劉宇馳 周洪艷

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)水體資源利用的重視，水下機(jī)器魚承擔(dān)越來越重的作用。由于水下工作與陸地工作不一樣，僅僅靠人力難以有效對(duì)水體進(jìn)行取樣并監(jiān)測(cè)，需要利用水下機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)[1]。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器魚是仿真機(jī)器人，主要用于對(duì)環(huán)境的探查和監(jiān)測(cè)，取回不同區(qū)域不同深度的水質(zhì)進(jìn)行分析。采用仿真機(jī)器魚對(duì)大自然進(jìn)行探索，體現(xiàn)了人與自然和諧相處的特點(diǎn)。

1 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器魚頭部結(jié)構(gòu)

機(jī)器魚的頭部采用亞克力玻璃材料，一方面保證了機(jī)器魚前端的穩(wěn)固性，另一方面透明的亞克力玻璃為水下攝像頭的工作提供條件。設(shè)計(jì)成內(nèi)空的流線可以減少水下運(yùn)行的阻力。頭部最后端臂厚3mm，長100mm并與魚體相連接，左右兩邊各安裝3個(gè)與魚體骨架相連的螺紋孔起固定作用。

1.2 機(jī)器魚身體結(jié)構(gòu)

將機(jī)器魚的魚身設(shè)計(jì)成黃色的整體，增加了機(jī)器魚的可辨識(shí)性、增加了魚身內(nèi)部空間，有利于內(nèi)部步進(jìn)電機(jī)、溫度檢測(cè)儀、控制中心、前后配重裝置、凸輪連桿機(jī)構(gòu)的安裝。

魚身兩側(cè)采用螺旋槳式的推進(jìn)結(jié)構(gòu)，采用螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器魚做前進(jìn)與后退，兩側(cè)的螺旋槳結(jié)構(gòu)也可以保證機(jī)器魚在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，與尾鰭共同完成上浮下潛游動(dòng)懸浮等工作。

1.3 機(jī)器魚尾部結(jié)構(gòu)

機(jī)器魚尾部采用軟橡膠材料，通過連桿機(jī)構(gòu)完成與魚體連接，盡可能地縮小連接處外露的連接機(jī)構(gòu)，能夠增加魚尾擺動(dòng)范圍并容易控制機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向速度。

尾鰭在擺動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生有力的拍動(dòng)，緊接著再迅速反方向拍動(dòng)一次，第一次拍動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)大渦流，第二次拍動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)完全反向旋轉(zhuǎn)的渦流。當(dāng)兩個(gè)渦流自魚尾推開相互削弱時(shí)，便產(chǎn)生一股強(qiáng)大的推力，這樣既可以為機(jī)器魚的游動(dòng)提供動(dòng)力，又可以為機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力[2]。

2 機(jī)器魚內(nèi)部結(jié)構(gòu)

機(jī)器魚以魚體內(nèi)機(jī)架為主體，將步進(jìn)電機(jī)放置于魚體后三分之一處，用以帶動(dòng)螺旋槳及尾鰭的工作。主控制板固定在魚頭亞克力玻璃后，在保證魚體平衡性的同時(shí)方便工作人員進(jìn)行檢修。魚體前后的平衡裝置可輔助機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)上浮或下潛。GPS定位模塊安置在機(jī)架上，可實(shí)時(shí)定位機(jī)器魚的位置，水樣采集裝置安裝在機(jī)器魚的頂部，與水體零距離接觸，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性[3]。

機(jī)器魚內(nèi)部結(jié)構(gòu)有：攝像頭、天線、溫度測(cè)量儀、凸輪連桿機(jī)構(gòu)、尾鰭、后配重裝置、步進(jìn)電機(jī)、含氧量測(cè)試儀、控制中心、水樣采集裝置、信息處理裝置和前配重裝置。

3 機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器魚主要通過控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電源、步進(jìn)電機(jī)、前后平衡裝置（配重塊）、兩側(cè)螺旋槳、尾鰭的共同作用來實(shí)現(xiàn)。管理員通過控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出指令，即可增加步進(jìn)電機(jī)輸出功率，為尾鰭的擺動(dòng)、兩側(cè)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)提供更大動(dòng)力。當(dāng)需要上浮、下潛時(shí)可通過控制前后平衡裝置的注水量改變魚體的前后重量，進(jìn)而改變魚體的平衡姿態(tài)，以達(dá)到上浮、下潛功能的實(shí)現(xiàn)。

例如，通過前后平衡裝置未注水，螺旋槳、尾鰭平穩(wěn)擺動(dòng)，使魚身達(dá)到懸浮的狀態(tài)；通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)左右螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)、尾鰭平穩(wěn)擺動(dòng)，使魚身達(dá)到前行的狀態(tài)；通過后配重裝置注水，增加螺旋槳、尾鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和擺幅，使魚身上浮的狀態(tài)；通過尾鰭減小擺幅，左（右）旋漿減小轉(zhuǎn)動(dòng)，右（左）旋漿加大轉(zhuǎn)動(dòng)使魚身達(dá)到左右轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器魚控制系統(tǒng)主要由魚體外殼、內(nèi)部框架、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、信息采集系統(tǒng)組成。

4.1 控制及動(dòng)力系統(tǒng)

