(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN105711778A (43)申请公布日2016.06.29 (21)申请号201610139531.8 (22)申请日2016.03.11 (71)申请人北京大学 地址100871北京市海淀区颐和园路5号 (72)发明人谢广明王伟王子剑王泽睿 王晨范瑞峰 (74)专利代理机构北京中企鸿阳知识产权代理 事务所（普通合伙）11487 代理人刘葛郭鸿雁 (51)nt.Cl. B63C11/52(2006.01) B63H1/36(2006.01) 权利要求书2页说明书6页附图5页 (54)发明名称 新型自主式仿生机器鱼 (57)摘要 本发明新型自主式仿生机器鱼涉及一种用 于水下探测任务的机器鱼。其目的是为了提供一 种自稳定性和机动性好，自主性强，能够适应复 4 杂水下作业环境的新型自主式仿生机器鱼。本发 明新型自主式仿生机器鱼包括主舱体，主舱体由 密封的上壳体和下壳体组成，主舱体外部设置有 仿鳍组件，仿鳍组件包括一对胸鳍和一个尾鳍， 主舱体内部设置有胸鳍组件、尾鳍组件、传感模 块、控制模块。其中胸鳍组件包括胸鳍舵机固定 机构和两组胸鳍动力传动机构，尾鳍组件包括尾 鳍动力传动机构和被动转动机构，传感模块包括 视觉传感器、红外距离传感器、IMU姿态传感器和 <多个压力传感器，控制模块包括微控制器、传感 理板，舵机控制单元 石
CN105711778A 权利要求书 1/2页 1.一种新型自主式仿生机器鱼，包括主舱体，主舱体由密封的上壳体和下壳体组成，主 舱体外部设置有仿鳍组件，仿鳍组件包括一对胸鳍和一个尾鳍，其特征在于：主舱体内部设 置有胸鳍组件、尾鳍组件、传感模块、控制模块，其中： 胸鳍组件包括胸鳍舵机固定机构和两组胸鳍动力传动机构，胸鳍舵机固定机构固定有 第一胸鳍舵机和第二胸鳍舵机，第一胸鳍舵机通过第一输出机构转盘连接有第一锥齿轮， 第二胸鳍舵机通过第二输出机构转盘与锥齿轮连接件一端相连，锥齿轮连接件上固定安装 有第二锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮的尺寸相同且齿面相对，胸鳍动力传动机构包括 胸鳍输出轴，胸鳍输出轴上固定有输出锥齿轮，两个输出锥齿轮分别与第一锥齿轮和第二 锥齿轮啮合，胸鳍输出轴经过密封后伸出到主舱体外侧，伸出到主舱体外侧的胸鳍输出轴 轴体上加工有滑槽，滑槽内安装有胸鳍： 尾鳍组件包括尾鳍动力传动机构和被动转动机构，尾鳍动力传动机构中设置有尾鳍输 出轴，被动转动机构中设置有被动转轴，尾鳍输出轴和被动转轴共同连接有尾鳍固定支架， 尾鳍固定支架上安装有尾鳍； 传感模块包括视觉传感器、红外距离传感器、IM姿态传感器和多个压力传感器，视觉 传感器和红外距离传感器位于主舱体内部的前端，所述视觉传感器用于捕捉所述主舱体外 部的图像信息，所述红外距离传感器用于探测所述主舱体外的红外信号，生成红外探测信 息以感知障碍物的存在：主舱体上对应位置设置有观察窗，IMU姿态传感器放置于胸鳍舵机 固定机构上方，MU姿态传感器用于采集所述机器鱼的的姿态信息，多个压力传感器阵列分 布在主舱体前部和左右两侧，用于采集所述机器鱼周边环境的压力信息： 控制模块包括微控制器、传感器信息采集处理板、舵机控制单元和通讯单元，传感器信 息采集处理板用于接收来自所述传感模块的环境监测信息，其中，所述环境监测信息包括： 图像信息、红外探测信息、姿态信息和压力信息，并经过初步处理发送至微控制器，微控制 器用于对所述环境监测信息进行融合分析，根据融合分析结果生成控制指令并发送给舵机 控制单元，所述舵机控制单元根据所述控制指令驱动第一胸鳍舵机、第二胸鳍舵机和尾鳍 舵机执行相应的动作： 同时所述微控制器将所述控制指令和环境监测信息发送至所述通讯单元，由所述通讯 单元进一步转发至远程控制中心，以实现所述远程控制中心实时掌握机器鱼的所在环境状 态和工作状态。 