一种机器鱼及其路径规划方法与流程

本发明实施例涉及仿生装置技术领域，更具体地，涉及一种机器鱼及其路径规划方法。

背景技术：

海洋水下，随着越来越深入海底，其环境也越来越恶劣，压力压强也剧增，腐蚀性特别高，传感器更加容易产生不透明性。因此要想充分利用海洋的丰富多样的巨大资源宝库，海洋探索工具必须具备保证其质量。为了顺应时代的背景，国内外学者开始着手进行自主式水下航行器(auv)的研制。自主式水下航行器可以完成复杂的水下作业，尤其是在当人类下水容易造成生命健康威胁的情况下。当进行水下作业的时候，如果根据具体情景，需要水下驱动装置进行很深的海底作业时，这就需要具备一些相应功能的auv来完成任务。auv的一大特色就是相对体积较小，可以进行无线通讯比较灵活，而且无线通讯可以省去很多人工作业，这对海洋中工作尤其是在深海中的工作的人们提供了安全保证，避免不必要的人工下海，这是其现实意义中的优点。

即使已经突破了一些难题，取得了相应的进展，但要研究解决的问题还很多，比如在新型材料技术、无线通信技术、能源尤其是新能源技术、推进方式技术方面。其设计方向要适应长时间、大范围、多功能等也需要解决。推进系统的设计是auv系统的技术关键和需要克服的难点，大部分推进系统的原动机都是液压马达或着是电磁马达，主要是利用叶轮或者螺旋桨的运转来推进水下驱动装置的运动。

但是，现有水下航行装置由于其机械结构和推进方式的特点，导致其存在噪音大、机动性差、动态响应慢以及机械结构复杂等缺点。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的机器鱼及其路径规划方法。

一方面本发明实施例提供了一种机器鱼，包括鱼身和尾鳍；其中，

所述鱼身为空腔结构，所述鱼身的腔体内部设置有电磁驱动器，所述尾鳍与所述电磁驱动器的动力输出端连接。

进一步地，所述电磁驱动器包括：两个永磁体、线圈、动力输出臂；其中，

所述两个永磁体正对设置在所述鱼身的腔体内部的壳体上，所述动力输出臂与所述鱼身的壳体铰接，所述动力输出臂的一端与所述尾鳍连接，所述线圈设置在所述动力输出臂的另一端，且所述线圈的圆心与所述两个永磁体中心连线的中点重合，且所述线圈正对所述两个永磁体设置。

进一步地，所述两个永磁体与所述鱼身的腔体内部的壳体上相应的孔通过过盈配合连接。

进一步地，所述线圈与所述动力输出臂的另一端上相应的孔通过过盈配合连接。

进一步地，所述鱼身的尾部设置有两个正对的第一凸台，所述两个第一凸台上分别设置有轴承孔，所述动力输出臂上设置有贯通孔，所述动力输出臂与所述鱼身的壳体通过穿装于所述两个轴承孔和所述贯通孔的中心轴，以及分别设置在所述两个轴承孔内的两个法兰轴承铰接。

