一种蝠鲼式仿生鱼及其水下通信方法

本发明涉及仿生鱼及其通信，尤其涉及一种蝠鲼式仿生鱼及其水下通信方法。

背景技术：

1、海洋蕴藏着丰富的矿物资源、生物资源和能源，为了更深入地了解地球、保护海洋、合理开发海洋资源，对人类可持续发展具有重要意义。为了满足海洋探索和资源开发的需求，近几十年来，作为海洋开发的重要工具的水下机器人在各国的研究热度与日俱增。传统的水下航器多采用由螺旋桨组成的常规推进系统，结构简单、可靠性高、密封性好，但由于螺旋桨工作时产生的噪音较大，对环境扰动明显，且由于体积较大，导致水下运动时灵活性差、推进效率低等缺陷。

2、为了探索不同于螺旋桨推进的其他高效、灵活的水下推进方式，国内外研究者聚焦于海洋中各式各样的鱼类，期望从不同鱼类的游动中寻找灵感，借助自然生物的形态特征和游动机理，为研制新型水下航器提供思路。鲼科鱼类是典型的采用中央对鳍推进的鱼类，拥有优异的流体动力学外形，其通过自身中央对鳍的拍动产生推进力，具有水下运动灵活、稳定性较好的优点。以中央对鳍拍动推进的鲼科鱼类逐渐成为工程学者们设计新一代水下航器时学习与模仿的对象。

3、早期拍动式仿生机器鱼的设计多以刚性为主，具有结构可靠性高、产生推动力大等优点，但其缺陷在于，支撑骨架笨重、游动效率低且环境自适应能力较差等，面对变化莫测的海洋环境，这类仿生鱼已很难满足复杂的海洋勘测任务。随着研究的深入，采用全柔性设计的仿生鱼机器人因其具有结构重量轻、环境适应性强、游动效率高等特点，也受到越来越多学者的重视。通过总结近年来国内外拍动式仿生鱼的研究现状发现，其研究焦点已经从刚性鳍驱动转换到顺应周围水流环境的被动形变设计，机器鱼本体逐步实现了从身体外形相似到运动形变相似的发展。现有的拍动式仿生鱼基本能完成包括直线游动、定深巡游等简单运动功能，但其水下机动性能仍与真实鱼类相差甚远，严重限制了其在工程中的应用。此外，多数水下航器只具有简单的勘测能力，不具备水下激光通信的设备和手段，因此无法完成水下航器之间无线通信。

4、因此，有必要提供一种蝠鲼式仿生鱼及其水下通信方法解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种蝠鲼式仿生鱼及其水下通信方法，其游动速度快、机动性能高，并采用了对侧柔性胸鳍拍动的推进方式，能够顺应环境变化，并通过设计的通信方法进行仿生鱼之间的信息交互，最终完成水下勘测任务。

2、本发明提供的一种蝠鲼式仿生鱼，包括机体主干、尾舵、一对胸鳍和一对驱动舵机，一对胸鳍对称装配在机体主干的中部两侧，一对驱动舵机对称装配在机体主干的前部两侧，尾舵装配在机体主干的尾部，机体主干包括依序插拔拼接的头部舱体、躯干舱体和尾部舱体，其中，头部舱体装配有用于收发信号的通信模块，躯干舱体装配有用于调控仿生鱼所处深度、运动方向和俯仰的运动控制模块，尾部舱体装配有用于测量水体温度、盐度和深度的ctd测量模块；

3、胸鳍包括驱动电机、驱动鳍条、柔性鳍面、被动鳍条和胸鳍转轴，其中，柔性鳍面连接在机体主干上，工作时，运动控制模块发送动作指令，驱动电机则带动驱动鳍条、柔性鳍面、被动鳍条和胸鳍转轴运动，以推动仿生鱼运动；

4、驱动舵机包括驱动舵机转轴、延伸底座、连接转轴和螺旋桨，工作时，运动控制模块发送动作指令，则驱动舵机转轴转动，并带动螺旋桨转动，并且，当延伸底座为水平方向时，则调整仿生鱼的左右转向，当延伸底座为竖直方向时，则调整仿生鱼上下俯仰；

5、尾舵包括尾部连接轴、尾翼连接轴、尾鳍旋转轴、尾鳍和柔性尾翼，其中，尾鳍对称固定在尾鳍旋转轴两侧，工作时，运动控制模块发送动作指令，驱动尾鳍旋转轴带动尾鳍转动，辅助胸鳍推动仿生鱼前进。

