基于云台式视觉系统的自主机器鱼
设计者/北京大学工学院 贾永楠 井元良 孙丽君 尹新彦
21世纪是海洋的世纪，占全球71%的海洋将是这个世纪，也是未来人类赖以生存的资源。海洋对于人类的发展和社会的进步将起到至关重要的作用。在民用上，海洋蕴藏着丰富的矿物资源、生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。因此，对于海洋的开发和争夺成了很多发达国家的战略重点，而且愈演愈烈。在各种海洋技术中，作为用在一般潜水技术不可能达到的深度或区域进行综合考察和研究并能完成多种作业使命的水下机器人技术使海洋开发进入了新时代。
基于云台式视觉系统的自主鱼选取水生动物中的盒子鱼（boxfish）作为仿生对象，从机器人学的角度出发，开展水下智能仿生机器人的推进机理、机构设计、运动控制及系统集成等研究。通过对鱼类这种生物推进系统中的控制和信息处理过程研究，设计制造出具有水下三维运动能力、运动灵活、推进效率较高并具有某些生物感知能力和行为特征的水下仿生机器人。
所研制的基于云台式视觉系统的自主机器鱼(简称YT自主鱼)分为主体模块、一对胸鳍和一个摆动水翼，可实现机器鱼的多种形态和游动模式。通过控制尾翼摆动的不同位置可使机器鱼完成前进、左右转弯等运动，并且可以通过控制鱼体两侧的胸鳍，来实现机器鱼的上升下潜、左右转弯甚至前进和倒退。YT自主鱼的研制不仅具有观赏性，还有很高的研究价值。
YT自主鱼主体采用密封舱体的形式；推进机构选择BCF和MPF相结合的方式，包括一个摆动尾鳍和一对左右胸鳍；采用扇形橡胶材质的尾鳍作为推进机构之一，相比月牙形的尾鳍，可大大提高推进的效率。依靠位于鱼头上方的可旋转式CMOS摄像头对环境数据进行采集。通过对胸鳍和尾鳍的协调控制，实现前后推进、转弯、上升下潜、刹车等功能。
目前这款自主鱼的软件系统还在研发当中，我们的目标是外形设计上模仿boxfish，在功能设计上可以实现自主定位、自主导航、自主通讯、自主决策，并且易于功能扩展和二次开发的自主游动机器鱼。通过建立开放的操作系统平台，便于后续功能模块的添加，满足更高层次的控制要求。未来YT自主鱼的优越性体现在以下几个方面：一是传感器的加入，实现了对周围环境的自主感知；二是操作系统的加入，使得更方便的对YT自主鱼进行功能扩展和二次开发；三是无线网卡的引入，使得多条机器鱼之间的通信更加方便，有利于多鱼协作任务的完成。
在不远的将来，水下自主机器人将协助人类完成军事侦察、海底资源探测、打捞救助等艰巨的任务。
责编/刘 路