设计与程序编写硬件电路设计供电系统设计电机驱动模块选型遥控器的选择主控板选择程序设计运动模式分析程序编写工具程序模块划分本章小结零部件装配及调试机械结构装配调试程序调试系统总装配调试机器鱼配重最大直游速度测试与改进其他游动性能测试本章小结结论致谢参考文献北京航空航天大学毕业设计论文第页绪论课题背景及目的在能源日益短缺的今天，各国都在寻找提高能源利用效率的方法。

在船舶行业，螺旋桨推进是当下最普遍的推进方式，但螺旋桨在水中转动时，侧面会产生涡流，增加动力消耗，降低游动速度。

另外，螺旋桨式推进器般通过改变舵角实现转弯，结果往往是转弯半径大，机动性差。

水下螺旋桨推进式探测器同样亦存在推进效率低，机动性差，隐蔽性差等缺陷，而且螺旋桨容易被水藻等水生植物缠绕，导致桨叶受损，甚至螺旋桨无法运转。

反观鱼类，作为自然界最早出现的脊椎动物，经过亿万年的物竞天择，进化出非凡的水中运动能力。

与人工的水中或水下航行器相比，鱼类的游动具有推进效率高隐蔽性好机动性好等优点，。

伴随仿生学和机器人技术的发展，仿生机器鱼的研制与开发已具备了先决的技术条件，目前，仿生机器鱼已成为水下航行器的大重要研究方向，其良好的机动性节能性隐蔽性，具有重要的研究价值和应用前景。

国内外研究现状国内外开展机器鱼的研究由来已久，不过从仿生学的角度设计机器鱼实体，方始于上世纪九十年代。

随着电子技术与材料科学的发展，机器鱼的设计越来越成熟，以下对小型机器鱼的研究现状做个简单的综述。

国外研究现状年，日本国家海洋中心为了研究机器鱼的转弯原理，开发了。

该鱼长约，头部中电池组与伺服电机各个。

另个伺服电机位于尾部。

用木头做成漂浮于水面的天线，可以与外界实现无线通信，如图所示。

北京航空航天大学毕业设计论文第页图机器鱼年，英国大学机器鱼课题组开始研制系列机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。

机器鱼身长，采用多电机多关节尾部结构，通过对多电机协调控制，使得该机器鱼的游动姿态与真鱼极其相似。

图为机器鱼的实物图。

图大学机器鱼国内研究概况图为北京大学工学院于年开发的机器鱼，鱼体长约，整个鱼身有四个关节串联而成，可以更真实的模拟鱼的运动姿态。

前侧鱼鳍控制机器鱼沉浮。

鱼体中安装了摄像头与压力传感器，便于进行控制与信息采集。

图北京大学机器鱼哈尔滨工程大学郭书祥教授课题组于年攻克了水中微型机器人的核心技术北京航空航天大学毕业设计论文第页离子聚合物的制作工艺，成功研制出生物型驱动器，并应用于机器鱼中。

该机器鱼的特点之是控板充当鱼骨架，鱼分成鱼身尾鳍胸鳍三部分特点之二是该鱼尺度小，体长仅约，宽约，厚约，重约，可以逼真的模拟鱼的游动姿态，如图和图。

红外传感器胸鳍电路板电池薄片薄片尾鳍图哈工程机器鱼结构示意图薄片尾鳍胸鳍两侧驱动器红外避障传感器仿鲫鱼外形图哈工程机器鱼实物图课题研究方法本课题的机械设计主要借助三维建模工具来实现。

主要研究思路是首先提出总体方案，根据性能指标参数并结合工程经验，对电机等部件进行选型，然后展开设计。

程序设计部分借助集成开发环境来进行程序的编写与调试，利用集成开发环境中现有的资源可以极大的提高编程与调试速度，提高编程效率。

课题的研究充分体现了机械设计的特点，即在给定参数下，粗略计算主要参数后开始设计，然后再对原来的设计进行验算，对其修改完善，在个设计修改再设计再修改的循环中，不断完善设计，最终达到预期的设计目的。

