CN111208841A - 基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下机器人控制领域，具体涉及一种基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，旨在解决现有技术中仿生机器鱼运行时姿态不稳定的问题。本发明的姿态稳定装置采用模块化设计，可安装于各类仿生机器鱼，其包括姿态控制模块、监测模块、控制模块，所述姿态控制模块包括滚转模组、俯仰模组、偏航模组，控制模块能够基于监测模块获取的信息控制滚转模组内的反作用轮绕前后方向的轴线旋转；和/或控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕左右方向的轴线旋转；和/或控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕竖直方向的轴线旋转。本发明能够在几乎不影响运动性能的条件下实现仿生机器鱼的三维姿态稳定，为执行复杂的水下环境感知和作业任务提供了稳定条件。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人控制领域，具体涉及一种基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置。
背景技术
仿生机器鱼作为新型水下仿生机器人，具有高机动，高效率以及低噪声等优势，在实际的水下作业任务中具有广阔的应用前景。但是，依靠尾部摆动或拍动的仿鱼推进方式也为仿生机器鱼的实际应用带来了巨大挑战。由于鱼尾摆动产生的反作用力，仿生机器鱼在运动过程中会出现剧烈的姿态变化，尤其是在偏航以及俯仰方向上，导致机载传感设备难以获取稳定可靠的数据，限制了仿生机器鱼的环境感知和自主作业能力。
目前，仿生机器鱼的姿态稳定方法一般可分为两类。一类是被动稳定方法，即通过安装大尺寸鱼鳍，增大本体在水中的阻力矩，实现仿生机器鱼的姿态稳定。例如，通过腹鳍和背鳍，提高仿生机器鱼的偏航稳定性；通过胸鳍，增加横滚方向上的稳定性。然而，大尺寸鳍面会带来更大的阻力，降低仿生机器鱼的机动性及效率。另一类是主动控制方法，即通过对尾部关节运动规律的优化，降低鱼体晃动。但是，这种方法难以同时兼顾鱼体稳定性以及推进效率，往往在降低鱼体晃动的同时，也会对速度产生较大的损害。因此，有必要研发一种新的仿生机器鱼姿态稳定装置，以解决仿生机器鱼在运动过程中的姿态不稳定问题。
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运动时姿态不稳定的问题，本发明一方面提供一种基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，所述姿态稳定装置包括本体结构件、姿态控制模块、监测模块、控制模块，所述姿态控制模块、所述监测模块、所述控制模块均通过所述本体结构件固设于仿生机器鱼；
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为前后方向的轴线旋转；和/或
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为左右方向的轴线旋转；和/或
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为竖直方向的轴线旋转。
在一些优选技术方案中，所述反作用轮为一个或多个。
在一些优选技术方案中，所述姿态控制模块包括横滚模组、俯仰模组、偏航模组中的至少一者；
所述横滚模组、所述俯仰模组、所述偏航模组均包括反作用轮以及用于驱动所述反作用轮的动力装置。
在一些优选技术方案中，所述动力装置输出轴通过联轴器与所述反作用轮连接。
在一些优选技术方案中，所述动力装置与所述控制模块信号连接。
在一些优选技术方案中，所述横滚模组包括第一反作用轮和第一动力装置，所述第一反作用轮能够在所述第一动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼前后方向的轴线旋转；
所述俯仰模组包括第二反作用轮和第二动力装置，所述第二反作用轮能够在所述第二动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼竖直方向的轴线旋转；
所述偏航模组包括第三反作用轮和第三动力装置，所述第三反作用轮能够在所述第三动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼左右方向的轴线旋转。
在一些优选技术方案中，所述姿态稳定装置还包括电源模块，所述电源模块为所述监测模块、所述控制模块、所述姿态控制模块供电。
在一些优选技术方案中，所述本体结构件设置有用于放置所述姿态控制模块、所述监测模块、所述控制模块的空腔，以及第一安装部；所述仿生机器鱼设置有第二安装部，所述本体结构件通过所述第一安装部装设于所述第二安装部。
