机的控制端连接。
[0006]本发明技术方案的鱼尾前舵机架与L型架的一端固定连接，L型架的另一端与鱼尾后舵机的U型架固定连接，U型架的上端与舵机轴上的齿盘固定连接，U型架的下端与舵机架通过轴承连接，前U型架的中端与鱼尾后舵机的L型架的一端固定连接，鱼尾后舵机的U型架的中端与鱼尾椭型连接件固定连接。
[0007]本发明技术方案还涉及一种智能观赏仿生鱼的控制方法，包括对仿生鱼的游动速度及游动姿态的控制，其方法是通过MCU编程，由单片机的输出端分别输出控制信号，控制仿生鱼的两台胸鳍舵机、鱼尾前舵机和鱼尾后舵机，具体包括:
1、控制仿生鱼的转弯:鱼尾前舵机偏置一个转弯的角度并保持，同时，鱼尾后舵机以45度角往复摆动；
2、控制仿生鱼游动的速度:单片机通过定时器中断产生PWM信号，改变矩形波占空比的时间，控制鱼尾前舵机和鱼尾后舵机完成每一次角度转动所需的时间，使两台尾部舵机加速或减速摆动；
3、控制仿生鱼的下潜:两台胸鳍舵机带动仿生鱼头部的一对胸鳍的姿态倾斜向下，同时，两台尾部舵机加速摆动；
4、控制仿生鱼的上浮:两台胸鳍舵机带动仿生鱼头部的一对胸鳍的姿态倾斜向上，同时，两台尾部舵机加速摆动；
5、控制仿生鱼水平游动:两台胸鳍舵机带动仿生鱼头部的一对胸鳍保持水平状态，同时，两台尾部舵机以正常速度摆动。
[0008]与现有技术相比，本发明通过四个动力元件舵机分别控制鱼胸鳍的转动和鱼尾的摆动来完成一系列的游动，包括急游、慢游、下潜、上浮等姿态；可通过不同的游动姿态组合，达到丰富人们视觉观赏效果的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明实施例提供的一种智能观赏鱼的外观示意图；
图2是本发明实施例提供的一种智能观赏鱼的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种智能观赏鱼控制系统的结构原理图；
图4本发明实施例提供的一种智能观赏鱼控制系统的电路图；
图中:1、左胸鳍舵机；2、右胸鳍舵机；3、鱼身椭型连接件；4、鱼尾椭型连接件；5、鱼尾前舵机；6、鱼尾后舵机；7、U型架；8、L型架；9、舵机架；10、胸鳍；11、鱼尾；12、鱼身；13、鱼头。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
[0011]实施例1
参见附图1，它是本实施例提供的观赏鱼外观示意图，它包括鱼头13、鱼身12和鱼尾11三部分，鱼头两侧对称设置一对胸鳍10，胸鳍形状按一般鱼类胸鳍设计；仿生鱼的鱼尾采用带有一定韧性的橡胶皮做成，橡胶皮在水中摆动时具有较好的推动作用。
[0012]参见附图2，它是本实施例提供的观赏鱼的结构示意图，鱼头与鱼身通过鱼身椭型连接件3连接并密封，鱼身与鱼尾通过鱼尾椭型连接件4连接并密封；鱼身椭型连接件3和鱼尾椭型连接件4，形状为一大一小，鱼身椭型连接件较大，作为鱼头与鱼身的连接零件；鱼尾椭型连接件较小，作为鱼身与鱼尾的连接零件。由大至小实现鱼的阶梯椭圆递减形状，两椭型连接件都设计有连接槽，用来安装仿生鱼鱼身防水外壳，并用防水胶密封。
[0013]鱼头外壳两侧对称安装一对胸鳍10，胸鳍与鱼头外壳之间用防水密封微型轴承连接，并用防水密封胶水固定。鱼头内部安装两台胸鳍舵机、电池、MCU控制器，两舵机上方放置3节电池，并用热熔胶固定其位置，两舵机前方放置MCU控制板。通过舵机的驱动使两胸鳍旋转一定角度并摆动。鱼头的两台胸鳍舵机，左胸鳍舵机I和右胸鳍舵机2固定安装在L型架8上，对称安装在鱼头中部，舵机轴分别与两个胸鳍齿型啮合，胸鳍为内齿，舵机轴为外齿山型架8的一端与鱼身椭型连接件3固定连接，控制系统的胸鳍舵机输出端分别与两台胸鳍舵机的控制端连接。
