CN110758689A

CN110758689A - 仿生机器鱼

Info

Publication number: CN110758689A
Application number: CN201911153056.XA
Authority: CN
Inventors: 吴正兴; 喻俊志; 王健; 王天柱
Original assignee: Institute of Automation of Chinese Academy of Science
Current assignee: Institute of Automation of Chinese Academy of Science
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-02-07

Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生机器鱼，旨在解决现有技术仿生机器鱼游动性能不足，无法兼顾高速游动、低速机动及良好稳定性的问题。本发明的仿生机器鱼包括分别独立密封的主体舱模块、尾舱模块、尾鳍以及对称分布于主体舱模块左右两侧的胸鳍模块，其中尾舱模块和尾鳍依次铰接于主体舱模块后部，本发明通过尾舱模块及尾鳍的组合运动实现仿鱼BCF模式推进，通过胸鳍波动实现仿鱼MPF模式推进，本发明兼具BCF模式和MPF模式的优点，能够实现BCF模式的高游速和高机动和MPF模式的低速机动和游动稳定。本发明基于强化学习的智能控制方法，自动选择不同的工作模式，来适应不同的水下环境和满足不同的任务要求，具有广泛的应用前景。

Description

仿生机器鱼

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种仿生机器鱼。

背景技术

自然界，鱼类经过漫长的自然进化，发展出非凡的水中游动能力。根据游动时身体推进部位的不同，鱼类推进模式主要分为两类：身体/尾鳍模式(Body and/or Caudal Fin，简称BCF)和中间鳍/对鳍模式(Median and/or Paired Fin，简称MPF)。采用BCF模式的鱼类主要利用身体的波动及尾鳍的摆动产生推进力，经过漫长进化形成了与其形态结构相适应的多种推进模式，例如，鳗鲡模式(Anguilliform)，鲹科模式(Carangiform)及金枪鱼模式(Thunniform)等。BCF模式的鱼类往往因其不同的形态结构和运动模式，在游动性能上差异较大，例如，鳗鲡模式速度较低、机动性佳；而金枪鱼模式速度快、效率高、机动性能相对较差等。采用MPF模式的鱼类主要依靠胸鳍、腹鳍、背鳍及臀鳍等鳍面的摆动产生推进力，特点是低速机动性能好、稳定性能强。通常认为，大约有15％的鱼类采用非BCF模式进行常规推进，而更多鱼类采用BCF模式作为推进(Propulsion)，同时采用MPF模式做机动运动(Maneuvering)和稳定运动(Stabilization)。鱼类多种多样的形态结构和推进模式为不同任务需求的仿生航行器提供了丰富的参考。

随着机器人技术的蓬勃发展，各类水下仿生鱼游平台相继出现，为仿生推进机理研究和工程技术开发提供了新的手段和途径。根据模仿对象的不同，仿生机器鱼也大致分为BCF型和MPF型。其中，BCF型仿生机器鱼采用多个关节的鱼体和尾鳍推进，具有较好的游动速度和高机动性能，例如，MIT成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼RoboTuna，英国ESSEX大学的MT系列和G系列仿生机器鱼，北航的野外SPCII系列仿生机器鱼，哈尔滨工程大学的仿生金枪鱼，中科院自动化所的仿生机器狗鱼等。而MPF型的仿生机器鱼采用波动鳍和摆动鳍推进，具有较好的低速机动性和稳定性，例如新加坡南洋理工大学的仿蝠鲼机器鱼，国防科大的长鳍波动机器鱼，中科院自动化所的长鳍波动机器鱼和北航的仿蝠鲼机器鱼等。总结现有仿生机器鱼的游动性能可知，采用BCF模式的仿生机器鱼优点是游动速度快，高机动性能好，缺点是低速机动性能差，身体易晃动、稳定性差；采用MPF模式的仿生机器鱼优点是低速机动性能好，身体稳定性好，缺点是游动速度慢。因此，现有仿生机器鱼基本无法兼顾高速游动、低速机动及良好稳定性等优点。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中仿生机器鱼游动性能不足，无法兼顾高速游动、低速机动及良好稳定性的问题，本发明研制出一种集BCF和MPF模式的混合推进仿生机器鱼，既可以采用BCF模式实现高游速和高机动，又可以采用MPF模式实现较好的低速机动和游动稳定，为复杂、动态水环境下执行任务提供良好的平台。例如，某些场合既要求水下机器人能够快速抵达任务现场，又要求其具备低速机动及稳定性以更好地执行复杂环境下观察等任务。本发明的仿生机器鱼，包括分别独立密封的主体舱模块、尾舱模块、尾鳍、一对胸鳍模块，所述一对胸鳍模块对称分布于所述主体舱模块左右两侧，所述尾舱模块和所述尾鳍模块依次连接于所述主体舱模块的后部；

