CN110316341A - 一种仿生机器旗鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机器旗鱼，涉及海洋探索领域，解决了目前机器对海洋探索对原生环境影响大，难以精确监测的弊端，其技术方案要点是包括有依次相连的鱼头、鱼身和鱼尾；还包括有安装于鱼头和鱼身之间以进行连接并控制转向及浮沉的转向沉浮装置、安装于鱼身和鱼尾之间以进行连接并对鱼尾摆动进行控制的转向装置；还包括有固定安装于鱼头的鱼眼摄影装置及对水下参数进行传感检测的传感器组，鱼身内部安装有对游动姿态进行控制的控制装置及进行供电的供电装置，本发明的一种仿生机器旗鱼，能够在海洋稳定的探索，对海洋原生环境影响小，探测结果真实精度高。

Description

一种仿生机器旗鱼

技术领域

本发明涉及海洋探索设备，特别涉及一种仿生机器旗鱼。

背景技术

地球上大部分的区域被水域覆盖，海洋中有着丰富的资源，人类对海洋的开发和探索从未停止过。对人类来说，虽然对海洋的研究已经有了很长时间，但海洋的大多数秘密对人类来讲还是未知的。因此，在对未知海洋的探索中，需要依靠各种各样的机器人来完成。

目前对未知海洋的探索中，需要依靠各种各样的机器人来完成，而在一些相对局限的环境下，很多机器人难以很好的发挥，在海洋中探索时容易影响到海洋生物的正常生活方式，对于探索的结果会造成或多或少的干扰，还有待改进的空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生机器旗鱼，能够在海洋稳定的探索，对海洋原生环境影响小，探测结果真实精度高。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种仿生机器旗鱼，包括有依次相连的鱼头、鱼身和鱼尾；还包括有安装于所述鱼头和鱼身之间以进行连接并控制转向及浮沉的转向沉浮装置、安装于所述鱼身和鱼尾之间以进行连接并对鱼尾摆动进行控制的转向装置；还包括有固定安装于鱼头的鱼眼摄影装置及对水下参数进行传感检测的传感器组，所述鱼身内部安装有对转向沉浮装置与转向装置进行控制的控制装置及进行供电的供电装置。

采用上述方案，仿生旗鱼在水下游动对其他生物的影响小，鱼身安装的转向浮沉装置、转向装置及供电装置可以实现仿生旗鱼在水下的灵活游动，相比较机器人，具有鱼类的特点能够更好的实现水下探索，且旗鱼可以利用自身的侧扁形流线型结构和灵活的转弯机制实现对复杂的水中环境的监测和完成水下作业；鱼头安装的鱼眼摄影装置方便在探索的同时进行拍摄，传感器组进行水下情况的传感检测，做到真实以及相对实时地对水下情况的获取。

作为优选，所述转向沉浮装置包括有转向控制机构和沉浮控制机构；所述转向控制机构包括若干沿鱼身高度方向竖直放置的第一舵机，所述沉浮控制机构包括有若干一一垂直于对应于第一舵机横向放置的第二舵机，还包括有若干用于固定连接的舵机支架。

采用上述方案，转向沉浮装置通过第一舵机和第二舵机的相互连接，通过舵机的动作控制实现动作，且第一舵机和第二舵机相垂直连接的方式实现鱼头上下左右的动作控制，进而实现仿生旗鱼的转向和沉浮，且第一舵机和第二舵机均设置有若干，动作控制更加的稳定。

作为优选，所述鱼身分为与鱼头相连的第一节、与鱼尾相连的第二节；所述第一节和所述第二节的连接处固定安装有控制鱼身摆动的波动装置。

作为优选，所述波动装置包括有若干通过舵机支架连接于第一节和第二节之间的第三舵机，所述第三舵机沿鱼身高度方向竖直放置。

作为优选，所述鱼头与鱼身的第一节为刚性材料，所述第二节与鱼尾为浇筑的硅胶材料。

采用上述方案，通过将鱼身分为第一节和第二节，并通过由若干舵机组成的波动装置进行连接，实现机器鱼的四关节连接和多维度运动；鱼头和鱼身第一节采用刚性材料，使得在前行的时候稳定，而第二节及鱼尾采用浇筑的硅胶材料，更加的柔软，在前行摆动的时候更加的灵活，高度模仿旗鱼的柔性摆动。

