基于雙尾鰭式的新型仿生自主式水下機器人

徐躍， 章海， 屈曉坤， 付宗國,b， 袁躍峰

（浙江海洋大學a.船舶與機電工程學院；b.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316022）

基于雙尾鰭式的新型仿生自主式水下機器人

徐躍a， 章海a， 屈曉坤a， 付宗國a,b， 袁躍峰a

（浙江海洋大學a.船舶與機電工程學院；b.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316022）

為了解決現有自主式水下機器人續航時間短和水中所受阻力大等問題，文中主要設計了一種基于仿生學原理、死點定理和擺動導桿機構的雙尾鰭式新型的自主式水下機器人，并詳細介紹了它的運行、組成及各個模塊的作用。它具有投放回收方便簡單、所受阻力小和續航能力久等特點。這種設計在用于復雜的海底勘探和海底維修、救援等任務中增大了該自主式水下機器人的使用程度，并能達到較高的效率。

雙尾鰭；自主式水下機器人；擺動導桿機構；仿生學；死點定理

0 引 言

自主式水下機器人(AutonomousUnderwater Vehicle，AUV)是無人水下機器人(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)的一種。我國在AUV的使用方面可以分為民用和軍用兩個領域。在民用領域，AUV可用于鋪設管線、海底考察、數據收集、水下設備維護與維修等；在軍用領域則可用于偵察、掃雷、援潛和救生等。

21世紀是一個海洋開發探索的時代，AUV作為新一代水下機器人，具有活動范圍大、機動性好、安全、智能化等優點，是完成各種水下任務的重要工具?，F在的AUV一般都做成長筒形，尾部裝一個螺旋槳，這樣的設計受到海水的阻力小，但是不能裝載較多的儀器設備供探測使用，續航能力差，且投放和回收一般在深水進行；另外有一種AUV做成類似長方體形狀，在底部會裝上機械手用于海底管道的維修和鋪設、海底救援等任務，但是這種AUV不具有高速移動的性能，因為在海中受到的阻力太大，且投放和回收也只能在深水中。

中國的AUV技術研究開始于1985年左右，中國科學院沈陽自動化究所設計了“海人一號”遙控式水下機器人試驗樣機。2008年我國AUV在深海6000 m的實驗成功，使中國在AUV技術和應用方面有著質的飛躍。CR-02型AUV可以用來海底復雜環境下的海底資源的調查、測量、深?？茖W考察等。目前我國已經形成系列的AUV，且在太平洋海域成功運用。

國外的研制開始于1950年后，一開始用于水文調查、海上石油的開發、打撈試驗丟失的海底武器等。20世紀80年代末，隨著計算機技術、微電子等技術的突飛猛進，使AUV得到了大力發展[1]。

該裝置作為一種新型的AUV，利用了仿生學原理和機械原理中的知識。其外觀主要借鑒了海豚的外形，在前半身是海豚的形狀，前部是扁平的喙，身體兩側各有一個胸鰭，用于該AUV的運動平衡，背部有一個背鰭；在尾鰭方面，該裝置采用了雙尾鰭[2-4]設計，兩個尾鰭進行相向運動；在裝置內部，給尾鰭提供動力的是一個擺動導桿機構，內部還裝有脈沖發生/接收器，深度傳感器，實時圖像處理平臺，巖石探測器，蓄水倉等設備；在裝置下面，裝有3對車輪，可以在海底進行著陸及淺灘中投放和回收，車輪的收起放下采用類似飛機起落架的結構；尾鰭形狀采用金槍魚月牙形尾鰭[5-7]，這種具有更高的推進效率。該種AUV具有更好的續航能力，對環境影響小，使用率更高等特點。

1 AUV的系統設計

該AUV的系統運行流程如圖1所示，裝置自帶的電源給控制平臺供電，控制平臺控制脈沖發生器發出脈沖，返回的脈沖信號用接收器接收，并由圖像處理平臺顯示，用短波收發信機傳遞給地面控制中心，對海底開發提供海底地形數據等，同時把數據傳給控制平臺。當系統識別到前方有障礙時，控制平臺驅動電動機，讓尾鰭左右擺動或自身蓄水倉內儲水/排水，讓自身裝置進行上升、下沉、前進、轉向等運動?？刂破脚_同樣讓巖石探測器等設備工作，把在海底采集的巖石數據傳回到地面控制中心，為海洋開發提供真實材料。