在一些优选技术方案中，所述第二安装部设置有与所述控制模块连接的第一通信接头，所述第一安装部设置有与所述仿生机器鱼控制单元连接的第二通信接头，所述第一安装部与所述第二安装部装配状态下，所述第一通信接头与所述第二通信接头插接。
本发明另一方面提供一种仿生机器鱼，其包括仿生机器鱼本体，以及上述技术方案中任一项所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，所述仿生机器鱼本体与所述姿态稳定装置连接。
本发明的有益效果:
本发明的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置采用独立的模块化设计，本发明不需要改变仿生机器鱼原有的机械结构与控制系统，能够在不破坏原仿生机器鱼系统的情况下能够方便地移植到不同的仿生机器鱼平台，以使得对现有仿生机器鱼姿态控制维持稳定。
本发明的姿态稳定装置安装在现有仿生机器鱼与其通信连接后，其能够根据仿生机器鱼具体的姿态稳定需求，灵活配置姿态控制模组的安装方向和数量，实现期望的姿态稳定效果。同时，本发明姿态稳定装置内的反作用轮安装于机器鱼内部，无需与水接触就能产生反作用力矩，因此对仿生机器鱼本体的运动性能影响很小。
安装本发明姿态稳定装置的仿生机器鱼能够保证在游动过程中姿态平稳，便于机载传感设备获取低噪声、稳定的传感数据，为实现复杂的环境感知和作业任务创造了条件。
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具有姿态稳定装置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基于反作用轮的姿态稳定装置正面视图；
图3为本发明一种实施例的基于反作用轮的姿态稳定装置侧面剖视图；
图4为本发明一种实施例的姿态控制模组结构示意图；
图5为本发明一种实施例的仿生机器鱼中多套姿态控制模组的安装示意图。
附图标记列表：
1-仿生机器鱼；2-头部舱段；3-姿态稳定装置；4-尾部舱段；5-姿态控制模块；6-电源模块；7-控制模块；8-惯性测量单元；9-动力装置；10-反作用轮；11-联轴器；12-动力输出轴；13-横滚模组；14-俯仰模组；15-偏航模组。
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。
本发明的一种基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其包括本体结构件、姿态控制模块、监测模块、控制模块，所述姿态控制模块、所述监测模块、所述控制模块均通过所述本体结构件固设于仿生机器鱼；所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为前后方向的轴线旋转；和/或
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为左右方向的轴线旋转；和/或
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为竖直方向的轴线旋转。
为了更清晰地对本发明基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置进行说明，下面结合附图对本方发明一种优选实施例进行展开详述。
为了避免对仿生机器鱼的运动性能造成损害，使用内部驱动装置进行姿态稳定是一种更为理想的选择。反作用轮作为一类常见的内部驱动装置，目前已经成功运用于卫星与太空飞船的姿态控制。基于反作用轮的姿态控制的基本原理是通过改变反作用轮的角加速度以产生反作用力矩，该力矩施加于本体上进而改变本体姿态。考虑到水下悬浮状态与太空失重状态的相似性，基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定控制也将具有很高的可行性以及广阔的研究前景。因此本发明采用将反作用轮设置于现有仿生机器鱼上以使得其能够稳定现有仿生机器鱼的姿态稳定。
作为本发明的一个优选实施例，本发明的一种基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置采用模块化设计，不仅可作为独立舱段进行工作，同时也可与外接结构连接，以增强外接结构运动时的稳定性。本实施例优选外接结构为仿生机器鱼。具体地，参阅附图，将本发明一优选实施例连接外接仿生机器鱼后的作用及其结构进行详细描述。
如图1所示，本发明的姿态稳定装置3设置于仿生机器鱼1内部，仿生机器鱼包括依次连接的机器鱼头部舱段2、姿态稳定装置3、机器鱼尾部舱段4。本申请的姿态稳定装置3作为独立单元，可方便地进行安装以及拆卸。图示仅为一种优选实施例，对于外界结构仿生机器鱼的具体结构形式本领域技术人员可根据实际情况灵活设置。
所述姿态稳定装置3为独立舱段，具体结构如图2和图3所示，姿态稳定装置3包括本体结构件、姿态控制模块5、监测模块、控制模块7。所述姿态控制模块5、监测模块、控制模块均固定于本体结构件。考虑到对姿态稳定装置3内部元件的保护，本实施例优选将本体结构件设置为带有空腔的壳体，以及第一安装部，姿态控制模块5、监测模块、控制模块7均固设于所述空腔内部，进一步地，外接结构仿生机器鱼设置有第二安装部，本体结构件通过第一安装部装设于第二安装部，以此固定于仿生机器鱼。