所述主体舱模块内设置有控制单元和第一动力装置，所述尾舱模块内设置有第二动力装置，所述胸鳍模块内设置有第三动力装置和胸鳍本体，所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置分别通过通信链路与所述控制单元连接；

所述尾舱模块在所述第一动力装置的驱动下可相对于所述主体舱模块绕竖直轴线旋转；所述尾鳍在所述第二动力装置的驱动下可相对于所述尾舱模块绕竖直轴线旋转；

所述胸鳍本体在所述第三动力装置的驱动下可相对于所述主体舱模块绕前后方向的轴线旋转，所述胸鳍本体包括呈流线型布置的至少三根鳍条，所述第三动力装置包括呈流线型布置的至少三个相同的舵机，所述鳍条能够在所述舵机的驱动下以一特定姿态静止或按一定规律波动。

在一些优选技术方案中，所述特定姿态包括所述至少三根鳍条相对于所述仿生机器鱼背中线倾斜静止，所述鳍条在所述特定姿态静止时用以辅助所述仿生机器鱼上浮或下潜。

在一些优选技术方案中，所述一定规律包括所述至少三根鳍条分别在所述舵机的驱动下相对于所述仿生机器鱼背中线周期旋转，且任意相邻的两根所述鳍条之间具有相位差；所述鳍条按所述一定规律波动用以控制所述仿生机器鱼转向、推进或后退。

在一些优选技术方案中，所述任意相邻的两根所述鳍条之间固定有长鳍，所述长鳍由柔性可拉伸薄膜材料制成。

在一些优选技术方案中，所述主体舱模块两侧分别设置有第一拼接部，所述胸鳍模块上设置有第二拼接部，所述胸鳍模块通过所述第二拼接部装设于所述第一拼接部，所述第一拼接部设置有与所述控制单元连接的第一航插接头，所述第二拼接部设置有与所述第三动力装置连接的第二航插接头，所述第一拼接部与所述第二拼接部装配状态下，所述第一航插接头与所述第二航插接头插接。

在一些优选技术方案中，所述第一动力装置通过第一传动机构驱动所述尾舱模块相对于所述主体舱模块绕竖直轴线旋转，所述第一传动机构为带传动。

在一些优选技术方案中，所述第二动力装置通过第二传动机构驱动所述尾鳍相对于所述尾舱模块绕竖直轴线旋转，所述第二传动机构为齿轮传动。

在一些优选技术方案中，所述舵机通过第三传动机构驱动所述鳍条，所述第三传动机构为锥齿轮传动。

在一些优选技术方案中，所述仿生机器鱼还包括信息采集单元，所述信息采集单元包括图像信息采集装置和固定支架，所述图像信息采集装置通过所述固定支架固设于所述主体舱模块前端，以用于采集前方物体图像并获取水中物体的三维几何信息。

在一些优选技术方案中，所述控制单元包括主控板、惯性导航系统、锂电池组，所述惯性导航系统与所述主控板通信连接；所述锂电池组为所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第三动力装置、所述控制单元和所述信息采集模块供电。

本发明的有益效果：

本发明通过尾舱模块及尾鳍的组合运动实现仿鱼BCF模式推进，通过胸鳍模块鳍条的波动实现仿鱼MPF模式推进，本发明在BCF模式下速度快、效率高、高速机动性能好，便于执行对速度要求高的任务。在MPF模式下低速机动性能强、稳定性能好，视野稳定，便于执行低速观察及避障等任务。本发明采用多模态运动控制方法，通过一种强化学习的智能控制策略，能够融合多传感器信息，实时与环境数据交互，不断探索试错及长期记忆而综合改进混合推进仿生机器鱼的运动行为，实现了在未知环境执行任务中的自主优化策略规划，提高了仿生机器鱼的智能调控和高性能运动；将推进方式的结合能够低能耗地进行长距离的运动，也能够实现机动灵活的短距离快速运动；本发明通过智能控制策略采用不同的工作模式适应不同环境以满足不同任务要求，具有广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种实施例的仿生机器鱼整体结构示意图；

