【正文】 外，程序調(diào)試過程中，還出現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)過到極限位置繼續(xù)往前轉(zhuǎn)的電機(jī)飛車情況的發(fā)生，經(jīng)故障排除發(fā)現(xiàn)是中位傳感器的線路接觸不良，導(dǎo)致了單片機(jī)的信號采集出錯。（5）靜密封，包括10個螺栓孔，魚身與魚頭的分型面，開關(guān)線孔，信號線孔，充電口的涂膠密封。在魚身下部配70g鉛皮以后，機(jī)器魚可以在水中懸浮。總質(zhì)量42g。針對以上分析，對機(jī)器魚尾鰭做出多處修改：將過渡段減小減薄，圓弧面改為平面，同時尾鰭薄片厚度減薄，根部厚度為3mm，拔模角度為1176。考慮到機(jī)器魚的尾鰭面積越大，則其每一次擺動周期內(nèi)相應(yīng)的排水量會增加，其對應(yīng)的推進(jìn)力亦會增加，所以我們選用更大的尾鰭來做進(jìn)一步速度提升的實(shí)驗(yàn)探究。為了驗(yàn)證提升頻率是否能夠提升機(jī)器魚的前進(jìn)速度，我們暫時修改程序?yàn)檫\(yùn)行過程中不檢測接收機(jī)信號，而是自動執(zhí)行最大速度擺動的程序。N取10，則通過濾波方來采集某通道信號需要200ms的時間，而且，單片機(jī)需要實(shí)時對前進(jìn)速度控制通道，以及轉(zhuǎn)彎通道信號進(jìn)行讀取，以及時做出反應(yīng)。 機(jī)器魚游速測試實(shí)驗(yàn)5 s測試1測試2測試3平均時間/s1091110，故最大其游動速度v為 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，在提高尾鰭擺動頻率的前提下，樹脂尾鰭亦能達(dá)到項(xiàng)目要求。根據(jù)2中的定性關(guān)系，設(shè)計(jì)出了推進(jìn)效率較高的尾鰭，采用PVC材料，模仿鯉魚尾鰭形狀，面積與魚身比例相比真實(shí)魚類略大。其次，我要由衷的感謝我的指導(dǎo)老師畢樹生教授。航行軌跡不夠穩(wěn)定，機(jī)器魚很難實(shí)現(xiàn)長距離直線的定向游動，原因在于在設(shè)計(jì)階段并未考慮機(jī)器魚的方位感知和控制問題，對于更高級的智能機(jī)器魚來說，這將成為一個工作重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明機(jī)器魚的運(yùn)動靈活，游動平穩(wěn)，上浮/下潛自如，密封可靠，體現(xiàn)了尾鰭推進(jìn)模式的特點(diǎn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，現(xiàn)將本文的工作成果總結(jié)如下：根據(jù)項(xiàng)目要求，經(jīng)過分析計(jì)算，提出了合理的機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，并在某些細(xì)節(jié)，如動密封設(shè)計(jì)、電池布置設(shè)計(jì)上，適應(yīng)小型機(jī)器魚的特點(diǎn)因地制宜地開展了創(chuàng)新性改進(jìn)設(shè)計(jì)，并在后期的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性?？刂瓢?的四個引腳輸出不同的高低電平組合，控制板2讀對應(yīng)的引腳高低電平狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)通信，由于單片機(jī)僅讀取引腳電平高低，內(nèi)部時鐘的準(zhǔn)確與否對其無任何影響，所以采用雙板控制方案，實(shí)現(xiàn)了尾鰭無停頓擺動控制任務(wù)，機(jī)器魚速度提升至270mm/s。 雙板控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由于采用雙板控制，單片機(jī)資源充足，我們對于信號采集加用“算數(shù)平均濾波”算法，即單片機(jī)采集N次脈寬參數(shù)，然后求取N次結(jié)果的平均值，在此取N=10。由于具體使用何種材料需要做多組實(shí)驗(yàn)，存在一定難度，所以我們首先通過提升機(jī)器魚尾鰭擺動頻率來實(shí)現(xiàn)其速度的提升。證明尾鰭減薄以后，轉(zhuǎn)動慣量減小，電機(jī)的負(fù)載小，擺動速度上升，推進(jìn)力相應(yīng)的提升，同時過渡段改為平面其撥水效率也相應(yīng)提高，使得速度提升1倍。