仿蝠鲼潛水輔助系統設計構想

李源 張麗

摘 要：本設計構想旨在設計一種仿生蝠鲼外形，自帶動力，并且具有一定生命保障能力，能夠實現水下記錄等各種水下任務的潛水輔助系統。仿蝠鲼推進系統由兩側的螺旋槳推進器以及均勻分布在四個方向的舵機組成，在水下平面運作時，由螺旋槳推進器發動產生主要推力，同時舵機配合轉動模仿蝠鲼的運動方式配合螺旋槳的推進，使得操作者能夠在水平面方向自由游動;在水中升降運動時，能夠前兩舵機改變舵機的朝向，從而有效地產生豎直方向的推力。最終，這種潛水輔助系統可以完成水下全方位運動的運動輔助。

關鍵詞：仿生;蝠鲼;水下推進器

0 引言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）無論在軍事上還是在國民經濟上都有著廣泛的應用。世界各國在水下機器人領域，特別是深海作業設備研究方面做了大量工作，取得了相當的成就。

隨著科技的發展和人均收入的不斷提高，潛水已經成為了廣大人民群眾喜聞樂見的一種體育運動，走進水中世界已經不再是一個心愿，而是一份能夠讓人切切實實感受到的浪漫。然而隨著潛水運動的不斷普及，潛水裝備已經成為了一種利潤與商機都十分巨大的市場。

對于廣大消費者而言，傳統的潛水基礎培訓費用和與其相伴的潛水裝備費用始終是一筆十分巨大的開銷，為此，我們希望研發這款潛水輔助設備。首先，能夠大大縮短潛水培訓的周期;其次，能夠減少潛水員在水下作業時的運動量從而減少氧氣消耗量;同時，還能夠搭載多種任務化模塊來滿足不同的潛水人員的任務或者娛樂需求。

1 設計方案

這種新型的風能海浪能補償發電機由以下三個部分組成：機械結構部分、電子硬件部分以及軟件與應用部分。

1.1 機械結構部分

機械結構部分由三維建模軟件設計而成。利用solidworks軟件進行外殼以及內部結構的設計，完成電機的選型，推進器的制造，舵機的選型以及內部結構的合理設計，同時，還要對所設計各個部件以及整個裝配體進行分析，其中包括：干涉檢查、縫隙計算、零件屬性分析、姿態分析、整體靜力學分析、流體力學分析以及校核各個零件和整個機體的強度。

1.2 電子硬件部分

電子硬件部分主要由下位機控制板和各類水下傳感器組成。建電子系統，能夠控制整個機體的姿態和航行速度以及其他外掛設備，并且為整個系統提供電力，利用微處理器對各個部分進行控制，最后將航行狀況與信息集成在便攜面板上，可供潛水人員時刻掌握潛水狀況。

該系統的通信模塊則使用藍牙模塊。藍牙模塊具有較高的普及度，如果開發出相應APP，可以利用手機之類的終端對水下機器人進行控制。藍牙模塊可以通過串口與主控板進行通信，通信較為方便。

傳感器部分：MS5803-14BA微型壓力傳感器/水深測量，用來控制機器魚的下潛深度，也可以在將來需要更多功能時（比如姿態控制）加上相應芯片來實現定制化功能，可以根據客戶需求進行拓展;攝像頭模塊采用OV6620 CMOS圖像傳感器，該傳感器具有運用高級算法抑制高光溢出、消除拖尾、消除固定模式噪聲（FPS）等專利技術，并且可以編程所有的攝像機功能。

1.3 軟件與應用部分

開發對應上位機，實現通過上位機來控制功能模塊，并且能夠采集潛水數據以及潛水員生命體征。還有對應軟件，能夠記錄裝置的航行狀況，為檢修和重復使用提供便利。

2 具體功能

我們提出的仿生蝠鲼潛水輔助系統，通過上述設計，可以實現以下功能：能夠解放潛水員雙手的水下潛水輔助設備，自帶動力，潛水員在水下消耗體力極大地減少，從而達到延長其工作時間，提升工作效率的作用。此外仿生的外形設計即仿蝠鲼外形設計，能夠搭載更多設備，同時減小航行阻力，增大橫滾阻力防止其發生翻滾。輔助系統中還有生命特征實時監測，內置心率傳感器，呼吸傳感器等監測生命體征傳感器，實時監測潛水員的生命體征，遇到異常情況可觸發保護系統，在保證不會對潛水員造成二次傷害的情況下快速返回水面，而在沒有潛水員進行操作時可以作為ROV（Remote Operated Vehicle即無人水下航行器），具備一定的獨立航行能力。

因此，仿生蝠鲼潛水輔助系統在有人或無人操作的情況下都能夠發揮水下輔助工作及探測的任務，在有人員操作時能夠輔助水下潛水員在水下快捷方便地運動并且解放潛水員的雙手，進行各種水下工作。

3 結論

本文闡述了一種仿蝠鲼潛水輔助系統的設計方案，利用背包式的推進系統解放潛水員的雙手，從而實現提高水下工作效率目的，利用兩個自由度的螺旋槳推進裝置完成潛水員在水下的全方位移動以及豎直方向的沉浮運動。

先進科技迅速地發展，人均收入不斷提高，潛水已經成為了廣大人民群眾喜聞樂見的一種體育運動。潛水培訓的周期較長，專業潛水員的訓練要求也相當高，而此類的潛水輔助設備正可降低這類運動的培訓門檻，便于潛水的普及推廣，同時專業的潛水員也可以借助這套系統更加有效地進行水下作業。因此，我們這套海浪能、風能補償發電的設計方案在潛水行業迅速發展的今天有著很大的發展前景。

參考文獻：

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[2]王楊威.形狀記憶合金驅動仿生蝠鲼機器魚的設計[J].機器人，1991，（01）：256-261.