论文构成及研究内容须要指出，由于空间的限制，观赏机器鱼般以小型为宜。

减小机器鱼的体长面临北京航空航天大学毕业设计论文第页些难点，例如对空间布置能源密封水中的平衡和稳定技术等等需要特殊考虑。

所以，体长以上的机器鱼电机驱动通常比较好做。

图哈工程的机器鱼不属于电机驱动，所以体长较短。

北航机器人研究所研究机器鱼已有十年以上的历史，尚无制作小型机器鱼的实践。

本论文试图通过对鱼类体型与运动模式的生物学仿的倍。

北京航空航天大学毕业设计论文第页图尾鳍尾鳍替换树脂尾鳍，再次做直线巡游最大速度测试，机器鱼的游动，所用时间的测试结果见表。

表机器鱼游速测试实验测试测试测试平均时间由表计算平均时间为，故最大其游动速度为即更换了更大面积的尾鳍后，机器鱼的最大前进速度又有所提升，但是仍未达到要求。

如果再加大尾鳍的面积，机器鱼游动过程中艏摇将过大，游动姿态不稳定也不美观，所以若继续增加机器鱼的前进速度，有两个可能的提高速度方法，是提升尾鳍摆动频率，是使用新材料做尾鳍。

由于具体使用何种材料需要做多组实验，存在定难度，所以我们首先通过提升机器鱼尾鳍摆动频率来实现其速度的提升。

在程序调试阶段，我们提到，单片需要延时后才能正常检测接收机的脉宽信号，所以机器鱼尾鳍的摆动周期额外增加了。

为了验证提升频率是否能够提升机器鱼的前进速度，我们暂时修改程序为运行过程中不检测接收机信号，而是自动执行最大速度摆动的程序。

机器鱼修改程序后再次下水实验，测试其前进速度。

机器鱼的游动，所用时间的测试结果见表。

北京航空航天大学毕业设计论文第页表机器鱼游速测试实验测试测试测试平均时间由表计算平均时间为，故最大其游动速度为速度已达到要求，故目前的问题是如何在能完成通信的情况下保证单片机无延迟的运行，即如何使得尾鳍摆动频率提高后仍然受控。

为了解决以上问题，我们提出解决方案如下由于块控制板资源不足，我们选用两块控制板，块用于与接收机通信，块用于输出控制电机用的方波信号，然后通过定方法实现两块控制板的通信，则可以完成上文中提到的无延迟控制任务。

新的控制系统硬件结构如图所示。

六通接收机天地飞通遥控器通道，镍氢电池组舵机电机驱动板电机充电接口主控电路霍尔编码器中位传感器指示灯位数据线图双板控制系统硬件结构由于采用双板控制，单片机资源充足，我们对于信号采集加用算数平均滤波算法，即单片机采集次脉宽参数，然后求取次结果的平均值，在此取。

由于函数是采用查询的方式来读取引脚状态的，所以单片机在执行函数时，不能执行北京航空航天大学毕业设计论文第页其他函数，信号为周期，每周期内只有个脉冲，所以执行次函数的所耗的时间为。

取，则通过滤波方来采集通道信号需要的时间，而且，单片机需要实时对前进速度控制通道，以及转弯通道信号进行读取，以及时做出反应。

那么，单片机读取两个通道的信号并经过滤波处理，即单片机将有以上的控制滞后。

但是，由于机器鱼游速较低，设计速度，而的滞后意味着机器鱼只有的位移偏差，而本机器鱼不需要精准的位置控制，所以的延时可以接受，并且能够保证信号采集的准确性。

由于机器鱼直行速度只分为三档，所以速度控制通道只需传递个状态，即停慢中高速。

同时转弯通道只需要个状态，即左转直行右转。

因此，两个控制板之间通信只需要传递以上个状态，理论上只要三位数据线即可完成，但是为了防止信号检测出错，转弯数据通道与速度控制通道分离，即各占两位数据线，共需位数据线即可完成通信。

控制板的四个引脚输出不同的高低电平组合，控制板读对应的引脚高低电平状态，来实现通信，由于单片机仅读取引脚电平高低，内部时钟的准确与否对其无任何影响，所以采用双板控制方案，实现了尾鳍无停顿摆动控制任务，机器鱼速度提升至。

