CN114132466B - 一种双驱动仿生机器鱼系统及多模态冗余控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双驱动仿生机器鱼系统及多模态冗余控制方法，用于围网巡检，包括依次连接的头部结构、身体结构、腰部结构和尾部结构；头部结构包括头部本体、主控制单元、数据采集单元、胸鳍、胸鳍舵机及腰部电机控制器；身体结构包括身体本体、腰部电机、第一传动模块、腰部摆杆、背鳍及腹鳍；腰部结构包括腰部本体、尾部电机驱动器、尾部电机、第二传动模块及尾部摆杆；尾部结构包括尾部本体、尾部推进器控制器、尾部推进器及尾鳍；主控制单元根据运行数据生成控制指令，控制胸鳍舵机、腰部电机控制器、尾部电机驱动器和尾部推进器控制器，实现仿生机器鱼上浮下潜、左右转弯及直游倒游运动，增强了仿生机器鱼的抗干扰能力，并提高了机动性能。

Description

一种双驱动仿生机器鱼系统及多模态冗余控制方法

技术领域

本发明涉及水产养殖领域，特别是涉及一种用于围网巡检的双驱动仿生机器鱼系统及多模态冗余控制方法。

背景技术

随着我国水产养殖行业的迅猛发展，越来越多的水产养殖企业部署大型围网养殖场，其具有集约化程度高、养殖密度大，鱼类生长速度快等优点。但定期潜水监测围网状况若仍采用人工作业方式，不仅效率低且存在一定的安全隐患。

传统的遥控水下机器人和自主式水下机器人大多采用较为成熟的“螺旋桨”作为推进器，利用螺旋桨推进器产生推力，采用这种推进模式的水下机器人存在着机动性能差、能源利用率低、对鱼群干扰大等缺点。为了克服以上缺陷，人类根据鱼类优异的生理结构和非凡的运动性能设计出仿生机器鱼，国内外实验室如英国埃塞克斯大学、美国MIT、中科院自动化所机器鱼团队、北京大学等都对仿生机器鱼已经有了大量的研究，现有的机器鱼仅仅通过腰部和尾部摆动或者是胸鳍的摆动来提供推力，但通过胸鳍、尾部单个电机推进或重心调节系统控制上浮下潜的速度较慢，抗扰动能力差，不能够满足深远海的海浪环境需求。

基于上述问题，亟需一种新的围网巡检装置以提高抗干扰能力和机动性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于围网巡检的双驱动仿生机器鱼系统及多模态冗余控制方法，可增强仿生机器鱼的抗干扰能力，并提高机动性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双驱动仿生机器鱼系统，用于围网巡检，所述双驱动仿生机器鱼系统包括依次连接的头部结构、身体结构、腰部结构和尾部结构；

所述头部结构包括头部本体、主控制单元、数据采集单元、两个胸鳍、两个胸鳍舵机及腰部电机控制器；所述主控制单元、所述数据采集单元、所述胸鳍舵机及所述腰部电机控制器均设置在所述头部本体内；两个胸鳍分别设置在所述头部本体外部的相对两侧；所述数据采集单元、所述胸鳍舵机及所述腰部电机控制器均与所述主控制单元连接；每个胸鳍对应连接一个胸鳍舵机；所述数据采集单元用于采集运行数据；所述主控制单元用于根据所述运行数据，生成控制指令；所述胸鳍舵机用于根据所述控制指令控制对应的胸鳍运动；

所述身体结构包括身体本体、腰部电机、第一传动模块、腰部摆杆、背鳍及腹鳍；所述腰部电机、所述第一传动模块及所述腰部摆杆均设置在所述身体本体内；所述背鳍和所述腹鳍分别设置在所述身体本体外部的相对两侧；所述身体本体的前端与所述头部本体的后端连接；所述腰部电机与所述腰部电机控制器及所述第一传动模块连接；所述第一传动模块与所述腰部摆杆连接；所述腰部电机控制器用于根据所述控制指令，控制所述腰部电机运动；所述腰部电机运动时带动所述第一传动模块转动，进而通过所述腰部摆杆带动所述腰部结构运动；

所述腰部结构包括腰部本体、依次连接的尾部电机驱动器、尾部电机、第二传动模块及尾部摆杆；所述尾部电机驱动器、所述尾部电机、所述第二传动模块及所述尾部摆杆均设置在所述腰部本体内；所述腰部本体的前端与所述身体本体的后端连接；所述尾部电机驱动器还与所述主控制单元连接；所述尾部电机驱动器用于根据所述控制指令，控制所述尾部电机运动；所述尾部电机运动时带动所述第二传动模块转动，进而通过尾部摆杆带动所述尾部结构运动；