[0014]鱼身包括鱼尾前舵机5和鱼尾后舵机6，舵机架、U型架和L型架；鱼尾前舵机和鱼尾后舵机分别固定在两个舵机架9上，两个U型架7分别连接鱼尾前舵机5和鱼尾后舵机6的输出轴，两个舵机架9和两个U型架7分别通过两个L型架8连接，该结构保证了鱼尾前舵机5和鱼尾后舵机6串连连接，形成相对转动的关节；鱼尾前舵机架与L型架的一端固定连接，L型架的另一端与鱼尾后舵机的U型架固定连接，U型架的上端与舵机轴上的齿盘固定连接，U型架的下端与舵机架通过轴承连接，前U型架的中端与鱼尾后舵机的L型架的一端固定连接，鱼尾后舵机的U型架的中端与鱼尾椭型连接件固定连接，橡胶皮鱼尾与鱼尾椭型连接件4以螺丝螺母连接。本发明在U型架的下端与舵机架之间使用轴承连接方式，有利于减小各个舵机转轴所受的弯矩，使摩擦减小，转动灵活，可以实现两者的相对转角位移，完成“波动推进理论”的鱼类游动机理。
[0015]参见附图3，它是本实施例提供的观赏鱼控制系统的结构原理图，控制系统包括单片机模块、电源模块、检测模块、动力元件(舵机)、无线接受模块等部分。单片机通过编程分别控制四个动力元件一舵机，分别以不同的角度摆动，一般是靠近尾部舵机的摆动角度最大，依次逐渐减小，以实现完美的前进方式。考虑到对仿生鱼的回收充电、修理等问题，本实施例采用无线接收电路实现手动控制，仿生鱼可对放射器发送的控制信号进行解码，完成预定的动作。
[0016]在本实施例中，仿生鱼靠两台尾部舵机——鱼尾前舵机和鱼尾后舵机的摆动，实现加速、减速、右转弯和左转弯。仿生鱼要实现转弯动作就必须使其尾部产生一个单方向的转矩，在转矩的作用下实现鱼体转过一定角度。具体方法是:通过MCU编程，控制两尾部舵机，鱼尾前舵机偏置一定角度并保持，同时鱼尾后舵机以45度角快速往复摆动，通过鱼尾前舵机实现鱼体转向，配合鱼尾后舵机的45度角的摆动产生推力实现转弯。
[0017]同时，仿生鱼游动的加速、减速控制方法是:通过MCU编程，控制两尾部舵机PWM波形的周期，实现控制舵机往复摆动的速度，通过定时器中断(T0\T1)产生PWM信号控制舵机，并改变矩形波占空比变化的速度，实现舵机的加减速。本实施例通过改变矩形波占空比变化的速度来实现加快/减缓两台鱼尾部舵机的来回摆动的速度，即改变舵机转动一定角度所需时间的长短；时间短，鱼尾部来回摆动完成角度的速度加快，就会产生较大的前进推力，使得机器鱼能以较快的速度前行；时间长，鱼尾部来回摆动完成角度的速度变慢，产生较小的前进推力，使得机器鱼前进速度较慢。
[0018]本发明在仿生鱼的前部安装一对具有转动自由的胸鳍，在游动过程中，通过改变胸鳍的姿态，利用水流对胸鳍产生的升力或压力实现上浮下潜。当控制系统的控制信号驱动两台胸鳍舵机转动时，若带动胸鳍的姿态倾斜向下，同时，两尾部舵机加速摆动，提升游速，使两端胸鳍产生向下压力，仿生鱼下潜；当两台胸鳍舵机转动使胸鳍姿态倾斜向上时，同时，两尾部舵机加速摆动，提升游速，使两端胸鳍产生向上升力，仿生鱼则上浮，当胸鳍保持水平且仿生鱼游速较低时，不产生升力或升力较小，仿生鱼水平运动。
[0019]为了实现仿生鱼的远程无线控制，无线模块工作方式为单工方式，分为发送端和接收端。在发送端发送一个字节的数据时，通过高频载波，在接收端即可收到相同的字节数据信号，通过程序的鉴别、解码后即可得到控制指令，可实现对仿生鱼的回收。
[0020]参见附图4，它是本实施例提供的仿生鱼控制系统的电路图；电源部分采用12V锂电池供电，通过LM2576HVT-5.0开关电源稳压器输出5V电压给控制模块、舵机供电。蓝色D2灯为电源指示灯。红色Dl灯为低电压报警灯，当AD检测到锂电池电压低于安全值时，红色Dl灯点亮。P1、P3、P4、P5为4个舵机的接线端，每个接线端包含舵机电源VCC、舵机控制端和舵机地三部分。P2为无线接收的接线端。
