本實用新型屬于機器人領域，具體涉及一種用于魚群養(yǎng)殖業(yè)的自主追趕魚群機器魚。

背景技術：

機器魚，故名思議，從材料制作的外形像魚的機器，機器魚已在水質監(jiān)測領域有十分廣泛的應用，這一類型的機器魚通常裝有化學傳感器，用于分析水中污染物成分等。本款機器魚擬用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，用于定期驅趕魚群，使魚群定期游動，肉質得到改善，提高市場效益。

當前機器魚的驅動方式常?；诜律鷮W，主要分為以下三種：

a.Anguilliform：(鰻狀的)通過整體身軀肌肉的波動來游動，像鰻魚一樣

b.Carangiform：通過尾鰭和與尾部相連的身軀擺動來游動，像鮭魚，金槍魚，旗魚

c.Ostraciifrom：只通過尾鰭的擺動而不利用身體擺動而進行泳動

然而當前機器魚技術存在以下的弊端和改進：

1、現(xiàn)有機器魚多用于水質監(jiān)測等領域，依靠精密的化學傳感器等，造價高。

2、由于其應用限制，當前機器魚對于其外形和游動速度不加要求，然而用于驅趕魚群的機器魚對于其游動速度具有較高的要求。

3、現(xiàn)有機器魚技術的防水流程復雜，且防水效果較差，成本較高。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于解決現(xiàn)有技術中存在的問題，并提供一種用于魚群養(yǎng)殖業(yè)的自主追趕魚群機器魚及其控制方法。

本實用新型所采用的技術方案如下：

用于魚群養(yǎng)殖業(yè)的自主追趕魚群機器魚，包括順次相連且外表面包裹蒙皮的魚頭、魚身和魚尾；所述的魚頭內(nèi)部設有相連的排水針管、排水舵機、曲柄滑塊和攝像頭；所述的排水舵機通過曲柄滑塊與排水針管的活塞相連，用于驅動活塞運動以改變管內(nèi)液體質量；所述的排水針管數(shù)量為雙數(shù)，兩兩對稱設置于魚頭內(nèi) 部，且針頭的出水口位于魚頭外部；

所述的魚頭通過連接支架與魚身相連，魚身內(nèi)設有若干個驅動舵機，驅動舵機之間通過級連固定件相連，最靠近魚尾的驅動舵機通過級連固定件與魚尾相連；級連固定件上固定有用于支撐蒙皮的蒙皮框架；靠近魚尾的驅動舵機在靠近魚頭的驅動舵機的驅動下在水平方向轉動；

所述的攝像頭、排水舵機和驅動舵機分別與控制器相連。

作為優(yōu)選，所述的控制器為樹莓派。

作為優(yōu)選，所述的蒙皮采用3M VHB膠帶進行防水密封。

作為優(yōu)選，所述的控制器、排水舵機和驅動舵機由電源設備進行供電，電源設備包括航模電池、電壓降壓模塊和輔助電路

作為優(yōu)選，所述的級連固定件整體呈Z形，上臂末端呈十字形，通過螺釘與上一級舵機的舵盤相連，上臂始端留有兩個螺紋孔，用于與下一級舵機相連，進而完成級連的功能，并且傳遞扭矩；上臂始端設有肋板以提升結構強度。

作為優(yōu)選，所述的控制器通過無線傳輸模塊與用戶進行數(shù)據(jù)交互。

該機器魚的控制方法包括上下運動控制和左右運動控制；

所述的上下運動控制步驟如下：

S101：通過攝像頭采集魚群圖像，并由控制器通過無線傳輸模塊發(fā)送至服務器，在服務器端對圖像中的目標魚群進行位置識別，并將位置信息轉換成控制指令傳輸回控制器中；

S102：控制器接收控制指令后，解析出該指令所對應的俯仰角度

S103：控制器控制排水舵機在t時間內(nèi)勻速旋轉角度θ₁，θ₁＞0時排水針管水的體積增加，且θ₁的計算公式如下：

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{J_{1}arctan\frac{z}{y}}{t^2{\mathrm{\ρgAL}}_{1}R}\right)$