所述尾部结构包括尾部本体、尾部推进器控制器、尾部推进器及尾鳍；所述尾部推进器控制器设置在所述尾部本体内；所述尾部本体的前端与所述腰部本体的后端连接；所述尾部推进器设置在所述尾部本体的后端；所述尾鳍设置在所述尾部本体的外部，并通过固定片与所述尾部推进器固定；所述尾部推进器控制器分别与所述主控制单元及所述尾部推进器连接，所述尾部推进器控制器用于根据所述控制指令，控制所述尾部推进器运动。

可选地，所述运行数据包括图像信息、深度信息和姿态信息；

所述数据采集单元包括：

摄像头，与所述主控制单元连接，用于采集图像信息;

深度传感器，设置在所述摄像头下方，并与所述主控制单元连接，用于采集深度信息；

惯性测量传感器，设置在头部本体内部，并与所述主控制单元连接，用于采集姿态信息；

所述控制指令包括第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令；所述第一控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值以及腰部结构和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统远离围网；所述第二控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统上浮；所述第三控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值以及腰部结构和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统保持预期的姿态；

所述主控制单元包括：

第一控制指令生成模块，分别与所述摄像头、胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器连接，用于根据所述图像信息产生第一控制指令，并发送至所述胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器；

第二控制指令生成模块，分别与所述深度传感器、胸鳍舵机和所述尾部推进器控制器连接，用于根据所述深度信息产生第二控制指令，并发送至所述胸鳍舵机和所述尾部推进器控制器；

第三控制指令生成模块，分别与所述惯性测量传感器、所述胸鳍舵机、所述腰部电机及所述尾部电机驱动器连接，用于根据所述姿态信息产生第三控制指令，并发送至所述胸鳍舵机、所述腰部电机控制器及所述尾部电机驱动器。

可选地，所述第一控制指令生成模块包括：

图像处理子模块，与所述摄像头连接，用于根据所述图像信息，确定双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离；

第一判断子模块，与所述图像处理子模块连接，用于判断双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离是否小于距离阈值；

第一指令生成子模块，分别与所述第一判断子模块、所述胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器连接，用于在双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离小于距离阈值时，产生第一控制指令。

可选地，所述第二控制指令生成模块包括：

第二判断子模块，与所述深度传感器连接，用于判断所述深度信息是否大于深度阈值；

第二指令生成子模块，分别与所述第二判断子模块、所述胸鳍舵机及所述尾部推进器控制器连接，用于在所述深度信息大于深度阈值时，产生第二控制指令。

可选地，所述第三控制指令生成模块包括：

第三判断子模块，与所述惯性测量传感器连接，用于判断所述姿态信息是否处于姿态阈值范围内；

第三指令生成子模块，分别与所述第三判断子模块、所述胸鳍舵机、所述腰部电机控制器及所述尾部电机驱动器连接，用于在所述姿态信息超出姿态阈值范围时，产生第三控制指令。

可选地，所述第一传动模块包括：齿轮组、传动轴、滑环及轴承；

所述齿轮组与所述腰部电机连接；

所述滑环和所述轴承均位于所述传动轴两端；

所述轴承与所述腰部摆杆连接；

所述腰部电机运动时带动所述齿轮组转动，齿轮组带动所述传动轴和轴承转动，进而通过所述腰部摆杆带动所述腰部运动。

可选地，所述腰部摆杆通过斯特封动密封技术与所述轴承连接。

可选地，所述双驱动仿生机器鱼系统的整体外形为金枪鱼型流线型结构。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种双驱动仿生机器鱼系统的多模态冗余控制方法，所述双驱动仿生机器鱼系统的多模态冗余控制方法包括：

通过数据采集单元采集双驱动仿生机器鱼系统当前的运行数据；

通过主控制单元根据所述运行数据，产生控制指令，控制胸鳍舵机、腰部电机控制器、尾部电机驱动器及尾部推进器控制器的运行。

可选地，所述运行数据包括图像信息、深度信息和姿态信息；

所述通过主控制单元根据所述运行数据，产生控制指令，控制胸鳍舵机、腰部电机控制器、尾部电机驱动器及尾部推进器控制器的运行，具体包括：

根据所述图像信息确定双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离；

判断双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离是否小于距离阈值；

若距离小于距离阈值，则产生第一控制指令，通过胸鳍舵机控制胸鳍的拍动幅值，通过腰部电机控制腰部的摆动幅值，并通过尾部电机控制尾部的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统远离围网；若距离大于或等于距离阈值，则继续进行巡检；

判断所述当前深度是否大于深度阈值，在所述当前深度大于或等于深度阈值时，产生第二控制指令，通过胸鳍舵机调节胸鳍的拍动幅值，并通过尾部尾部推进器控制器尾部推进器正向运动，使得双驱动仿生机器鱼系统上浮；在所述当前深度小于深度阈值时，继续进行巡检；