（2）由于在項(xiàng)目前期，尾鰭設(shè)計(jì)時，考慮到光固化成型加工工藝不成熟，樹脂薄片尾鰭強(qiáng)度可能不夠，所以，對于尾鰭的厚度進(jìn)行了加厚設(shè)計(jì)，導(dǎo)致尾鰭的笨重。 尾鰭形狀分析圖尾鰭中設(shè)置過渡段的目的在于實(shí)現(xiàn)尾鰭與魚身的光滑過渡，因?yàn)轸~身的尾部為弧形曲面，若尾鰭僅為一薄片，則其魚身尾部到尾鰭的過渡突兀，影響美觀。根據(jù)以上現(xiàn)象，做出配重調(diào)整，配重物為寬度為（3）將胸鰭與胸鰭連接桿固定，尾鰭與尾鰭架固定后，尾鰭架與尾鰭軸套連接。但在延時的200ms中，單片機(jī)無法再給電機(jī)發(fā)送指令，電機(jī)處于失控狀態(tài)，所以在單片機(jī)進(jìn)入延時之前，電機(jī)必須先停車。為了調(diào)試的方便，以及防止程序崩潰時電機(jī)飛車，所以程序調(diào)試時，只將機(jī)加工零件以及電路部分裝配好，因?yàn)槲馋挼霓D(zhuǎn)動角度有限制，轉(zhuǎn)動過大則會與魚身發(fā)生干涉，調(diào)試期間不允許裝配尾鰭。胸鰭的轉(zhuǎn)動由接收機(jī)直接控制，即機(jī)器魚俯仰不受單片機(jī)控制。 式中：—L9110芯片輸入端電壓； —Atmega328芯片TTL高電平電壓，5V； —L9110芯片供電電壓，9V； —角位移為φ時電機(jī)的工作電壓，即。1 、通信程序模塊主要任務(wù)是讀取接收機(jī)的2個通道的信號，上文已經(jīng)介紹過，每個通道的信號均為以20ms為周期的PPM信號，脈寬為02ms，即要求單片機(jī)可以測量每個通道的脈寬。由于本機(jī)器魚為單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動，身體僵硬，轉(zhuǎn)彎時不能身體不能彎曲，轉(zhuǎn)彎的動力來源于尾鰭的不對稱擺動。 主控板選擇為了完成電機(jī)的閉環(huán)控制，電機(jī)的尾部裝有霍爾式IE2512增量式編碼器，同時骨架中心線上安裝有中位傳感器，檢測機(jī)器魚尾鰭是否擺動到中位，作為回零傳感器，以避免編碼器讀數(shù)的積累誤差。所以，本文中采用無線遙控。方案二：采用L9110模塊驅(qū)動，L9110是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件。鎳氫電池的特點(diǎn)是電池剛充滿時電壓很高，當(dāng)電量將耗盡時電壓較低，存在電壓不穩(wěn)定的問題。電池單元可選用鎳氫電池，鎳鎘電池，鋰電池。綜上，電池選用輸出電壓12V，容量電池。由于背鰭較薄，材料為樹脂材料，較脆，易損壞，所以背鰭設(shè)計(jì)為可插拔式，若損壞，直接更換一個新的背鰭即可。若不加裝此組合件，則尾鰭架將變?yōu)橐粋€懸臂梁，不利于尾鰭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。O形圈提供預(yù)緊力，可對PTFE方形環(huán)的磨損起補(bǔ)償作用。因此，在殼體上開一個尺寸較大的孔，殼體與轉(zhuǎn)軸通過一個鋁套來連接，鋁套先與轉(zhuǎn)動軸裝配完成，再與外殼固定（膠粘） 轉(zhuǎn)軸與鋁套之間的密封件選用性價比高、密封可靠的“格萊圈”。尾部有一Φ6通孔，用作裝配工藝孔和觀察孔，機(jī)器魚水下運(yùn)行一段時間后，打開觀察孔，看其內(nèi)部是否漏水。 內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 機(jī)器魚的外殼設(shè)計(jì) 外形設(shè)計(jì)外殼的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：（1）必須滿足浮力要求，即外殼的外表面所包圍的體積要大于等于機(jī)器魚的自重（不加配重），然后通過加配重調(diào)整至重力與浮力相等；（2）外殼的外形美觀，同時必須有利于減阻；（3）外殼必須滿足防水要求；（4）滿足通信、充電需求。 胸鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖舵機(jī)與電機(jī)均固定于機(jī)器魚骨架上，該機(jī)械結(jié)構(gòu)布置方式，機(jī)器魚的內(nèi)部零件，甚至包括硬件電路均固定于同一個骨架上，然后骨架與外殼裝配固定即可。由加工工藝學(xué)相關(guān)知識可知，若加工過程中兩個孔采用一次走刀或采用同一定位基準(zhǔn)加工，則其同心度高。其中，足以承受水流擾動產(chǎn)生的扭矩。m，滿足驅(qū)動力矩要求。m。電機(jī)直接驅(qū)動密封部位為軸孔之間的轉(zhuǎn)動，密封表面外形簡單、規(guī)則，格萊圈就是一種技術(shù)成熟的水下動密封件，密封可靠、結(jié)構(gòu)簡潔、價格低廉，完全能滿足使用要求。