进一步地，在所述法兰轴承和所述动力输出臂之间还设置有推力轴承。

进一步地，所述动力输出臂的一端和所述尾鳍之间设置有尾柄，所述尾柄的一端设置有第一凹槽和多个第一螺纹孔，所述尾柄的另一端设置有第二凹槽和多个第二螺纹孔；

所述动力输出臂的一端设置有第二凸台，所述第二凸台嵌入所述第一凹槽，且所述动力输出臂的一端通过多个第一螺栓和所述多个第一螺纹孔与所述尾柄的一端螺纹连接；

所述尾鳍嵌入所述第二凹槽，且所述尾鳍通过多个第二螺栓和所述多个第二螺纹孔与所述尾柄的另一端固定连接。

进一步地，所述鱼身包括鱼头和鱼身中部两部分，且所述鱼头和所述鱼身中部可拆卸连接，所述鱼身的腔体内部设置有微处理单元、供电单元以及通信单元。

另一方面本发明实施例提供了一种机器鱼的路径规划方法，包括：

s1，根据测距传感器反馈的测距结果，判断机器鱼的行进方向上是否有障碍物；

s2，若判断获知所述机器鱼的行进方向上有障碍物，则基于模糊控制规则根据所述机器鱼与障碍物之间的距离，得到所述机器鱼的转弯角度信息；

s3，根据所述转弯角度信息控制所述电磁驱动器，以使所述机器鱼避开所述障碍物。

进一步地，在步骤s1之前还包括：

利用红外测距传感器进行测距，获取所述测量结果。

本发明实施例提供的一种机器鱼及其路径规划方法，通过电磁驱动器为尾鳍提供动力，进而在尾鳍的驱动下使机器鱼行进和变换方向，由于采用了电磁驱动器的驱动方式，该机器鱼噪音小，机动性强，动态响应快，且机械结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种机器鱼的三维结构示意图；

图2为本发明实施例中尾鳍的装配示意图；

图3为本发明实施例中尾柄的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种机器鱼的路径规划方法的流程图；

图5为本发明实施例中红外距离传感器采集信息示意图；

图6为本发明实施例中避障流程示意图；

附图标记：

1-鱼身；2-尾鳍；

3-永磁体；4-线圈；

5-动力输出臂；6-中心轴；

7-法兰轴承；8-推力轴承；

9-尾柄；10-第一凹槽；

11-第一螺纹孔；12-第二凹槽；

13-第二螺纹孔；14-鱼头；

15-鱼身中部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种机器鱼的三维结构示意图，如图1所示，包括鱼身1和尾鳍2；其中：

所述鱼身1为空腔结构，所述鱼身1的腔体内部设置有电磁驱动器，所述尾鳍2与所述电磁驱动器的动力输出端连接。

其中，鱼类在自然界中，经过长期的不断进化，逐渐演化为现在的形状和游动模型。根据鱼类游动方式的不同，可以将鱼类分为身体-尾鳍(bcf模式)式推进方式和胸鳍-对鳍(mpf模式)推进模式。而前者在整个鱼类中占有的比例较大，优选地，本发明实施例基于bcf模式对机器鱼的鱼身和尾鳍的结构和外形进行设置。bcf模式中，机器鱼的鱼身推进主要动力来源于尾鳍的摆动，鱼身行进方向的变换也受尾鳍方向变换的控制。

电磁驱动器是基于磁场对其中通电导体会产生作用力这一原理来输出动力，通过磁场方向或导通中电流方向可以改变作用力的方向，从而实现一定频率的摆动。

具体地，本发明实施例中的机器鱼在水下运行时，由于电磁驱动器设置在鱼身的腔体内部，即其相对于鱼身固定不动。电磁驱动器的动力输出端与尾鳍连接，即其输出动力时，尾鳍相对于鱼身摆动。尾鳍摆动即可推动鱼身行进，同时在行进过程中随时调整行进方向。

可以理解的是，尾鳍摆动的方向及频率由电磁驱动器输出的决定，只需要控制电磁驱动器的动力输出即可实现对尾鳍摆动方向及频率的控制。

本发明实施例提供的一种机器鱼，通过电磁驱动器为尾鳍提供动力，进而在尾鳍的驱动下使机器鱼行进和变换方向，由于采用了电磁驱动器的驱动方式，该机器鱼噪音小，机动性强，动态响应快，且机械结构简单。

在上述实施例中，如图2所示，所述电磁驱动器包括：两个永磁体3、线圈4、动力输出臂5；其中，

所述两个永磁体3正对设置在所述鱼身1的腔体内部的壳体上，所述动力输出臂5与所述鱼身1的壳体铰接，所述动力输出臂5的一端与所述尾鳍2连接，所述线圈4设置在所述动力输出臂5的另一端，且所述线圈4的圆心与所述两个永磁体3中心连线的中点重合，且所述线圈4正对所述两个永磁体设置。

