仿生机器鱼的研究与开发(1)

自动化理论、技术与应用

２．３仿生机器鱼的研制

图１ＤＲＡＰＥＲ实验室的ＶＣＵＵＶ

第一条仿生机器鱼是ＭＩＴ海洋工程系的Ｔｒｉａｎｔａｆｙｌｌｏｕ研究组研制的ＲｏｂｏＴｕｎａ：Ｃｈａｒｌｉｅ．Ｉ，该机器鱼是一条长约１．２米，由２８４３个零件组成的机器金枪鱼，由６个驱动电机驱动，能够像真鱼一样游动【３０１。１９９８年，ＤＲＡＰＥＲ实验室基于ＲｏｂｏＴｕｎａ完成了ＶＣＵＩⅣ。

美国东北大学海洋科学中心利用形状记忆合金（ＳＭＡ）和链杆机构开发了波动推进的机器鳗鱼。美国新墨西哥大学ＭｅｔｈｒａｎＭｏｊａｒｒａｄ研究小组将高分子电解质离子交换膜（ＩＥＭ）镀在金属薄片上，通过外加电场实现人工合成肌肉的运动，产生鳗鱼的游动方式。日本名古屋大学研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍鱼型微机器人。日本运输省船舶技术研究所（ＮＭｍ）研制的一系列机器鱼中的ＵＰＦ－２００１，旨在研究机器鱼的高性能和多用途。日本东海大学Ｋａｔｏ实验室为了研究人工胸鳍机动性和推进性能而研制的测试平台：人工胸鳍黑鲈鱼。三菱重Ｉ（ＭＨＩ）开始生产面向市场的机器腔棘鱼和用于观赏的金色鲤鱼外形机器鱼。

图２三菱公司的机器腔棘鱼

中国科学院自动化研究所与北京航空航天大学机器人研究所联合开展了“多微小型仿生机器鱼群体协作与控制的研究”，研制了多种类型的仿生机器鱼。北京航空航天大学机器人研究所成功使用仿生机器鱼ＳＰＣ．ＩＩ对福建东山县郑成功战舰遗址５０００平方米的海域进行水下探测口¨。

图３ＳＰＣ—ＩＩ仿生机器鱼

３ＣＡＳＩＡ仿生机器鱼研制进展

仿生机器鱼的研究与开发

中科院自动化所在仿生机器鱼方面开展了仿鱼水下运动控制理论、多机器鱼协调控制、自主避障控制、上浮下潜控制、视觉导航控制等多方面开展工作。

３．１仿生机器鱼运动控制与协调方法

针对公式（１）所示的鳇科鱼类推进模型进行了仿生机器鱼的控制算法设计。

ｙ幻咖（ｘ，ｆ）警￡（ｃ１戈＋ｃ２碧镎如【意域ｌｚ＋ｃ谢）】（１）

。

通过将上式在一个运动周期内进行离散化，然后根据不同时刻给出相应的步态控制值。按照由此形成的一组步态控制量完成机器鱼一个周期的运动。不断重复这一过程就形成类鱼的波动运动过程。这一过程只是对鱼类运动时形态变化的模拟，但是没有对相应的复杂的水下动力学进行考虑。

由于对水动力学影响的估计比较困难，在鱼类游动机理基础上，需要通过反馈来实现机器鱼的点到点控制。因此，建立全局视觉系统来完成机器鱼的定位，并基于图像给出的定位信息实现机器鱼的位置控制。在考虑到水中运动畦水动力学影响的不确定性时，机器鱼到距离目标点还有一小段距离时就停止运动，并利用水动力学的作用缓慢运动到目标点。

对于真实鱼类而言，其身上所具有的感知器官使其能够自由地在水中游动，躲避各种障碍。机器鱼如果要如真鱼般灵活地躲避各种障碍就必须装备必要的传感设备。为亍实现机器鱼反应式的自主游动，在机器鱼上装备了红外传感器，并由多个红外传感器组成的网络来辅助机器鱼实时获取水下的障碍信息，并采取相应的避障策略。在避障控制中，采用基于规则的控制系统来实现。针对当前的速度、方向和传感器输入，根据规则确定下一步运动的速度和转向，进而实现水下的自由运动和自主避障。

在实际工作中，视觉对于水下观测、检测是至关重要的，所以在机器鱼上装备视觉传感器是有极大的实际意义的。基于视觉传感器获取的水下图像，开展了基于视觉的导航控制研究。在黑暗的管道环境中，通过在不同的拐角设立不同的色标作为路标，机器鱼通过视觉传感器获得这些信息，并进行快速处理这些路标，一方面可以构建环境的拓扑地躅，另一方面能够很好地完成导航任务。