因此，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動。、傳統(tǒng)驅(qū)動方式成熟，驅(qū)動力比較大，機(jī)器魚游速較高。由“擺動推進(jìn)模式”得到仿生機(jī)理的啟發(fā)，本機(jī)器魚采用單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動方式，整個身體保持不動，僅由尾鰭擺動產(chǎn)生前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎動力，同時，魚體由胸鰭產(chǎn)生上浮/下潛的動力。借助現(xiàn)有的開發(fā)板、機(jī)驅(qū)動板模塊，搭建合理的硬件電路，并編寫控制程序。減小機(jī)器魚的體長面臨一些難點(diǎn)，例如對空間布置、能源、密封、水中的平衡和穩(wěn)定技術(shù)等等需要特殊考慮。魚體中安裝了攝像頭與壓力傳感器，便于進(jìn)行控制與信息采集。 國外研究現(xiàn)狀1. 2000年，日本國家海洋中心為了研究機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎原理，開發(fā)了PF300。在船舶行業(yè)，螺旋槳推進(jìn)是當(dāng)下最普遍的推進(jìn)方式，但螺旋槳在水中轉(zhuǎn)動時，側(cè)面會產(chǎn)生渦流，增加動力消耗，降低游動速度。北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 V 頁本人聲明我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。2. 性能指標(biāo)：（1）體積：300mm100mm150mm；（2）最大前進(jìn)速度200mm/s；（3）最大下潛深度500mm；（4）續(xù)航能力2h；（5）轉(zhuǎn)彎半徑≤400mm。 對機(jī)器魚各功能單元進(jìn)行劃分和設(shè)計(jì)，完成機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維建模。本文借助三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)建模，并對機(jī)械結(jié)構(gòu)做干涉檢驗(yàn)以及運(yùn)動仿真，借助Arduino集成開發(fā)編譯環(huán)境，編寫控制程序，并選用配套硬件電路板完成電機(jī)控制、遙控通信等任務(wù)。反觀魚類，作為自然界最早出現(xiàn)的脊椎動物，經(jīng)過億萬年的物競天擇，進(jìn)化出非凡的水中運(yùn)動能力。用木頭做成漂浮于水面的天線，可以與外界實(shí)現(xiàn)無線通信。 哈工程機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意圖 哈工程機(jī)器魚實(shí)物圖 課題研究方法本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)主要借助Solidworks三維建模工具來實(shí)現(xiàn)。北航機(jī)器人研究所研究機(jī)器魚已有十年以上的歷史，尚無制作小型機(jī)器魚的實(shí)踐。在本章開篇，首先對魚類的推進(jìn)機(jī)理做簡要分析。尾鰭提供主要動力，所以它的驅(qū)動器的選型為本節(jié)的重點(diǎn)。 新功能材料驅(qū)動方式比較驅(qū)動方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)形狀記憶合金驅(qū)動力/重量比大、變形量大、結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動電壓低重復(fù)多次記憶效應(yīng)會退化、對該材料的研究尚屬初步、材料難獲取、價格貴壓電陶瓷變形精度、響應(yīng)極快形變增大，輸出力矩變小、對外界干擾力敏感、變形量小于千分之一、驅(qū)動電壓超過100V人造肌肉能耗低、無噪聲、變形量大輸出力矩小、頻率低顯然，在機(jī)器魚系統(tǒng)中，交流電源難以獲取，只能選擇直流電機(jī)。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，電機(jī)通過一級2:1錐齒輪減速后帶動曲柄a轉(zhuǎn)動，進(jìn)而搖桿c（即尾鰭）實(shí)現(xiàn)兩個極限位置1與2之間的往復(fù)擺動。