图2为本发明一种实施例的仿生机器鱼模块化结构示意图；

图3为本发明一种实施例中主体舱模块结构示意图；

图4为本发明一种实施例中尾舱模块结构示意图；

图5为本发明一种实施例中胸鳍模块外部示意图；

图6为本发明一种实施例中胸鳍模块内部结构示意图；

图7为本发明一种实施例中基于强化学习的智能控制方法。

附图标记列表：

10-主体舱模块，11-视觉传感器，12-嵌入式视觉处理模块，13-惯性系统，14-锂电池组，15-主控板，16-腰关节电机驱动器，17-腰关节电机，18-腰关节电机固定架，19-第一航插接头；20胸鳍模块，21-长鳍，22-鳍条，23-第二航插接头；24-上盖，25-侧盖，26-舵机，27-锥齿轮组，28-轴；30-尾舱模块，31-壳体，32-第一驱动齿轮，33-第二驱动齿轮，34-同步带，35-装饰盖，36-尾关节电机驱动器，37-尾关节电机，38-尾关节电机固定架，39-联轴器；40-尾鳍，41-尾锥齿轮组。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的仿生机器鱼主要包括分别独立密封的主体舱模块、尾舱模块、尾鳍、一对胸鳍模块，所述一对胸鳍模块对称分布于所述主体舱模块左右两侧，所述尾舱模块和所述尾鳍模块依次连接于所述主体舱模块的后部；所述主体舱模块内设置有控制单元和第一动力装置，所述尾舱模块内设置有第二动力装置，所述胸鳍模块内设置有第三动力装置和胸鳍本体，所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置分别通过通信链路与所述控制单元连接；

为了更清晰地对本发明仿生机器鱼进行说明，下面结合附图对本方发明一种优选实施例进行展开详述。

作为本发明的一个优选实施例，本发明的仿生机器鱼如图1所示，主要包括主体舱模块10、一对胸鳍舱模块20、尾舱模块30以及尾鳍40。所述主体舱模块10位于本发明仿生机器鱼的中前部，主要功能是容纳控制单元等。一对胸鳍舱模块20对称分布于所述主体舱模块10的左右两侧，尾舱30和尾鳍40依次连接于所述主体舱模块10的后部，参阅图2，本发明的主体舱模块10、一对胸鳍舱模块20、尾舱模块30以及尾鳍40均为仿金枪鱼的流线形模块化设置且独立密封，所述主体舱模块两10侧分别设置有第一拼接部，所述胸鳍模块20上设置有第二拼接部，所述胸鳍模块20通过所述第二拼接部装设于所述第一拼接部，所述第一拼接部与所述第二拼接不拼接后形成完整的流线型仿金枪鱼身主体，所述第一拼接部设置有与所述控制单元连接的第一航插接头19，所述第二拼接部设置有与所述第三动力装置连接的第二航插接头23，所述第一拼接部与所述第二拼接部装配状态下，所述第一航插接头与所述第二航插接头插接。优选地，所述第一航插接头19为航插公头，所述第二航插接头23为航插母座，本领域技术人员也可随意更换两航插接头的结构，只要能够使主体舱模块10与胸鳍模块20电性连接即可。所述胸鳍模块20通过第二航插接头23与主体舱模块10通过第一航插接头19进行电气连接，用于获取能源和进行通信，并起到良好的密封效果。在固定连接方面，两套系统通过简单的螺钉进行连接。这为所述胸鳍模块20的更换与维修等提供了便利。当胸鳍模块20需要改变运动模式进行更换时，可直接进行更换，省时省力，方便快捷。所述胸鳍模块20在故障情况下能够很容易被替换成新的胸鳍模块，保障任务执行效率。同时，本发明仿生机器鱼可以将所述胸鳍模块20替换成生物金枪鱼的胸鳍，实现传统的仿生机器金枪鱼性能，执行相适宜的水下任务。本发明单独密封的模块化设置能够使得单独模块故障或漏水时，不影响其他模块，提高了本发明仿生机器鱼的行驶稳定性和可靠性，对于故障的处理，可以从单独模块进去更换，免除了对整体的拆卸、安装及二次密封，使得本发明维护方便，有效提高维护效率。优选地，本发明的仿生机器鱼由聚甲醛工程塑料制作，可以增强耐压能力，提高下潜深度。本领域技术人员可根据实际情况灵活选择本发明材料。

