一种用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼的制作方法

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼。

背景技术：

机器鱼，故名思议，从材料制作的外形像鱼的机器，机器鱼已在水质监测领域有十分广泛的应用，这一类型的机器鱼通常装有化学传感器，用于分析水中污染物成分等。本款机器鱼拟用于水产养殖业，用于定期驱赶鱼群，使鱼群定期游动，肉质得到改善，提高市场效益。

当前机器鱼的驱动方式常常基于仿生学，主要分为以下三种：

a.Anguilliform：(鳗状的)通过整体身躯肌肉的波动来游动，像鳗鱼一样

b.Carangiform：通过尾鳍和与尾部相连的身躯摆动来游动，像鲑鱼，金枪鱼，旗鱼

c.Ostraciifrom：只通过尾鳍的摆动而不利用身体摆动而进行泳动

然而当前机器鱼技术存在以下的弊端和改进：

1、现有机器鱼多用于水质监测等领域，依靠精密的化学传感器等，造价高。

2、由于其应用限制，当前机器鱼对于其外形和游动速度不加要求，然而用于驱赶鱼群的机器鱼对于其游动速度具有较高的要求。

3、现有机器鱼技术的防水流程复杂，且防水效果较差，成本较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼及其控制方法。

本实用新型所采用的技术方案如下：

用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼，包括顺次相连且外表面包裹蒙皮的鱼头、鱼身和鱼尾；所述的鱼头内部设有相连的排水针管、排水舵机、曲柄滑块和摄像头；所述的排水舵机通过曲柄滑块与排水针管的活塞相连，用于驱动活塞运动以改变管内液体质量；所述的排水针管数量为双数，两两对称设置于鱼头内 部，且针头的出水口位于鱼头外部；

所述的鱼头通过连接支架与鱼身相连，鱼身内设有若干个驱动舵机，驱动舵机之间通过级连固定件相连，最靠近鱼尾的驱动舵机通过级连固定件与鱼尾相连；级连固定件上固定有用于支撑蒙皮的蒙皮框架；靠近鱼尾的驱动舵机在靠近鱼头的驱动舵机的驱动下在水平方向转动；

所述的摄像头、排水舵机和驱动舵机分别与控制器相连。

作为优选，所述的控制器为树莓派。

作为优选，所述的蒙皮采用3M VHB胶带进行防水密封。

作为优选，所述的控制器、排水舵机和驱动舵机由电源设备进行供电，电源设备包括航模电池、电压降压模块和辅助电路

作为优选，所述的级连固定件整体呈Z形，上臂末端呈十字形，通过螺钉与上一级舵机的舵盘相连，上臂始端留有两个螺纹孔，用于与下一级舵机相连，进而完成级连的功能，并且传递扭矩；上臂始端设有肋板以提升结构强度。

作为优选，所述的控制器通过无线传输模块与用户进行数据交互。

该机器鱼的控制方法包括上下运动控制和左右运动控制；

所述的上下运动控制步骤如下：

S101：通过摄像头采集鱼群图像，并由控制器通过无线传输模块发送至服务器，在服务器端对图像中的目标鱼群进行位置识别，并将位置信息转换成控制指令传输回控制器中；

S102：控制器接收控制指令后，解析出该指令所对应的俯仰角度

S103：控制器控制排水舵机在t时间内匀速旋转角度θ₁，θ₁＞0时排水针管水的体积增加，且θ₁的计算公式如下：

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{J_{1}arctan\frac{z}{y}}{t^2{\mathrm{\ρgAL}}_{1}R}\right)$

式中：

y-目标点与鱼重心的轴向距离；z-目标点与鱼重心的竖直方向距离；ρ-液 体密度；g-重力加速度；A-排水针管的横截面积；L₁-针管中心与鱼重心距离；R-舵机曲柄滑块长度；J₁-机器鱼竖直方向转动惯量；