作为优选，所述鱼身内设置有对控制装置和供电装置进行密封安装的密封装置，所述密封装置内固定安装有将控制装置和供电装置进行隔离的隔板。

采用上述方案，鱼身内设置的密封装置可以将控制装置及供电装置进行密封，防止在水下探索时水对装置的影响；隔板则能够将供电装置和控制装置进行隔离，使两者之间相互独立，进一步稳定安装的同时避免相互之间的干扰磕碰。

作为优选，所述鱼身的背部仿生安装有背鳍，所述背鳍的表面设置有光伏发电装置；所述鱼身的底部开设有充电口。

采用上述方案，鱼身的上部仿照旗鱼安装背鳍，旗鱼背鳍面积大，将光伏发电装置设置在背鳍的表面上，充分有效利用鱼身，且可以在放入水中之前便捷的通过光伏发电装置对供电装置进行电能的补充，节能环保且操作方便，鱼身底部开设的充电口则能够进行电源直充，多种充电方式方便了供电装置的电源补充。

作为优选，所述背鳍的顶部固定安装有进行无线广播式通讯的通讯柱。

采用上述方案，背鳍的顶部安装的通讯柱实现仿生旗鱼的无线信息传送，能够将旗鱼在水下获取的信息及图像发送，方便获取水下信息。

作为优选，所述鱼头安装有阻力头。

采用上述方案，鱼头安装的阻力头，可以减小仿生旗鱼在水中的阻力，前行时更加的轻松，使仿生旗鱼能适应在不同水阻力环境中的水中作业。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

仿生机器旗鱼在水下游动时影响小，转向沉浮装置、波动装置、转向装置的配合实现机器旗鱼灵活的摆动和沉浮；配合于安装的鱼眼摄影装置及传感器组能够相对实时的进行探测，对于海洋的探索更加的方便且灵活，对海洋原始环境的干扰小探测获取的信息更加的真实。

附图说明

图1为仿生旗鱼的结构示意图；

图2为仿生旗鱼沿中心切线方向的剖视图；

图3为转向沉浮装置的结构示意图；

图4为整体流程图。

图中：1、鱼头；11、阻力头；12、鱼眼摄影装置；13、电子控制仓；2、鱼身；21、背鳍；211、光伏发电装置；212、通讯柱；22、充电口；23、第一节；24、第二节；3、鱼尾；4、密封装置；41、供电装置；42、控制装置；43、隔板；5、转向沉浮装置；51、转向控制机构；52、沉浮控制机构；6、波动装置；7、转向装置；81、超声波测距传感器；82、压力传感器；83、深度传感器；84、重力加速度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例公开的一种仿生机器旗鱼，如图1所示，包括有仿生旗鱼制作的依次连接的鱼头1、鱼身2以及鱼尾3。在鱼头1的前端仿照旗鱼设置有阻力头11，阻力头11即为旗鱼呈枪状的吻尖，通过阻力头11减小旗鱼在水中前行时的阻力，鱼身2背部固定安装有仿生的背鳍21，鱼尾3则安装有仿生的尾鳍，尾鳍的摆动实现机器旗鱼的前行。机器旗鱼仿真设计成侧扁型的流线型结构，该结构即构成阻力网，通过阻力网减小仿生旗鱼在水下运动时的阻力，使得游动更加的灵活。

鱼头1的两侧设置有鱼眼，且在鱼眼内安装有鱼眼摄影装置12，旗鱼前行时，通过鱼眼内的鱼眼摄影装置12实现拍摄和水下图像信息的获取，方便人员对水下环境的了解。鱼眼摄影装置12优选采用高清摄像头进行拍摄，且优选在高清摄像头后方固定安装有LED节能灯，以在拍摄时提供光源。

鱼身2上部仿生安装的背鳍21的设置使得旗鱼在游动前行时，能划水并将水流进行分流，起到减阻的效果，利于游动前行；尾鳍为游动提供动力的同时根据尾鳍的摆动幅度和频率决定运动的方向；同时在鱼身2上按照旗鱼的生物结构设置有仿生胸鳍、腹鳍及臀鳍，能够在游行的时候学习旗鱼机体技能进行平衡的维持和稳定。胸鳍、腹鳍、臀鳍、背鳍21和尾鳍均优选采用以0.5mm厚的碳条为仿真鳍条组织，硅胶浇筑为仿真皮肤，构成柔体鳍结构组织；鱼头、鱼身及鱼尾在外表面一体化浇筑有硅胶，进而使得机器旗鱼更加的逼真、仿生度更高。