更进一步地，第二安装部设置有与控制模块7连接的第一通信接头，第一安装部设置有与外接结构仿生机器鱼控制单元连接的第二通信接头，第一安装部与第二安装部装配状态下，第一通信接头与第二通信接头插接。即外接结构仿生机器鱼在安装本申请的姿态稳定装置3后，能够与与控制模块7进行通讯，控制姿态稳定装置3的开启、关闭，以及调整控制参数。
进一步地，监测模块包括惯性测量单元8，惯性测量单元8如图3所示固定于本体结构件内壁，与仿生机器鱼保持相对静止，监测模块与控制模块7通信连接。优选地，其包括加速度计、陀螺仪、磁力计三个部分，可对机器鱼的姿态角以及角速度进行实时测量，进一步地，监测模块还包括嵌入式视觉传感系统，能够监测外借结构仿生机器鱼的周边环境。以便于为控制模块7提供反馈。
控制模块7为高性能嵌入式系统，通过串口获取惯性测量单元8所测的姿态角以及角速度数据，利用该数据计算姿态控制模块5内的动力装置所需提供的反作用力矩，并将其转换为脉冲宽度调制信号发送至动力装置。
所述姿态控制模块5包括横滚模组13、俯仰模组14、偏航模组15中的至少一者。横滚模组13、俯仰模组14、偏航模组15结构相同，如图4所示，均包括反作用轮10、动力装置9和联轴器11；动力装置9用于驱动反作用轮10转动，联轴器11用于将动力装置9的动力输出轴12直接与反作用轮10连接，以便于反作用轮10的快速响应。
在一些优选实施例中，反作用轮10为刚性圆盘，本实施例通过镂空设计以及选择高密度材料，使其能够在一定空间尺寸约束下达到最大的转动惯量，以产生更大的反作用力矩。本领域技术人员也可根据实际情况灵活设计反作用轮10的结构，例如包括均匀设置的轻质辐条和重量较大的外圈，以使得反作用轮10在旋转时产生更大的反作用轮力矩。
在一些优选实施例中，横滚模组13、俯仰模组14、偏航模组15虽然结构相同，但安装方向互不相同。安装方向代表动力装置输出轴的朝向，包括横滚，俯仰以及偏航三个方向。
具体地，横滚模组13包括第一反作用轮和第一动力装置，横滚模组的第一动力装置输出轴与外接结构仿生机器鱼的头尾轴平齐，头尾轴即沿鱼体头部到尾部的轴，其大体上为前后方向的轴线；第一反作用轮能够在第一动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼前后方向的轴线旋转。
俯仰模组14包括第二反作用轮和第二动力装置，俯仰模组的第二动力装置输出轴与外接结构仿生机器鱼的背腹轴平齐，背腹轴即沿鱼体背部到腹部的轴，其大体上为竖直方向的轴线；所述第二反作用轮能够在所述第二动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼竖直方向的轴线旋转。
偏航模组15包括第三反作用轮和第三动力装置，偏航模组的动力装置输出轴与外接结构仿生机器鱼的左右轴平齐，左右轴即沿鱼体从左到右的轴，其大体上为左右方向的轴线；所述第三反作用轮能够在所述第三动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼左右方向的轴线旋转。本领域技术人员可根据实际情况选择随意安装横滚模组、俯仰模组、偏航模组中的至少一者，或上述多种的组合。
具体地，如图1和图3所示的姿态稳定装置3安装有一套横滚模组13，即反作用轮为一个，其动力装置输出轴方向与外接结构仿生机器鱼头尾轴平行，因此可以提供横滚方向上的力矩以及姿态稳定性。如果需要实现更多方向上的姿态稳定，可根据具体需求选择相应的姿态控制模组。
本发明的姿态稳定装置3采取的控制策略可描述为(以横滚稳定为例)：当仿生机器鱼产生顺时针方向的横滚运动时，控制模块基于监测模块获取的信息，控制姿态控制模块内横滚模组13的第一动力装置驱动第一反作用轮朝顺时针方向加速旋转，从而产生逆时针方向的反作用力矩，该力矩可抑制机器鱼继续进行顺时针横滚，从而达到稳定鱼体的目的；反之，亦然。
进一步参阅图5，图5展示了姿态稳定装置3安装了横滚模组13、俯仰模组14、偏航模组15三个方向上的模组，即姿态稳定装置3内的反作用轮为三个，其方向互不相同，控制模块基于监测模块获取的信息，控制姿态控制模块内的各个动力装置分别驱动各个反作用轮沿不同轴线旋转，以实现仿生机器鱼在三个方向上进行姿态稳定的解决方案。
优选地，本发明的姿态稳定装置还包括电源模块6，电源模块6采用可充电电池，能够为所述控制模块7、惯性测量单元8、以及电机模块9进行供电。
需要说明的是，一般对于左右摆动推进的仿生机器鱼，需要安装指向偏航及横滚方向的姿态稳定装置；对于背腹式拍动推进的仿生机器鱼，则需要安装指向横滚及俯仰方向的姿态稳定装置。驱动反作用轮的动力装置9优选为大扭矩直流电机。反作用轮10优选为大转动惯量的刚性圆盘，通过联轴器11与电机旋转轴直接相连。惯性测量单元8测量仿生机器鱼载体的姿态及角速度。控制模块7与动力装置9信号连接，其对惯性测量单元8所获取的测量数据进行处理，并计算控制指令，下发至各个动力装置，通过对动力装置角加速度的控制从而实现仿生机器鱼的姿态稳定。
