CN207191363U - 基于stm32的仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于STM32的仿生机器鱼，包括鱼头(1)、鱼身(2)和鱼尾鳍(3)；鱼身(2)包括至少两个由前向后依次设置的鱼身关节模块，各个所述鱼身关节模块相互独立设置；每个所述鱼身关节模块均包括：支撑架(3.1)，所述支撑架(3.1)的两端安装到转动架(3.2)。优点为：是一种具有多个关节，并且，每个关节均由三个正交的舵机驱动，又具有无线通讯和视觉功能的分布式控制智能仿生机器人系统，因此，可逼真的模仿出鱼类的柔性摆动和高效的推进效率，进而提高机器鱼的运动敏捷性。

Description

基于STM32的仿生机器鱼

技术领域

本实用新型属于机器人控制技术领域，具体涉及一种基于STM32的仿生机器鱼。

背景技术

二十一世纪是人类开发海洋的世纪，随着陆地资源的日益枯竭，人类将大规模的开发和利用海洋的各种资源。随着仿生学的发展，水下仿生机器人在海洋应用领域异军突起，其中，智能化的水下仿生机器人由于自身的典型性，非常适用于海底石油管道漏油点检测、水下地质勘探、水下军事侦察等复杂环境中工作，已被证明是拥有广泛用途的机器人。

然而，现有的各种仿生机器鱼主要为单关节结构，因此，难以模仿出鱼类的柔性摆动和高效的推进效率，进而导致机器鱼的运动不敏捷，无法满足某些特殊领域的应用需求。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种基于STM32的仿生机器鱼，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种基于STM32的仿生机器鱼，包括鱼头(1)、鱼身(2)和鱼尾鳍(3)；其中，所述鱼身(2)包括至少两个由前向后依次设置的鱼身关节模块，各个所述鱼身关节模块相互独立设置；每个所述鱼身关节模块均包括：支撑架(3.1)，所述支撑架(3.1)的两端安装到转动架(3.2)，所述支撑架(3.1)的外围设置有若干个支撑柱，通过所述支撑柱支撑外部防水皮肤；在所述支撑架(3.1)上安装三个正交舵机，分别为x向舵机、y向舵机和z向舵机；所述鱼尾鳍(3)采用月牙形鱼尾鳍；

在所述鱼头(1)的鱼眼位置安装视觉传感器；在所述鱼头(1)的内部安装STM32主控板和无线通讯模块；每个所述鱼身关节模块布置有x向从机板、y向从机板和z向从机板，所述x向从机板、所述y向从机板和所述z向从机板分别用于驱动所述x向舵机、所述y向舵机和所述z向舵机；每个所述鱼身关节模块还布置有6轴传感器；

仿生机器鱼采用分布式控制架构，即：所述STM32主控板通过所述无线通讯模块与PC机连接；所述STM32主控板通过串口分别与各个所述鱼身关节模块的所述x向从机板、所述y向从机板、所述z向从机板和所述6轴传感器连接。

优选的，还包括电源系统；所述电源系统包括：11.1V锂电池组、LM2596降压电路和LD1117降压电路；所述11.1V锂电池组的输出端与所述LM2596降压电路的输入端连接；所述LM2596降压电路的输出端与所述LD1117降压电路的输入端连接；所述LM2596降压电路用于将11.1V降压到7V，并分别与所述x向舵机、所述y向舵机和所述z向舵机供电连接；所述LD1117降压电路用于将7V降压到5V，并与所述STM32主控板供电连接。

优选的，在外部220V市电供电电源到所述11.1V锂电池组的充电线路上，还连接有锂电池充电保护板。

本实用新型提供的基于STM32的仿生机器鱼具有以下优点：

是一种具有多个关节，并且，每个关节均由三个正交的舵机驱动，又具有无线通讯和视觉功能的分布式控制智能仿生机器人系统，因此，可逼真的模仿出鱼类的柔性摆动和高效的推进效率，进而提高机器鱼的运动敏捷性。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于STM32的仿生机器鱼的整体结构示意图；