圖1 系統運行圖

1.1 AUV的各部分組成設計

1）仿生學設計。仿生學是一門模仿生物的特殊本領，利用生物的結構和功能原理來研制機械或各種新技術的科學技術[8]。我們利用仿生學原理，將海豚的形狀應用到AUV的機體上，將金槍魚月牙形尾鰭應用到AUV的尾鰭上，將魚尾鰭的運動應用到AUV的推進系統上。這些生物都經歷過千百年的演變和進化，十分適應環境，我們將它們的特點應用于我們的AUV上，可以提高AUV的性能。

2）AUV整體分布。機身（類似海豚的體型）、胸鰭、背鰭、扁平的喙、起落架、車輪、尾鰭、擺動導桿機構、電動機、儲水倉、千兆轉換器、GPS、短波收發信機、電源脈沖發生/接收器、實時圖像處理平臺、羅盤、航姿系統、深度傳感器、立體相機、實時控制平臺、巖石探測器等設備，如圖2所示。

圖2 整體分布圖

1.2 AUV運作

該AUV的運作可以分為尾鰭推進模塊、浮潛模塊、著陸模塊、探測模塊、平衡模塊、機械手輔助模塊的工作。

1.2.1 尾鰭推進模塊

該模塊的運作是該AUV主要運作系統，裝置的行進系統采用了雙尾鰭擺動，如果是單尾鰭擺動，可能會造成裝置行進的不穩定性，雙尾鰭相向運動或相對運動，使裝置在前進時更加穩定，同時尾鰭產生的紊流會減少。尾鰭的左右擺動采取了機械結構中的擺動導桿機構，電動機驅動主動桿（機械上稱為曲柄）一直回轉，導桿在曲柄的帶動下進行左右往復擺動，從而使尾鰭進行擺動，推動裝置前行。機構簡圖如圖6所示。在一個尾鰭單獨作用時，可以對裝置進行轉向，左轉則用右邊的尾鰭，右轉則用左邊的尾鰭。尾鰭擺動頻率和尾鰭的擺動幅度是影響尾鰭推進作用的主要兩個因素[9-11]，只要改變這兩個因素就可以增大或減小尾鰭推進力。尾鰭的形狀是金槍魚的月牙形尾鰭，這種尾鰭相比較于其他尾鰭具有更高的推動效率[12]。裝置使用尾鰭來代替螺旋槳，其原因是經測試尾鰭的推動效率高達90%，而螺旋槳的推動效率只有40%～50%，尾鰭本就是利用流體力學而演變出來的，其性能遠高于螺旋槳的機動性能，極大地提高了裝置的續航能力。

1.2.2 浮潛模塊

AUV的自主上浮與下潛運動，是采用了潛水艇的浮潛原理，在裝置內部裝有6個蓄水倉，在需要上浮時，電動機運作讓蓄水倉內的水排出裝置，裝置質量減小，浮力大于自身重力，裝置實現上浮運動，需要下潛時，則反之。

1.2.3 著陸模塊

在AUV底部裝了3個起落架，每個起落架上有一對車輪，可以在海底進行著陸和海底前行。同時裝置的投放和收回因為裝了車輪之后并不需要在深水進行，在沙灘上就可以完成，極大地提高了裝置使用的方便度。車輪可以通過起落架收起或放下，這樣在海水中前行時可以減小阻力，起落架的結構與飛機起落架相似，其原理是應用了機械原理中的死點定理，如圖3所示。

圖3 起落架的狀態

1.2.4 探測通訊模塊

該AUV內部有大量的儀器設備，脈沖發生/接收器裝在扁平的喙中，喙在裝置的最前端，這樣有利于脈沖的接收，脈沖主要探測海底地形與前方障礙物；在背鰭上裝有通訊裝置、GPS、短波收發信機等，類似于天線，給地面控制中心傳送數據或接收地面控制中心的指令；在身體中心部分是一些探測設備，如巖石探測器、立體相機等，對海底進行探測，把探測到的數據與圖像進行實時圖像處理，再通過通訊設備傳給地面。整個過程都是裝置自主完成的，同時對數據會進行分析，對AUV自身的行進進行控制，更加智能化。

