用于煤礦井下透水事故探測機器魚的研究

朱紅秀++岳耀輝++王忠華

摘 要：為探測煤礦井下透水時被困人員的位置和井下環境信息，便于井下透水事故被困人員的營救，該文研究了電磁舵機驅動的機器魚。根據仿生學原理設計了機器魚的形體參數；通過對機器魚在水下的受力分析，確定了電磁舵機的扭矩，并在此基礎上選定了電磁舵機的參數；設計了機器魚實現直線巡游和轉彎的控制系統；最后通過實驗驗證了電磁舵機驅動機器魚游動的可行性。

關鍵詞：機器魚 井下透水事故 電磁舵機 驅動控制

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0065-01

礦井透水淹井事故發生的原因是多種多樣的，不同的礦區水文地質條件、不同的煤層賦存狀態、不同的開采方式不同的管理模式，導致事故發生的原因各不相同。透水事故發生的常見類型有地表水、老空水、沖擊層水、底板水等水害。煤礦生產過程中常見的礦井透水淹井事故從水源上分析主要是由地表水的潰入和老空區積水的透入造成的[1]。

煤礦水害往往會造成嚴重的淹井事故，除了對井下設備造成了破壞以外，還嚴重威脅井下作業人員的生命安全。因此需要有效的營救措施。為了避免營救過程中的盲目性以及對營救人員人身安全造成的威脅，需要提前對透水后井下的環境進行良好的探測，確定被困人員的位置，用以制定詳細的有針對性的營救方案。這就使得水下機器魚的研究極具應用價值。

1 機器魚組成及結構原理

該文研究的機器魚外部形體主要由魚體和尾鰭組成。其內部結構由動力模塊，控制模塊，驅動模塊，探測模塊，通訊模塊和避障模塊組成。

機器魚依靠尾鰭驅動模塊帶動尾鰭做往復擺動來實現水中的行進，并根據避障系統對前方環境的探測做出相應的動作，如遇到障礙物應該轉彎或者上浮下潛，并將探測到的環境信息傳回地面。

2 電磁舵機驅動機器魚水下行進實驗

2.1 實驗裝置及組成

本實驗由MW公司生產大的D30電源和JMD10-C型號電源，AT89S52單片機，晶振，電容，電阻，運算放大器，DS1052E型號的示波器，直徑6mm的舵機（自制）和尾鰭組成。其實物如圖1所示。

電源模塊可將AC220 V生活電壓轉換成DC和DC電壓，此電信號經過驅動控制電路可實現輸出頻率可調的電信號，電源信號和最后產生的控制信號都可由示波器顯示出來。通過此電信號舵機可以帶動舵機來回擺動，舵機再通過連接的尾鰭擺動擺開水從而實現行進。

2.2 實驗過程

首先將實驗裝置按照實驗裝置示意圖連接好，然后將電源打開，示波器可以看到驅動控制電路的輸出端輸出了頻率為1 Hz，振幅為的電信號。如圖2所示。并且可以看到舵機能夠帶動尾鰭來回擺動。

然后將驅動控制電路連接上電磁舵機帶動尾擺在水中擺動，具體的實驗現象如圖3所示，這樣可以看到尾擺動能夠產生卡門渦旋。

2.3 實驗結論

根據樣機實際情況，取=1.2， =1000 kg/m3，=0.1m，f=1Hz，A=15 °，S=0.01m2，將參數帶入式（3），得=0.0040 N·m。

此次試驗過程中可測得系統中的電壓為5 V電流為0.03 A由此可得其提供的轉T=0.02 N/m。

則可知T遠遠大于因此理論上試驗完全滿足要求。

因此電磁舵機可以用于驅動機器魚在水中行進。

3 結語

為了將機器魚應用于井下透水事故的營救、海洋勘探繪、監測和預報等領域，本文研究了電磁舵機驅動的機器魚，對驅動控制系統進行了理論與實驗研究，驗證了電磁舵機驅動機器魚水下行進的可行性；在避障，探測，通訊等方面需要深入研究，以實現對其功能的多樣性

參考文獻

[1] 張志國.煤礦水害事故原因及防治措施淺析[J].科技情報開發與經濟，2012（2）.endprint