如图1及图2所示，还包括有对水下环境进行传感检测的传感器组。传感器组包括有安装在阻力头11前端的超声波测距传感器81及压力传感器82，以及安装在鱼身2背部的背鳍21上的重力加速度传感器84和安装在鱼身2腹部的深度传感器83。通过超声波测距传感器81在前行时进行探测，用于躲避障碍，通过压力传感器82对水下水压进行探测并且深度传感器83对游行的水下深度进行相对实时探测，重力加速度传感器84通过感知背鳍21的横摇，进一步测量水的流速，配合于鱼眼摄影装置12方便确定机器旗鱼的探测位置及其对应的相关环境情况。鱼头1内部设有电子控制仓13，传感器组及鱼眼摄影装置12通过电子控制仓13水密接头的引线供电和控制，且在电子控制仓3内安装有对鱼眼摄影装置12获取的图像信息及传感器组获取的检测信息进行存储的存储块。

鱼身2的背鳍21表面固定安装有光伏发电装置211，可通过光伏发电装置211进行电能的供给和补充，且使用方便、绿色环保。在背鳍21的顶部固定安装有通讯柱212，通讯柱212与设置于电子控制仓13中的存储块电连接，通过通讯柱212进行无线广播式通讯，通讯柱在露出水面的时候及时的进行信号的发送，方便将存储块中存储的鱼眼摄影装置12及传感器组探测的信息进行相对实时的传送。信息的获取相较于现场获取较晚，但相对于在达到陆后进行信息的读取较早，所以称为相对实时。在鱼身2的下部开设有充电口22，通过充电口22可进行充电。

如图2所示，鱼身2分为与鱼头1连接的第一节23和与鱼尾3连接的第二节24；第一节23与鱼头1采用刚性材料制作，在游行时能够轻松破水前进，第二节24及鱼尾3采用浇筑的硅胶材料成型，更加的逼真灵活。机器旗鱼的游行姿态动作通过安装的转向沉浮装置5、转向装置7、波动装置6进行动作控制。鱼头1和鱼身2之间通过转向沉浮装置5进行连接，鱼身2的第一节23和第二节24之间通过波动装置6进行连接，鱼身2与鱼尾3之间通过转向装置7进行连接。

如图2及图3所示，转向沉浮装置5包括有转向控制机构51和沉浮控制机构52；转向控制机构51包括三个为一组的第一舵机，沉浮控制机构52包括有对应于第一舵机的第二舵机，第一舵机及第二舵机通过舵机支架进行相互之间的连接，并且通过舵机支架和鱼头1及鱼身2的固定连接实现鱼身2和鱼头1之间的稳定连接。第一舵机的三个舵机沿鱼身2高度方向放置，且舵机本体列向放置，第二舵机的舵机一一对应于第一舵机，三个舵机沿着鱼身2的高度方向设置，且分别垂直于第一舵机的三个舵机，第二舵机的每个舵机呈横向放置与第一舵机连接。第一舵机实现鱼头1左右的摆动即实现转向的控制，第二舵机实现鱼头1的上下的动作即实现沉浮的控制，通过第一舵机和第二舵机的配合，实现鱼头1的左右转动及浮沉。舵机采用防水耐高压类型，由变速齿轮组、小型直流电机、位置反馈电位器、控制电路板组成。

如图2所示，鱼身2内安装有对转向沉浮装置5、转向装置7、波动装置6进行控制的控制装置42，以及进行供电的供电装置41，鱼身2的第一节23内卡嵌安装有对供电装置41及控制装置42进行密封安装的密封装置4。供电装置41优选采用电池组。密封装置4在中间固定安装有将密封装置4分为前后两部分空间的隔板43，通过隔板43实现供电装置41和控制装置42的独立工作。密封装置4呈圆筒状，且在前后两端通过法兰盘进行防水密封。在鱼身的下部还设置有维修口，通过维修口可联通至鱼身2内部的密封装置，方便内部零部件的维修更换。

密封装置4呈与鱼身2配合的空心柱状，卡嵌安装在鱼身2内部，控制装置42和供电装置41密封安装密封装置4内部，且通过隔板43将密封装置4进行分隔，实现控制装置42和供电装置41的独立密封安装。供电装置41采用电池组进行供电，并且通过光伏发电装置211，在机器旗鱼入水之前能够对电池组进行电能补充，也可以通过鱼身2下部的充电口22进行充电。控制装置42优选采用Arduino主控板和多路舵机控制板进行控制，控制装置采用超声通信，超声通信包括有发射脉冲方波信号的发射器以及波接受器，波接收器安装于仿生旗鱼身上，利用脉冲宽度调制技术即脉冲出现的位置和脉冲宽度，实现仿生旗鱼不同动作的控制。

