水下取樣機器魚的設計與控制

劉宇馳 周洪艷

近年來，隨著科學技術的發展和對水體資源利用的重視，水下機器魚承擔越來越重的作用。由于水下工作與陸地工作不一樣，僅僅靠人力難以有效對水體進行取樣并監測，需要利用水下機器人來實現[1]。本文設計的機器魚是仿真機器人，主要用于對環境的探查和監測，取回不同區域不同深度的水質進行分析。采用仿真機器魚對大自然進行探索，體現了人與自然和諧相處的特點。

1 機器魚結構設計

1.1 機器魚頭部結構

機器魚的頭部采用亞克力玻璃材料，一方面保證了機器魚前端的穩固性，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。設計成內空的流線可以減少水下運行的阻力。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個與魚體骨架相連的螺紋孔起固定作用。

1.2 機器魚身體結構

將機器魚的魚身設計成黃色的整體，增加了機器魚的可辨識性、增加了魚身內部空間，有利于內部步進電機、溫度檢測儀、控制中心、前后配重裝置、凸輪連桿機構的安裝。

魚身兩側采用螺旋槳式的推進結構，采用螺旋槳的轉動帶動機器魚做前進與后退，兩側的螺旋槳結構也可以保證機器魚在運動過程中的穩定性，與尾鰭共同完成上浮下潛游動懸浮等工作。

1.3 機器魚尾部結構

機器魚尾部采用軟橡膠材料，通過連桿機構完成與魚體連接，盡可能地縮小連接處外露的連接機構，能夠增加魚尾擺動范圍并容易控制機器魚的轉向速度。

尾鰭在擺動時可以產生有力的拍動，緊接著再迅速反方向拍動一次，第一次拍動產生一個大渦流，第二次拍動產生一個完全反向旋轉的渦流。當兩個渦流自魚尾推開相互削弱時，便產生一股強大的推力，這樣既可以為機器魚的游動提供動力，又可以為機器魚的轉向提供動力[2]。

2 機器魚內部結構

機器魚以魚體內機架為主體，將步進電機放置于魚體后三分之一處，用以帶動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方便工作人員進行檢修。魚體前后的平衡裝置可輔助機器魚實現上浮或下潛。GPS定位模塊安置在機架上，可實時定位機器魚的位置，水樣采集裝置安裝在機器魚的頂部，與水體零距離接觸，保證監測結果的可靠性和準確性[3]。

機器魚內部結構有：攝像頭、天線、溫度測量儀、凸輪連桿機構、尾鰭、后配重裝置、步進電機、含氧量測試儀、控制中心、水樣采集裝置、信息處理裝置和前配重裝置。

3 機器魚運動的實現

機器魚主要通過控制調節系統、電源、步進電機、前后平衡裝置（配重塊）、兩側螺旋槳、尾鰭的共同作用來實現。管理員通過控制調節系統發出指令，即可增加步進電機輸出功率，為尾鰭的擺動、兩側螺旋槳的轉動提供更大動力。當需要上浮、下潛時可通過控制前后平衡裝置的注水量改變魚體的前后重量，進而改變魚體的平衡姿態，以達到上浮、下潛功能的實現。

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

4 控制系統設計

機器魚控制系統主要由魚體外殼、內部框架、動力系統、控制系統、傳感器、信息采集系統組成。

4.1 控制及動力系統

機器魚的控制中心主要集中在主控制板，完成對機器魚的運動調控、指揮水樣采集等工作。操作者將相應指令傳輸到指定指令接口，從而驅動步進電機輸出并改變其輸出頻率，帶動螺旋槳與尾鰭擺動。操作者通過GY953傳感器進行姿態檢測反饋到主控，根據反饋控制舵機角度進行調整，保持水中機器魚在水下平穩運動。

自主控制：編程設計預設路線，通過運動過程中GPS位置定位比較，或者使用光電傳感器檢測水域邊緣和水中障礙物，實現自動避障，實現較大水域的自動巡游。

遙控控制：通過無線串口與芯片通訊，進入遙控模式，在保持基本運動方式不變的情況下，使機器魚按照遙控路線進行巡游[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→運動控制程序。

4.2 環境溫度監測傳感器

環境水的溫度通常在-20～50℃，機器魚采用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。該測量儀尺寸小、重量輕、分辨時間短、響應時間快，測量精度為±0.1℃[5]。因為機器魚體積受限，因此人們只能讓其完成一些物理參數的測量，如溫度、水位、風速、pH值等。其他需要測量的參數可待機器魚將水樣取回后，與陸地水質監測裝置組成一個完備的系統。

4.3 信息采集系統

機器魚的信息采集系統主要由前端的微型攝像頭組成，亞克力玻璃在起保護作用的同時也起到防水的作用。微型攝像頭具有體積小、重量輕、容易安裝等優點，可真實地反映水下景象，在科研、軍事技術、環保、水質監測等方面應用較廣[6]。

5 機器魚尾鰭形狀的設計

尾鰭作擺動的運動時，其擺動能夠產生超過80%的轉向力。根據機械學與力學原理，其推進力與轉向力的大小主要由尾鰭的形狀與擺動幅度決定。在一定范圍內，擺動的幅度可以提高轉向與推動的效率，但過大的幅度會增加電池的消耗，對推進效率起到一定的負面作用。因此，找到合適的尾鰭形狀與擺動幅度對機器魚運動的效率有著至關重要的影響。

本文選取尾鰭擺動的振幅為控制參數，并通過改變尾鰭擺動最大幅度至魚身的垂直距離來研究平均推力。通過測定，發現當設定尾鰭振幅小于或等于7cm時，平均推力隨設定振幅增大而增大；當設定尾鰭振幅超過7cm時，平均推力隨設定振幅的增加反而下降。

相關研究表明，當尾鰭擺動幅度為7cm時，機器魚推進效果達到最優化[7]。所以，實現尾部拍動和模塊化設計是當前小型仿生機器魚設計的主要形式。但是，舵機的機械特性限制了尾部擺動頻率，直接影響了機器魚推進速度的提升。因此，為獲得較穩定的游速，本文采用步進電機作為動力源，此時機器魚可在清水中或含泥沙量小于0.5%的水中自由游動。

6 結語

本文討論的水下取樣機器魚已經可以實現基本功能，而且在0.3Hz的頻率下，圓尾尾鰭擺動7cm使推動效果達到最優化。利用仿生機器魚對水質進行取樣與監測是科學技術進步的表現，也是人與自然和諧相處的體現，它既可用于水質取樣監測，也可與大型水質監測裝置組成完備的水質監測系統。

[1]李宗義，邵強.用于環境監測的生物傳感器[J].生物技術，2005，15（4）：95-97.

[2]張軍.仿生機器魚尾鰭推進性能實驗研究[D].杭州：浙江大學，2016：12.

[3]劉亮.先進傳感器及其應用[M].北京：化學工業出版社，2005：112-114.

[4]李成春.基于CC2430無線多參數傳感器檢測網絡的設計[D].鎮江：江蘇大學，2010：6.

[5]孫雷霸.基于無線傳感器網絡的水環境多參數監測系統的研究與實現[D].鎮江：江蘇大學，2009：11-12.

[6]中華人民共和國國家環境保護總局.HJT354-2007 水污染源在線監測系統驗收技術規范[S].北京：中國環境科學出版社，2007.

[7]李宗剛，呂江，石慧榮，等.一種仿生機器魚尾鰭推進機構的設計[J].機械科學與技術，2013，32（12）：1775-1779.