2.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：还包括电源模块和配重 块，电源模块位于主舱体中部，采用充电式航模动力镍氢电池，电压为11V,配重块安装在电 池模块上部，选用铝锌合金块。 3.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述胸鳍组件位于主舱 体前部左右两侧，胸鳍舵机固定机构包括胸鳍舵机固定架，胸鳍舵机固定架上并列安装有 若干个滑动件，滑动件用于安装第一胸鳍舵机和第二胸鳍舵机，第一胸鳍舵机和第二胸鳍 舵机能够随滑动件在胸鳍舵机固定架上横向移动和锁紧。 4.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述胸鳍动力传动机构 中输出锥齿轮与第一锥齿轮和第二锥齿轮的传动比均为2.5：1，胸鳍动力传动机构的旋转 角为225°。 5.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述胸鳍输出轴上加工 2
CN105711778A 权利要求书 2/2页 有内限位凸台，胸鳍输出轴上还依次安装有内轴承、输出轴挡圈、外轴承、胸鳍动密封圈和 胸鳍端盖，且内轴承、输出轴挡圈和外轴承依次紧密接触，胸鳍输出轴上还套有胸鳍套筒， 胸鳍套筒内侧加工有外限位凸台，内轴承的内侧面与内限位凸台的外侧面相接触，外轴承 的外侧面与外限位凸台的内侧面相接触，内轴承、输出轴挡圈和外轴承用于固定胸鳍输出 轴，胸鳍动密封圈周向与胸鳍套筒的内壁相接触，胸鳍动密封圈外侧面与胸鳍端盖相接触， 胸鳍端盖与胸鳍套筒外侧面固定连接，胸鳍套筒中部外侧开有一槽口用于放置0型圈。 6.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述尾鳍组件位于主舱 体后部，尾鳍动力传动机构包括尾鳍舵机，尾鳍舵机安装在尾鳍舵机固定架上，尾鳍舵机固 定架固定在下壳体上，尾鳍舵机通过第三输出转盘与尾鳍输出轴相连，尾鳍输出轴上依次 安装有定位轴承、定位挡圈、尾鳍动密封圈和尾鳍上端盖和尾鳍套筒，尾鳍套筒套在定位轴 承、定位挡圈和尾鳍动密封圈外侧，尾鳍套筒与尾鳍上端盖固定连接，尾鳍上端盖与上壳体 固定连接，被动转动机构包括尾鳍下端盖，尾鳍下端盖与下壳体固定连接，尾鳍下端盖中部 用于安装被动转轴。 7.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述压力传感器置于防 水的压力传感器模块中，压力传感器模块连接有航空连接插件，航空连接插件嵌入主舱体 内。 8.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述微控制器选用树莓 派主控制板，传感器信息采集处理板与微控制器、微控制器与舵机控制单元之间的信号传 输采用IIC协议。 9.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述主舱体前部为流线 型，左右两侧呈内凹的流线型，主舱体的上壳体材质为工程塑料，下壳体材质为硬铝，上壳 体和下壳体之间通过0型圈实现静密封防水。 10.根据权利要求1所述的新型自主式仿生机器鱼，其特征在于：所述仿鳍组件包括碳 棒纤维和塑料蒙皮，碳棒纤维作为骨架，塑料蒙皮覆盖在碳棒纤维外侧。 3