波动装置6通过第三舵机安装于鱼身2的第一节23和第二节24之间，进行连接的同时通过波动装置6与转向装置7相配合实现对机器旗鱼游动时动作控制。波动装置6为三个为一组的舵机及用于安装固定的舵机支架组成，波动装置6的舵机与第一舵机相同，沿着鱼身2的高度方向列向放置，通过舵机的摆动实现鱼身2的摆动，通过波动装置6实现鱼身2两节的设置，增加摆动关节，模仿鱼类的柔性摆动，更加的灵活、仿真度更高。

转向装置7为连接安装在鱼尾3与鱼身2第二节24之间的第四舵机，第四舵机采用单个舵机且列向放置，通过转向装置7的舵机的摆动，控制尾部尾鳍的摆动，转向装置7的舵机的摆动偏角、摆动幅度和摆动频率实现尾鳍的摆动控制，进一步控制鱼的游动速度和方向。鱼身内还优选设置有陀螺仪，如图4所示，控制装置对陀螺仪的数据进行读取并计算，传送相应信息给控制板，进行姿态的纠正。

操作工况：

在游动之前可对供电装置的电池组进行充电或利用光伏发电装置211对机器鱼补充电量，光伏发电装置211节能、绿色环保，当鱼下潜游动时可打开控制启动的总开关，将鱼放入水中，通过控制装置42控制转向装置的动作，控制尾鳍的摆动偏角、摆动幅度和摆动频率，进一步控制鱼游动速度，根据超声波测距传感器81传来的信号，可以通过第一舵机调整鱼的游动姿态，鱼的左转弯，右转弯，可通过第二舵机实现鱼的上浮下潜，进行水层的转化，利用鱼眼处的鱼眼摄影装置12，可将鱼周围的水体环境拍摄，利用通讯柱212实现信号的发送，利用控制装置42对鱼的游动姿态进行控制，整条鱼在密封性能良好的情况下，四个关节通过舵机连接，在舵机的转动下，机械鱼能够在水中灵活的前进，左转弯和右转弯。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种仿生机器旗鱼，其特征是：包括有依次相连的鱼头(1)、鱼身(2)和鱼尾(3)；还包括有安装于所述鱼头(1)和鱼身(2)之间以进行连接并控制转向及浮沉的转向沉浮装置(5)、安装于所述鱼身(2)和鱼尾(3)之间以进行连接并对鱼尾(3)摆动进行控制的转向装置(7)；还包括有固定安装于鱼头(1)的鱼眼摄影装置(12)及对水下参数进行传感检测的传感器组，所述鱼身(2)内部安装有对转向沉浮装置(5)及转向装置(7)进行控制的控制装置(42)及进行供电的供电装置(41)。

2.根据权利要求1所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述转向沉浮装置(5)包括有转向控制机构(51)和沉浮控制机构(52)；所述转向控制机构(51)包括若干沿鱼身(2)高度方向竖直放置的第一舵机，所述沉浮控制机构(52)包括有若干一一垂直于对应于第一舵机横向放置的第二舵机，还包括有若干用于固定连接的舵机支架。

3.根据权利要求1所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述鱼身(2)分为与鱼头(1)相连的第一节(23)、与鱼尾(3)相连的第二节(24)；所述第一节(23)和所述第二节(24)的连接处固定安装有控制鱼身(2)摆动的波动装置(6)。

4.根据权利要求3所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述波动装置(6)包括有若干通过舵机支架连接于第一节(23)和第二节(24)之间的第三舵机，所述第三舵机沿鱼身(2)高度方向竖直放置。

5.根据权利要求3所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述鱼头(1)与鱼身(2)的第一节(23)为刚性材料制作，所述第二节(24)与鱼尾(3)为浇筑的硅胶材料成型。

6.根据权利要求1所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述鱼身(2)内设置有对控制装置(42)和供电装置(41)进行密封安装的密封装置(4)，所述密封装置(4)内固定安装有将控制装置(42)和供电装置(41)进行隔离的隔板(43)。

7.根据权利要求6所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述鱼身(2)的背部仿生安装有背鳍(21)，所述背鳍(21)的表面设置有光伏发电装置(211)；所述鱼身(2)的底部开设有充电口(22)。

8.根据权利要求7所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述背鳍(21)的顶部安装有进行无线广播式通讯的通讯柱(212)。

9.根据权利要求1所述的仿生机器旗鱼，其特征是：所述鱼头(1)安装有阻力头(11)。