機(jī)器魚的控制中心主要集中在主控制板，完成對(duì)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)調(diào)控、指揮水樣采集等工作。操作者將相應(yīng)指令傳輸?shù)街付ㄖ噶罱涌?，從而?qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)輸出并改變其輸出頻率，帶動(dòng)螺旋槳與尾鰭擺動(dòng)。操作者通過GY953傳感器進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)反饋到主控，根據(jù)反饋控制舵機(jī)角度進(jìn)行調(diào)整，保持水中機(jī)器魚在水下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

自主控制：編程設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)路線，通過運(yùn)動(dòng)過程中GPS位置定位比較，或者使用光電傳感器檢測(cè)水域邊緣和水中障礙物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，實(shí)現(xiàn)較大水域的自動(dòng)巡游。

遙控控制：通過無線串口與芯片通訊，進(jìn)入遙控模式，在保持基本運(yùn)動(dòng)方式不變的情況下，使機(jī)器魚按照遙控路線進(jìn)行巡游[4]。遙控過程流程如下：開始→初始化→是否人控→是→WiFi串口控制指令→運(yùn)動(dòng)控制程序。

4.2 環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)傳感器

環(huán)境水的溫度通常在-20～50℃，機(jī)器魚采用FLUE971傳感器，加上一定的直流電壓，二極管兩端電壓即隨溫度變化而改變。該測(cè)量儀尺寸小、重量輕、分辨時(shí)間短、響應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量精度為±0.1℃[5]。因?yàn)闄C(jī)器魚體積受限，因此人們只能讓其完成一些物理參數(shù)的測(cè)量，如溫度、水位、風(fēng)速、pH值等。其他需要測(cè)量的參數(shù)可待機(jī)器魚將水樣取回后，與陸地水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置組成一個(gè)完備的系統(tǒng)。

4.3 信息采集系統(tǒng)

機(jī)器魚的信息采集系統(tǒng)主要由前端的微型攝像頭組成，亞克力玻璃在起保護(hù)作用的同時(shí)也起到防水的作用。微型攝像頭具有體積小、重量輕、容易安裝等優(yōu)點(diǎn)，可真實(shí)地反映水下景象，在科研、軍事技術(shù)、環(huán)保、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用較廣[6]。

5 機(jī)器魚尾鰭形狀的設(shè)計(jì)

尾鰭作擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，其擺動(dòng)能夠產(chǎn)生超過80%的轉(zhuǎn)向力。根據(jù)機(jī)械學(xué)與力學(xué)原理，其推進(jìn)力與轉(zhuǎn)向力的大小主要由尾鰭的形狀與擺動(dòng)幅度決定。在一定范圍內(nèi)，擺動(dòng)的幅度可以提高轉(zhuǎn)向與推動(dòng)的效率，但過大的幅度會(huì)增加電池的消耗，對(duì)推進(jìn)效率起到一定的負(fù)面作用。因此，找到合適的尾鰭形狀與擺動(dòng)幅度對(duì)機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的效率有著至關(guān)重要的影響。

本文選取尾鰭擺動(dòng)的振幅為控制參數(shù)，并通過改變尾鰭擺動(dòng)最大幅度至魚身的垂直距離來研究平均推力。通過測(cè)定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定尾鰭振幅小于或等于7cm時(shí)，平均推力隨設(shè)定振幅增大而增大；當(dāng)設(shè)定尾鰭振幅超過7cm時(shí)，平均推力隨設(shè)定振幅的增加反而下降。

相關(guān)研究表明，當(dāng)尾鰭擺動(dòng)幅度為7cm時(shí)，機(jī)器魚推進(jìn)效果達(dá)到最優(yōu)化[7]。所以，實(shí)現(xiàn)尾部拍動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)是當(dāng)前小型仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)的主要形式。但是，舵機(jī)的機(jī)械特性限制了尾部擺動(dòng)頻率，直接影響了機(jī)器魚推進(jìn)速度的提升。因此，為獲得較穩(wěn)定的游速，本文采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，此時(shí)機(jī)器魚可在清水中或含泥沙量小于0.5%的水中自由游動(dòng)。

6 結(jié)語

本文討論的水下取樣機(jī)器魚已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)基本功能，而且在0.3Hz的頻率下，圓尾尾鰭擺動(dòng)7cm使推動(dòng)效果達(dá)到最優(yōu)化。利用仿生機(jī)器魚對(duì)水質(zhì)進(jìn)行取樣與監(jiān)測(cè)是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的表現(xiàn)，也是人與自然和諧相處的體現(xiàn)，它既可用于水質(zhì)取樣監(jiān)測(cè)，也可與大型水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置組成完備的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

[1]李宗義，邵強(qiáng).用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的生物傳感器[J].生物技術(shù)，2005，15（4）：95-97.

[2]張軍.仿生機(jī)器魚尾鰭推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016：12.

[3]劉亮.先進(jìn)傳感器及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：112-114.

[4]李成春.基于CC2430無線多參數(shù)傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010：6.

[5]孫雷霸.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009：11-12.

[6]中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)總局.HJT354-2007 水污染源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[7]李宗剛，呂江，石慧榮，等.一種仿生機(jī)器魚尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，32（12）：1775-1779.