进一步地，本发明的主体舱模块10的剖视图如图3所示，包括所述控制单元和信息采集单元，所述信息采集单元包括图像信息采集装置和固定支架，所述图像信息采集装置通过所述固定支架固设于主体舱模块10前端，以用于采集前方物体图像并获取水中物体的三维几何信息。具体地，所述图像采集装置包括视觉传感器11、嵌入式视觉处理模块12；所述控制单元包括惯性导航系统13、锂电池组14和主控板15等。其中，所述视觉传感器11位于所述主体舱模块10的最前端，利用固定架固定在所述主体舱模块10上；视觉传感器11能够实时采集图像信息传输给嵌入式视觉处理模块12进行图像处理；惯性导航系统13与主控板15通信连接，能够实时提供本发明仿生机器鱼的姿态信息；主控制板15主要处理传感器信息及运行嵌入式程序控制本发明仿生机器鱼运动。锂电池组14为整个仿生机器鱼系统提供电量和能源；锂电池重量轻、体积小、容量大、耐低温、环保无污染。

主体舱模块10还包含有第一动力装置，所述第一动力装置的控制端与控制单元通过通信链路连接。所述第一动力装置用于驱动尾舱模块30，使得尾舱模块30相对于所述主体舱模块10绕竖直轴线旋转。具体地，所述第一动力装置包括腰关节电机驱动器16、腰关节电机17、腰关节电机固定架18。进一步地，所述第一动力装置通过第一传动机构驱动所述尾舱模块30相对于所述主体舱模块10绕竖直轴线旋转。所述第一传动机构为带传动。具体地参阅图3，所述第一传动机构包括第一驱动齿轮32和第二驱动齿轮33、同步带34和装饰盖35。其中，所述腰关节电机17利用所述腰关节电机固定架18固定在所述主体舱模块10上，由所述腰关节电机驱动器16控制转动。所述腰关节电机17和所述第一驱动齿轮32通过转动轴相连，利用所述同步带34，带动所述第二驱动齿轮33转动，从而带动所述尾舱模块30左右摆动。所述装饰盖35位于所述同步带34的上部，用于保护整个第一传动机构。本发明采用带传动一方面因其结构简单、传动平稳、能缓冲吸振，相比于齿轮传动噪音更小，适合潜伏；另一方面带传动可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易。本领域技术人员可根据实际情况灵活更换第一传动机构的传动方式，例如蜗轮蜗杆传动或齿轮传动均可，只要能够使尾舱模块30相对于主体舱模块10绕竖直轴线旋转即可，在此不再一一列举。

继续参阅图4，尾舱模块30位于所主体舱模块10的后侧，其主要包括壳体31和第二动力装置，所述第二动力装置的控制端与控制单元通过通信链路连接。如图3所示。所述第二动力装置包括尾关节电机驱动器36、尾关节电机37、尾关节电机固定架38、联轴器39等。所述第二动力装置用于驱动尾鳍40相对于所述尾舱模块30绕竖直轴线旋转。进一步地，所述第二动力装置通过第二传动机构驱动所述尾鳍40相对于所述尾舱模块30绕竖直轴线旋转，所述第二传动机构为齿轮传动。具体地，本发明的第二传动机构为如图4所示的尾锥齿轮组41。其中，所述尾关节电机37通过所述尾关节电机固定架38固定于所述壳体31上，同时，通过所述联轴器39带动所述尾关节电机37输出轴转动，从而驱动所述锥齿轮组23转动，进而带动所述尾鳍6左右摆动。可见，本发明的仿生机器鱼采用第一动力装置和第一传动装置驱动所述尾舱模块30左右摆动，通过第二动力装置和第二传动装置驱动所述尾鳍40左右摆动，实现仿金枪鱼式的高速游动。需要说明的是本发明的腰关节电机固定架、尾关节电机固定架仅为一种示例，本领域技术人员可根据实际情况灵活设计。本发明的尾鳍40采用仿金枪鱼大展弦月牙尾鳍，仿生机器鱼的主要游动的推进力来源于尾鳍，本发明相比于现有仿生尾鳍，降低厚度，提高升力，推进速度快，效率高。