判断所述当前姿态是否处于姿态阈值范围内，若当前姿态超出姿态阈值范围，则产生第三控制指令，通过胸鳍舵机调节胸鳍的拍动幅值、通过腰部电机控制器控制腰部的摆动幅值，通过尾部电机控制尾部的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统恢复到预期的姿态；若当前姿态处于姿态阈值范围内，则继续进行巡检。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过胸鳍控制及腰尾关节的控制，实现仿生机器鱼上浮下潜、左右转弯及直游倒游运动，同时，通过在仿生机器鱼的尾部增加推进器，将仿生机器鱼游动的高机动、低扰动与传统螺旋桨的高推进力相结合，增强了仿生机器鱼的抗干扰能力，并提高了机动性能。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双驱动仿生机器鱼系统的整体结构示意图；

图2为头部结构的示意图；

图3为头部后端结构的示意图；

图4为头部前端结构的示意图；

图5为身体结构的示意图；

图6为腰部结构的示意图；

图7为尾部结构的示意图；

图8为双驱动仿生机器鱼系统的控制原理示意图。

符号说明：

头部结构-1，身体结构-2，腰部结构-3，尾部结构-4，头部前端-5，头部后端-6，胸鳍-7、8，头部后端舱盖-9，电源模块-10，舵机机架-11，舵机连轴-12，双出锥齿轮组-13，压块-14，主控制单元-15，英伟达开发板-15-1，STM32开发板-15-2，惯性测量传感器-15-3，无线通信模块-15-4，无线调试模块-15-5，摄像头-16，深度传感器-17，槽位-18、19，背鳍-20，舵机外侧连轴-21，腰部电机-22，腰部电机固定架-23，传动轴-24，轴承-25、33，腹鳍-26，腰部摆杆-27，尾部电机-28，尾部电机驱动器-29，底托-30，固定件-31，传动齿轮箱-32，尾部摆杆-34，尾部推进器驱动器-35，尾部推进器-36，尾鳍-37。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种用于围网巡检的双驱动仿生机器鱼系统及多模态冗余控制方法，通过胸鳍控制及腰尾关节的控制，实现仿生机器鱼上浮下潜、左右转弯及直游倒游运动，同时，通过在仿生机器鱼的尾部增加推进器，将仿生机器鱼游动的高机动、低扰动与传统螺旋桨的高推进力相结合，增强了仿生机器鱼的抗干扰能力，并提高了机动性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明用于围网巡检的双驱动仿生机器鱼系统包括依次连接的头部结构1、身体结构2、腰部结构3和尾部结构4。

具体地，所述头部结构1包括头部本体、主控制单元15、数据采集单元、两个胸鳍、两个胸鳍舵机及腰部电机控制器。所述主控制单元15、所述数据采集单元、所述胸鳍舵机及所述腰部电机控制器均设置在所述头部本体内。两个胸鳍分别设置在所述头部本体外部的相对两侧。具体地，两个胸鳍分别设置在头部本体外部的左右两侧。所述数据采集单元、所述胸鳍舵机及所述腰部电机控制器均与所述主控制单元15连接。每个胸鳍对应连接一个胸鳍舵机。所述数据采集单元用于采集运行数据。所述主控制单元15用于根据所述运行数据，生成控制指令。所述胸鳍舵机用于根据所述控制指令控制对应的胸鳍运动。

如图2所示，所述头部本体分为可分离的头部前端5和头部后端6。

如图3所示，两个胸鳍舵机分别位于头部后端6的中部两侧，对应的外侧设置有胸鳍，胸鳍通过内侧的舵机连轴12和胸鳍舵机连接。胸鳍舵机与主控制单元15通过舵机机架11隔开，舵机机架11用于固定舵机。头部后端6从上到下依次为主控制单元15及惯性测量传感器15-3、胸鳍舵机和电源模块10。

如图4所示，头部前端5中设置有摄像头舱位和传感器舱位。摄像头舱位使用透明外壳。摄像头舱位内部放置摄像头16。传感器舱位内部设置有深度传感器17。头部前端5设有槽位，头部后端6设有与槽位对应的压块14。压块14沿密封圈共有三个。头部前端5通过槽位、压块14和密封圈与头部后端6固定密封。