上述公式的推导原理如下：

机器鱼的上下运动需要改变机器鱼在径向的俯仰角。为了便于控制，我们采用了固定时间调节的方式。

首先当鱼接收到旋转命令后，能够解析出指令俯仰角度通过俯仰角度经过以下的计算能够得到在指定时间t内，排水舵机所需要转过的角度θ₁：

通过改变排水舵机的旋转角度θ₁来改变排水针管中的水的体积ΔV，其对应关系如下：

d＝R sinθ₁

ΔV＝dA＝RAsinθ₁

体积的变化造成机器鱼前部重力ΔF的变化，进而来改变机器鱼的前后扭矩ΔT的大小：

ΔF＝ΔVρg＝ρgARsinθ₁

ΔT＝2ΔFL₁＝2ρgAL₁Rsinθ₁

扭矩ΔT会造成机器鱼在径向的旋转，计算可得：

ΔT＝J₁β₁

若我们要求运动在时间t内完成则可以得到下面的等式：

$\∫\∫{\mathrm{\β}}_{1}dtdt=arctan\frac{z}{y}$

$\∫\∫\frac{2{\mathrm{\ρgSL}}_1{\mathrm{Rsin\θ}}_1}{J_1}dtdt=arctan\frac{z}{y}$

求解得即若使鱼在时间t内偏转角度，需 要要求旋转舵机旋转

d-排水针管活塞位移；ΔV-排水针管排水体积；ΔF-因ΔV而增加的重力；ΔT-因ΔV而增加的转矩；β₁-机器鱼竖直方向旋转角加速度；

y-目标点与鱼重心的轴向距离；z-目标点与鱼重心的竖直方向距离；ρ-液体密度；g-重力加速度；A-排水针管的横截面积；L₁-针管中心与鱼重心距离；R-舵机曲柄滑块长度；J₁-机器鱼竖直方向转动惯量；

S104：完成步骤S102后，由控制器控制排水舵机恢复至未旋转前的角度；

S105：不断重复S101～S104，实现垂直方向对目标鱼群的追赶；

所述的左右运动控制步骤如下：

S201：通过摄像头采集鱼群图像，并由控制器通过无线传输模块发送至服务器，在服务器端对图像中的目标鱼群进行位置识别，通过鱼群偏离图像中心的位置预测得到机器鱼需要偏离的角度θ₂，并将位置信息转换成控制指令传输回控制器中；根据驱动舵机的运动幅度限制，设置鱼尾摆动次数N，来回摆动记为1次，单次摆动使机器鱼偏离的角度为θ'，θ'＝θ₂/N；

S202：控制器接收控制指令后，解析出该指令所对应的双侧不对称旋转角度α和γ；其中α和γ为所有驱动舵机转动的角度之和，α＞0时，鱼尾以鱼头为原点逆时针转动；γ＞0时，鱼尾以鱼头为原点顺时针转动；α和γ满足以下约束条件：

τ₁＝F_DL₂cos(γ-γ₁)

τ₂＝F_DL₂cos(α-α₁)

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2}{4J_2}{t}^2$

式中：双侧鱼尾受力作用点和鱼重心之间所称角度为角度α₁和γ₁；F_D为尾部所受的总作用力；L₂-鱼尾中心与鱼重心间的距离；J₂为机器鱼水平方向的转 动惯量；τ₁-鱼身以鱼头为原点顺时针方向所受力矩；τ₂-鱼身鱼头为原点逆时针方向所受力矩；t-为单次摆动过程的总时间；

以上公式的推导原理如下：

水平方向控制按照左右两个摆动周期作为一次控制周期，进行粗略控制，每次转动的角度θ'。控制的流程为：

接收到旋转命令，解析出旋转方向。然后对尾部舵机进行旋转角方向的不对称控制。最后完成后鱼身恢复到初始状态。

其中机器鱼每次旋转的角度θ'与双侧不对称旋转角度α和γ之间的关系如下：

机器鱼鱼尾打水所收到的合外力可由以下公式计算得：

$F_D=\frac{1}{2}{C}_d{\mathrm{\ρv}}^{2}S$

其中v＝ωL₂。

如果左右之间的角度为双侧不对称旋转角度α和γ，双侧鱼尾受力作用点和鱼重心之间所称角度为角度α₁和γ₁，则两侧极端位置所收到的力矩为：

τ₁＝F_D sinγL₂sinγ₁+F_D cosγL₂cosγ₁＝F_DL₂cos(γ-γ₁)

τ₂＝F_D sinαL₂sinα₁+F_D cosαL₂cosα₁＝F_DL₂cos(α-α₁)

由于机器鱼摆动的速度较快，我们可以将受力进行近似，并且认为是恒力矩，则单次摆动所转过的角度为：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2}{4J}{t}^2$

以总共摆动两次为例，所以每次执行旋转命令所转过的角度为：

${\mathrm{\θ}}_2=2{\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2}{2J}{t}^2$

上述公式中涉及参数的定义如下：

为尾部所受的总作用力；C_d-阻力系数；v-鱼尾摆动线速度； S-鱼尾面积；L₂-鱼尾中心与鱼重心距离；J₂为水平方向的转动惯量；τ₁-鱼身顺时针方向所受力矩；τ₂-鱼身逆时针方向所受力矩；t-为单次摆动的总时间；γ-鱼尾顺时针转动角度；γ₁-鱼尾相对重心转过的顺时针角度；α-鱼尾逆时针转动角度；α₁-鱼尾相对重心转过的逆时针角度。