本发明的胸鳍模块20位于主体舱模块10的左右两侧，呈镜像分布，是两个模块化的独立系统。下面以左侧胸鳍模块进行说明。所述胸鳍舱模块20的外部图和内部结构图分别如图5和图6所示。本发明的主体舱模块10按照仿生金枪鱼的流线型设计，其两侧分别开设有流线型槽，所述流线型槽的整体轮廓沿压力降方向呈收缩形状，所述流线型槽用于安装所述胸鳍模块20，所述胸鳍模块20通过第二航插接头23与主体舱10的第一航插接头19进行电气连接，用于获取能源和进行通信。胸鳍模块20通过固定架与主体舱模块10进行机械连接。所述机械连接可以为螺栓连接、销接等，本领域技术人员可根据实际应用灵活改变连接方式，只要能够使胸鳍模块20可拆卸的固定于主体舱模块10内即可，通过胸鳍模块与主体舱模块结合，使得本发明仿生机器鱼表面为科恩达表面，基于康达效应以减轻障碍物附近的空气的电流的侧向压力。

参阅图5，胸鳍模块20包括上盖24、侧盖25以及胸鳍本体，上盖24与侧盖25围城的空间内部设置有第三动力装置，所述第三动力装置的控制端与控制单元通过通信链路连接。具体地，所述胸鳍本体包括呈流线型布置的至少三根鳍条22，任意相邻的两根所述鳍条22之间固定有长鳍21，所述长鳍21由柔性可拉伸薄膜材料制成。具体参阅图6，所述第三动力装置包括呈流线型布置的至少三个相同的舵机26，所述鳍条22能够在所述舵机26的驱动下以一特定姿态静止或按一定规律波动。所述鳍条22与舵机26采用流线型设计目的为保证本发明的仿生机器鱼的主体为流线型，所述胸鳍模块内嵌于主体舱模块内部，所述侧盖25能够与主体舱模块的外壳共同密封构成仿金枪鱼式流线设计，保证本发明在水中运行的阻力最小化，提高游动性能。进一步地，所述舵机26通过第三传动机构驱动所述鳍条22，本实施例中优选第三传动机构为锥齿轮传动。参阅图6，所述鳍条22通过套筒套设于轴28上，由舵机26通过驱动锥齿轮组27带动轴28转动，从而实现鳍条相对于所述仿生机器鱼的背中线上下摆动。进一步地，本发明通过O型圈和泛塞圈分别对第三动力装置进行静密封和动密封。

所述特定姿态包括所述鳍条22相对于所述仿生机器鱼的背中线倾斜静止，所述鳍条22在所述特定姿态静止时，所述左右两侧长鳍21呈现静止斜面，能够辅助所述混合驱动仿生机器鱼上浮和下潜。具体地，在尾舱模块30和尾鳍40协同拍动下，在能够辅助所述仿生机器鱼上浮和下潜。其中，当左右两侧长鳍21构成的鳍面前沿高，后沿低时，将产生抬头力矩，所述仿生机器鱼上浮；当左右两侧鳍面的鳍面前沿低，后沿高时，将产生低头力矩，本发明混合推进方式机器鱼下潜。当本发明仿生机器鱼的尾舱模块30和尾鳍40保持静止时，两侧鳍面在鳍条22的带动下，向上偏置一定角度，以相同的摆动角度同时拍动，实现下潜；当两侧鳍面在鳍条22的带动下，向下偏置一定角度后，以相同的摆动角度同时拍动，实现上浮。需要说明的是本发明还设置有吸排水装置，本发明主要通过吸排水装置改变自身浮力以实现上浮或下潜，鳍条的运动用于辅助吸排水装置实现本发明仿生机器鱼更快速的上浮或下潜。由于吸排水装置为本领域技术人员所熟知，故本实施例附图中未示出，且不再此具体说明，本领域技术人员可采用公知技术进行。