AUV在海洋中行進可能遇到洋流和海底暗流等情況，為防止裝置在海洋中傾翻造成儀器損壞等情況，在兩側的胸鰭中各裝有一個陀螺儀，用于檢測平衡，并把檢測數據發送給航姿系統。在AUV最前端的航姿系統，它會對自己的進行姿態進行檢查，如果出現與設定的正常航姿不匹配狀態，它會自行伸出防傾板，防傾板左右各有一塊，向左傾倒時伸左邊的防傾板，向右傾倒伸右邊的。平時正常行進時，防傾板縮在機身內，以減少水的阻力。

1.2.6 機械手輔助模塊

在需要該AUV去海底執行油路管道的鋪設和海底救援等任務時，我們可以在裝置底部裝上機械手，這樣就可以去執行任務了，可以一物多用，代替我們設計的海底機器人、架油路管道的船，具體形式如圖4所示。

1.3 AUV的控制

該AUV的控制控制流程大體可以分為兩個部分。

1）探測控制部分。電源驅動實時控制平臺工作，實時控制平臺下達指令，讓脈沖發生/接收器、深度傳感器、實時圖像處理平臺等儀器運行。根據接收的脈沖信號和深度傳感器顯示的數據，在圖像處理平臺上顯示相應的海底地形結構，并把相應數據通過通訊模塊傳給地面控制中心，供地面人員進行海底開發使用。讓巖石探測器對海底進行巖石探測，將探測的數據進行圖像模擬，把模擬的圖像發送給地面。用立體相機拍攝海洋生物和海底表土，提供探索海洋的材料。

2）行進控制部分。當接收的脈沖信號顯示前方有障礙物時，需要控制平臺控制電動機工作，電動機分為蓄水倉里的電動機和擺動導桿機構內的電動機，可以分別控制相應的運動，進行上浮、下潛或轉向。行進時，陀螺儀會檢測自身是否水平，并把數據發送給航姿系統，航姿系統會控制AUV自身行進的姿態，保證AUV是在正常狀態下行進。羅盤用來指引方向，這樣可以十分明確AUV需要前進的方向。如圖5所示。

圖4 輔助機械手

圖5 控制結構圖

1.4 AUV工作原理

1）擺動導桿機構。擺動導桿機構[13]是一種應用比較廣的平面連桿機構，它將曲柄的旋轉運動轉換成為導桿的往復擺動。在該AUV的尾鰭擺動中采用了擺動導桿機構，既減小了所需空間又讓運動得以實現[14]。具體擺動導桿的組成如圖6所示，通過坐標軸可以進行矢量求解，求出導桿的角速度和角加速度，從而可以進行尾鰭推進力的計算。

隨著輪滑項目教學的開展，教師們教學經驗得到了積累，除了自己搜集教學視屏資料學習，還深入到公園、社區與民間輪滑愛好者交流學習，結合教學實踐形成了一套體系完整的輪滑教學大綱、授課計劃等，對于開設二年級輪滑選項課奠定了基礎。

2） 死 點 原理。從Ft=Fcosα知，當壓力角α=90°時，對從動件的作用力或力矩為0，此時連桿不能驅動從動件工作。機構處在這種位置成為死點，又稱止點。該AUV中的起落架就是利用了死點定理，這樣可以使車輪要使用時牢固穩定，不使用時可以收起，十分實用。1.5 應力分析

圖6 結構簡圖

選用SolidWorks軟件進行尾鰭運動的運動仿真，對尾鰭進行3D模型簡化，構建如圖7中模型。對尾鰭的各部分尺寸進行選定，定點鉸鏈桿和曲柄高都為10 mm，定點鉸鏈桿直徑為1 mm，曲柄長為5 mm、直徑為1 mm，尾鰭桿（不含尾鰭）為45 mm，兩個定點之間相距25 mm。在靜力分析中，曲柄受到了500 N·m的力矩，尾鰭運動機構材料為合金鋼，工作溫度為323 K。解得數據如圖7（應力）和圖8（應變位移）所示。從圖中可直觀看出應力最大點為曲柄和尾鰭桿連接處、曲柄與定點鉸鏈連接處。