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：
本发明的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置采用独立的模块化设计，本发明不需要改变仿生机器鱼原有的机械结构与控制系统，能够在不破坏原仿生机器鱼系统的情况下能够方便地移植到不同的仿生机器鱼平台，以使得对现有仿生机器鱼姿态控制维持稳定。
本发明的姿态稳定装置安装在现有仿生机器鱼与其通信连接后，其能够根据仿生机器鱼具体的姿态稳定需求，灵活配置姿态控制模组的安装方向和数量，实现期望的姿态稳定效果。同时，本发明姿态稳定装置内的反作用轮安装于机器鱼内部，无需与水接触就能产生反作用力矩，因此对仿生机器鱼本体的运动性能影响很小。
安装本发明姿态稳定装置的仿生机器鱼能够保证在游动过程中姿态平稳，便于机载传感设备获取低噪声、稳定的传感数据，为实现复杂的环境感知和作业任务创造了条件。
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 (10)
1.一种基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述姿态稳定装置包括本体结构件、姿态控制模块、监测模块、控制模块，所述姿态控制模块、所述监测模块、所述控制模块均通过所述本体结构件固设于仿生机器鱼；
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为前后方向的轴线旋转；和/或
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为左右方向的轴线旋转；和/或
所述控制模块能够基于所述监测模块获取的信息控制所述姿态控制模块内的反作用轮绕大体上为竖直方向的轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述反作用轮为一个或多个。
3.根据权利要求1所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述姿态控制模块包括横滚模组、俯仰模组、偏航模组中的至少一者；
所述横滚模组、所述俯仰模组、所述偏航模组均包括反作用轮以及用于驱动所述反作用轮的动力装置。
4.根据权利要求3所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述动力装置输出轴通过联轴器与所述反作用轮连接。
5.根据权利要求4所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述动力装置与所述控制模块信号连接。
6.根据权利要求3所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，
所述横滚模组包括第一反作用轮和第一动力装置，所述第一反作用轮能够在所述第一动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼前后方向的轴线旋转；
所述俯仰模组包括第二反作用轮和第二动力装置，所述第二反作用轮能够在所述第二动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼竖直方向的轴线旋转；
所述偏航模组包括第三反作用轮和第三动力装置，所述第三反作用轮能够在所述第三动力装置的驱动下绕大体上为所述仿生机器鱼左右方向的轴线旋转。
7.根据权利要求1所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述姿态稳定装置还包括电源模块，所述电源模块为所述监测模块、所述控制模块、所述姿态控制模块供电。
8.根据权利要求1所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述本体结构件设置有用于放置所述姿态控制模块、所述监测模块、所述控制模块的空腔，以及第一安装部；所述仿生机器鱼设置有第二安装部，所述本体结构件通过所述第一安装部装设于所述第二安装部。
9.根据权利要求8所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，其特征在于，所述第二安装部设置有与所述控制模块连接的第一通信接头，所述第一安装部设置有与所述仿生机器鱼控制单元连接的第二通信接头，所述第一安装部与所述第二安装部装配状态下，所述第一通信接头与所述第二通信接头插接。
10.一种仿生机器鱼，其特征在于，包括仿生机器鱼本体，以及权利要求1-9中任一项所述的基于反作用轮的仿生机器鱼姿态稳定装置，所述仿生机器鱼本体与所述姿态稳定装置连接。
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