S203：控制器控制驱动舵机转动，向两侧依次摆动α和γ，并重复N次；

S204：不断重复S201～203，实现水平方向对目标鱼群的追赶。

作为优选，所述的上下运动控制和左右运动控制同时或分别或依次进行。

本实用新型相对于现有技术而言，具有以下技术效果：

(1)机器鱼的机械效率和游动速度问题

现有技术多用于水下摄影、水质勘测等，重点放在其探测器的精密程度上，不对机器鱼平台的游动速度具有较高要求，然而本款机器鱼通过对于机械结构的改善和合理的运动规划增加游动速度，提高输出效率。

(2)机器鱼的运动规划问题

传统机器鱼常用于固定深度的水下，然而这款机器鱼的应用场所环境复杂，需要多种运动方向(直行、转弯、上浮、下沉等)，此款机器鱼通过一个固定于鱼头处的排水装置，改变鱼的重量，进而改变其密度，从而实现机器鱼在水中的上浮及下沉。

(3)机器鱼的防水问题

传统技术未开发一套成本较低的防水结构，此款机器鱼利用了一种高弹性的材料VHB进行鱼身的防水和密封，既保护了电路和机械结构，又不干扰机器鱼本身的运动。

附图说明

图1为一种用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼的俯视内部结构图；

图2为级连固定件的示意图；其中a)为主视图；b)左视图；c)俯视图；

图3为本实用新型的机器鱼侧视图；

图4为机器鱼左右运动的控制示意图；

图5为本实用新型的排水舵机曲柄滑块装置运动示意图；

图6为机器鱼上下运动的控制示意图。

图中：排水针管1、排水舵机2、曲柄滑块3、级连固定件4、蒙皮框架5、鱼尾6、连接支架7、控制器8和摄像头9；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1和3所示，一种用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼。该机器鱼主体部分分为顺次相连且外表面包裹蒙皮的鱼头、鱼身和鱼尾6。蒙皮采用3M VHB胶带进行防水密封，每次下水前都需要重新包裹，以保证机器鱼内部的防水性能。

所述的鱼头内部设有相连的排水针管1、排水舵机2、曲柄滑块3和摄像头9；所述的排水舵机2通过曲柄滑块3与排水针管1的活塞相连，用于驱动活塞运动以改变管内液体质量；所述的排水针管1数量为双数，两两对称设置于鱼头内部，且针头的出水口位于鱼头外部。本实施例中，排水针管1、排水舵机2及曲柄滑块3作为质心调整模块，共有2套，对称放置于鱼头下部。舵机带动曲柄滑块旋转，曲柄滑块机构与排水针管内活塞相连，从而将舵机的旋转运动转换为活塞的往复运动。

所述的鱼头通过连接支架7与鱼身相连。本实施例中，鱼身内设有3个驱动舵机，驱动舵机之间通过级连固定件4相连，最靠近鱼尾6的驱动舵机通过级连固定件4与鱼尾6相连。鱼尾部分前半部分采用与舵机级联固定件上臂部分相同的结构，后半部分固连一个鱼尾形状的排水板，通过打水的方式推动鱼在水中前进。

级连固定件4上固定有用于支撑蒙皮的蒙皮框架5。本实施例中，蒙皮框架5分为大小三个，呈椭圆形，分别通过胶连的方式固定在级联固定件上，面积大小比例分别为13:11:7，每级框架由两个由左右两个堆成的部分组成，上下分别由大小不同的1/4椭圆组成，相互之间平滑连接。靠近鱼尾6的驱动舵机在靠近鱼头的驱动舵机的驱动下在水平方向转动。尾部首级舵机通过螺钉固定在连接支架7上。如图2所示，级连固定件4整体呈Z形，上臂末端呈十字形，通过螺钉与上一级舵机的舵盘相连，上臂始端留有两个螺纹孔，用于与下一级舵机相连，进而完成级连的功能，并且传递扭矩；上臂始端设有肋板以提升结构强度。

所述的摄像头9、排水舵机2和驱动舵机分别与控制器8相连。本具体实施方式中控制器8为便于开发的树莓派。树莓派通过螺钉安装在机器鱼内部，实现 机器鱼的基本控制。摄像头采用树莓派配套的专用摄像头，通过CSI接口与树莓派对应接口连接，摄像头模块通过支架固定在鱼的前部。