CN105711778A 说明书 1/6页 新型自主式仿生机器鱼 技术领域 [0001] 本发明涉及一种机器鱼，特别是涉及一种用于水下探测任务的新型自主式仿生机 器鱼。 背景技术 [0002]无论是海洋资源的探索，海水变化信息收集，海洋生物研究或者军事侦查和情报 的收集都依赖于水下技术的发展水平。随着人类对海洋空间及海底资源越来越深入的探索 挖掘，传统的水下推进方式推进己不能满足需求。随着仿生学、电子技术、材料科学和控制 技术的发展，研究人员开始模仿自然界鱼类的运动方式并希望获得像鱼类一样卓越游动性 能和高效推进效率的水下推进器。自1994年MIT研制成功了世界上第一条真正意义上的仿 生机器鱼，仿生机器鱼逐渐成为了国内外研究的热点，人们期望研制出体积小、成本低、推 进效率高、机动性高并且智能程度高的水下仿生机器鱼。 [0003]目前研究者大多关注鱼类中的鲹科类，研制出了很多仿参科类机器鱼，并在此基 础上开展了鱼类游动机理、推进效率和机动性能多方面的研究。但自然界有一种箱鲀科鱼 类，和鲹科鱼类相比，有着更高的机动性和自稳定性，同时拥有较高的推进效率。这些卓越 的游动特性值得人们去深入研究，以提高仿生推进器的机动性能和自稳定性，但目前却没 有引起太多研究人员的关注。如中国发明专利CN101758916A中公开的一种自主式机器 鱼，包括主舱体，主舱体有密封的上壳体和下壳体构成，主舱体通过胸鳍推进机构和尾鳍推 进机构分别控制胸鳍和尾鳍，主舱体内设置有摄像头用于信息采集，并设置有通信模块用 于外界进行信息传递。这种机器鱼只能做简单的水下运动，并不能自主地获取自身状态信 息以及多方位的获取周围环境的信息，而其较低的自主性限制了其在水下自主地完成指定 的任务的能力，遇到水下复杂的环境时可能出现故障而无法完成任务甚至无法返航造成大 的损失。 发明内容 [0004]本发明要解决的技术问题是提供一种自稳定性和机动性好，自主性强，能够适应 复杂水下作业环境的新型自主式仿生机器鱼。 [0005]本发明新型自主式仿生机器鱼，包括主舱体，主舱体由密封的上壳体和下壳体组 成，主舱体外部设置有仿鳍组件，仿鳍组件包括一对胸鳍和一个尾鳍，主舱体内部设置有胸 鳍组件、尾鳍组件、传感模块、控制模块，其中： [0006]胸鳍组件包括胸鳍舵机固定机构和两组胸鳍动力传动机构，胸鳍舵机固定机构固 定有第一胸鳍舵机和第二胸鳍舵机，第一胸鳍舵机通过第一输出机构转盘连接有第一锥齿 轮，第二胸鳍舵机通过第二输出机构转盘与锥齿轮连接件一端相连，锥齿轮连接件上固定 安装有第二锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮的尺寸相同且齿面相对，胸鳍动力传动机构 包括胸鳍输出轴，胸鳍输出轴上固定有输出锥齿轮，两个输出锥齿轮分别与第一锥齿轮和 第二锥齿轮啮合，胸鳍输出轴经过密封后伸出到主舱体外侧，伸出到主舱体外侧的胸鳍输
CN105711778A 说明书 2/6页 出轴轴体上加工有滑槽，滑槽内安装有胸鳍； [0007]尾鳍组件包括尾鳍动力传动机构和被动转动机构，尾鳍动力传动机构中设置有尾 鳍输出轴，被动转动机构中设置有被动转轴，尾鳍输出轴和被动转轴共同连接有尾鳍固定 支架，尾鳍固定支架上安装有尾鳍； [0008]传感模块包括视觉传感器、红外距离传感器、IMU姿态传感器和多个压力传感器， 视觉传感器和红外距离传感器位于主舱体内部的前端，所述视觉传感器用于捕捉所述主舱 体外部的图像信息，所述红外距离传感器用于探测所述主舱体外的红外信号，生成红外探 测信息以感知障碍物的存在；主舱体上对应位置设置有观察窗，U姿态传感器放置于胸鳍 舵机固定机构上方，M姿态传感器用于采集所述机器鱼的的姿态信息，多个压力传感器阵 列分布在主舱体前部和左右两侧，用于采集所述机器鱼周边环境的压力信息： [0009]控制模块包括微控制器、传感器信息采集处理板、舵机控制单元和通讯单元，传感 器信息采集处理板用于接收来自所述传感模块的环境监测信息，其中，所述环境监测信息 包括：图像信息、红外探测信息、姿态信息和压力信息，并经过初步处理发送至微控制器，微 控制器用于对所述环境监测信息进行融合分析，根据融合分析结果生成控制指令并发送给 舵机控制单元，所述舵机控制单元根据所述控制指令驱动第一胸鳍舵机、第二胸鳍舵机和 尾鳍舵机执行相应的动作； [0010]同时所述微控制器将所述控制指令和环境监测信息发送至所述通讯单元，由所述 通讯单元进一步转发至远程控制中心，以实现所述远程控制中心实时掌握机器鱼的所在环 境状态和工作状态。 [0011]本发明新型自主式仿生机器鱼，还包括电源模块和配重块，电源模块位于主舱体 中部，采用充电式航模动力镍氢电池，电压为11V,配重块安装在电池模块上部，选用铝锌合 金块。 [0012] 本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述胸鳍组件位于主舱体前部左右两侧，胸 鳍舵机固定机构包括胸鳍舵机固定架，胸鳍舵机固定架上并列安装有若干个滑动件，滑动 件用于安装第一胸鳍舵机和第二胸鳍舵机，第一胸鳍舵机和第二胸鳍舵机能够随滑动件在 胸鳍舵机固定架上横向移动和锁紧。 [0013]本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述胸鳍动力传动机构中输出锥齿轮与第一 锥齿轮和第二锥齿轮的传动比均为2.5：1，胸鳍动力传动机构的旋转角为225°。 [0014]本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述胸鳍输出轴上加工有内限位凸台，胸鳍 输出轴上还依次安装有内轴承、输出轴挡圈、外轴承、胸鳍动密封圈和胸鳍端盖，且内轴承、 输出轴挡圈和外轴承依次紧密接触，胸鳍输出轴上还套有胸鳍套筒，胸鳍套筒内侧加工有 外限位凸台，内轴承的内侧面与内限位凸台的外侧面相接触，外轴承的外侧面与外限位凸 台的内侧面相接触，内轴承、输出轴挡圈和外轴承用于固定胸鳍输出轴，胸鳍动密封圈周向 与胸鳍套筒的内壁相接触，胸鳍动密封圈外侧面与胸鳍端盖相接触，胸鳍端盖与胸鳍套筒 外侧面固定连接，胸鳍套筒中部外侧开有一槽口用于放置0型圈。 [0015]本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述尾鳍组件位于主舱体后部，尾鳍动力传 动机构包括尾鳍舵机，尾鳍舵机安装在尾鳍舵机固定架上，尾鳍舵机固定架固定在下壳体 上，尾鳍舵机通过第三输出转盘与尾鳍输出轴相连，尾鳍输出轴上依次安装有定位轴承、定 位挡圈、尾鳍动密封圈和尾鳍上端盖和尾鳍套筒，尾鳍套筒套在定位轴承、定位挡圈和尾鳍 5
CN105711778A 说明书 3/6页 动密封圈外侧，尾鳍套筒与尾鳍上端盖固定连接，尾鳍上端盖与上壳体固定连接，被动转动 机构包括尾鳍下端盖，尾鳍下端盖与下壳体固定连接，尾鳍下端盖中部用于安装被动转轴。 [0016]本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述压力传感器置于防水的压力传感器模块 中，压力传感器模块连接有航空连接插件，航空连接插件嵌入主舱体内。 [0017]本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述微控制器选用树莓派主控制板，传感器 信息采集处理板与微控制器、微控制器与舵机控制单元之间的信号传输采用IIC协议。 [0018]本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述主舱体前部为流线型，左右两侧呈内凹 的流线型，主舱体的上壳体材质为工程塑料，下壳体材质为硬铝，上壳体和下壳体之间通过 0型圈实现静密封防水。 [0019]本发明新型自主式仿生机器鱼，其中所述仿鳍组件包括碳棒纤维和塑料蒙皮，碳 棒纤维作为骨架，塑料蒙皮覆盖在碳棒纤维外侧。 [0020]本发明新型自主式仿生机器鱼与现有技术不同之处在于本发明新型自主式仿生 机器鱼的胸鳍组件中选用对立锥齿轮的方式进行动力传动，可大大节省机构空间，优化主 舱体内部结构。本发明的传感模块包括视觉传感器、红外距离传感器、IMU姿态传感器和多 个压力传感器，并在主舱体上设置有观察窗。视觉传感器和红外距离传感器可以透过观察 窗的广阔视野对主舱体周围的图像进行拍摄，同时检测主舱体附近的障碍物。MU姿态传感 器可以让机器鱼实现自身的姿态的感知阵列分布的压力传感器可以模拟自然界鱼类的侧 线系统。通过上述传感元件的作用，本发明新型自主式仿生机器鱼能够增强对周围水环境 压力的感知，可大大提高其对周围环境的适应能力，便于对其进行运动控制，从而使本发明 的机器鱼具有较强机动性和自主性，适应更复杂水下作业环境。本发明的控制模块整体上 采用分层式、总线式结构。其中，总线式结构便于将来集成更多类型的传感器，而分层式结 构保证系统增加新功能模块时不影响其他模块的正常工作从而减少系统改动时带来的工 作量，让整个系统更加稳定。此外，本发明一方面为研究箱鲀科鱼类运动的水动力学、游动 机理及多模态运动控制提供实验平台：另一方面，可以为研制高效、快速、小型的水下推进 器提供技术基础，并可以广泛应用于环境监测、海底勘探、打捞救助以及军事侦察等任务。 [0021] 下面结合附图对本发明的新型自主式仿生机器鱼作进一步说明。 附图说明 [0022] 图1为本发明新型自主式仿生机器鱼的结构示意图： [0023] 图2为本发明新型自主式仿生机器鱼的剖视图： [0024] 图3为本发明新型自主式仿生机器鱼中胸鳍舵机固定机构的结构示意图： [0025] 图4为本发明新型自主式仿生机器鱼中胸鳍动力传动机构结构示意图： [0026] 图5为本发明新型自主式仿生机器鱼中胸鳍动力传动机构的主视图： [0027] 图6为本发明新型自主式仿生机器鱼中胸鳍动力传动机构的剖视图： [0028] 图7为本发明新型自主式仿生机器鱼中尾鳍组件的结构示意图； [0029] 图8为本发明新型自主式仿生机器鱼中尾鳍组件的剖视图： [0030] 图9为本发明新型自主式仿生机器鱼中控制模块的工作流程图。 具体实施方式 6
CN105711778A 说明 书 4/6页 [0031]如图1和图2所示，本发明新型自主式仿生机器鱼包括主舱体，主舱体由上壳体6和 下壳体2组成，主舱体外形参考箱鲀科盒子鱼外形，主舱体前部为流线型，左右两侧呈内凹 的流线型。主舱体的上壳体6材质为工程塑料，下壳体2材质为硬铝，上壳体6和下壳体2之间 通过0型圈实现静密封防水。主舱体内部设置有胸鳍组件、尾鳍组件、传感模块、控制模块、 电源模块和配重块。主舱体外部设置有仿鳍组件。仿鳍组件包括碳棒纤维和塑料蒙皮，碳棒 纤维模拟鱼骨，塑料蒙皮模拟鱼骨间的薄膜。仿鳍组件包括一对胸鳍1和一个尾鳍4，尾鳍4 主要负责机器鱼在水中的快速推进和转弯，胸鳍1可以实现机器鱼在水中的多种复杂运动， 比如上升、下潜和翻转等动作，胸鳍1和尾鳍4的配合运动可以实现多种游动的模态。胸鳍1 和尾鳍4的外形均参考自然界箱鲀科盒子鱼的鱼鳍的形状。 [0032]如图2所示，胸鳍组件位于主舱体前部左右两侧，包括胸鳍舵机固定机构9和两组 胸鳍动力传动机构8。如图3所示，胸鳍舵机固定机构9包括胸鳍舵机固定架91，胸鳍舵机固 定架91上并列安装有若干个滑动件92，滑动件92上安装有第一胸鳍舵机99和第二胸鳍舵机 93,第一胸鳍舵机99和第二胸鳍舵机93能够随滑动件92在胸鳍舵机固定架91上横向移动和 锁紧，保证第一胸鳍舵机99和第二胸鳍舵机93具有横向自由度，便于安装和装配。