所述一定规律包括所述至少三根鳍条22分别在所述舵机26的驱动下相对于本发明仿生机器鱼背中线周期旋转，且任意相邻的两根所述鳍条之间具有相位差；所述鳍条22按所述一定规律波动用以控制本发明仿生机器鱼转向、推进或后退。具体地，本实施例优选鳍条22为5根，分别由5个舵机26驱动。如图所示，为保证胸鳍模块与主体舱模块一体的流线型设计，本发明的5个舵机26采用两段收缩的方式布置，沿主体舱延伸方向依次布置的5个舵机26，两端的舵机26相对于中间3个依次布置的舵机26位置靠后，呈收缩状态，中间3个依次布置的舵机26的轴28同轴嵌套，但是不共轴，即三个同轴设置的鳍条22的运动相互不会干涉。舵机26通过锥齿轮27传动以驱动鳍条22运动，主控板15发出的正弦信号驱动，相邻鳍条22彼此间具有一定的相位差，从而实现先后摆动，形成正弦波动。鳍条22的摆动进一步带动覆盖于其上方的长鳍21波动，产生推进力，增加本发明的稳定游动和低速机动。当所述左右两侧的长鳍21同向波动时，本发明仿生机器鱼实现前进(长鳍21的波向后传)和后退(长鳍21的波向前传)。当所述左右两侧长鳍21的波动方向相反时，本发明仿生机器鱼实现左转向(左侧长鳍21波向后传及右侧长鳍21波向前传)或者右转向(左侧长鳍21波向前传、右侧长鳍21波向后传)，体现较好的低速机动性能。本发明理论上通过三根鳍条即可实现正弦波动，但是由于三根鳍条形成波动更接近三角波，在水中游动时鱼体运行不稳定、不平滑，并且速度慢。因此本实施例优选采用5根鳍条，通过对5根鳍条进行相位差驱动，形成完整的正弦波，完整的正弦波使得本发明仿生机器鱼能够实现柔性推进，运行平稳，且速度快。考虑到仿生机器鱼的控制难以度以及推进性能，优选为五根鳍条，本领域技术人员也可根据实际情况灵活设置鳍条的数量。

本发明的仿生机器鱼具有BCF和MPF两种推进模式，本发明通过两种模式的相互间配合，实现多种模态的运动，例如直游、倒游、浮潜、转向等。下面配合实施例具体说明本发明仿生机器鱼的运动模态：

A直游模态：该模态可以由三种方式实现。1)BCF型直游：该情况下，本发明仿生机器鱼的尾舱模块30和尾鳍40通过协调拍动产生前推进力，实现直游。而此时鳍面和鳍条22保持水平位置静止；2)MPF型直游：该情况下，本发明仿生机器鱼左右两侧的鳍条22带动鳍面依序按照正弦波动(波动向后传)产生前推进力，实现直游。而此时，尾舱模块30和尾鳍40保持静止；3)BCF+MPF型直游：该情况下，本发明仿生机器鱼的尾舱模块30和尾鳍40通过协调拍动产生前推进力；同时左右两侧鳍条22带动鳍面依序按照正弦向后波动，产生前推进力，实现直游。

B倒游模态：该模态由MPF模式实现。本发明仿生机器鱼的左右两侧鳍条22带动鳍面依序按照正弦波动(波动向前传)，产生后推进力，实现倒游运动。该模态可以应用于狭窄通道里的避障等，提高本发明仿生机器鱼的环境适应性。

C转向模态：该模态可以由三种方式实现。1)BCF型转向：该情况下，本发明仿生机器鱼的尾舱模块30和尾鳍40沿着身体中心轴线发生一定角度偏置，然后再协调拍动，产生转向力矩。左转时，尾舱模块30和尾鳍40向左发生偏置；右转时，尾舱模块30和尾鳍40向右发生偏置。2)MPF型转向：当所述左右两侧长鳍面的波动方向相反时，本发明的仿生机器鱼实现左转向(左侧长鳍面波向后传及右侧长鳍面波向前传)或者右转向(左侧长鳍面波向前传、右侧长鳍面波向后传)，体现较好的低速机动性能。3)BCF+MPF型转向：该情况下，本发明仿生机器鱼尾舱模块30和尾鳍40偏置后，协调拍动；同时，左右两侧鳍面进行波动相反的波动，产生转向。

D浮潜模态：该模态可以由两种方式完成。1)BCF+MPF型浮潜：当本发明仿生机器鱼左右两侧鳍面呈现静止斜面时，在尾舱模块30和尾鳍40协同拍动下，在能够辅助本发明仿生机器鱼上浮和下潜。其中，当左右两侧鳍面的鳍面前沿高，后沿低时，将产生抬头力矩，本发明仿生机器鱼上浮；当左右两侧鳍面的鳍面前沿低，后沿高时，将产生低头力矩，本发明仿生机器鱼下潜。2)MPF型浮潜：该情况下，本发明仿生机器鱼的尾舱模块30和尾鳍40保持静止，当两侧鳍面在鳍条22的带动下，向上偏置一定角度，以相同的摆动角度同时拍动，实现下潜；当两侧鳍面在鳍条22的带动下，向下偏置一定角度后，以相同的摆动角度同时拍动，实现上浮。

