一种飞鱼机器人与控制系统及控制方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411089297.3 | 申请日 | 2024-08-09 |
| 公开(公告)号 | CN119117262A | 公开(公告)日 | 2024-12-13 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 张涛; 钟林; 王明聪; 董佳伟; 陈芊芊; 梁兆锋; 管贻生; | 第一发明人 | 张涛 |
| 权利人 | 广东工业大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 广东工业大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：广东省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：广东省广州市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：广东省广州市越秀区东风东路729号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：510080 |
| 主IPC国际分类 | B64C13/50 | 所有IPC国际分类 | B64C13/50 ; B64C9/00 ; B60F5/02 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 广州粤高专利商标代理有限公司 | 专利代理人 | 甘雅舒; |
| 摘要 | 本 发明 涉及仿生鱼技术领域，更具体地，涉及一种飞鱼 机器人 与控制系统及控制方法，其中飞鱼机器人包括控 制模 组、胸鳍运动模组、尾部运动模组及壳体，所述壳体为鱼形结构，所述控制模组与胸鳍运动模组、尾部运动模组均电连接，所述胸鳍运动模组与壳体中部活动连接，且胸鳍运动模组包括两片胸鳍片，两片所述胸鳍片分设壳体两侧；所述尾部运动模组包括依次连接的第一驱动机构、 万向节 组件及摆尾组件，所述第一驱动机构与壳体固定连接，所述万向节组件、摆尾组件均与壳体活动连接，所述万向节组件用于将第一驱动机构输出的 扭矩 转化为驱动摆尾组件往复摆动的 力 ，所述控制模组与胸鳍运动模组、尾部运动模组均电连接。本发明的飞鱼机器人可完全模仿飞鱼的 水 下运动及滑翔运动，运动性能与滞空滑翔时间均有提升。 | ||
| 权利要求 | 1.一种飞鱼机器人，其特征在于，包括控制模组(1)、胸鳍运动模组(2)、尾部运动模组(3)及壳体(4)，所述壳体(4)为鱼形结构，所述控制模组(1)与胸鳍运动模组(2)、尾部运动模组(3)均电连接，所述胸鳍运动模组(2)与壳体(4)中部活动连接，且胸鳍运动模组(2)包括两片胸鳍片(21)，两片所述胸鳍片(21)分设壳体(4)两侧；所述尾部运动模组(3)包括依次连接的第一驱动机构(31)、万向节组件(32)及摆尾组件(33)，所述第一驱动机构(31)与壳体(4)固定连接，所述万向节组件(32)、摆尾组件(33)均与壳体(4)活动连接，所述万向节组件(32)用于将第一驱动机构(31)输出的扭矩转化为驱动摆尾组件(33)往复摆动的力，所述控制模组(1)与胸鳍运动模组(2)、尾部运动模组(3)均电连接。 |
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| 说明书全文 | 一种飞鱼机器人与控制系统及控制方法技术领域[0001] 本发明涉及仿生鱼技术领域，更具体地，涉及一种飞鱼机器人与控制系统及控制方法。 背景技术[0002] 水空跨域机器人是指一种具备水下和空中双重功能的机器人系统。它能够从水下环境中转换到空中，或者从空中进入水下环境，具备在不同介质环境的运动能力，以适应不同的任务需求。它结合了水下航行器和空中飞行器的特点，在水下能够进行海洋勘测、海底探索、水下救援等任务，还能从水下转换到空中执行空中监测、搜救、环境监测等任务，拥有极强的多领域适应性，具备非常广泛的的应用前景。 [0003] 在水空跨域机器人领域，国内外的研究人员做了许多探索研究，目前大多数机器人仍处于实验室阶段，相关理论、功能等还需要进一步突破。