图2为本实用新型提供的基于STM32的仿生机器鱼的分布式架构示意图；

图3为本实用新型提供的基于STM32的仿生机器鱼的整体架构示意图；

图4为本实用新型提供的基于STM32的仿生机器鱼的电源系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种基于STM32的仿生机器鱼，是一种具有多个关节，并且，每个关节均由三个正交的舵机驱动，又具有无线通讯和视觉功能的分布式控制智能仿生机器人系统，因此，可逼真的模仿出鱼类的柔性摆动和高效的推进效率，进而提高机器鱼的运动敏捷性，本实用新型属于机器人控制领域。为工科院校的控制理论课程和机器人设计课程提供一种实验研究平台。

具体的，本实用新型针对机器鱼机械结构和电气系统的设计现状，并采用3D打印技术，设计了一种具有人机交互、无线通讯和视觉功能等智能行为的分布式控制仿生机器鱼。(1)利用多关节的摆动模仿鱼类的柔性摆动，同时，为了减少机器鱼的运动中的摩擦阻力，模仿鱼类的流线型特征，并添加了MPU6050模块，即：6轴传感器，实现了鱼体的平稳游动，增强了机器鱼的灵活性和机动性。(2)基于STM32单片机技术开发出一套具有开放式结构的、标准化的机器鱼控制系统。开发的控制系统采用分布式结构，扩展性好。(3)采用2.4GHZ的无线收发模块降低数据收发的缺失。

图3中，采用二值化摄像头进行图像采集，stm32芯片进行图像处理，并利用两组锂电池，对stm32主控板和多组舵机分别供电。stm32单片机对采集的数据进行处理，分别对JXHV5932MG舵机和Futaba s3102舵机输出控制信号，实现对于运动方向的控制。

参考图1，仿生机器鱼包括鱼头1、鱼身2和鱼尾鳍3；其中，鱼身2包括至少两个由前向后依次设置的鱼身关节模块，各个鱼身关节模块相互独立设置；每个鱼身关节模块均包括：支撑架3.1，支撑架3.1的两端安装到转动架3.2，支撑架3.1的外围设置有若干个支撑柱，通过支撑柱支撑外部防水皮肤；在支撑架3.1上安装三个正交舵机，分别为x向舵机、y向舵机和z向舵机；鱼尾鳍3采用月牙形鱼尾鳍；

在鱼头1的鱼眼位置安装视觉传感器；在鱼头1的内部安装STM32主控板和无线通讯模块；每个鱼身关节模块布置有x向从机板、y向从机板和z向从机板，x向从机板、y向从机板和z向从机板分别用于驱动x向舵机、y向舵机和z向舵机；每个鱼身关节模块还布置有6轴传感器；

仿生机器鱼采用分布式控制架构，即：STM32主控板通过无线通讯模块与PC机连接；STM32主控板通过串口分别与各个鱼身关节模块的x向从机板、y向从机板、z向从机板和6轴传感器连接。

下面对括鱼头1、鱼身2和鱼尾鳍3、电气系统设计等各方面分别详细介绍：

(1)仿生机器鱼鱼头

机器鱼的鱼头部分采用3D打印技术制作。鱼头的设计要求是尽可能保证小的形体阻力和维持鱼体游动时的稳定。因此，供电系统和控制电路系统主要安置在仿生机器鱼的鱼头内，鱼头两侧的胸鳍用来辅助机器鱼维持在水下平衡，另外合适的宽高比也有利于鱼体游动时维持鱼体的平稳性。

(2)仿生机器鱼身2

鱼身2内安装鱼身关节模块，每个鱼身关节模块由三个正交的舵机驱动，可实现三维运动。每个鱼身关节模块包括一个内部连接，此时三个舵机被安装在支撑架上，支撑架再与转动架相连，外部连接就是所谓的关节。每个支撑架的外围会有支撑柱，其用于支撑着外部防水皮肤和新月形的尾鳍。