本发明仿生机器鱼的主控板15的控制方式是基于Actor-Critic强化学习智能控制方法，采用双层控制策略，其中，底层采用仿生中枢模式发生器(Central PatternGenerators，CPGs)控制，通过优化其网络拓扑结构和关键耦合参数，实现底层控制的快速响应；高层采用基于Actor-Critic的强化学习方法，从策略评估和策略更新两部分出发，通过Critic(评价器)对模态策略做出预测，并根据时间差分(TD误差)学习来评估值函数，同时，采用Actor(执行器)进行模态动作执行，根据学习到的值函数动态地更新策略参数。因此，本发明仿生机器鱼能够通过融合多传感器信息，实时与环境数据交互，不断探索试错及长期记忆而综合改进本发明仿生机器鱼的运动行为，实现了在未知环境执行任务中的自主优化策略规划，提高了本发明仿生机器鱼的智能性，实现了其多种模态的智能调控和高性能运动。

具体地，如图7所示。在底层运动控制中，本发明采用仿生中枢模式发生器(Central Pattern Generators，CPGs)控制，简称仿生CPG控制器，并通过优化其网络拓扑结构和关键耦合参数，实现底层控制的快速响应。具体地，采用一种基于Hopf振荡器的仿生CPG模型。该模型参数意义比较明确，能够单独调节每个振荡神经元的振荡频率(ω_i)、幅值(r_i)和神经元间的相位差

式中，i＝1,...,n,n表示系统中CPG神经元的个数；x_i,y_i分别表示系统的状态变量；ω_i,r_i分别表示第i个振荡神经元的固有频率和幅值；

表示振荡神经元间的相位差；h₁,h₂表示耦合系数，其大小影响收敛速度。

在具体实施方案中，该仿生CPG模型采用12个振荡单元，其中10为胸鳍关节的振荡单元，2个为尾舱和尾鳍的振荡单元。通过振荡单元间的网络拓扑耦合关系实现振荡信号输出，例如BCF的控制信号，MPF的控制信号及BCF+MPF的控制信号等，实现本发明仿生机器鱼的多模态底层运动控制。

在上层学习框架中，本发明的仿生机器鱼采用Actor-Critic学习算法，利用Critic中设置的状态值函数对所选择的推进模态策略做出预测，对本发明仿生机器鱼的所选推进模态做出评价。同时，Actor模块对所选推进模态进行动作执行，并输入到底层运动控制框架中，实现本发明仿生机器鱼的运动。Actor会根据学习到的值函数动态地更新策略参数。此外，所述Actor-Critic控制方法根据TD误差学习模块来评估所设置的值函数。具体采用了增量式Actor-Critic思想，融合已有经验数据，进行策略学习和更新，有效地利用现有样本数据，降低了样本数据采集成本，特别是水下环境这类样本数据采集成本较高的应用场合。在具体实施方案中，以本发明仿生机器鱼追踪水下运动目标为例，说明Actor-Critic算法的流程。该算法的输入是被追踪水下运动目标的距离和方向。该信息由前置视觉传感器11的水下摄像头采集的运动目标图像而计算得到。其动作集由直游(BCF、MPF、BCF+MPF)、倒游(MPF)、转向(BCF、MPF、BCF+MPF)、浮潜(MPF、BCF+MPF)等多种模态动作，根据每次动作选择后，距离被跟踪运动目标的距离和方向，来进行奖赏判断，若选择动作使本发明仿生机器鱼距离被跟踪运动目标更近，则进行正向奖励，若选择动作使本发明仿生机器鱼距离被跟踪运动目标更远，则进行负向惩罚。以此，进行学习训练，得到系统模型，控制本发明仿生机器鱼的运动，实现本发明仿生机器鱼的智能行为。本发明基于Actor-Critic学习算法实现的控制第一动力装置、第二动力装置以及第三动力装置的具体地控制方式以及电路连接结构不在本发明的描述范围之内，采用公知技术进行。

本发明仿生机器鱼基于Actor-Critic强化学习的智能控制方法，根据任务需求，选择不同的运动模态，实现其高性能智能运动。本发明仿生机器鱼能够协调BCF模式和MPF模式的配合运动，实现丰富的模态运动，以追求推进性能的最优化。同时，根据任务需求，能够智能选择相适应的推进模式，以达到更好的任务执行效果。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：