进一步地，头部本体上设置有头部后端舱盖9，以便实验中出现问题拆盖查看。

如图5所示，所述身体结构2包括身体本体、腰部电机22、第一传动模块、腰部摆杆27、背鳍20及腹鳍26。所述腰部电机22、所述第一传动模块及所述腰部摆杆27均设置在所述身体本体内。所述背鳍20和所述腹鳍26分别设置在所述身体本体外部的相对两侧。具体地，背鳍20和腹鳍26分别设置在身体本体外部的上下两侧。所述身体本体的前端与所述头部本体的后端连接。所述腰部电机22与所述腰部电机控制器及所述第一传动模块连接。所述第一传动模块与所述腰部摆杆27连接。所述腰部电机控制器用于根据所述控制指令，控制所述腰部电机22运动。所述腰部电机22运动时带动所述第一传动模块转动，进而通过所述腰部摆杆27带动所述腰部结构3运动。

具体地，所述第一传动模块包括齿轮组、传动轴24、滑环及轴承。所述齿轮组与所述腰部电机22连接。所述滑环和所述轴承均位于所述传动轴24两端。所述轴承与所述腰部摆杆27连接；所述腰部电机22运动时带动所述齿轮组转动，齿轮组带动所述传动轴24和轴承转动，进而通过所述腰部摆杆27带动所述腰部运动。在本实施例中，所述腰部摆杆27通过斯特封动密封技术与所述轴承连接，实现防水功能。

身体本体的前端为圆台形，与头部本体的后端相契合。腰部结构3与身体结构2通过腰部摆杆27相连。

进一步地，所述身体结构2还包括舵机外侧连轴21，用于固定背鳍20。

所述身体结构2还包括腰部电机固定架23，用于固定腰部电机22和第一传动模块。腰部电机22进行往复时，带动第一传动模块的齿轮组转动，齿轮组带动传动轴24和两端的轴承做相应的转动，实现腰部结构3与传动轴24一起进行往复运动。

如图6所示，所述腰部结构3包括腰部本体、依次连接的尾部电机驱动器29、尾部电机28、第二传动模块及尾部摆杆34。所述尾部电机驱动器29、所述尾部电机28、所述第二传动模块及所述尾部摆杆34均设置在所述腰部本体内。所述腰部本体的前端与所述身体本体的后端连接。所述尾部电机驱动器29还与所述主控制单元15连接；所述尾部电机驱动器29用于根据所述控制指令，控制所述尾部电机28运动。所述尾部电机28运动时带动所述第二传动模块转动，进而通过尾部摆杆34带动所述尾部结构4运动。尾部摆杆34用于辅助尾部电机28控制尾部结构4运动。

尾部电机28通过底托30与腰部本体的上部固定。尾部电机28后端连接第二传动模块。具体地，第二传动模块包括齿轮箱、四个固定底座、传动轴以及附带的滑环和轴承。第二传动模块为传动齿轮箱32。传动齿轮箱32通过四个固定件31固定在腰部本体上。传动齿轮箱32传动轴的两端装有滑环和轴承，并且连接尾部摆杆34。

如图7所示，所述尾部结构4包括尾部本体、尾部推进器控制器35、尾部推进器36及尾鳍37；所述尾部推进器控制器35设置在所述尾部本体内。所述尾部本体的前端与所述腰部本体的后端连接。所述尾部推进器36设置在所述尾部本体的后端，并与尾部本体连接。所述尾鳍37设置在所述尾部本体的外部，并通过固定片与所述尾部推进器36固定。所述尾部推进器控制器35分别与所述主控制单元15及所述尾部推进器36连接，所述尾部推进器控制器35用于根据所述控制指令，控制所述尾部推进器36运动。

在本实施例中，尾部结构4具有金枪鱼尾鳍外形，前端为尾部推进器驱动器，后端设置有尾部推进器。

进一步地，所述运行数据包括图像信息、深度信息和姿态信息；所述数据采集单元包括：摄像头16、深度传感器17和惯性测量传感器15-3。

其中，摄像头16与所述主控制单元15连接，用于采集图像信息。深度传感器17设置在所述摄像头16下方，并与所述主控制单元15连接，用于采集深度信息。惯性测量传感器15-3设置在头部本体内部，并与所述主控制单元15连接，用于采集姿态信息。具体地，摄像头16位于头部前端5的上部。深度传感器17位于头部前端5的下部。姿态信息为仿生机器鱼的加速度、角速度及角度分别在X轴、Y轴、Z轴上的数据。

更进一步地，所述控制指令包括第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令。第一控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值以及腰部结构和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统远离围网；第二控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统上浮；第三控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值以及腰部结构和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统保持预期的姿态。

所述主控制单元15包括：第一控制指令生成模块、第二控制指令生成模块和第三控制指令生成模块。

其中，第一控制指令生成模块分别与所述摄像头16、胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器29连接，用于根据所述图像信息产生第一控制指令，并发送至所述胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器29。

第二控制指令生成模块分别与所述深度传感器17、胸鳍舵机和所述尾部推进器控制器35连接，用于根据所述深度信息产生第二控制指令，并发送至所述胸鳍舵机和所述尾部推进器控制器35。