其中，在线圈4中通有预设频率的交流电。两个永磁体中一个永磁体靠近线圈4一侧的极性与另一个永磁体靠近线圈4一侧的极性相同，同为n极或s极。

具体地，当线圈4中通入预设频率的交流电时，当其电流方向为第一方向时，由右手定则可以得到线圈4中产生磁场的极性。由线圈4与两个永磁体3正对设置，线圈4一侧与两个永磁体3中的一个永磁体一侧极性相同，则相互吸引；线圈4的另一侧与两个永磁体3中的另一个永磁体一侧极性相反，则相互排斥，线圈4向一个永磁体摆动。由于动力输出臂5与鱼身1的壳体铰接，则动力输出臂5以铰接出为支点形成杠杆，当处在动力输出臂5的另一端的在线圈4的作用下向一个永磁体摆动时，动力输出臂5一端向相反的方向摆动。又由于动力输出臂5的一端与尾鳍2连接，则当处在动力输出臂5的另一端的在线圈4的作用下向一个永磁体摆动时，尾鳍2向相反的方向摆动。进而，当线圈4中的电流方向为第二方向，即与第一方向相反的方向时，基于同样的原理，尾鳍2向相反的方向摆动。因为交流电的方向按一定频率改变，则尾鳍2也按一定频率摆动，进而驱动鱼身前进。

可以理解地，通过对交流电强度的控制可以控制尾鳍2摆动的力度，通过对交流电频率的控制可以控制尾鳍2摆动的频率，从而实现鱼身1的推进及转向。

上述电磁驱动器结构简单易于实现，且只需对交流电的强度和频率进行合理控制，即可实现机器鱼的推进、转向等功能，动态响应快，机动性强。

在上述实施例中，再次参考图2，所述两个永磁体3与所述鱼身1的腔体内部的壳体上相应的孔通过过盈配合连接。所述线圈4与所述动力输出臂5的另一端上相应的孔通过过盈配合连接。

具体地，采用过盈配合安装两个永磁体3和线圈4，装配简单，且能保证鱼身1的密封性，以及线圈4的牢固程度。

在上述实施例中，再次参考图2，所述鱼身1的尾部设置有两个正对的第一凸台，所述两个第一凸台上分别设置有轴承孔，所述动力输出臂上设置有贯通孔，所述动力输出臂5与所述鱼身4的壳体通过穿装于所述两个轴承孔和所述贯通孔的中心轴6，以及分别设置在所述两个轴承孔内的两个法兰轴承7铰接。

具体地，铰接处即为中心轴6所处位置，其将动力输出臂分为两个部分：位于鱼身1内部提供动力的动力臂，位于鱼身1外部与尾鳍2连接的阻力臂。动力臂摆动的幅度决定了阻力臂的摆动幅度，具体实践时，可根据各部件尺寸进行设计确定，在此不做限定。

进一步地，在所述法兰轴承7和所述动力输出臂5之间还设置有推力轴承8。

两个推力轴承8的设置，可以避免动力输出臂5和第一凸台之间相互摩擦，而影响动力向尾鳍2的传递。

在上述实施例中，如图3所示，所述动力输出臂5的一端和所述尾鳍2之间设置有尾柄9，所述尾柄9的一端设置有第一凹槽10和多个第一螺纹孔11，所述尾柄的另一端设置有第二凹槽12和多个第二螺纹孔13；

所述动力输出臂5的一端设置有第二凸台，所述第二凸台嵌入所述第一凹槽10，且所述动力输出臂5的一端通过多个第一螺栓和所述多个第一螺纹孔11与所述尾柄9的一端螺纹连接；

所述尾鳍2嵌入所述第二凹槽12，且所述尾鳍2通过多个第二螺栓和所述多个第二螺纹孔13与所述尾柄9的另一端固定连接。

具体地，在对机器鱼进行装配时，只需通过尾柄9的两端分别连接动力输出臂5和尾鳍2，再通过螺栓将动力输出臂5和尾鳍2分别与尾柄9固定即可完成装配。

通过加入尾柄9，使得机器鱼的装配更加方便、可靠，且便于使用过程中的部件检修和更换。

在上述实施例中，所述鱼身1包括鱼头14和鱼身中部15两部分，且所述鱼头14和所述鱼身中部15可拆卸连接，所述鱼身1的腔体内部设置有微处理单元、供电单元以及通信单元。