再看曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，它有4個轉(zhuǎn)動副，在加工和裝配中要求各轉(zhuǎn)動副中心距保持高精度，否則搖桿擺動的兩個極限位置可能與魚身的中心線發(fā)生偏離，從而導(dǎo)致尾鰭劃動的推進(jìn)力與魚身中心線形成不重合，結(jié)果機(jī)器魚無法完成直線巡游。 剛性尾鰭薄片尾鰭薄片繞Z軸轉(zhuǎn)動，可沿X軸取一微段（寬為，高為h），它在運(yùn)動到中位位置時速度最大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)電機(jī)經(jīng)減速器以及2:1錐齒輪減速后，輸出最大轉(zhuǎn)速為150r/min，即，根據(jù)流體力學(xué)阻力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式 式中：F—運(yùn)動物體所受阻力； ρ—水的密度； u—物體在靜水中的運(yùn)動速度； S—物體沿速度方向的投影面積； Cd—阻力系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為1。 胸鰭結(jié)構(gòu)示意圖因此，我們不再校核舵機(jī)的輸出扭矩，僅根據(jù)魚的設(shè)計(jì)尺寸選擇合適大小的舵機(jī)。當(dāng)電機(jī)采用水平放置時，電機(jī)軸與尾鰭擺動的中心軸線將存在90176。所以，采用固定板與骨架分離式結(jié)構(gòu)，裝配方便，而且節(jié)省材料。為了使得兩個胸鰭軸達(dá)到較高的同心度，先將U型架設(shè)計(jì)如下：ES08A銀燕舵機(jī)配有塑料舵盤，其上8個孔可以擰入自攻釘，一端有與舵機(jī)出軸配合的花鍵，另外一端有一圓柱凸臺。 魚殼截面輪廓本機(jī)器魚外殼形狀，并非完全仿照自然界中的真實(shí)鯉魚的外形，而是X方向上的尺寸略短，Y方向尺寸略長，目的是為了減短機(jī)器魚的體長，同時Y向尺寸的加大，以給內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)留有足夠的安裝空間，為了便于機(jī)器魚內(nèi)部機(jī)械部分可以裝入殼內(nèi)，因而在選取殼體的一個面積較大的截面作為分型面，將以上魚殼分為兩部分，魚頭和魚身。 殼內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)魚身壁厚3mm，采用樹脂材料，為了讓殼體擁有更高的強(qiáng)度，殼內(nèi)沿魚身長度方向以及周向方向加有加強(qiáng)筋，殼體采用樹脂材料，密度為，強(qiáng)度較高，且樹脂材質(zhì)（相比金屬材料）對電磁波信號的傳輸幾乎無影響。鋁套外徑與外殼孔內(nèi)徑相差1mm，作為裝配時的調(diào)整間隙。充電插針凹槽的設(shè)計(jì)是為了避免插針與魚嘴蓋的干涉。凹槽用于安放尾鰭架，曲面是為了與魚身實(shí)現(xiàn)光滑過渡，以減小阻力，同時保持整個外形的美觀。零件在合理的運(yùn)動范圍內(nèi)無干涉發(fā)生，可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，證明機(jī)械設(shè)計(jì)部分基本無問題，最后繪制需要機(jī)加工零件的二維設(shè)計(jì)工程圖紙，需要光固化成型加工的零件繪制了STL格式的圖形文件，并全部交付加工。同時，骨架上端雖然不安放零件，剩余很大空間，但是電池一般較重，放到魚體的上部會使其重心上移，不利于其穩(wěn)定性。但是其最致命的缺點(diǎn)是，在充放電過程中如果處理不當(dāng)，會出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”， 使得服務(wù)壽命大大縮短。并且能耗比較大，不過穩(wěn)壓后的電壓平穩(wěn)無雜波，且芯片價格便宜；而DCDC型穩(wěn)壓基本沒有壓降，能耗少，但穩(wěn)壓后的電壓有輕微的高頻干擾，并且芯片價格稍貴?；谏鲜龇治鑫覀冞x擇方案二。本文選6通遙控器來實(shí)現(xiàn)遙控控制，剩余的通道留作后期開發(fā)備用。主控電路板要求能夠讀取接收機(jī)2個通道的信號，同時讀取碼盤數(shù)據(jù)，中位傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置，根據(jù)正弦控制規(guī)則計(jì)算出對應(yīng)位置上的電機(jī)轉(zhuǎn)速并輸出對應(yīng)的PWM波控制電機(jī)，同時通過控制3色LED燈的不同顏色亮滅表示出機(jī)器魚的不同前進(jìn)速度。Arduino硬件平臺可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。為了防止