机器鱼中控制器8、排水舵机和驱动舵机由电源设备进行供电，电源设备包括航模电池、电压降压模块和辅助电路。

为了实现与远程服务器的交互，控制器8通过无线传输模块与用户进行数据交互。

本实用新型对机器鱼的基本控制原理为：

水平方向控制：接收到服务器端的指令后，树莓派会采取一系列的动作，以完成机器鱼水平方向的位置控制：

左：向左移动，α>β；中：向前直线移动，α＝β；右：向右移动，α<β

竖直方向控制：接收到服务器端的指令后，树莓派会采取一系列的动作，以完成机器鱼竖直方向的位置控制。

上：排水舵机旋转，从而带动曲柄连杆装置，使活塞前移，这样机器鱼的整体重心后移并且重力减小，双方面原因造成鱼身上浮。

下：排水舵机旋转，从而带动曲柄连杆装置，使活塞后移，这样机器鱼的整体重心前移并且重力增加，双方面原因造成鱼身下沉。

树莓派中还设有辅助程序，辅助程序主要是用来执行一些辅助的功能，其中包括：

自平衡控制：通过单独改变左右排水舵机的旋转角度，使鱼身总体质心位置发生改变，相对于机器鱼的几何重心产生一定的扭矩，以保证机器鱼自身的扭矩平衡。

低电压保护：当机器鱼检测到工作电池电压低于一定阈值时，会启动低电保护，排光质心调整模块中针筒中的所有的水并使鱼尾对称运动，迫使机器鱼浮出水面。

进一步的，基于上述机器鱼，还可以提供一种所述用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼的控制方法，包括上下运动控制和左右运动控制。上下运动控制和左右运动控制可以根据实际需要同时、分别或依次进行。

如图5～6所示，所述的上下运动控制步骤如下：

S101：通过摄像头9采集鱼群图像，并由控制器8通过无线传输模块发送至 服务器，在服务器端对图像中的目标鱼群进行位置识别，并将位置信息转换成控制指令传输回控制器8中；

S102：控制器8接收控制指令后，解析出该指令所对应的俯仰角度

S103：控制器8控制排水舵机2在t₁时间内匀速旋转角度θ₁，θ₁＞0时排水针管1水的体积增加，且θ₁的计算公式如下：

${\mathrm{\&theta;}}_1=arctan\left(\frac{J_{1}arctan\frac{z}{y}}{{t_1}^2{\mathrm{\&rho;gAL}}_{1}R}\right)$

式中：

y-目标点与鱼重心的轴向距离；z-目标点与鱼重心的竖直方向距离；ρ-液体密度；g-重力加速度；A-排水针管的横截面积；L₁-针管中心与鱼重心距离；R-舵机曲柄滑块长度；J₁-机器鱼竖直方向转动惯量；

S104：完成步骤S102后，由控制器8控制排水舵机2恢复至未旋转前的角度；

S105：不断重复S101～S104，实现垂直方向对目标鱼群的追赶；

如图4所示，所述的左右运动控制步骤如下：

S201：通过摄像头9采集鱼群图像，并由控制器8通过无线传输模块发送至服务器，在服务器端对图像中的目标鱼群进行位置识别，通过鱼群偏离图像中心的位置预测得到机器鱼需要匀速偏离的角度θ₂，并将位置信息转换成控制指令传输回控制器8中；根据驱动舵机的运动幅度限制，设置鱼尾摆动次数N，来回摆动记为1次，单次摆动使机器鱼偏离的角度为θ'，θ'＝θ₂/N；

S202：控制器8接收控制指令后，解析出该指令所对应的双侧不对称旋转角度α和γ；其中α和γ为所有驱动舵机转动的角度之和，α＞0时，鱼尾以鱼头为原点逆时针转动；γ＞0时，鱼尾以鱼头为原点顺时针转动；α和γ满足以下约束条件：

τ₁＝F_DL₂cos(γ-γ₁)

τ₂＝F_DL₂cos(α-α₁)

${\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_1-{\mathrm{\&tau;}}_2}{4J_2}{t_2}^2$

式中：双侧鱼尾受力作用点和鱼重心之间所称角度为角度α₁和γ₁；F_D为尾部所受的总作用力；L₂-鱼尾中心与鱼重心间的距离；J₂为机器鱼水平方向的转动惯量；τ₁-鱼身以鱼头为原点顺时针方向所受力矩；τ₂-鱼身鱼头为原点逆时针方向所受力矩；t₂-为单次摆动过程的总时间；

S203：控制器8控制驱动舵机转动，向两侧依次摆动α和γ，并重复N次；

S204：不断重复S201～203，实现水平方向对目标鱼群的追赶。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。