(3)仿生机器鱼尾鳍

为了改善机器鱼的推进速度和推进动力，通过分析仿生机器鱼的波动方程得到了尾鳍面积和推理的关系，从鱼尾形状、鱼尾弧口深度、鱼尾大小、鱼尾软硬度4个方面出发，结合南京大学金陵学院的“机器鱼游动性能改善方法”确定了最佳鱼尾大小方案，即机器鱼的游动性能受鱼尾形状、大小、软硬度等多种因素共同影响，使用较软材料的月牙形鱼尾对鱼游动较为有利。

(4)电气设计系统：

本实用新型设计的机器鱼为一种水下仿生机器人，一般来说，智能机器人的基本特征是能够感知环境的变化并做出相应的动作，实现这一基本特征所需要的电气系统包括：视觉系统、控制系统和电源系统三个系统。

1、视觉系统

视觉系统用于检测周围的视觉图像，是机器鱼的“眼睛”，接收视觉信号，使机器鱼能够看到周围的世界。负责接收、处理视觉信号的组织级系统有USB接口，所以选择大恒水星MER-040-60UC摄像头作为机器鱼视觉传感器。摄像头的参数如表1所示。

表1摄像头的参数

2、控制系统

控制系统是机器人的“神经中枢”，开发的控制系统采用分布式结构，如图2所示，由PC机、底层控制器及舵机组成。底层控制器由STM32处理器来构建，包括主控板(鱼头)和从机板(鱼身)，每个从机模块控制一个正交方向的舵机工作。这种分布式控制系统，从功能上来说呈递阶式，分为组织层、协调层、执行层三层；执行层完成关节舵机控制功能。

1)组织层

组织层由PC机构成，作为上位机完成用户界面、任务规划、图像显示处理等功能。为了便于调试，采用超级终端或者串口调试助手实现。

2)协调层

协调层的功能主要是完成控制、数据分发等功能，由位于机器鱼头部的主控单元来实现，选取STM32F103C8T6核心板作为核心控制器。主控单元作为控制平台的核心处理器，实现数据全部存储和处理，通过串口发出命令驱动下一级的关节产生宏观的控制，主要引导机器鱼的运动方向和运动姿态。

3)执行层

执行层指各个从机单元，实现对机器鱼各关节运动方向的控制。通过由STM32F103C8T6芯片组成的主控板发出的驱动命令驱动舵机工作，只驱动本关节的运动，在机器鱼的整个运动中起辅助控制作用。

4)通信协议设计

PC机与机器鱼主控制器之间采用无线串口通讯的方式进行信息传递，主控制器(主控机)实现数据全部存储和处理，而关节控制器(从机)只是用来与主控机进行数据交互，自己不作任何处理，所有任务都在主机上进行处理。具体通信流程如下：PC通过RS232给机器鱼头部主机发送指令数据来控制机器鱼的运动，头部主机接收到指令确认无误后，解析数据帧，处理综合数据后，将各个执行末段舵机的角度以广播方式通过总线分发到各个从机，进而控制舵机的转动，实现机器鱼的运动。

无线通讯模块由为5V直流供电，具体实施时，通讯发射模块与上位机PC的USB连接，即可实现通过无线通信模块向机器鱼发送指令。

5)电源

电源相当于机器人的“消化系统”，是机器鱼的能量源，为机器人提供感知、思考和动作的所有能源。电源系统主要包括：电池，电池保护板，电源监控模块，电源分配模块以及各级开关等，电源系统示意图如图4所示。

参考图4，电源系统包括：11.1V锂电池组、LM2596降压电路和LD1117降压电路；11.1V锂电池组的输出端与LM2596降压电路的输入端连接；LM2596降压电路的输出端与LD1117降压电路的输入端连接；LM2596降压电路用于将11.1V降压到7V，并分别与x向舵机、y向舵机和z向舵机供电连接；LD1117降压电路用于将7V降压到5V，并与STM32主控板供电连接。

在外部220V市电供电电源到11.1V锂电池组的充电线路上，还连接有锂电池充电保护板。

具体的，机器鱼系统采用内部3S 11.1V锂电池组供电，为增加系统工作的可靠性，单片机及其外围电路、驱动模块和遥控通讯模块各部分单独供电。

为了保护电路安全，防止锂电池进水短路和过度充放电，所以制作了4A的锂电池保护板。

供电部分：首先通过LM2596降压模块将11.1V的电压降到7V，然后分别供给各级舵机，再采用LD1117将7V电压降到5V供给主控芯片。

机器鱼运行时，首先将通讯模块插到PC机上，查看通讯模块能否正常工作；然后打开摄像头，校正摄像头；最后给机器鱼上电，鱼体通电后每个关节会自动归中，鱼体呈绷直状态，此时查看机器鱼与PC是否完成通信，机器鱼是否受控。