对于仿生机器鱼研究的另一部分是进行多仿生机器鱼协调控制的研究。基于全局视觉系统，可以很好地实现基于位置的多仿生机器鱼协调控制。为了完成不同的协调任务，设计了基于角色的协调控制方法和基于领航员的协调控制方法。在基于角色的方法中，机器鱼在不同的角色中进行切换，不同的角色对应着完成不同任务的能力，不同机器鱼按各自获取的环境信息决定自身的角色，从而实现协调控制。在基于领航员的方法中。多条机器鱼均具有一个行为集合，领航员机器鱼选择从自己的行为集合中选择适当的行为并发送协作信息给其他机器鱼，其他机器鱼根据自身获取的信息和领航员机器鱼下达的协作信息从自身的行为集合中选取适当的行为来执行以实现协作。

３．２仿生机器鱼系统

图４多仿生机器鱼协调控制系统

在图４中，给出了一个多仿生机器鱼系统，其中ｌ是控制主机，２是控制命令发送装置，３是支撑架，４是摄像机，５是鱼池，６’为日标，７是机器鱼本体。ｔ摄像头采集水中机器鱼的图像用于机器鱼的定位，

自动化理论、技术与应用

计算机完成图像处理、控制决策和命令下发、机器鱼自主完成接收到的命令。通过这个系统可以完成机器鱼基于视觉反馈的运动控制和多仿生机器鱼协调控制。

图５几种不同类型的仿生机器鱼

在图５中给出了几种由中科院自动化所研制的几种不同的仿生机器鱼。图５（ａ）是验证机器鱼身体尾鳍协调摆动实现游动运动的机器鱼原型。图５（ｂ）是具有胸鳍的机器鱼用于验证依靠胸鳍完成上浮下潜运动。图５（ｃ）是装配有红外传感器的仿生机器鱼验证基于红外传感器的自主避障控制策略。图５（ｄ）是装配有摄像头的仿生机器鱼用于验证基于视觉的当导航控带嚷策略。

４结论

仿生机器人是机器人学中的一个热点研究内容。仿生机器鱼的研究对于开发研制新型高效、高机动性的水下潜器具有重要意义。现有的研究在运动机理、控制和机构设计、系统集成、实验研究、乃至应用等方面都有了很好的进展，但由于鱼类游动机理的复杂性，还存在许多工作需要深入开展。而机器鱼研制则是一个需要运动机理、机构设计、驱动系统、控制方法等多个领域协作才可能逐步取得进展。现有的机器鱼系统在各方面还都存在极大的改进完善空间。

参考文献

［１】ＳｆａｋｉｏｔａｋｉｓＭ，ＬａｎｅＤＭ，ＤａｖｉｅｓＪＢＣ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｆｉｓｈｓｗｉｍｍｉｎｇｍｏｄｅｓｆｏｒａｑｕａｔｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ．ＩＥＥＥＪ．ＯｃｅａｎｉｃＥｎｇ．，１９９９，２４（２）：２３７—２５２

【２】２ＰＷｅｂｂ．ＦｏｒｍａｎｄＦｕｎｃｔｉｏｎｉｎＦｉｓｈＳｗｉｍｍｉｎｇ．ＳｃｉｃｅＡｍｅｒｉｃａｎ．１９８４．Ｖ０１．２５１．Ｐ５８－－６８

［３】３ＴｒｉａｎｔａｆｙｌｌｏｕＭＳ，ＴｒｉａｎｔａｆｙｌｌｏｕＧＳ．Ａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｗｉｍｍｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＡｍｅｒｉｃａｎ，１９９５，２７２（３）：６４．７０

【４】ＴａｙｌｏｒＧＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｗｉｍｍｉｎｇｏｆｌｏｎｇｎａｒｒｏｗａｎｉｍａｌｓ．Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ，Ｓｅｒ．Ａ．１９５２，ｖ０１．２１４，１５８．８３

［５】５ＬｉｇｈｔｈｍＭＪ．Ｎｏｔｅｔｈｅｓｗｉｍｍｉｎｇｏｆｓｌｅｎｄｅｒｆｉｓｈ．Ｊ．ＦｌｕｉｄＭｅｃｈ．１９６０，ｖ０１．９：３０５．３１７

［６】ＷｕＴＹＳｗｉｍｍｉｎｇｏｆａｗａｖｉｎｇｐｌａｔｅ．Ｊ．ＦｌｕｉｄＭｅｃｈ．１９６ｄ，ｖ０１．１０，３２６３４４

［７】７ＬｉｇｈｔｈｉｌｌＭＪ．Ａｑｕａｔｉｃａｎｉｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｏｆｈｉｇｈｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｊ．ＦｌｕｉｄＭｅｃｈ．１９７０，ｖ０１．４４，２６５．３０１

【８］ＬｉｇｈｔｈｉｎＭＪ．Ｌａｒｇｅ－ａｍｐｌｉｔｕｄｅｅｌｏｎｇａｔｅｄ－ｂｏｄｙｔｈｅｏｒｙｏｆｆｉｓｈｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ．Ｐｒｏｃ：．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ，Ｓｅｔ．Ｂ．１９７１，ｖ０１．１７９，１２５．１３８