已有的能实现水空跨域的机器人非常少，且大部分都采用水射流或者螺旋桨进行驱动来实现机器人水空跨域的运动，这些驱动方式存在噪音大、驱动效率低、灵活性差和控制困难等缺点，难以适应多领域任务的需求。为了提高水空跨域机器人多领域适应能力，因此急需提出一种能够实现高效、灵活的水空跨域机器人解决方案。 [0004] 自古以来，大自然一直是各种技术思想、工程原理和人类重大发明的源泉。自然界中能实现水‑空跨介质的生物很多如：飞鱼、海豚、乌贼、蝠鲼等。这些生物中，飞鱼是能够进行水空跨域运动的代表，具有非常高效、灵活的运动能力。在几千年的自然选择中，飞鱼进化出了有助于空中滑翔的宽大胸鳍，以及能为跳跃和高速游动提供动力的尾鳍。水下运动过程中，飞鱼收紧胸鳍，尾部以接近35Hz的频率的进行摆动，产生很大的推进力使飞鱼不断接近水面，当飞鱼游动速度接近10m/s，然后以与水面呈30°的姿态跃出水面，跃出水面过程中飞鱼尾鳍仍然高频摆动持续提供动力，最终飞鱼以大约20m/s的最终速度离开水面。飞鱼运动到最高点会展开胸鳍，在空中进行滑翔，滑翔一定距离后飞鱼开始下降，当尾部接触到水面后开始高频摆动获取动力，实现再次滑动运动。 [0005] 由于飞鱼具有优异的水空跨域运动的能力，因此其成为了水空跨域机器人研究者们模仿的对象，研究者希望通过借鉴学习飞鱼优异运动能力并将其运用在机器人的设计上为当下水空跨域机器人存在的难题提供新思路。 [0006] 中国专利公开了一种基于介电弹性体驱动的仿飞鱼机器人，包括机器人主体和设置在机器人主体上的仿飞鱼结构，所述仿飞鱼结构包括尾鳍、胸鳍的驱动元件和设置在机器人主体两侧可展开可收缩的胸鳍。本发明既可以实现胸鳍的展开，又可以实现胸鳍的拍动，两侧的胸鳍采用可展开可收缩式设计，展开采用了介电弹性体智能材料驱动，有利于机器人在水里和空中的运动；设置在机器人主体尾部的尾鳍主要是为在水中的机器人提供初始动力和调整角度，可以为在空中飞行提供更大升力。但这种飞鱼机器人的尾部通过螺旋桨作驱动，实际运动方式与飞鱼差别较大，无法实现自然界中飞鱼在水下灵活运动及在空中摆尾增加滞空时间的特点。 发明内容[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿生程度更高、水下运动灵活且可延长滞空滑翔时间的飞鱼机器人。 [0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： [0009] 提供一种飞鱼机器人，包括控制模组、胸鳍运动模组、尾部运动模组及壳体，所述壳体为鱼形结构，所述控制模组与胸鳍运动模组、尾部运动模组均电连接，所述胸鳍运动模组与壳体中部活动连接，且胸鳍运动模组包括两片胸鳍片，两片所述胸鳍片分设壳体两侧；所述尾部运动模组包括依次连接的第一驱动机构、万向节组件及摆尾组件，所述第一驱动机构与壳体固定连接，所述万向节组件、摆尾组件均与壳体活动连接，所述万向节组件用于将第一驱动机构输出的扭矩转化为驱动摆尾组件往复摆动的力，所述控制模组与胸鳍运动模组、尾部运动模组均电连接。 [0010] 通过这种设置方式，飞鱼机器人在运动时，通过控制模组综合控制胸鳍运动模组、尾部运动模组运动，从而实现不同的运动方式，胸鳍运动模组用于控制胸鳍片的开合及俯仰，从而实现水下的俯仰运动及空中的滑翔，尾部运动模组用于摆动产生推进力，令飞鱼机器人实现直线运动或转向，壳体起到密封隔水的作用，用于保护其余模组，壳体采用流线型设计还可以起到减少阻力的作用。 [0012] 优选地，所述万向节组件包括第一转动件、第二转动件、第三转动件、转杆及固定架，所述第一转动件一端与第一驱动机构连接，第一转动件另一端与第二转动件连接，所述第三转动件的两端转动穿设于第二转动件，所述转杆中部穿设于第三转动件中部且固定连接，所述转杆的两端均与固定架转动连接，所述固定架固定安设于壳体；所述第一转动件的转动轴与第三转动件的转动轴相互垂直，所述第三转动件的转动轴向与转杆的转动轴相互垂直，第一转动件的转动轴与转杆的转动轴之间夹角小于90°，第一转动件的转动轴、第三转动件的转动轴与转杆的转动轴均相交于一点。 [0013] 通过这种设置方式，当万向节工作时，第一转动件与第一驱动机构连接的端部沿第一圆周运动，第一转动件与第二连接件连接的端部沿第二圆周运动，第一圆周直径大于第二圆周，第一转动件整体沿圆锥轨迹进行运动，并通过第二转动件、第三转动件的路径驱动转杆往复转动；其中第三转动件与转杆固定连接，可视为整体，通过运动学对其进行分析，第一转动件的锥形转动可分解为竖直方向的运动及水平方向的转动，第二转动件与第三转动件之间具有沿上下方向的相对转动，余下沿水平方向的转动输出至转杆处，令转杆实现往复转动。 [0014] 优选地，摆尾组件包括尾笼架与尾板，所述尾笼架的一端与转杆固定连接，尾笼架的另一端与尾板固定连接，所述尾笼架为刚性材质，所述尾板为弹性材质。 [0015] 通过这种设置方式，转杆处输出的往复摆动的扭矩传递至尾笼架，带动尾笼架及尾板往复摆动，从而实现对飞鱼运动的模仿。 [0016] 进一步的，所述壳体包括头部壳以及尾部壳，所述头部壳采用刚性材料，且头部壳为流线型结构，所述胸鳍运动模组与头部壳活动连接；所述尾部壳为柔性材质，所述尾部壳套设于尾笼架外侧。通过这种设置方式，坚硬的头部壳受到水的阻力也不会产生形变，能更好的保护内部组件及降低阻力，尾部壳可产生局部形变，但在内部尾笼架的限制下形变范围不会过大，有利于减少阻力，同时，在尾部运动模组摆动过程中，各个连接位的间隙会发生尺寸改变，柔性的尾部壳可消除该尺寸波动，保证防水性，从而提高设备寿命。 [0017] 优选地，所述胸鳍运动模组包括第二驱动机构、第三驱动机构、开合传动组件与俯仰传动组件，两片所述胸鳍片分别对称分设于壳体两侧，第二驱动机构通过开合传动组件分别与两片胸鳍片连接，第三驱动机构通过俯仰传动组件分别与两片胸鳍片连接。 [0018] 通过这种设置方式，第二驱动机构可通过开合传动组件控制胸鳍片的开合，第三驱动机构可通过俯仰传动组件调节胸鳍片的角度，从而改变胸鳍片受到的水流阻力及方向，实现飞鱼机器人的俯仰调节。 [0019] 优选地，所述开合传动组件包括绕绳器、两根牵引绳与两个弹性件，所述绕绳器与第一驱动机构连接，两根所述牵引绳的一端均缠绕于绕绳器，两根牵引绳的另一端分别与两片胸鳍片固定连接；两片所述胸鳍片还分别通过两个弹性件与壳体弹性连接。 [0020] 通过这种设置方式，弹性件有将胸鳍片弹至打开的趋势，当需要胸鳍片闭合时，绕绳器正转，牵引绳绕于绕绳器上，牵引绳带动胸鳍片闭合；当需要胸鳍片张开时，绕绳器反转，牵引绳从绕绳器上脱离，弹性件将胸鳍片弹至张开状态，通过绕绳器放绳长度可控制胸鳍片张开程度。 [0021] 优选地，所述俯仰传动组件包括主动齿轮、从动齿轮与转轴，所述主动齿轮与第三驱动机构连接，所述从动齿轮套设于转轴，所述主动齿轮与从动齿轮啮合形成齿轮传动副，所述转轴两端分别与两片胸鳍片固定连接。 [0022] 通过这种设置方式，第三驱动机构通过主动齿轮、从动齿轮驱动转轴转动，转轴转动带动胸鳍片旋转，从而改变胸鳍片的俯仰角度。 [0023] 优选地，所述胸鳍片包括柔性膜及支撑杆，所述支撑杆的端部与壳体外侧转动连接；所述弹性件一端与壳体连接，弹性件另一端与支撑杆连接；所述牵引绳的端部穿设于支撑杆，所述柔性膜安设在支撑杆与壳体外侧之间。 [0025] 通过这种设置方式，姿态传感器可用于监测飞鱼机器人自身姿态，从而为飞鱼机器人系统的PID控制提供数据支持，信号收发器用于与外部设备。 [0026] 一种飞鱼机器人控制系统，应用于上述任一项所述的飞鱼机器人，设有控制板，所述控制板包括微控制器、CAN收发器、第一接口、第二接口、无线通信模块、陀螺仪与加速度传感器、USB虚拟串口和下载接口；所述微控制器设有CAN控制器，微控制器依次通过CAN控制器、CAN收发器与第一驱动机构通信连接；微控制器还通过I2C总线和陀螺仪与加速度传感器连接；微控制器通过第一接口控制第二驱动机构工作，微控制器通过第二接口控制第三驱动机构工作；所述无线通信模块通过SPI总线与微控制器进行通信，实现无线控制机器人运动；所述USB虚拟串口用于将电机反馈的数据发送给电脑，下载接口用于烧录程序；所述电源单元用于给第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构及控制板供能。 [0027] 所述电机包括但不限于第一驱动机构、第二驱动机构及第三驱动机构所使用的驱动电机。