6、优选的，所述躯干舱体设置有胸鳍固定处和驱动舵机固定处。

7、优选的，所述胸鳍还包括嵌入在所述躯干舱体的胸鳍固定处的胸鳍固定底座。

8、优选的，所述驱动舵机还包括嵌入安装在所述躯干舱体的驱动舵机固定处的驱动电机固定座。

9、优选的，所述通信模块包括电性连接的激光器、左翼探测器、右翼探测器和信号处理芯片，且信号处理芯片用于收发并处理激光器、左翼探测器和右翼探测器采集的信号，其中，左翼探测器和右翼探测器分别对应安装在仿生鱼的鱼眼处设置的鱼眼高透半球形玻璃窗内，左翼探测器用于收集机体主干左侧前后、上下各180°的信息，右翼探测器用于收集机体主干右侧前后、上下各180°的信息，激光器安装在仿生鱼的鱼嘴处设置的鱼嘴高透半球形玻璃窗内。

10、优选的，所述运动控制模块包括驱动舵机固定处、头部上侧液压泵、头部下侧液压泵、排水/气阀、气体产生装置、运动控制芯片、声定位模块、远程遥控芯片、胸鳍固定处、空腔、入水管和尾部液压泵，通过运动控制芯片驱动，运动控制模块完成对仿生鱼所处深度、运动方向以及俯仰的调控。

11、优选的，所述ctd测量模块包括ctd测量控制芯片和尾舵连接轴，并通过电缆与柔性尾翼中的传感器组电性连接，以对水体温度、盐度和深度进行测量。

12、一种蝠鲼式仿生鱼的水下通信方法，通信方法包括：

13、预设蝠鲼式仿生鱼的初始状态为接收模式r，通过声定位模块连接至仿生鱼群通信网络，由控制终端发送指令，仿生鱼进入发射模式s或接收模式r；

14、若预设蝠鲼式仿生鱼处于接收模式r时所处位置为xr和yr，若所处位置判别为xr，则其他仿生鱼发射终端位于该仿生鱼接收终端采集范围内，通过转动左翼探测器或右翼探测器进行扫描对准，接收信号；当所处位置判别为yr，则其他仿生鱼发射终端位于该仿生鱼接收终端采集范围外，需通过运动控制模块调节仿生鱼接收终端位置，直至位置判别为xr；

15、若预设蝠鲼式仿生鱼处于发射模式s时所处位置为xs和ys，当所处位置判别为xs，则其他仿生鱼接收终端位于该仿生鱼发射终端出射方向，驱动激光器发送光脉冲；当所处位置判别为ys，则其他仿生鱼接收终端不位于该仿生鱼发射终端出射方向，需通过运动控制模块调节仿生鱼发射终端出射方向，直至位置判别为xs；

16、若仿生鱼终端所处位置判别为yr或ys时，运动控制芯片驱动胸鳍及舵机工作，具体为，胸鳍拍动进行上下位置调节，驱动舵机处于水平时控制左右转向，处于竖直时控制上下俯仰，直至位置判别为xr或xs时，运动控制芯片停止工作，通信模块驱动开始进行无线光通信；

17、预设蝠鲼式仿生鱼的初始时为悬浮状态，此时浮力等于重力，激光器、探测器位于初始位置，当收到控制终端发送的指令后，通信模块判断工作模式，并通过声定位模块连接至仿生鱼群通信网络，确定该仿生鱼终端与其他仿生鱼终端的相对位置；

18、当位置判别为xr或xs，运动控制模块无需工作，此时通信模块驱动激光器和/或探测器进行信息收发；当位置判别为yr或ys，则运动控制模块进行以下操作和判别：

19、通过通信网络对该仿生鱼终端与其他仿生鱼终端相对位置距离进行估算，完成调整精度判别，若两者水平距离大于50m，则需要进行位置的粗调整，直到调整精度判别为精调整；

20、若两者水平距离小于等于50m，则进行位置的精调整，所述精调整包括仿生鱼所处深度、方向和俯仰的调整；

21、预设ctd测量模块初始时为空闲状态，当收到控制终端指令后开始工作，持续不断地通过传感器获取水体温度、盐度和深度。

22、与相关技术相比较，本发明提供的一种蝠鲼式仿生鱼及其水下通信方法具有如下有益效果：

23、本发明的仿生鱼外形为刚性机体主干与柔性胸鳍相结合，使得仿生机器鱼结构稳定的同时能够顺应环境变化，同时在仿生鱼头部舱体中嵌入有通信模块，可以与其他仿生鱼之间完成水下无线光通信，进而实现信息交互过程，并且仿生鱼躯干舱体中装备有运动控制模块，可以完成仿生鱼在水下运动时的动作要求和调节仿生鱼的位置及方向来完成水下光通信过程，仿生鱼尾部舱体中配备的ctd测量模块可以在进行光通信工作的同时完成简单的水下勘测任务。