[0021]控制模块采用20管脚的STC12C2052单片机作为主控，该单片机分别在14(P12)、16(P14)、18(P16)、19(P17)管脚处连接左胸鳍舵机、右胸鳍舵机、鱼尾前舵机、鱼尾后舵机的控制端，并由单片机编程在P12、P14、P16、P17端口输出占空比可变的脉冲波形(PWM波)，实现对舵机的单独控制，驱动四个舵机。并且按照单片机程序指令，协调各舵机完成前进，左转，右转，加速，减速，上浮，下潜动作。单片机11 (P37)管脚接收无线信号。单片机12(PlO)管脚接收AD检测信号，判断锂电池电压高低，并由单片机13 (Pll)管脚输出LED控制信号，控制红色Dl灯的亮灭。C4、Rl组成单片机的复位电路。Yl、C5、C6组成单片机的振荡电路。
[0022]本发明提供一种由四台舵机分别控制一对胸鳍和两尾部关节，并通过设计和控制一定的动作时序，完成仿生鱼的游弋任务。
【权利要求】
1.一种智能观赏仿生鱼，包括鱼头、鱼身、鱼尾和控制系统，其特征在于:鱼头与鱼身通过鱼身椭型连接件连接并密封，鱼身与鱼尾通过鱼尾椭型连接件连接并密封；所述的鱼头，包括两个胸鳍舵机及电源、一对胸鳍和L型架，L型架的一端与鱼身椭型连接件固定连接，控制系统的胸鳍舵机输出端分别与两台胸鳍舵机的控制端连接；两台胸鳍舵机固定在L型架上，对称安装在鱼头中部，两台舵机的输出轴分别与对应的胸鳍齿型啮合；所述的鱼身，包括鱼尾前舵机及电源、鱼尾后舵机及电源、舵机架、U型架和L型架；鱼尾前舵机和鱼尾后舵机分别固定在两个舵机架上，两个U型架分别连接鱼尾前舵机和鱼尾后舵机的输出轴，两个舵机架和两个U型架分别通过两个L型架连接，鱼尾前舵机和鱼尾后舵机串连，形成相对转动的关节；控制系统的鱼尾舵机输出端分别与鱼尾前舵机、鱼尾后舵机的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能观赏仿生鱼，其特征在于:鱼尾前舵机架与L型架的一端固定连接，L型架的另一端与鱼尾后舵机的U型架固定连接，U型架的上端与舵机轴上的齿盘固定连接，U型架的下端与舵机架通过轴承连接，前U型架的中端与鱼尾后舵机的L型架的一端固定连接，鱼尾后舵机的U型架的中端与鱼尾椭型连接件固定连接。
3.一种智能观赏仿生鱼的控制方法，其特征在于:包括对仿生鱼的游动速度及游动姿态的控制，其方法是通过MCU编程，由单片机的输出端分别输出控制信号，控制仿生鱼的两台胸鳍舵机、鱼尾前舵机和鱼尾后舵机，具体包括: (1)控制仿生鱼的转弯:鱼尾前舵机偏置一个转弯的角度并保持，同时，鱼尾后舵机以45度角往复摆动； (2)控制仿生鱼游动的速度:单片机通过定时器中断产生PWM信号，改变矩形波占空比的时间，控制鱼尾前舵机和鱼尾后舵机完成每一次角度转动所需的时间，使两台尾部舵机加速或减速摆动； (3)控制仿生鱼的下潜:两台胸鳍舵机带动仿生鱼头部的一对胸鳍的姿态倾斜向下，同时，两台尾部舵机加速摆动； (4)控制仿生鱼的上浮:两台胸鳍舵机带动仿生鱼头部的一对胸鳍的姿态倾斜向上，同时，两台尾部舵机加速摆动； (5)控制仿生鱼水平游动:两台胸鳍舵机带动仿生鱼头部的一对胸鳍保持水平状态，同时，两台尾部舵机以正常速度摆动。
【文档编号】B63H25/14GK104149954SQ201410358254
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】卢亚平, 宋天麟, 李颂翔 申请人:苏州大学应用技术学院