式中：

y-目標點與魚重心的軸向距離；z-目標點與魚重心的豎直方向距離；ρ-液 體密度；g-重力加速度；A-排水針管的橫截面積；L₁-針管中心與魚重心距離；R-舵機曲柄滑塊長度；J₁-機器魚豎直方向轉動慣量；

上述公式的推導原理如下：

機器魚的上下運動需要改變機器魚在徑向的俯仰角。為了便于控制，我們采用了固定時間調節(jié)的方式。

首先當魚接收到旋轉命令后，能夠解析出指令俯仰角度通過俯仰角度經(jīng)過以下的計算能夠得到在指定時間t內(nèi)，排水舵機所需要轉過的角度θ₁：

通過改變排水舵機的旋轉角度θ₁來改變排水針管中的水的體積ΔV，其對應關系如下：

d＝R sinθ₁

ΔV＝dA＝RAsinθ₁

體積的變化造成機器魚前部重力ΔF的變化，進而來改變機器魚的前后扭矩ΔT的大?。?/p>

ΔF＝ΔVρg＝ρgARsinθ₁

ΔT＝2ΔFL₁＝2ρgAL₁Rsinθ₁

扭矩ΔT會造成機器魚在徑向的旋轉，計算可得：

ΔT＝J₁β₁

若我們要求運動在時間t內(nèi)完成則可以得到下面的等式：

$\∫\∫{\mathrm{\β}}_{1}dtdt=arctan\frac{z}{y}$

$\∫\∫\frac{2{\mathrm{\ρgSL}}_1{\mathrm{Rsin\θ}}_1}{J_1}dtdt=arctan\frac{z}{y}$

求解得即若使魚在時間t內(nèi)偏轉角度，需 要要求旋轉舵機旋轉

d-排水針管活塞位移；ΔV-排水針管排水體積；ΔF-因ΔV而增加的重力；ΔT-因ΔV而增加的轉矩；β₁-機器魚豎直方向旋轉角加速度；

y-目標點與魚重心的軸向距離；z-目標點與魚重心的豎直方向距離；ρ-液體密度；g-重力加速度；A-排水針管的橫截面積；L₁-針管中心與魚重心距離；R-舵機曲柄滑塊長度；J₁-機器魚豎直方向轉動慣量；

S104：完成步驟S102后，由控制器控制排水舵機恢復至未旋轉前的角度；

S105：不斷重復S101～S104，實現(xiàn)垂直方向對目標魚群的追趕；

所述的左右運動控制步驟如下：

S201：通過攝像頭采集魚群圖像，并由控制器通過無線傳輸模塊發(fā)送至服務器，在服務器端對圖像中的目標魚群進行位置識別，通過魚群偏離圖像中心的位置預測得到機器魚需要偏離的角度θ₂，并將位置信息轉換成控制指令傳輸回控制器中；根據(jù)驅動舵機的運動幅度限制，設置魚尾擺動次數(shù)N，來回擺動記為1次，單次擺動使機器魚偏離的角度為θ'，θ'＝θ₂/N；

S202：控制器接收控制指令后，解析出該指令所對應的雙側不對稱旋轉角度α和γ；其中α和γ為所有驅動舵機轉動的角度之和，α＞0時，魚尾以魚頭為原點逆時針轉動；γ＞0時，魚尾以魚頭為原點順時針轉動；α和γ滿足以下約束條件：

τ₁＝F_DL₂cos(γ-γ₁)

τ₂＝F_DL₂cos(α-α₁)

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2}{4J_2}{t}^2$

式中：雙側魚尾受力作用點和魚重心之間所稱角度為角度α₁和γ₁；F_D為尾部所受的總作用力；L₂-魚尾中心與魚重心間的距離；J₂為機器魚水平方向的轉 動慣量；τ₁-魚身以魚頭為原點順時針方向所受力矩；τ₂-魚身魚頭為原點逆時針方向所受力矩；t-為單次擺動過程的總時間；