第一胸鳍 舵机99通过第一输出机构转盘连接有第一锥齿轮98。第二胸鳍舵机93通过第二输出机构转 盘与锥齿轮连接件94一端相连，锥齿轮连接件94上固定安装有第二锥齿轮95，锥齿轮连接 件94上安装有固定挡圈96对第二锥齿轮95进行限位，锥齿轮连接件94的另一端安装有轴承 和支撑架97。由于第二锥齿轮95受力时锥齿轮连接件94会产生挠曲，故加装轴承和支撑架 97以加强其结构。第一锥齿轮98和第二锥齿轮95的尺寸相同且齿面相对。第一锥齿轮98和 第二锥齿轮95采用对立式安装方式，此种安装方式的优点在于可以最大限度的压缩第一胸 鳍舵机99和第二胸鳍舵机93间的距离，减小所占用的空间。如图4、图5和图6所示，胸鳍动力 传动机构8包括胸鳍输出轴84，胸鳍输出轴84贯穿于主舱体内外两侧，胸鳍输出轴84内部位 于主舱体内侧，胸鳍输出轴84内部端面上通过顶丝固定有输出锥齿轮81，两个输出锥齿轮 81分别与第一锥齿轮98和第二锥齿轮95啮合，输出锥齿轮81与第一锥齿轮98和第二锥齿轮 95的传动比均为2.5：1。胸鳍动力传动机构8的旋转角为225°。本实施例中第一锥齿轮98和 第二锥齿轮95的大端模数均为1，齿数为35：输出锥齿轮81的大端模数为1，齿数为14。胸鳍 输出轴84上加工有内限位凸台810，胸鳍输出轴84上还依次安装有内轴承86、输出轴挡圈 87、外轴承88、胸鳍动密封圈89和胸鳍端盖83，且内轴承86、输出轴挡圈87和外轴承88依次 紧密接触。胸鳍输出轴84上还套有胸鳍套筒82，胸鳍套筒82内侧加工有外限位凸台。内轴承 86的内侧面与内限位凸台810的外侧面相接触，外轴承88的外侧面与外限位凸台的内侧面 相接触。内轴承86、输出轴挡圈87和外轴承88用于固定胸鳍输出轴84。胸鳍动密封圈89周向 与胸鳍套筒82的内壁相接触，胸鳍动密封圈89外侧面与胸鳍端盖83相接触，作为动态密封。 胸鳍端盖83与胸鳍套筒82外侧面固定连接。胸鳍套筒82中部外侧开有一槽口用于放置0型 圈。位于主舱体外侧的胸鳍输出轴84外部的轴体上加工有滑槽85，滑槽85内安装有胸鳍1。 [0033]如图2所示，尾鳍组件位于主舱体后部，包括尾鳍动力传动机构7和被动转动机构 10。如图7和图8所示，尾鳍动力传动机构7包括尾鳍舵机73，尾鳍舵机73安装在尾鳍舵机固 定架78上，尾鳍舵机固定架78固定在下壳体2上。尾鳍舵机73通过第三输出转盘连接有竖直 方向设置的尾鳍输出轴74，尾鳍输出轴74上由下向上依次安装有定位轴承77、定位挡圈76、 尾鳍动密封圈75和尾鳍上端盖71和尾鳍套筒72，其中定位轴承77和定位挡圈76用于定位尾
CN105711778A 说明书 5/6页 鳍输出轴74，尾鳍动密封圈75用于进行动态密封，尾鳍套筒72套在定位轴承77、定位挡圈76 和尾鳍动密封圈75外侧，尾鳍套筒72与尾鳍上端盖71固定连接，尾鳍上端盖71与上壳体6固 定连接。尾鳍输出轴74伸出到上壳体6外侧。被动转动机构10包括尾鳍下端盖101，尾鳍下端 盖101与下壳体2固定连接，带有轴承103的被动转轴102从尾鳍下端盖101中部穿过。位于主 舱体外侧的尾鳍输出轴74和被动转轴102上共同安装有尾鳍固定支架5，尾鳍固定支架5上 安装有尾鳍4。 [0034]如图2和图9所示，传感模块包括视觉传感器14、红外距离传感器22、IM姿态传感 器21和压力传感器3。机器鱼携带多种传感器，可大大提高其在未知环境中的自主生存能 力。视觉传感器14和红外距离传感器22位于主舱体内部的前端，视觉传感器14用于捕捉主 舱体外部的图像信息，红外距离传感器22用于探测所述主舱体外的红外信号，生成红外探 测信息以感知障碍物的存在。主舱体上对应位置设置有观察窗13，保证视觉传感器14和红 外距离传感器22有足够广阔的视野来捕捉图像信息和感知近距离的障碍物。