[发明专利]用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼及其控制方法

权利要求书

1.一种用于鱼群养殖业的自主追赶鱼群机器鱼，其特征在于，包括顺次相连且外表面包裹蒙皮的鱼头、鱼身和鱼尾(6)；所述的鱼头内部设有相连的排水针管(1)、排水舵机(2)、曲柄滑块(3)和摄像头(9)；所述的排水舵机(2)通过曲柄滑块(3)与排水针管(1)的活塞相连，用于驱动活塞运动以改变管内液体质量；所述的排水针管(1)数量为双数，两两对称设置于鱼头内部，且针头的出水口位于鱼头外部；

所述的鱼头通过连接支架(7)与鱼身相连，鱼身内设有若干个驱动舵机，驱动舵机之间通过级连固定件(4)相连，最靠近鱼尾(6)的驱动舵机通过级连固定件(4)与鱼尾(6)相连；级连固定件(4)上固定有用于支撑蒙皮的蒙皮框架(5)；靠近鱼尾(6)的驱动舵机在靠近鱼头的驱动舵机的驱动下在水平方向转动；

所述的摄像头(9)、排水舵机(2)和驱动舵机分别与控制器(8)相连；

机器鱼的控制方法包括上下运动控制和左右运动控制；

所述的上下运动控制步骤如下：

S101：通过摄像头(9)采集鱼群图像，并由控制器(8)通过无线传输模块发送至服务器，在服务器端对图像中的目标鱼群进行位置识别，并将位置信息转换成控制指令传输回控制器(8)中；

S102：控制器(8)接收控制指令后，解析出该指令所对应的俯仰角度

S103：控制器(8)控制排水舵机(2)在t₁时间内匀速旋转角度θ₁，θ₁＞0时排水针管(1)水的体积增加，且θ₁的计算公式如下：

θ1=arctan(J1arctanzyt12ρgAL1R)]]>

式中：

y-目标点与鱼重心的轴向距离；z-目标点与鱼重心的竖直方向距离；ρ-液体密度；g-重力加速度；A-排水针管的横截面积；L₁-针管中心与鱼重心距离；R-舵机曲柄滑块长度；J₁-机器鱼竖直方向转动惯量；

S104：完成步骤S102后，由控制器(8)控制排水舵机(2)恢复至未旋转前的角度；

S105：不断重复S101～S104，实现垂直方向对目标鱼群的追赶；

所述的左右运动控制步骤如下：

S201：通过摄像头(9)采集鱼群图像，并由控制器(8)通过无线传输模块发送至服务器，在服务器端对图像中的目标鱼群进行位置识别，通过鱼群偏离图像中心的位置预测得到机器鱼需要匀速偏离的角度θ₂，并将位置信息转换成控制指令传输回控制器(8)中；根据驱动舵机的运动幅度限制，设置鱼尾摆动次数N，来回摆动记为1次，单次摆动使机器鱼偏离的角度为θ'，θ'＝θ₂/N；

S202：控制器(8)接收控制指令后，解析出该指令所对应的双侧不对称旋转角度α和γ；其中α和γ为所有驱动舵机转动的角度之和，α＞0时，鱼尾以鱼头为原点逆时针转动；γ＞0时，鱼尾以鱼头为原点顺时针转动；α和γ满足以下约束条件：

τ₁＝F_DL₂cos(γ-γ₁)

τ₂＝F_DL₂cos(α-α₁)

θ′=τ1-τ24J2t22]]>

式中：双侧鱼尾受力作用点和鱼重心之间所成角度为角度α₁和γ₁；F_D为尾部所受的总作用力；L₂-鱼尾中心与鱼重心间的距离；J₂为机器鱼水平方向的转动惯量；τ₁-鱼身以鱼头为原点顺时针方向所受力矩；τ₂-鱼身以鱼头为原点逆时针方向所受力矩；t₂-为单次摆动过程的总时间；

S203：控制器(8)控制驱动舵机转动，向两侧依次摆动α和γ，并重复N次；

S204：不断重复S201～203，实现水平方向对目标鱼群的追赶。