以上公式的推導原理如下：

水平方向控制按照左右兩個擺動周期作為一次控制周期，進行粗略控制，每次轉動的角度θ'?？刂频牧鞒虨椋?/p>

接收到旋轉命令，解析出旋轉方向。然后對尾部舵機進行旋轉角方向的不對稱控制。最后完成后魚身恢復到初始狀態(tài)。

其中機器魚每次旋轉的角度θ'與雙側不對稱旋轉角度α和γ之間的關系如下：

機器魚魚尾打水所收到的合外力可由以下公式計算得：

$F_D=\frac{1}{2}{C}_d{\mathrm{\ρv}}^{2}S$

其中v＝ωL₂。

如果左右之間的角度為雙側不對稱旋轉角度α和γ，雙側魚尾受力作用點和魚重心之間所稱角度為角度α₁和γ₁，則兩側極端位置所收到的力矩為：

τ₁＝F_D sinγL₂sinγ₁+F_D cosγL₂cosγ₁＝F_DL₂cos(γ-γ₁)

τ₂＝F_D sinαL₂sinα₁+F_D cosαL₂cosα₁＝F_DL₂cos(α-α₁)

由于機器魚擺動的速度較快，我們可以將受力進行近似，并且認為是恒力矩，則單次擺動所轉過的角度為：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2}{4J}{t}^2$

以總共擺動兩次為例，所以每次執(zhí)行旋轉命令所轉過的角度為：

${\mathrm{\θ}}_2=2{\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2}{2J}{t}^2$

上述公式中涉及參數(shù)的定義如下：

為尾部所受的總作用力；C_d-阻力系數(shù)；v-魚尾擺動線速度； S-魚尾面積；L₂-魚尾中心與魚重心距離；J₂為水平方向的轉動慣量；τ₁-魚身順時針方向所受力矩；τ₂-魚身逆時針方向所受力矩；t-為單次擺動的總時間；γ-魚尾順時針轉動角度；γ₁-魚尾相對重心轉過的順時針角度；α-魚尾逆時針轉動角度；α₁-魚尾相對重心轉過的逆時針角度。

S203：控制器控制驅動舵機轉動，向兩側依次擺動α和γ，并重復N次；

S204：不斷重復S201～203，實現(xiàn)水平方向對目標魚群的追趕。

作為優(yōu)選，所述的上下運動控制和左右運動控制同時或分別或依次進行。

本實用新型相對于現(xiàn)有技術而言，具有以下技術效果：

(1)機器魚的機械效率和游動速度問題

現(xiàn)有技術多用于水下攝影、水質勘測等，重點放在其探測器的精密程度上，不對機器魚平臺的游動速度具有較高要求，然而本款機器魚通過對于機械結構的改善和合理的運動規(guī)劃增加游動速度，提高輸出效率。

(2)機器魚的運動規(guī)劃問題

傳統(tǒng)機器魚常用于固定深度的水下，然而這款機器魚的應用場所環(huán)境復雜，需要多種運動方向(直行、轉彎、上浮、下沉等)，此款機器魚通過一個固定于魚頭處的排水裝置，改變魚的重量，進而改變其密度，從而實現(xiàn)機器魚在水中的上浮及下沉。

(3)機器魚的防水問題

傳統(tǒng)技術未開發(fā)一套成本較低的防水結構，此款機器魚利用了一種高彈性的材料VHB進行魚身的防水和密封，既保護了電路和機械結構，又不干擾機器魚本身的運動。

附圖說明

圖1為一種用于魚群養(yǎng)殖業(yè)的自主追趕魚群機器魚的俯視內(nèi)部結構圖；

圖2為級連固定件的示意圖；其中a)為主視圖；b)左視圖；c)俯視圖；

圖3為本實用新型的機器魚側視圖；

圖4為機器魚左右運動的控制示意圖；

圖5為本實用新型的排水舵機曲柄滑塊裝置運動示意圖；

圖6為機器魚上下運動的控制示意圖。

圖中：排水針管1、排水舵機2、曲柄滑塊3、級連固定件4、蒙皮框架5、魚尾6、連接支架7、控制器8和攝像頭9；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步闡述和說明。本實用新型中各個實施方式的技術特征在沒有相互沖突的前提下，均可進行相應組合。