IMU姿态传感 器21放置于胸鳍舵机固定机构9上方，IMU姿态传感器21可以让机器鱼实现自身的姿态的感 知，采集机器鱼的姿态信息，便于其进行运动控制。多个压力传感器3阵列分布在主舱体前 部和左右两侧，模拟自然界鱼类的侧线系统，通过对周围水环境压力的感知，采集机器鱼周 边环境的压力信息，可以大大提高其对周围环境的适应能力。压力传感器3置于压力传感器 模块中，压力传感器模块连接有航空连接插件。压力传感器模块具有防水性，直接与周围水 环境接触，航空连接插件嵌入主舱体内，负责把压力信号传送到上一级。 [0035]如图9所示，控制模块包括微控制器25、传感器信息采集处理板23、舵机控制单元 26和通讯单元24。传感器信息采集处理板23主要负责接收来自传感模块的环境监测信息， 其中，环境监测信息包括：图像信息、红外探测信息、姿态信息和压力信息，并经过模数D转 换的初步处理通过IIC协议发送至微控制器25。微控制器25选用树莓派主控制板。微控制器 25将环境监测信息进行融合分析，根据融合分析结果生成控制指令并通过IIC协议发送给 舵机控制单元26。同时通讯单元24以WFi的方式将微控制器25中得到的控制指令和环境监 测信息传送到远端的控制中心，方便远程控制中心实时掌握机器鱼的所在环境状态和工作 状态，便于控制台对水下环境开展更为详细的分析研究。微控制器25在浮出水面时也可接 受来自远端的上层控制指令。舵机控制单元26将微处理器单元的指令转化为PWM信号，驱动 第一胸鳍舵机99、第二胸鳍舵机93和尾鳍舵机73工作，从而模拟箱鲀科鱼类在水中的各种 游动模态。 [0036]如图2所示，电源模块12位于主舱体中部，包括八个充电式航模动力镍氢电池，电 压为11V,续航能力可达2小时以上。 [0037]如图2所示，配重块11为放置在电池模块上部的长方形铝锌合金块，主要作用是让 所述机器鱼密度基本和水的密度保持一致，同时提高所述机器鱼的重心，便于机器鱼实现 三维的复杂运动。 [0038]本发明新型自主式仿生机器鱼的工作原理：首先通过传感模块中各种传感器对机 器鱼周围环境进行采集和感知，并将信号集中到传感器信息采集处理板23，传感器信息采 集处理板23将得到的信号进行筛选和汇总，并通过IIC协议把初步处理的数据传送给微控 制器25，微控制器25通过处理后得到具体的控制指令，控制指令的作用是根据姿态信息（机 器鱼当前姿态)和周边环境（障碍物、水压等），在当前姿态基础上做出对应调整，使得机器 8
CN105711778A 说明书 6/6页 鱼更逼近于真正鱼类的游动。控制指令通过IIC协议输送给舵机控制单元26，舵机控制单元 26将动作信号转化成PWM信号，驱动第一胸鳍舵机99、第二胸鳍舵机93和尾鳍舵机73工作， 使机器鱼完成相应的动作。胸鳍1动作时，第一胸鳍舵机99和第二胸鳍舵机93分别控制第一 锥齿轮98和第二锥齿轮95转动，第一锥齿轮98和第二锥齿轮95分别带动相应的胸鳍输出轴 84转动，胸鳍输出轴84带动胸鳍1完成相应的摆动。尾鳍4动作时，尾鳍舵机73带动尾鳍输出 轴74转动，尾鳍输出轴74带动尾鳍固定支架5转动，同时尾鳍4和被动转轴102随尾鳍固定支 架5同步进行转动。 [0039]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范 围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方 案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。 9
CN105711778A 说明书附图 1/5页 5 6 4 A 13 四 3 2 图1 7 6 12 8 更网正 可 13 14 9 5 10 2 图2 10