本实用新型通过模仿鱼的流线型特征来减小机器鱼在运动过程中的阻力和实现鱼体的平稳游动；并采用大扭矩的金属舵机来提高机器鱼的敏捷性和快速性。主要设计特点概括如下：

(1)基于STM32单片机技术设计核心控制器

STM32嵌入式芯片系列时钟频率达到180MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为72MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置256K到1M的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

(2)控制系统采用分布式主从结构

分布式主从控制结构中，主机通过串口发出命令驱动下一级的关节产生宏观的控制，主要引导机器鱼的运动方向和运动姿态；从机只是驱动本关节的运动，在机器鱼的整个运动中起辅助控制作用。采用分布式控制具有连线少、可扩展性强、易于实现等优点。

本实用新型提供的仿生机器鱼，具有以下优点：

1)本实用新型采用多关节机械结构，利用垂直和水平方向正交的关节来拟合鱼类流线型的身体，减少了机器鱼运动中的摩擦阻力，实现了鱼体的平稳游动，增强了机器鱼的灵活性和机动性。

2)本实用新型的电气控制系统采用层式结构，各级控制器各司其职，使得机器人的处理性能更加强劲，能够有效降低应对复杂控制算法时的计算负担，这十分符合该机器人作为多用途研究平台的定位。此外，分层结构使得硬件系统具有良好的扩展能力。

3)设计的机器鱼控制系统具有一般机器人控制系统的骨架，可推广应用到其它移动机器人中，具有很强的适应性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于STM32的仿生机器鱼，其特征在于，包括鱼头(1)、鱼身(2)和鱼尾鳍(3)；其中，所述鱼身(2)包括至少两个由前向后依次设置的鱼身关节模块，各个所述鱼身关节模块相互独立设置；每个所述鱼身关节模块均包括：支撑架(3.1)，所述支撑架(3.1)的两端安装到转动架(3.2)，所述支撑架(3.1)的外围设置有若干个支撑柱，通过所述支撑柱支撑外部防水皮肤；在所述支撑架(3.1)上安装三个正交舵机，分别为x向舵机、y向舵机和z向舵机；所述鱼尾鳍(3)采用月牙形鱼尾鳍；

在所述鱼头(1)的鱼眼位置安装视觉传感器；在所述鱼头(1)的内部安装STM32主控板和无线通讯模块；每个所述鱼身关节模块布置有x向从机板、y向从机板和z向从机板，所述x向从机板、所述y向从机板和所述z向从机板分别用于驱动所述x向舵机、所述y向舵机和所述z向舵机；每个所述鱼身关节模块还布置有6轴传感器；

仿生机器鱼采用分布式控制架构，即：所述STM32主控板通过所述无线通讯模块与PC机连接；所述STM32主控板通过串口分别与各个所述鱼身关节模块的所述x向从机板、所述y向从机板、所述z向从机板和所述6轴传感器连接。

2.根据权利要求1所述的基于STM32的仿生机器鱼，其特征在于，还包括电源系统；所述电源系统包括：11.1V锂电池组、LM2596降压电路和LD1117降压电路；所述11.1V锂电池组的输出端与所述LM2596降压电路的输入端连接；所述LM2596降压电路的输出端与所述LD1117降压电路的输入端连接；所述LM2596降压电路用于将11.1V降压到7V，并分别与所述x向舵机、所述y向舵机和所述z向舵机供电连接；所述LD1117降压电路用于将7V降压到5V，并与所述STM32主控板供电连接。

3.根据权利要求2所述的基于STM32的仿生机器鱼，其特征在于，在外部220V市电供电电源到所述11.1V锂电池组的充电线路上，还连接有锂电池充电保护板。