通过这种设置方式，精简了控制板，控制板集成了舵机驱动、无线通信、姿态检测、无数电机驱动、数据传输等功能模块，有效减少了占用空间，有利于缩小飞鱼机器人体积；另外还减少了信号的传输距离和电阻，有利于提高电气性能，减少信号干扰和传输损耗，提高控制板的安全性。 [0028] 优选的，所述微控制器还包括线性稳压器件、晶振电路、复位电路与呼吸灯。 [0029] 优选的，所述无线通信模块采用NRF24L01‑R，所述陀螺仪与加速度传感器采用MPU6050，所述线性稳压器件采用AMS1117‑3.3，所述晶振电路采用8MHz。 [0030] 优选地，所述微控制器还包括定时器，所述定时器分别输出PWM1、PWM2信号给第二驱动机构、第三驱动机构进行旋转。通过这种设置方式，微控制器通过定时器控制胸鳍片的开合及俯仰角度，微控制器同时利用MPU6050反馈的X、Y、Z三个方向的速度和角速度大小，以调整胸鳍开合及俯仰的幅度，进而控制飞鱼机器人的运动姿态；飞鱼机器人可以在在摆尾组件及胸鳍片的配合下以一定速度和角度接近水面并跃出，胸鳍片进入空中后完全打开获取升力，摆尾组件持续摆动产生推进力，摆尾组件完全出水后停止摆动，最后飞鱼机器人在水面上方以一定速度进行滑翔运动，当飞鱼机器人速度降低即将落入水中时，摆尾组件开始摆动产生推进力，飞鱼机器人速度增大后继续在空中滑翔，从而实现远距离滑翔运动。 [0031] 优选地，所述微控制器内软件系统被设置为：包括硬件驱动层、中间层与用户层，所述硬件驱动层负责驱动各种与微控制器连接的外设，所述中间层采用嵌入式实时操作系统FreeRTOS，所述用户层包含若干种预设任务。 [0032] 进一步的，用户层的预设任务包括开始任务、按键模式设置任务、PWM控制任务、协议解析任务、无线通信模块任务与MPU6050任务； [0034] 进一步的，在初始状态下，飞鱼机器人被设置为暂停模式，操作者通过无线通信模块任务和按键模式设置任务可改变飞鱼机器人的工作模式； [0035] 按键模式设置任务被设置为：按下按键后，控制器中断会向按键模式设置任务发送信号量，按键模式设置任务对信号量进行计数，当3秒内按下一次后，进入PID设置模式，用于切换飞鱼机器人的PID控制器，当飞鱼处于PID设置模式时，3秒内按下按键2次，将进入速度环PID控制；当飞鱼处于PID设置模式时，3秒内按下按键3次，将进入速度位置双环PID控制，接着任务将设置对应的事件标志，飞鱼进入运行模式。 [0036] 进一步的，MPU6050任务用于获取飞鱼机器人的姿态数据，并通过飞鱼的姿态数据改变第二驱动机构与第三驱动机构的PWM，同时无线通信模块任务会将姿态数据封装成协议帧，通过无线通信模块发送至遥控设备，PC端可通过遥控设备与无线通信模块发送控制协议帧至微控制器，当微控制器接收到协议帧后，协议解析任务将接收的协议进行解析，根据解析的协议执行对应功能，包括但不限于设置飞鱼机器人第一驱动机构的位置、速度；设置第二驱动机构、第三驱动舵机的PWM；设置飞鱼机器人的工作模式等。 [0037] 一种飞鱼机器人运动控制方法，应用于上述的飞鱼机器人控制系统，包括水下运动控制及滑翔运动控制，所述水下运动控制包括直线控制、加/减速控制、变向控制及俯仰控制；所述滑翔运动控制包括如下步骤： [0038] S1、控制器接收外界飞跃信号，向尾部运动模组、胸鳍运动模组均发出飞跃指令； [0039] S2、尾部运动模组接收到飞跃指令，第一驱动机构维持一定输出频率，令飞鱼机器人具备初速度V1；胸鳍运动模组接收到飞跃指令，胸鳍片部分展开并与运动方向成夹角α；飞鱼机器人获得向上的游动姿态； [0040] S3、控制模组检测到胸鳍运动模组离开水面后，向胸鳍运动模组输出滑翔指令； [0041] S3、胸鳍运动模组接收滑翔指令，胸鳍片完全展开； [0042] S4、控制模组检测到尾部运动模组离开水面后，向尾部运动模组发出滑翔指令； [0043] S5、尾部运动模组接收滑翔指令后停止摆动，飞鱼机器人以速度V2在空中滑翔； [0044] S6、控制模组检测到V2<1m/s时，向尾部运动模组发出工作指令； [0045] S7、尾部运动模组重新摆动产生推进力，延长飞鱼机器人滞空时间； [0046] S8、控制模组检测到飞鱼机器人落入水下，滑翔运动控制结束，进入水下运动控制。 [0047] 通过这种设置方式，飞鱼机器人可真实还原自然界中飞鱼的运动姿态，从而实现更长的滞空时间，有利于提高仿真性与隐蔽性。 [0048] 优选的，步骤S1中所述V1>2m/s，20°＜α＜30°。 [0050] 控制模组获取第一驱动机构31的旋转角度偏差作为第一误差，第一误差经位置环PID算法得到位置环输出值，位置环输出值经过速度环PID算法获得期望速度，输出期望速度作为第一驱动机构31的速度值，同时期望速度与第一驱动机构的实际速度比较获得第二误差，第二误差再经过速度环PID算法获得新期望速度，完成闭环控制； [0051] 所述PID算法如下： [0052] [0053] 其中： [0054] u(k)：PID算法的计算结果，即控制量， [0055] Kp：比例项的调节系数，用以调节PID的性能， [0056] Ki：积分项的调节系数，用以调节PID的性能， [0057] Kd：微分项的调节系数，用以调节PID的性能， [0058] e(k)：误差，即目标值－控制对象当前的状态值， [0059] [e(k)‑e(k‑1)]：当前误差－上次误差。 [0060] 所述Kp、Ki、Kd均为经验值，通过人为进行调节控制。通过这种设置方式，通过双环PID算法实现了第一驱动机构的闭环控制，控制模组可以不断基于实际运动结果对第一驱动机构的速度值进行调节，大大提高了飞鱼机器人运动控制的精确度。 [0061] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0062] (1)通过控制模组对胸鳍运动模组、尾部运动模组的控制，以及尾部运动模组中万向节组件的结构设置，令飞鱼机器人可完整复现飞鱼的滑翔动作，实现更真实的仿生效果及更长的滞空时间。 [0063] (2)精简了电路设计，控制板上集成有多个功能单元，有利于减少飞鱼机器人体积，且减少了信号传输距离和电阻，有利于提高电气性能，提高控制板安全性。 [0065] 图1为本发明一种飞鱼机器人的外观示意图； [0066] 图2为本发明一种飞鱼机器人的内部结构示意图； [0067] 图3为本发明一种飞鱼机器人的尾部运动模组结构示意图； [0068] 图4为本发明一种飞鱼机器人的万向节组件结构示意图； [0069] 图5为本发明一种飞鱼机器人的胸鳍运动模组结构示意图； [0070] 图6为本发明一种飞鱼机器人控制系统示意图； [0071] 图7为本发明一种飞鱼机器人控制系统的PDI算法示意图； [0072] 图8为本发明一种飞鱼机器人的软件系统示意图。 [0073] 图示标记说明如下： [0074] 1、控制模组；2、胸鳍运动模组；21、胸鳍片；211、柔性膜；212、支撑杆；22、第二驱动机构；23、第三驱动机构；24、开合传动组件；241、绕绳器；242、牵引绳；243、弹性件；25、俯仰传动组件；251、主动齿轮；252、从动齿轮；253、转轴；3、尾部运动模组；31、第一驱动机构；32、万向节组件；321、第一转动件；322、第二转动件；323、第三转动件；324、转杆；325、固定架；33、摆尾组件；331、尾笼架；332、尾板；4、壳体；41、头部壳；42、尾部壳； [0075] 虚线a为第一转动件的转动轴；虚线b为第三转动件的转动轴；虚线c为转杆的转动轴。 具体实施方式[0076] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。 [0077] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。 [0078] 实施例1 [0079] 如图1至图5所示为本发明一种飞鱼机器人的实施例，包括控制模组1、胸鳍运动模组2、尾部运动模组3及壳体4，所述壳体4为鱼形结构，所述控制模组1与胸鳍运动模组2、尾部运动模组3均电连接，所述胸鳍运动模组2与壳体4中部活动连接，且胸鳍运动模组2包括两片胸鳍片21，两片所述胸鳍片21分设壳体4两侧；所述尾部运动模组3包括依次连接的第一驱动机构31、万向节组件32及摆尾组件33，所述第一驱动机构31与壳体4固定连接，所述万向节组件32、摆尾组件33均与壳体4活动连接，所述万向节组件32用于将第一驱动机构31输出的扭矩转化为驱动摆尾组件33往复摆动的力，所述控制模组1与胸鳍运动模组2、尾部运动模组3均电连接。 [0080] 通过这种设置方式，飞鱼机器人在运动时，通过控制模组1综合控制胸鳍运动模组2、尾部运动模组3运动，从而实现不同的运动方式，胸鳍运动模组2用于控制胸鳍片21的开合及俯仰，从而实现水下的俯仰运动及空中的滑翔，尾部运动模组3用于摆动产生推进力，令飞鱼机器人实现直线运动或转向，壳体4起到密封隔水的作用，用于保护其余模组，壳体4采用流线型设计还可以起到减少阻力的作用。 [0081] 作为本发明的一个实施方式，第一驱动机构31选用三相直流无刷电机。通过这种设置方式，第一驱动机构31响应速度快，起动转矩大，可在控制模组1的控制下及时提供运动所需方向及大小的扭矩。 [0082] 作为本发明的一个实施方式，万向节组件32包括第一转动件321、第二转动件322、第三转动件323、转杆324及固定架325，第一转动件321一端与第一驱动机构31连接，第一转动件321另一端与第二转动件322连接，第三转动件323的两端转动穿设于第二转动件322，转杆324中部固定穿设于第三转动件323中部，转杆324的两端均与固定架325转动连接，固定架325固定安设于壳体4；第一转动件321的转动轴与第三转动件323的转动轴相互垂直，第三转动件323的转动轴向与转杆324的转动轴相互垂直，第一转动件321的转动轴沿锥形轨迹运动，第一转动件321的转动轴、第三转动件323的转动轴与转杆324的转动轴均相交于一点。 [0083] 通过这种设置方式，当万向节工作时，第一转动件321与第一驱动机构31连接的端部沿第一圆周运动，第一转动件321与第二连接件连接的端部沿第二圆周运动，第一圆周直径大于第二圆周，第一转动件321整体沿圆锥轨迹进行运动，并通过第二转动件322、第三转动件323的路径驱动转杆324往复转动；其中第三转动件323与转杆324固定连接，可视为整体，通过运动学对其进行分析，第一转动件321的锥形转动可分解为竖直方向的运动及水平方向的转动，第二转动件322与第三转动件323之间具有沿上下方向的相对转动，余下沿水平方向的转动输出至转杆324处，令转杆324实现往复转动。 [0084] 作为本发明的一个实施方式，摆尾组件33包括尾笼架331与尾板332，尾笼架331的一端与转杆324固定连接，尾笼架331的另一端与尾板332固定连接，尾笼架331为刚性材质，尾板332为弹性材质。 [0085] 通过这种设置方式，转杆324处输出的往复摆动的扭矩传递至尾笼架331，带动尾笼架331及尾板332往复摆动，从而实现对飞鱼运动的模仿。 [0086] 作为本发明的一个实施方式，壳体4包括头部壳41以及尾部壳42，头部壳41采用刚性材料，且头部壳41为流线型结构，胸鳍运动模组2与头部壳41活动连接；尾部壳42为柔性材质，尾部壳42套设于尾笼架331外侧。通过这种设置方式，坚硬的头部壳41受到水的阻力也不会产生形变，能更好的保护内部组件及降低阻力，尾部壳42可产生局部形变，但在内部尾笼架331的限制下形变范围不会过大，有利于减少阻力，同时，在尾部运动模组3摆动过程中，各个连接位的间隙会发生尺寸改变，柔性的尾部壳42可消除该尺寸波动，保证防水性，从而提高设备寿命。 [0087] 作为本发明的一个实施方式，胸鳍运动模组2包括第二驱动机构22、第三驱动机构23、开合传动组件24与俯仰传动组件25，两片胸鳍片21分别对称分设于壳体4两侧，第二驱动机构22通过开合传动组件24分别与两片胸鳍片21连接，第三驱动机构23通过俯仰传动组件25分别与两片胸鳍片21连接。 [0088] 通过这种设置方式，第二驱动机构22可通过开合传动组件24控制胸鳍片21的开合，第三驱动机构23可通过俯仰传动组件25调节胸鳍片21的角度，从而改变胸鳍片21受到的水流阻力及方向，实现飞鱼机器人的俯仰调节。 [0089] 作为本发明的一个实施方式，开合传动组件24包括绕绳器241、两根牵引绳242与两个弹性件243，绕绳器241与第一驱动机构31连接，两根牵引绳242的一端均与绕绳器241连接，两根牵引绳242的另一端分别与两片胸鳍片21固定连接；两片胸鳍片21还分别通过两个弹性件243与壳体4弹性连接。 [0090] 通过这种设置方式，弹性件243有将胸鳍片21弹至打开的趋势，当需要胸鳍片21闭合时，绕绳器241正转，牵引绳242绕于绕绳器241上，牵引绳242带动胸鳍片21闭合；当需要胸鳍片21张开时，绕绳器241反转，牵引绳242从绕绳器241上脱离，弹性件243将胸鳍片21弹至张开状态，通过绕绳器241放绳长度可控制胸鳍片21张开程度。 [0091] 作为本发明的一个实施方式，所述俯仰传动组件25包括主动齿轮251、从动齿轮252与转轴253，所述主动齿轮251与第三驱动机构23连接，所述从动齿轮252套设于转轴 253，所述主动齿轮251与从动齿轮252啮合形成齿轮传动副，所述转轴253两端分别与两片胸鳍片21固定连接。 [0092] 通过这种设置方式，第三驱动机构23通过主动齿轮251、从动齿轮252驱动转轴253转动，转轴253转动带动胸鳍片21旋转，从而改变胸鳍片21的俯仰角度。 [0093] 作为本发明的一个实施方式，胸鳍片21包括柔性膜211及支撑杆212，支撑杆212的端部与壳体4外侧转动连接；弹性件243一端与壳体4连接，弹性件243另一端与支撑杆212连接；牵引绳242的端部穿设于支撑杆212，柔性膜211安设在支撑杆212与壳体4外侧之间。 [0094] 实施例2 [0095] 如图6至图8所示为本发明一种飞鱼机器人控制系统的实施例，应用于实施例1的飞鱼机器人，包括控制板和电源单元，控制板包括微控制器、CAN收发器、第一接口、第二接口、无线通信模块、陀螺仪与加速度传感器、USB虚拟串口和下载接口；微控制器设有CAN控制器，微控制器依次通过CAN控制器、CAN收发器与第一驱动机构31通信连接；微控制器还通过I2C总线和陀螺仪与加速度传感器连接；微控制器通过第一接口控制第二驱动机构22工作，微控制器通过第二接口控制第三驱动机构23工作；无线通信模块通过SPI总线与微控制器进行通信，实现无线控制机器人运动；USB虚拟串口用于将电机反馈的数据发送给电脑，下载接口用于烧录程序；电源单元用于给第一驱动机构31、第二驱动机构22、第三驱动机构23及控制板供能。 [0096] 作为本发明的一个实施方式，第一驱动机构采用无刷电机进行驱动，第二驱动机构、第三驱动机构均采用舵机进行驱动。 [0097] 通过这种设置方式，精简了控制板，控制板集成了舵机驱动、无线通信模块、姿态检测、无数电机驱动、数据传输等功能模块，有效减少了占用空间，有利于缩小飞鱼机器人体积；另外还减少了信号的传输距离和电阻，有利于提高电气性能，减少信号干扰和传输损耗，提高控制板的安全性。 [0098] 作为本发明的一个实施方式，微控制器内软件系统被设置为：包括硬件驱动层、中间层与用户层，硬件驱动层负责驱动各种与微控制器连接的外设，中间层采用嵌入式实时操作系统FreeRTOS，用户层包含若干种预设任务。 [0099] 作为本发明的一个实施方式，微控制器还包括线性稳压器件、晶振电路、复位电路与呼吸灯。 [0100] 作为本发明的一个实施方式，无线通信模块采用NRF24L01‑R，陀螺仪与加速度传感器采用MPU6050，线性稳压器件采用AMS1117‑3.3，晶振电路采用8MHz。 [0101] 作为本发明的一个实施方式，微控制器还包括定时器，定时器分别输出PWM1、PWM2信号给第二驱动机构22、第三驱动机构23进行旋转。通过这种设置方式，微控制器通过定时器控制胸鳍片21的开合及俯仰角度，微控制器同时利用MPU6050反馈的X、Y、Z三个方向的速度和角速度大小，以调整胸鳍开合及俯仰的幅度，进而控制飞鱼机器人的运动姿态；飞鱼机器人可以在在摆尾组件33及胸鳍片21的配合下以一定速度和角度接近水面并跃出，胸鳍片21进入空中后完全打开获取升力，摆尾组件33持续摆动产生推进力，摆尾组件33完全出水后停止摆动，最后飞鱼机器人在水面上方以一定速度进行滑翔运动，当飞鱼机器人速度降低即将落入水中时，摆尾组件33开始摆动产生推进力，飞鱼机器人速度增大后继续在空中滑翔，从而实现远距离滑翔运动。 [0102] 作为本发明的一个实施方式，用户层的预设任务包括开始任务、按键模式设置任务、PWM控制任务、协议解析任务、无线通信模块任务与MPU6050任务； [0103] 在开始任务中，分别创建多个子任务与内核对象，内核对象包括但不限于事件标志组、消息队列、信号量等。 [0104] 作为本发明的一个实施方式，在初始状态下，飞鱼机器人被设置为暂停模式，操作者通过无线通信模块任务和按键模式设置任务可改变飞鱼机器人的工作模式； [0105] 按键模式设置任务被设置为：按下按键后，控制器中断会向按键模式设置任务发送信号量，按键模式设置任务对信号量进行计数，当3秒内按下一次后，进入PID设置模式，用于切换飞鱼机器人的PID控制器，当飞鱼处于PID设置模式时，3秒内按下按键2次，将进入速度环PID控制；当飞鱼处于PID设置模式时，3秒内按下按键3次，将进入速度位置双环PID控制，接着任务将设置对应的事件标志，飞鱼进入运行模式。 [0106] 作为本发明的一个实施方式，MPU6050任务用于获取飞鱼机器人的姿态数据，并通过飞鱼的姿态数据改变第二驱动机构22与第三驱动机构23的PWM，同时无线通信模块任务会将姿态数据封装成协议帧，通过无线通信模块发送至遥控设备，PC端可通过遥控设备与无线通信模块发送控制协议帧至微控制器，当微控制器接收到协议帧后，协议解析任务将接收的协议进行解析，根据解析的协议执行对应功能，包括但不限于设置飞鱼机器人第一驱动机构31的位置、速度；设置第二驱动机构22、第三驱动机构23的PWM；设置飞鱼机器人的工作模式等。 [0107] 实施例3 [0108] 以下为本发明一种飞鱼机器人运动控制方法的实施例，应用于实施例2的飞鱼机器人控制系统，包括水下运动控制及滑翔运动控制，胸鳍运动模组2包括胸鳍片21，水下运动控制包括直线控制、加/减速控制、变向控制及俯仰控制；滑翔运动控制包括如下步骤： [0109] S1、控制器接收外界飞跃信号，向尾部运动模组3、胸鳍运动模组2均发出飞跃指令； [0110] S2、尾部运动模组3接收到飞跃指令，第一驱动机构31维持一定输出频率，令飞鱼机器人具备初速度V1，V1＝5m/s；胸鳍运动模组2接收到飞跃指令，胸鳍片21部分展开并与运动方向成夹角α，α＝25°；飞鱼机器人获得向上的游动姿态； [0111] S3、控制模组1检测到胸鳍运动模组2离开水面后，向胸鳍运动模组2输出滑翔指令； [0112] S3、胸鳍运动模组2接收滑翔指令，胸鳍片21完全展开； [0113] S4、控制模组1检测到尾部运动模组3离开水面后，向尾部运动模组3发出滑翔指令； [0114] S5、尾部运动模组3接收滑翔指令后停止摆动，飞鱼机器人以速度V2在空中滑翔； [0115] S6、控制模组1检测到V2<1m/s时，向尾部运动模组发出工作指令； [0116] S7、尾部运动模组3重新摆动产生推进力，延长飞鱼机器人滞空时间； [0117] S8、控制模组1检测到飞鱼机器人落入水下，滑翔运动控制结束，进入水下运动控制。 [0118] 通过这种设置方式，飞鱼机器人可真实还原自然界中飞鱼的运动姿态，从而实现更长的滞空时间，有利于提高仿真性与隐蔽性。 [0119] 作为本发明的一个实施方式，滑翔运动控制中，第一驱动机构31为三相直流无刷电机，并采用双串级PID算法进行控制，具体为： [0120] 控制模组获取第一驱动机构31的旋转角度偏差作为第一误差，第一误差经位置环PID算法得到位置环输出值，位置环输出值经过速度环PID算法获得期望速度，输出期望速度作为第一驱动机构31的速度值，同时期望速度与第一驱动机构的实际速度比较获得第二误差，第二误差再经过速度环PID算法获得新期望速度，完成闭环控制； [0121] PID算法如下： [0122] [0123] 其中： [0124] u(k)：PID算法的计算结果，即控制量， [0125] Kp：比例项的调节系数，用以调节PID的性能， [0126] Ki：积分项的调节系数，用以调节PID的性能， [0127] Kd：微分项的调节系数，用以调节PID的性能， [0128] e(k)：误差，即目标值－控制对象当前的状态值， [0129] [e(k)‑e(k‑1)]：当前误差－上次误差。 [0130] Kp、Ki、Kd均为经验值，通过人为进行调节控制。通过这种设置方式，通过双环PID算法实现了第一驱动机构31的闭环控制，控制模组可以不断基于实际运动结果对第一驱动机构31的速度值进行调节，大大提高了飞鱼机器人运动控制的精确度。 |
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