如圖1和3所示，一種用于魚群養(yǎng)殖業(yè)的自主追趕魚群機器魚。該機器魚主體部分分為順次相連且外表面包裹蒙皮的魚頭、魚身和魚尾6。蒙皮采用3M VHB膠帶進行防水密封，每次下水前都需要重新包裹，以保證機器魚內(nèi)部的防水性能。

所述的魚頭內(nèi)部設有相連的排水針管1、排水舵機2、曲柄滑塊3和攝像頭9；所述的排水舵機2通過曲柄滑塊3與排水針管1的活塞相連，用于驅動活塞運動以改變管內(nèi)液體質量；所述的排水針管1數(shù)量為雙數(shù)，兩兩對稱設置于魚頭內(nèi)部，且針頭的出水口位于魚頭外部。本實施例中，排水針管1、排水舵機2及曲柄滑塊3作為質心調整模塊，共有2套，對稱放置于魚頭下部。舵機帶動曲柄滑塊旋轉，曲柄滑塊機構與排水針管內(nèi)活塞相連，從而將舵機的旋轉運動轉換為活塞的往復運動。

所述的魚頭通過連接支架7與魚身相連。本實施例中，魚身內(nèi)設有3個驅動舵機，驅動舵機之間通過級連固定件4相連，最靠近魚尾6的驅動舵機通過級連固定件4與魚尾6相連。魚尾部分前半部分采用與舵機級聯(lián)固定件上臂部分相同的結構，后半部分固連一個魚尾形狀的排水板，通過打水的方式推動魚在水中前進。

級連固定件4上固定有用于支撐蒙皮的蒙皮框架5。本實施例中，蒙皮框架5分為大小三個，呈橢圓形，分別通過膠連的方式固定在級聯(lián)固定件上，面積大小比例分別為13:11:7，每級框架由兩個由左右兩個堆成的部分組成，上下分別由大小不同的1/4橢圓組成，相互之間平滑連接。靠近魚尾6的驅動舵機在靠近魚頭的驅動舵機的驅動下在水平方向轉動。尾部首級舵機通過螺釘固定在連接支架7上。如圖2所示，級連固定件4整體呈Z形，上臂末端呈十字形，通過螺釘與上一級舵機的舵盤相連，上臂始端留有兩個螺紋孔，用于與下一級舵機相連，進而完成級連的功能，并且傳遞扭矩；上臂始端設有肋板以提升結構強度。

所述的攝像頭9、排水舵機2和驅動舵機分別與控制器8相連。本具體實施方式中控制器8為便于開發(fā)的樹莓派。樹莓派通過螺釘安裝在機器魚內(nèi)部，實現(xiàn) 機器魚的基本控制。攝像頭采用樹莓派配套的專用攝像頭，通過CSI接口與樹莓派對應接口連接，攝像頭模塊通過支架固定在魚的前部。

機器魚中控制器8、排水舵機和驅動舵機由電源設備進行供電，電源設備包括航模電池、電壓降壓模塊和輔助電路。

為了實現(xiàn)與遠程服務器的交互，控制器8通過無線傳輸模塊與用戶進行數(shù)據(jù)交互。

本實用新型對機器魚的基本控制原理為：

水平方向控制：接收到服務器端的指令后，樹莓派會采取一系列的動作，以完成機器魚水平方向的位置控制：

左：向左移動，α>β；中：向前直線移動，α＝β；右：向右移動，α<β

豎直方向控制：接收到服務器端的指令后，樹莓派會采取一系列的動作，以完成機器魚豎直方向的位置控制。

上：排水舵機旋轉，從而帶動曲柄連桿裝置，使活塞前移，這樣機器魚的整體重心后移并且重力減小，雙方面原因造成魚身上浮。

下：排水舵機旋轉，從而帶動曲柄連桿裝置，使活塞后移，這樣機器魚的整體重心前移并且重力增加，雙方面原因造成魚身下沉。

樹莓派中還設有輔助程序，輔助程序主要是用來執(zhí)行一些輔助的功能，其中包括：

自平衡控制：通過單獨改變左右排水舵機的旋轉角度，使魚身總體質心位置發(fā)生改變，相對于機器魚的幾何重心產(chǎn)生一定的扭矩，以保證機器魚自身的扭矩平衡。

