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水下智能机器鱼 许晖，史荣燕，马云 （西北工业大学航海学院，陕西 西安710072） 摘要：21世纪是海洋的世纪。各种技术的全面发展带动了水下机器人技术的发展，本文设计了一种在潜水区域作业的微小型机器鱼，控制方式采用上位机控制。最后进行了水面试验，结果表明该机器鱼操纵方便、满足设计要求。 关键字：微小型机器鱼；上位机控制 中图分类号：TP29 文献标识码：B The underwater intelligent robot fish Xu Hui, Shi Rong-yan, Ma Yun （School of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’An 710072, China） Abstracthe 21st century is the century of ocean. The all-round development of various technologies drives the development of underwater robotics technology, this paper designs a miniature robotic fish in diving area operations, the mode of control adopts PC control. Finally the water test, the results show that the robotic fish is manipulation convenient ,and meets the design requirements. Keywords: a miniature robotic fish, PC control. 1 引言 随着海洋开发的蓬勃发展，在海洋开发及相关领域中运用机器人技术已经引起了世界各国的重视。水下机器人出现了一些新的推进方式，能否利用鱼类的游动原理做出比螺旋桨推进更快和噪声更低的水下推行器，寻找新的运输方式和推进方式，已成为一个热门研究课题。本文以单片机STM32F103VET6为核心控制芯片，制作完成用来模拟鱼基本运动的鱼形机器人。 2机器鱼推进原理与数学建模 2.1 机器鱼的推进原理[1] 大部分鱼利用自身作为推进器，进行波状摆动推进，身体左右摆动击水，利用流体产生的反作用力获得鱼体前进的推力。如图1所示，假设脊椎曲 线占一个波长λ，鱼体是面积为的带状物，其质量为Μ，鱼体做正弦运动，其俯视图恰为一个波长的波形??且波速为为v，频率为f，波幅为A。 以图1所示坐标系为参考系，则脊椎曲线包络 的工作质质量为： 收稿日期：2013-06-21；修稿日期：2013-06-xx 作者：史荣燕（1988-），女，陕西韩城人，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化。 通讯作者：许晖，副教授，E-mail: xuhui@nwpu.edu.cn。 (1) 以地面为参考系，鱼体相对速度为, 流体相对地速度为，根据动能守恒得： (2) 又因为 则鱼的速度为： (3) 图1 鱼体脊椎曲线 Fig 1 The curve of the spine of the fish body 2.2 机器鱼的转向原理[2] 机器鱼的转向参考真鱼游动时的转向原理，并利用了游动时的惯性，图2为机器鱼转向原理示意图。机器鱼转向时，尾部偏转并停留在最大摆动角位置，图2为左转，惯性使鱼体继续向前推进，此时鱼体所受的流体阻力比较大，纵向分量只阻碍鱼体的推进，横向分量实现鱼体的转向。 图2鱼转向受力分析 Fig 2 Force analysis of steering 2.3 机器鱼运动模型的建立 鱼类游动过程中，按照波动推进理论，通过身体的波动，把水对鱼身体的反作用力转换为前向的推进力和侧向分力，整个身体波动产生的侧向分力相互消减，推动身体向前运动，同时充分利用涡流的作用，对产生的涡流进行能量回收，提高游动效率。身体波动的形式决定了鱼的游动性能和游动效率。身体波动的方程为： (4) 为鱼身体横向摆动的幅度, x为着鱼体的纵向位置坐标，,为身体波的波长, 为振幅的线性增益, 振幅的二次增益， w为身体波的频率。为得到较好的鱼体波动方程,需要对，，w取值大小进行综合考虑。 3 机器鱼总体设计 3.1 水下智能机器鱼的技术指标 考虑到玻璃钢外形有便于加工、结构强度和稳定性高等优点，本文设计的水下智能机器鱼的头部线型选用半球形设计，整体结构框架材料选用的是玻璃钢，鱼身和鱼尾采用硅胶密封包裹。水下智能机器鱼可以在水下实现上浮、下潜、左右转向及避障的基