第三控制指令生成模块分别与所述惯性测量传感器15-3、所述胸鳍舵机、所述腰部电机22及所述尾部电机驱动器29连接，用于根据所述姿态信息产生第三控制指令，并发送至所述胸鳍舵机、所述腰部电机控制器及所述尾部电机驱动器29。

具体地，所述第一控制指令生成模块包括图像处理子模块、第一判断子模块和第一指令生成子模块。所述图像处理子模块与所述摄像头16连接，所述图像处理子模块用于根据所述图像信息，确定双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离。所述第一判断子模块与所述图像处理子模块连接，所述第一判断子模块用于判断双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离是否小于距离阈值。所述第一指令生成子模块分别与所述第一判断子模块、所述胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器29连接，所述第一指令生成子模块用于在双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离小于距离阈值时，产生第一控制指令。

第二控制指令生成模块包括第二判断子模块和第二指令生成子模块。第二判断子模块与所述深度传感器17连接，用于判断所述深度信息是否大于深度阈值。第二指令生成子模块分别与所述第二判断子模块、所述胸鳍舵机及所述尾部推进器控制器35连接，用于在所述深度信息大于深度阈值时，产生第二控制指令。

第三控制指令生成模块包括第三判断子模块和第三指令生成子模块。第三判断子模块与所述惯性测量传感器15-3连接，用于判断所述姿态信息是否处于姿态阈值范围内。第三指令生成子模块分别与所述第三判断子模块、所述胸鳍舵机、所述腰部电机控制器及所述尾部电机驱动器29连接，用于在所述姿态信息超出姿态阈值范围时，产生第三控制指令。

进一步地，所述头部结构1还包括电源模块10。电源模块10位于头部后端6的下部，用于给主控制单元15、胸鳍舵机、腰部电机22、尾部电机28及尾部推进器36等设备提供电源。头部结构1还包括电源模块10舱位，四周通过塑料舱盖将电源固定在壳体底部。

作为一种具体的实施方式，如图8所示，所述主控制单元15的硬件分为英伟达开发板15-1和STM32开发板15-2。STM32开发板15-2与深度传感器17、惯性测量传感器15-3、无线通信模块15-4、无线调试模块15-5、胸鳍舵机、腰部电机控制器、尾部电机28控制器和尾部推进器控制器35连接。具体地，深度传感器17与STM32开发板15-2通过I²C通信接口相连。英伟达开发板15-1与摄像头16以及STM32开发板15-2通过串口相连。

头部结构1还包括无线调试模块15-5和无线通信模块15-4。具体地，所述无线调试模块15-5位于头部后端6的上部，与STM32开发板15-2相连，用于无线下载代码到主控制单元15。所述无线通信模块15-4位于头部后端6的上部，与STM32开发板15-2相连，用于实现上位机与主控制单元15之间的通信。通过无线通信模块15-4与上位机实现无线通信，扩大机器鱼的可巡检范围。

主控制单元15包括无线通信功能，数据采集功能和运动控制功能。

其中，无线通信功能通过无线通信模块15-4与上位机进行数据通信，能够在接收上位机发送的控制命令的同时，向上位机发送获取的数据。

数据获取功能通过深度传感器17、惯性测量传感器15-3采集到的数据得到仿生机器鱼在围网巡检过程中的深度及姿态信息。

运动控制功能由STM32开发板15-2的自主巡检方法，根据英伟达开发板15-1经摄像头16读取并处理的图像信息结合底层传感器IMU和深度传感器17获得的位置姿态及深度数据，由STM32开发板15-2通过控制机器鱼胸鳍舵机、腰部电机22以及尾部电机28和尾部推进器36的运作，进而控制机器鱼在三维空间围网巡检运动。胸鳍舵机的运动即通过垂直于机器鱼前后方向的上下拍动完成。腰尾关节电机的运动通过垂直于机器鱼前后方向的左右摆动实现。所述尾部推进器36通过正反转实现前后推进。

优选地，本发明双驱动仿生机器鱼系统的整体外形为金枪鱼型流线型结构。机器鱼采用金枪鱼型外形设计，减小运动时的阻力，并且采用硬质材料外壳，增强机器鱼抗压能力，增加机器鱼的下潜深度。