为了美观，我们将尾鳍换回树脂尾鳍，即图所示尾鳍，在此测量机器鱼游动性能，机器鱼游动所用时间见表。

表机器鱼游速测试实验测试测试测试平均时间由表计算平均时间为，故最大其游动速度为由实验结果知，在提高尾鳍摆动频率的前提下，树脂尾鳍亦能达到项目要求。

其他游动性能测试机器鱼的前进速度达到要求后，对其密封效果最大转弯半径最大上浮下潜速度做出测试，结果如下北京航空航天大学毕业设计论文第页机器鱼密封可靠，水下，小时连续时间浸泡无漏水发生。

这也证明了格莱圈硅橡胶安特固胶的密封可靠性机器鱼转弯过程截图如图所示，其转弯半径最大下潜速度为最大上升速度为。

截图截图截图截图截图截图截图截图截图图机器鱼转弯过程截图本章小结本章通过多次实验调试，减小尾鳍质量增大尾鳍面积及其摆动频率，机器鱼最终达到了最大前进速度以上的目标，转弯半径倍体长，可以上浮下潜。

机器鱼体积，续航时间等要求上全部满足。

最终制作出的仅外观颜色不同的两条机器鱼如图所示。

北京航空航天大学毕业设计论文第页黑色机器鱼实物图红色机器鱼实物图图机器鱼实物图北京航空航天大学毕业设计论文第页结论本文以自然界中真实鱼类尾鳍摆动模式的研究为基础，按照功能仿生和形态仿生相结合的思路完成了机器鱼的设计制作。

实验表明机器鱼的运动灵活，游动平稳，上浮下潜自如，密封可靠，体现了尾鳍推进模式的特点，验证了设计的合理性，现将本文的工作成果总结如下根据项目要求，经过分析计算，提出了合理的机器鱼机械结构方案，并在些细节，如动密封设计电池布置设计上，适应小型机器鱼的特点因地制宜地开展了创新性改进设计，并在后期的实验中验证了设计的合理性。

通过多次实验，得到了尾鳍的材质几何参数运动方式与推进力的定性关系，该关系可简述为在定范围内，尾鳍质量越轻，面积越大，摆动频率越高，产生的推进力越大。

根据中的定性关系，设计出了推进效率较高的尾鳍，采用材料，模仿鲤鱼尾鳍形状，面积与鱼身比例相比真实鱼类略大。

该尾鳍在功率为的直流电机的驱动下可推进质量为的机器鱼实现的最大前进速度。

但本机器鱼仍然存在些亟待解决的问题，这也是后续研究需要探讨的内容。

机器鱼游动过程中，艏摇问题比较严重，不但导致游动尚欠稳定，且产生较大的游动阻力，不利于机器鱼速度的提升。

解决或者减小艏摇问题可能是提高机器鱼游速的个重要途径。

机器鱼的转弯半径相比真实鱼类偏大，反映机器鱼转弯尚不够灵活。

减小转弯半径，提高机器鱼的转弯灵活性可能要从模仿真实鱼类的全柔性躯体入手，这是个值得深入研究的问题。

航行轨迹不够稳定，机器鱼很难实现长距离直线的定向游动，原因在于在设计阶段并未考虑机器鱼的方位感知和控制问题，对于更高级的智能机器鱼来说，这将成为个工作重点。

北京航空航天大学毕业设计论文第页致谢首先，感谢父母赋予了我生命，使我有机会感受这个世界的精彩，也正是你们无微不至的爱与关怀呵护了我的成长，于是我才能像现在样，怀着颗好奇的心去探求这个充满奥秘的世界。

其次，我要由衷的感谢我的指导老师毕树生教授。

在整个毕设过程中，毕老师不辞辛劳，给予了我很多关键性的技术指导，同时也教给了我很多做人做事做学问的道理，让我在短短的个学期中有了很大的进步。

祝那些帮助过我，关心过我的人身体健康，切顺利，北京航空航天大学毕业设计论文第页参考文献，苏玉东，叶秀芬，郭书祥基于驱动的自主微型机器鱼梁建宏水下仿生机器鱼的研究进展鱼类推进机理机器人单位代码学号分类号毕业设计论文单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究学院名称机械工程及自动化学院专业名称机械制造学生姓名指导教师年月北京航空航天大学本科生毕业设计论文任务书Ⅰ毕业设计论文题目单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究Ⅱ毕业设计论文使用的原始资料数据及设计技术要求单关节尾鳍推进式仿生机器鱼是由电机舵机及其控制部分组成的机电体化仿