本发明仿生机器鱼兼具BCF模式和MPF模式的优点，能够实现BCF模式的高游速和高机动和MPF模式的低速机动和游动稳定。通过不同的工作模式来适应不同的水下环境和满足不同的任务要求。在BCF模式下，本发明仿生机器鱼通过尾舱模块与尾鳍的协调配合实现仿金枪鱼式的游动，速度快、效率高、高速机动性能好，利于执行对速度要求高的任务；在MPF模式下，本发明仿生机器鱼通过两侧长鳍的波动实现仿乌贼式的游动，低速机动性能强，身体稳定性能好，利于视觉传感器的视野稳定，便于执行低速观察及避障等任务。此外，通过BCF模式和MPF模式的协调配合，本发明仿生机器鱼还能够实现三维机动，例如，以长鳍静止成一个斜面，在身体及尾鳍的快速摆动下，本发明仿生机器鱼能够实现快速上浮及下潜。通过BCF及MPF推进方式的配合，本发明仿生机器鱼能够实现包括直游、倒游、转向、浮潜等多模态运动，例如BCF直游、MPF直游、BCF+MPF直游、MPF倒游、BCF转向、MPF转向、BCF+MPF转向等。本发明的仿生机器鱼采用基于Actor-Critic强化学习的智能控制方法，融合多传感器信息，实时与环境数据交互，不断探索试错及长期记忆而综合改进混合推进仿生机器鱼的运动行为，实现了在未知环境执行任务中的自主优化策略规划，提高了仿生机器鱼的智能调控和高性能运动；根据任务需求，选择不同的运动模态，实现其高性能智能运动。通过协调BCF模式和MPF模式的配合运动，实现丰富的模态运动，以追求推进性能的最优化。同时，根据任务需求，能够智能选择相适应的推进模式，以达到更好的任务执行效果。本发明通过智能控制策略采用不同的工作模式适应不同环境以满足不同任务要求，具有广泛的应用前景。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种仿生机器鱼，其特征在于，包括分别独立密封的主体舱模块、尾舱模块、尾鳍、一对胸鳍模块，所述一对胸鳍模块对称分布于所述主体舱模块左右两侧，所述尾舱模块和所述尾鳍模块依次连接于所述主体舱模块的后部；

2.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述特定姿态包括所述至少三根鳍条相对于所述仿生机器鱼背中线倾斜静止，所述鳍条在所述特定姿态静止时用以辅助所述仿生机器鱼上浮或下潜。

3.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述一定规律包括所述至少三根鳍条分别在所述舵机的驱动下相对于所述仿生机器鱼背中线周期旋转，且任意相邻的两根所述鳍条之间具有相位差；所述鳍条按所述一定规律波动用以控制所述仿生机器鱼转向、推进或后退。

4.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述任意相邻的两根所述鳍条之间固定有长鳍，所述长鳍由柔性可拉伸薄膜材料制成。

5.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述主体舱模块两侧分别设置有第一拼接部，所述胸鳍模块上设置有第二拼接部，所述胸鳍模块通过所述第二拼接部装设于所述第一拼接部，所述第一拼接部设置有与所述控制单元连接的第一航插接头，所述第二拼接部设置有与所述第三动力装置连接的第二航插接头，所述第一拼接部与所述第二拼接部装配状态下，所述第一航插接头与所述第二航插接头插接。

6.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述第一动力装置通过第一传动机构驱动所述尾舱模块相对于所述主体舱模块绕竖直轴线旋转，所述第一传动机构为带传动。

7.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述第二动力装置通过第二传动机构驱动所述尾鳍相对于所述尾舱模块绕竖直轴线旋转，所述第二传动机构为齿轮传动。

8.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述舵机通过第三传动机构驱动所述鳍条，所述第三传动机构为锥齿轮传动。

9.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述仿生机器鱼还包括信息采集单元，所述信息采集单元包括图像信息采集装置和固定支架，所述图像信息采集装置通过所述固定支架固设于所述主体舱模块前端，以用于采集前方物体图像并获取水中物体的三维几何信息。

10.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述控制单元包括主控板、惯性导航系统、锂电池组，所述惯性导航系统与所述主控板通信连接；所述锂电池组为所述第一动力装置、所述第二动力装置、所述第三动力装置、所述控制单元和所述信息采集模块供电。