本发明提供了一种融合传统推进技术和仿鱼柔性驱动技术混合驱动仿金枪鱼型机器鱼，该机器鱼长约1.15米，重约15千克。通过英伟达开发板和STM32开发板组合的主控单元，实现机器鱼仿生运动控制与图像处理算法在边缘端的部署。通过胸鳍舵机的摆动，可以实现左转右转、上浮下潜等三维空间运动。面对野外环境风浪干扰，通过推进器以及腰尾部摆动调整机器鱼姿态。机器鱼具有多种驱动模式，可以通过仿生机器鱼身体的摆动或者添加传统推进器推进技术实现低速游动。同时，仿生机器鱼使用双摆杆加尾部推进器设计，增强机器鱼运动过程中的灵活性且使机器鱼在围网养殖环境中的动态环境中具有更强的风浪抵抗和运动调整能力。

本发明还提供一种双驱动仿生机器鱼系统的多模态冗余控制方法，包括：

通过数据采集单元采集双驱动仿生机器鱼系统当前的运行数据。

通过主控制单元根据所述运行数据，产生控制指令，控制胸鳍舵机、腰部电机控制器、尾部电机驱动器及尾部推进器控制器的运行。

具体地，运行数据包括图像信息、深度信息和姿态信息。

根据所述图像信息确定双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离。

判断双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离是否小于距离阈值。

若距离小于距离阈值，则产生第一控制指令，通过胸鳍舵机控制胸鳍的拍动幅值，通过腰部电机控制腰部的摆动幅值，并通过尾部电机控制尾部的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统远离围网；若距离大于或等于距离阈值，则继续进行巡检。

判断所述当前深度是否大于深度阈值，在所述当前深度大于或等于深度阈值时，产生第二控制指令，通过胸鳍舵机调节胸鳍的拍动幅值，并通过尾部尾部推进器控制器尾部推进器正向运动，使得双驱动仿生机器鱼系统上浮；在所述当前深度小于深度阈值时，继续进行巡检。

判断所述当前姿态是否处于姿态阈值范围内，若当前姿态超出姿态阈值范围，则产生第三控制指令，通过胸鳍舵机调节胸鳍的拍动幅值、通过腰部电机控制器控制腰部的摆动幅值，通过尾部电机控制尾部的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统恢复到预期的姿态；若当前姿态处于姿态阈值范围内，则继续进行巡检。

作为一种具体的控制方式，当巡检过程中通过图像信息得知机器鱼靠近围网时，为防止因推进器高速推进及腰尾关节的高机动性能造成围网破损，可自主调节胸鳍摆动幅值参数控制机器鱼游动，具体地可调节胸鳍拍动幅值为30°控制机器鱼游动。距离围网较远时，可自主调节胸鳍和腰尾关节参数协同控制机器鱼游动，具体地可调节胸鳍拍动幅值为45°和腰尾关节摆动幅值30°协同控制机器鱼游动。当机器鱼巡检中图像信息反馈鱼群密集或接近围网等突发情况需要急速转弯时，通过自主调节胸鳍或腰尾关节及推进器的协同参数实现快速转弯，具体地通过调节胸鳍拍动幅值为45°或腰尾关节摆动幅值45°与推进器高速正向推进的协同参数实现快速转弯。当机器鱼下降深度大于15米时，由于胸鳍控制上浮下潜速度缓慢，可调节胸鳍向上幅值为45°协同推进器高速正向运动，推进器为仿生鱼提供竖直向上，配合胸鳍使机器鱼以更快的速度上浮至水面。面对野外风浪围网环境等情况造成的航向偏移或者机器鱼翻滚等，根据巡检环境设置机器鱼IMU传感器X轴、Y轴、Z轴正常阈值范围，若不在阈值范围内，可以通过调节腰尾关节及胸鳍幅值偏差值将机器鱼恢复到期望的航向或姿态。

图像信息通常采用摄像机标定的方法来获取摄像机的内外参数，利用单目视觉得到机器鱼与围网之间的近似距离。

胸鳍参数通过改变垂直于机器鱼水平方向的上下幅值A1来控制对机器鱼的推力F。

腰部、尾部关节参数通过改变垂直于机器鱼水平方向的左右幅值A2及频率f1来控制对机器鱼的推力F。

推进器参数通过改变推进器当前转速占峰值转速的比例控制对机器鱼的推力F。

具体地，深度传感器得到的标定参数都是固化的，在获取标定参数之后，分为四个步骤：

第一步：从深度传感器中读取标定参数C[i](C[1]-C[6])及深度传感器输出的24位模数转换值数字压力D1与数字温度和D2；

第二步：对压力值进行温度补偿，公式如下：

其中，dT为测量值与参考值之差，C[5]为参考温度，OFF为实际温度下的温差，C[2]为压力补偿值，C[4]为压力补偿值温度系数，SENS为实际温度下的灵敏度，C[1]为压力灵敏度，C[3]压力灵敏度温度系数，P为温度补偿后的压力；

