机器鱼

鱼形水下机器人

机器鱼，顾名思义，从材料制作的外形像鱼的机器，配备有化学传感器的自主机器鱼，它能够在水中游数小时，机器鱼用以发现污染物质，并绘制港口的实时三维图，从而表明当前海水中存在什么化学物质以及位于什么地方。这项技术的开发将增加港口管理部门监视船舶污染、其他类型有害污染物和来自水下管道排放污染物质的灵活性和适应性。除了有益于欧盟港口的监视操作外，这个项目还能带来机器人技术、化分析、水下通讯和机器人智能的重要进步。

简介

整个鱼分为三部分：头部（包括鱼鳍），身体，尾部；鱼鳍只控制鱼的向前游动，而身体是鱼的主要部分，控制电路及电机和相关驱动电路都在其中，尾部可以分为两部分，都是进行左右摆动，这两部分都是通过电机控制的连杆来控制的。在鱼头部装有两个鱼须，它代表两个简易的接近传感器，鱼须外覆橡胶套进行绝缘，以防止水导电，内部裸露，在内部的须中装有一个外套环，给这个同样裸线套环上加上高电平，当鱼在规定的水域中游动时，若鱼须碰到障碍物，内部的须线便接触到外套环，此时鱼须上也为高电平，便可以利用这个信号给主控单片一个中断。另外，整个鱼密封设计，利用高弹性的橡胶制作鱼的外皮。电源部分能够自动感知电源的不足，及时报警，由于采用外部密封，所以必须使电源能够充电，而不必经常的更换电池，只需在鱼体上加上外接电源插头就可以了。这些需要一些相关辅助电路.我们做的只是近似鱼的行为模拟，若进行其他的设计，可以在上面加一些其他的传感器件，也可以把它设计成有线控制，这样对鱼的控制更加直接。

工作模式

游动原理

机器鱼唯一的动力来自尾巴。这片尾巴，由后部伸出的一只机械臂带动。机械臂由大臂和小臂组成，位置有点像尺骨与桡骨。它们分别接到两只电机上，做不同运动。尽管构造简单，合起来就可能构成复杂的动作。你可以想象一只拿着扇子的手———肘关节也可以扭动，腕关节也可以扭动。

机器鱼模仿的是鱼或海豚的动作。鱼和海豚尾巴的划水动作看似简单，其实需要专门的仿生学研究其轨迹，得出相应的算法，好指挥机械尾巴运动，做到尽量平滑。细看这条尾巴，既不同于金枪鱼等海鱼尾巴的形状，也不同于一般淡水鱼的尾巴。据介绍，这是通过多次试验比较优化的形状，其划动效率最高。

具体可以分为三种：

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而从鱼的游动所依靠的生理部位和推进原理来说，可以分为两大类为BCF类和MPF类，BCF（body and/or caudal fin），这类鱼主要依靠身体和尾部的摆动来游动，MPF（median and/or paired fin），这类鱼依靠身体中部的腹鳍来游动。以下所采用的机器鱼类模型便是BCF类，是一种基本的鱼类模型，依靠身体的后半部分和尾鳍进行摆动而游动。

仿生原理

所制作的机器鱼把鱼的身体的后部和尾鳍分为两个关节，利用两个电机进行控制。整个鱼体可以分为四大块，分别是：感知区，行为区，动作区，还有学习指令区。感知区对应着实际应用的传感器，动作区代表带动鱼体动作的电机，拉杆和齿轮，行为区是用来控制电机的实际电路。而学习指令区是鱼的大脑，代表控制程序，这里也就是主控制芯片（本项采用MC68HC908MR8）。

控制原理

机器鱼无论是靠身体摆动还是鱼鳍的摆动，都需要人为的控制。这个控制部分代表鱼形机器人的大脑和核心。本项采用无线控制，可以把控制器如单片机放在机器鱼内部，同时通过遥控器对单片机进行简单的控制。无线电发射台传输正确的信号，机器人内部由一个无线电接受装置，接受到信号以后，向各个子系统发出控制信号，所以该机器人能按规定的指令执行动作。

优点

如原地或小场地游动，极好的游动机动性和水中悬停性能以及游动费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离游动，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。

高效性

鱼类游动的推进效率高达90%以上，这使得鱼类能够在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度并具有持久的耐力，而当前螺旋桨船舶的推进总效率不超过60%。

机动性

主要表现在两点：加速特性和转向特性。鱼类运动不像当前的螺旋桨推进方式，推进与转弯分离，鱼类通过胸鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统一，但在当前的螺旋桨推进方式下的舰艇在高速行驶时需要很大的转向半径。

低噪性

螺旋桨在高速旋转时会产生过多不需要的紊流、非定常的涡流和热量，还会伴随产生大量的空泡噪音、扰动噪音。而鱼类的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失，充分利用并控制涡流，不产生漩涡尾迹，有利于隐身和突防，具有重要的军事价值。

研究扑翼就必须从飞行生物进化的扑翼获得仿生灵感，其飞行能力和技巧的多样性多半来源于他们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。

使用价值

机器鱼项目将使用到高级群集智能技术，从而有效控制和协调群组的机器鱼，并适合于在港口环境中快速作出改变。任何一条鱼发现污染后，会把污染点位置的GPS详细资料发送给其他鱼。

机器鱼安装有自主导航装置，可以让它们在不需要人为控制的情况下在港口周围游动。在使用8小时后，即电池电量变低时，它们会自动游回充电站充电。在它们游回的时候，会同时将水质数据通过无线局域网传送给研究人员。如果试验进行良好，那么机器鱼就可用来监测世界各地河流、湖泊和海洋的污染。