2 結語

該AUV的設計極大地利用了仿生學的原理，在外形設計上采用海豚結構，減小在海中的阻力，動力裝置采用金槍魚尾形的雙尾鰭結構，其推進效率可以高達90%，提高了續航能力和在海底的工作效率。我國一直強調可持續發展，能源利用的最大化，雙尾鰭的使用和螺旋槳相比可以節約不少能源。

該AUV整體較小，生產攜帶方便，在使用時可以多個AUV同時使用，提高工作效率。它不但可以用于海底探測、數據收集、檢測、掃雷等功能，在裝置底部裝上機械手，可以用于海底救援、設備施工維修等工作，應用較廣泛。

[1] 于凱,黃勝,胡健,等.仿生雙尾推進的試驗研究[J].哈爾濱工程大學學報,2008,29(3):205-208.

圖7 應力

圖8 應變位移

[2] 于凱,黃勝,王超.一種新型的仿生雙尾推進器模型實驗[J].實驗流體力學,2008,22(1):27-30.

[3] 成巍,蘇玉民,秦再白,等.一種仿生水下機器人的研究進展[J].船舶工程,2004,26(1):5-8.

[4] 湯琳,鄧見,張軍,等.仿生機器魚尾鰭推進性能試驗研究[J].水動力學研究與進展,2010,26(1):698-702.

[5] 馬偉鋒,胡震.AUV的研究現狀與發展趨勢[J].火力與指揮控制,2008,33(6):10-13.

[6] 蘇玉民,黃勝,龐永杰,等.仿魚尾潛器推進系統的水動力分析[J].海洋工程,2002,20(2):54-59.

[7] 邸海燕,張慶功.擺動導桿機構運動特性的解析法研究[J].輕工機械,2009,27(2):56-58.

[8] 黃勝.關于仿魚游動水中推進器的研究的現狀與展望[R].大阪府立大學共同研究報告,2001.

[9] 佚名.水下仿生學譯文集[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2000.

[10]董濤.潛器仿魚尾推進系統的水動力分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2003.

[11]成巍.仿生水下機器人仿真與控制技術[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2004.

[12]徐新生,孫發明.自然界魚類游動的力學現象與豐富多彩的仿生魚設計[J].力學與實踐,2009,31(3):109-114.

[13] 程健宇,莊禮賢,童秉綱.魚類推進性能的數值計算[J].空氣動力學學報,1991,9(1):94-103.

[14]彭學倫.水下機器人的研究現狀與發展趨勢[J].機器人技術與應用,2004,15(3):43-47.

Late-model Bionic Autonomous Underwater Vehicle Based on Double Tail Fin

XU Yuea,ZHANG Haia,QUXiaokuna,FU Zongguoa,b,YUAN Yuefenga
(a.School ofNaval Architecture and Mechanical-electrical Engineering;b.KeyLaboratoryofOffshore EngineeringTechnologyof ZhejiangProvince,ZhejiangOcean University,Zhoushan 316022,China)

In order to solve the problems of short cruise duration and high water resistance in the existing autonomous underwater vehicles,this paper designs a new double tail fin type of autonomous underwater vehicle based on the principle of bionics,the dead point theorem and oscillating guide-bar mechanism.We also introduce the operation,composition and function of each module in detail.It has the advantages of simple and convenient delivery and recycling,small water resistance and long cruise duration.This design is used in the complex seabed exploration and the seabed maintenance,rescue and so on,which increases the use degree of the autonomous underwater vehicle,and can achieve high efficiency.

double tailfin;autonomous underwater vehicle;oscillating guide-bar mechanism;bionics;dead point theorem

TP 24

A

1002－2333（2018）01－0089－04

（編輯浩 然）

徐躍（1995—），本科在讀，機械設計制造及其自動化專業；

章海（1970—），碩士，副教授，主要從事機械工程設計。

2017-04-17