第三步：计算深度，公式如下：

其中，h为深度，offset为空气中测得的压强101.325KPa，ρ为液体密度（程序中淡水取997，海水取1029），g为重力加速度（取9.80665）。

惯性测量传感采集机器鱼在三维空间的加速度，角速度及角度，输出如下表所示：

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

加速度

0x55

0x51

AxL

AxH

AyL

AyH

AzL

AzH

TL

TH

SUM

角速度

0x55

0x52

WxL

WxH

WyL

WyH

WzL

WzH

TL

TH

SUM

角度

0x55

0x53

RollL

RollH

PitchL

PitchH

YawH

YawL

TL

TH

SUM

其中，加速度、角速度及角度每组数据的3-8位分别表示在三维空间的姿态。

加速度计算公式如下：

其中，a_x为X轴加速度数据，AxL为低字节，AxH为高字节；a_y为Y轴加速度数据，AyL为低字节，AyH为高字节；a_z为Z轴加速度数据，AzL为低字节，AzH为高字节；g为重力加速度，可取9.8m/s。

角速度计算公式如下：

其中，w_x为X轴角速度数据，WxL为低字节，WxH为高字节；w_y为Y轴角速度数据，WyL为低字节，WyH为高字节；w_z为Z轴角速度数据，WzL为低字节，WzH为高字节。

角度计算公式如下：

其中，Roll为X轴滚转角数据，RollL为低字节，RollH为高字节；Pitch为Y轴俯仰角数据，PitchL为低字节，PitchH为高字节；Yaw为Z轴偏航角数据，YawL为低字节，YawH为高字节。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种双驱动仿生机器鱼系统，用于围网巡检，其特征在于，所述双驱动仿生机器鱼系统包括依次连接的头部结构、身体结构、腰部结构和尾部结构；

所述头部结构包括头部本体、主控制单元、数据采集单元、两个胸鳍、两个胸鳍舵机及腰部电机控制器；所述主控制单元、所述数据采集单元、所述胸鳍舵机及所述腰部电机控制器均设置在所述头部本体内；两个胸鳍分别设置在所述头部本体外部的相对两侧；所述数据采集单元、所述胸鳍舵机及所述腰部电机控制器均与所述主控制单元连接；每个胸鳍对应连接一个胸鳍舵机；所述数据采集单元用于采集运行数据；所述主控制单元用于根据所述运行数据，生成控制指令；所述胸鳍舵机用于根据所述控制指令控制对应的胸鳍运动；

所述身体结构包括身体本体、腰部电机、第一传动模块、腰部摆杆、背鳍及腹鳍；所述腰部电机、所述第一传动模块及所述腰部摆杆均设置在所述身体本体内；所述背鳍和所述腹鳍分别设置在所述身体本体外部的相对两侧；所述身体本体的前端与所述头部本体的后端连接；所述腰部电机与所述腰部电机控制器及所述第一传动模块连接；所述第一传动模块与所述腰部摆杆连接；所述腰部电机控制器用于根据所述控制指令，控制所述腰部电机运动；所述腰部电机运动时带动所述第一传动模块转动，进而通过所述腰部摆杆带动所述腰部结构运动；

所述腰部结构包括腰部本体、依次连接的尾部电机驱动器、尾部电机、第二传动模块及尾部摆杆；所述尾部电机驱动器、所述尾部电机、所述第二传动模块及所述尾部摆杆均设置在所述腰部本体内；所述腰部本体的前端与所述身体本体的后端连接；所述尾部电机驱动器还与所述主控制单元连接；所述尾部电机驱动器用于根据所述控制指令，控制所述尾部电机运动；所述尾部电机运动时带动所述第二传动模块转动，进而通过尾部摆杆带动所述尾部结构运动；

所述尾部结构包括尾部本体、尾部推进器控制器、尾部推进器及尾鳍；所述尾部推进器控制器设置在所述尾部本体内；所述尾部本体的前端与所述腰部本体的后端连接；所述尾部推进器设置在所述尾部本体的后端；所述尾鳍设置在所述尾部本体的外部，并通过固定片与所述尾部推进器固定；所述尾部推进器控制器分别与所述主控制单元及所述尾部推进器连接，所述尾部推进器控制器用于根据所述控制指令，控制所述尾部推进器运动；

所述运行数据包括图像信息、深度信息和姿态信息；

所述数据采集单元包括：

摄像头，与所述主控制单元连接，用于采集图像信息;

深度传感器，设置在所述摄像头下方，并与所述主控制单元连接，用于采集深度信息；

惯性测量传感器，设置在头部本体内部，并与所述主控制单元连接，用于采集姿态信息；

所述控制指令包括第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令；所述第一控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值以及腰部结构和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统远离围网；所述第二控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统上浮；所述第三控制指令用于调节胸鳍的拍动幅值以及腰部结构和尾部结构的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统保持预期的姿态；