其中，微处理单元分别与供电单元及通信单元连接，用于控制供电单元和通信单元。供电单元与线圈4连接，用于在微处理单元的控制下为线圈提供交流电。通信单元用于与外界实现通信联系。

鱼头14和鱼身中部15可拆卸连接，可以方便其中微处理单元、供电单元以及通信单元的安装和检修。

图4为本发明实施例提供的一种机器鱼的路径规划方法的流程图，如图4所示，包括：

s1，根据测距传感器反馈的测距结果，判断机器鱼的行进方向上是否有障碍物；

s2，若判断获知所述机器鱼的行进方向上有障碍物，则基于模糊控制规则根据所述机器鱼与障碍物之间的距离，得到所述机器鱼的转弯角度信息；

s3，根据所述转弯角度信息控制所述电磁驱动器，以使所述机器鱼避开所述障碍物。

进一步地，在步骤s1之前还包括：

利用红外测距传感器进行测距，获取所述测量结果。

其中，对仿生机器鱼的控制，主要应用在路径规划上。路径规划主要有局部路径规划和全局路径规划。全局路径规划是模型运动环境为固定不变的，障碍物也是静态且位置不变的。局部路径规划是针对一定的未知区域进行的规划。由于仿生机器鱼游动的水下环境和应用的场景根据具体情况而不同，因此对仿生机器鱼的路径规划采用的是局部路径规划。局部路径规划主要有人工势场法、模糊逻辑法、神经网络法、遗传算法等。各算法的特点如下：

(1)人工势场法：人工势场法是将环境模拟成具有场能的方法。模型在其中都有一定的势能，这种势能可以通过数学公式计算出来。模型在其中的受力主要有引力和斥力。引力是模型与目标点的之间的力，且距离目标点越远，引力越大；斥力是模型与障碍物之间的力，且与障碍物之间的距离越小，斥力越大。当模型与障碍物之间的斥力达到某一极限值时，就会远离障碍物，实现避障。

(2)模糊逻辑法：人们在日常生活中经常对边界划分不是十分清楚的实物用模糊的语言来描述。再通过大脑进行模糊判断和推理。模糊逻辑法属于人工智能的方法之一。它不用建立精确的数学模型，用近乎自然的语言描述自变量和因变量和两者之间的关系。

(3)神经网络法：神经网络法是模拟人脑神经元之间处理信息的方式。人工神经网络的基本结构就是神经元，大量的神经元之间的联系组成了神经网络。它具有一定的自适应性。

(4)遗传算法：此算法是模拟的自然界生物进化的方式，建立环境模型，并将模型进行编码。用数学函数的方法求出最后路径。

基于上述特点，对电磁驱动机器鱼避障方面，本发明实施例采用的是模糊逻辑法。

具体地，视线导航的基本原理是根据现在处于的坐标位置和要到达的目标的坐标位置之间的关系为控制的输入参数，进而控制仿生机器鱼的位姿。要想让仿生机器鱼可以有效避开障碍物，必须要有像鱼类的眼睛的装置，可以对周围信息进行采集，及时发现障碍物，反馈给中央处理器，根据与障碍物的位置信息进行控制处理。本发明实施例采用的是红外距离传感器，对障碍物进行距离的信息进行获取。红外传感器只能测量仿生机器鱼与某一点的距离，为了尽可能模拟出分布式对信息的采集，本发明实施例采用的视线导航原理为在仿生机器鱼左右两侧距离鱼头位置50mm处各安装一个红外距离传感器，分别测斜向前一定角度的距离。这样近似于一定角度的扇形面都在红外传感器的采集范围内，如图5所示。在具体实现时，实现流程可以如图6所示。

本发明实施例提供的一种机器鱼路径规划方法，基于模糊控制规则结合测距传感器的测量结果，对电磁驱动器的偏转角度进行控制，可以实时避障，以实现对机器鱼在水下行进时的路径的局部规划，该方法准确率高，实时性强。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。