低電壓保護：當機器魚檢測到工作電池電壓低于一定閾值時，會啟動低電保護，排光質心調整模塊中針筒中的所有的水并使魚尾對稱運動，迫使機器魚浮出水面。

進一步的，基于上述機器魚，還可以提供一種所述用于魚群養(yǎng)殖業(yè)的自主追趕魚群機器魚的控制方法，包括上下運動控制和左右運動控制。上下運動控制和左右運動控制可以根據(jù)實際需要同時、分別或依次進行。

如圖5～6所示，所述的上下運動控制步驟如下：

S101：通過攝像頭9采集魚群圖像，并由控制器8通過無線傳輸模塊發(fā)送至 服務器，在服務器端對圖像中的目標魚群進行位置識別，并將位置信息轉換成控制指令傳輸回控制器8中；

S102：控制器8接收控制指令后，解析出該指令所對應的俯仰角度

S103：控制器8控制排水舵機2在t₁時間內(nèi)勻速旋轉角度θ₁，θ₁＞0時排水針管1水的體積增加，且θ₁的計算公式如下：

${\mathrm{\&theta;}}_1=arctan\left(\frac{J_{1}arctan\frac{z}{y}}{{t_1}^2{\mathrm{\&rho;gAL}}_{1}R}\right)$

式中：

y-目標點與魚重心的軸向距離；z-目標點與魚重心的豎直方向距離；ρ-液體密度；g-重力加速度；A-排水針管的橫截面積；L₁-針管中心與魚重心距離；R-舵機曲柄滑塊長度；J₁-機器魚豎直方向轉動慣量；

S104：完成步驟S102后，由控制器8控制排水舵機2恢復至未旋轉前的角度；

S105：不斷重復S101～S104，實現(xiàn)垂直方向對目標魚群的追趕；

如圖4所示，所述的左右運動控制步驟如下：

S201：通過攝像頭9采集魚群圖像，并由控制器8通過無線傳輸模塊發(fā)送至服務器，在服務器端對圖像中的目標魚群進行位置識別，通過魚群偏離圖像中心的位置預測得到機器魚需要勻速偏離的角度θ₂，并將位置信息轉換成控制指令傳輸回控制器8中；根據(jù)驅動舵機的運動幅度限制，設置魚尾擺動次數(shù)N，來回擺動記為1次，單次擺動使機器魚偏離的角度為θ'，θ'＝θ₂/N；

S202：控制器8接收控制指令后，解析出該指令所對應的雙側不對稱旋轉角度α和γ；其中α和γ為所有驅動舵機轉動的角度之和，α＞0時，魚尾以魚頭為原點逆時針轉動；γ＞0時，魚尾以魚頭為原點順時針轉動；α和γ滿足以下約束條件：

τ₁＝F_DL₂cos(γ-γ₁)

τ₂＝F_DL₂cos(α-α₁)

${\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_1-{\mathrm{\&tau;}}_2}{4J_2}{t_2}^2$

式中：雙側魚尾受力作用點和魚重心之間所稱角度為角度α₁和γ₁；F_D為尾部所受的總作用力；L₂-魚尾中心與魚重心間的距離；J₂為機器魚水平方向的轉動慣量；τ₁-魚身以魚頭為原點順時針方向所受力矩；τ₂-魚身魚頭為原點逆時針方向所受力矩；t₂-為單次擺動過程的總時間；

S203：控制器8控制驅動舵機轉動，向兩側依次擺動α和γ，并重復N次；

S204：不斷重復S201～203，實現(xiàn)水平方向對目標魚群的追趕。

以上所述的實施例只是本實用新型的一種較佳的方案，然其并非用以限制本實用新型。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本實用新型的保護范圍內(nèi)。