所述主控制单元包括：

第一控制指令生成模块，分别与所述摄像头、胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器连接，用于根据所述图像信息产生第一控制指令，并发送至所述胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器；

第二控制指令生成模块，分别与所述深度传感器、胸鳍舵机和所述尾部推进器控制器连接，用于根据所述深度信息产生第二控制指令，并发送至所述胸鳍舵机和所述尾部推进器控制器；

第三控制指令生成模块，分别与所述惯性测量传感器、所述胸鳍舵机、所述腰部电机及所述尾部电机驱动器连接，用于根据所述姿态信息产生第三控制指令，并发送至所述胸鳍舵机、所述腰部电机控制器及所述尾部电机驱动器。

2.根据权利要求1所述的双驱动仿生机器鱼系统，其特征在于，所述第一控制指令生成模块包括：

图像处理子模块，与所述摄像头连接，用于根据所述图像信息，确定双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离；

第一判断子模块，与所述图像处理子模块连接，用于判断双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离是否小于距离阈值；

第一指令生成子模块，分别与所述第一判断子模块、所述胸鳍舵机、腰部电机控制器以及尾部电机驱动器连接，用于在双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离小于距离阈值时，产生第一控制指令。

3.根据权利要求1所述的双驱动仿生机器鱼系统，其特征在于，所述第二控制指令生成模块包括：

第二判断子模块，与所述深度传感器连接，用于判断所述深度信息是否大于深度阈值；

第二指令生成子模块，分别与所述第二判断子模块、所述胸鳍舵机及所述尾部推进器控制器连接，用于在所述深度信息大于深度阈值时，产生第二控制指令。

4.根据权利要求1所述的双驱动仿生机器鱼系统，其特征在于，所述第三控制指令生成模块包括：

第三判断子模块，与所述惯性测量传感器连接，用于判断所述姿态信息是否处于姿态阈值范围内；

第三指令生成子模块，分别与所述第三判断子模块、所述胸鳍舵机、所述腰部电机控制器及所述尾部电机驱动器连接，用于在所述姿态信息超出姿态阈值范围时，产生第三控制指令。

5.根据权利要求1所述的双驱动仿生机器鱼系统，其特征在于，所述第一传动模块包括：齿轮组、传动轴、滑环及轴承；

所述齿轮组与所述腰部电机连接；

所述滑环和所述轴承均位于所述传动轴两端；

所述轴承与所述腰部摆杆连接；

所述腰部电机运动时带动所述齿轮组转动，齿轮组带动所述传动轴和轴承转动，进而通过所述腰部摆杆带动所述腰部结构运动。

6.根据权利要求5所述的双驱动仿生机器鱼系统，其特征在于，所述腰部摆杆通过斯特封动密封技术与所述轴承连接。

7.根据权利要求1所述的双驱动仿生机器鱼系统，其特征在于，所述双驱动仿生机器鱼系统的整体外形为金枪鱼型流线型结构。

8.一种双驱动仿生机器鱼系统的多模态冗余控制方法，用于控制权利要求1-7任一项所述的双驱动仿生机器鱼系统，其特征在于，所述双驱动仿生机器鱼系统的多模态冗余控制方法包括：

通过数据采集单元采集双驱动仿生机器鱼系统当前的运行数据；所述运行数据包括图像信息、深度信息和姿态信息；所述控制指令包括第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令；

通过主控制单元根据所述运行数据，产生控制指令，控制胸鳍舵机、腰部电机控制器、尾部电机驱动器及尾部推进器控制器的运行，具体包括：

根据所述图像信息确定双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离；

判断双驱动仿生机器鱼系统与围网的距离是否小于距离阈值；

若距离小于距离阈值，则产生第一控制指令，通过胸鳍舵机控制胸鳍的拍动幅值，通过腰部电机控制腰部的摆动幅值，并通过尾部电机控制尾部的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统远离围网；若距离大于或等于距离阈值，则继续进行巡检；

判断当前深度是否大于深度阈值，在当前深度大于或等于深度阈值时，产生第二控制指令，通过胸鳍舵机调节胸鳍的拍动幅值，并通过尾部尾部推进器控制器尾部推进器正向运动，使得双驱动仿生机器鱼系统上浮；在当前深度小于深度阈值时，继续进行巡检；

判断当前姿态是否处于姿态阈值范围内，若当前姿态超出姿态阈值范围，则产生第三控制指令，通过胸鳍舵机调节胸鳍的拍动幅值、通过腰部电机控制器控制腰部的摆动幅值，通过尾部电机控制尾部的摆动幅值，使得双驱动仿生机器鱼系统恢复到预期的姿态；若当前姿态处于姿态阈值范围内，则继续进行巡检。

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