基于儲水艙式的電磁驅動仿生機器魚上浮下潛的研究

朱紅秀 宋高明 買浩楠 薛逸飛 田文健

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

1 概述

對于仿生機器魚來說，擁有較好的巡游能力和機動能力，是人類研究的關鍵。不僅要能進行直線的自由游動[1]，而且在轉彎、浮潛、倒退等動作上也應自如游動，達到三維空間的游動要求。

本文基于電磁驅動機器魚[2]，采用儲水倉法完成機器魚的浮潛運動。在浮力不變的情況下，通過儲水倉的進水和出水改變機器魚的重力，使機器魚在水域較窄的環境下上浮與下潛。

2 電磁驅動機器魚的總體設計

2.1 電磁驅動機器魚結構組成

機器魚由頭部、中部和尾部電磁驅動器組成。魚體頭部固定鉛絲實現機器魚的配重，防止機器魚發生縱傾、偏轉。頭部和中部組成空腔，空腔內放置控制系統硬件，如圖1。

圖1 機器魚結構組成示意圖

2.2 儲水倉的設計和安裝

本文設計了一種可換氣圓柱狀儲水倉，如圖2 為儲水倉設計圖，在密封圓柱狀水倉的基礎上進行改進，通過上方開口與機器魚腔體內部空氣連通，實現氣體的交換，從而降低空氣壓縮比。

圖2 儲水倉設計圖

2.3 電磁驅動機器魚體積與配重

在Creo 中測量得機器魚外部總體積約為2480cm3。稱重得到各組成部件的重量和重心位置，如表1。

表1 機器魚組成部件的質量和重心位置

以魚體中心為坐標原點建立坐標軸，魚頭部所占的1/2 長度在x 軸的負半軸，后半段在x 軸的正半軸，建立二維平面坐標系，對加入配重后的機器魚整體重心位置進行分析。

根據力學知識可得機器魚的重心位置計算法為：

經計算分析得知機器魚重心得橫坐標值約為0，縱坐標為負值，機器魚總重量與排開水的重量相等，機器魚可在水中保持平衡。

3 電磁驅動機器魚上浮下潛的動力學分析

3.1 電磁驅動機器魚豎直方向受力分析

本節以機器魚下潛為例，研究在機器魚由水面初始位置豎直下潛到某一深度的過程中，該過程可分為三個階段：加速下潛階段、勻速下潛階段和減速下潛階段[5]。

由于在勻速下潛階段時，機器魚受到的重力、浮力、流體阻力[4]，三力平衡，速度一定，加速度為0，所以本文從勻速階段開始入手研究。下式為機器魚下潛過程的合力表達式[8]：

式中：ΣF- 機器魚在豎直方向受到的合力；

G- 機器魚儲水倉進水后的重力；

Fb- 機器魚進入水中全排水受到的浮力；

f- 機器魚在下潛時受到的流體阻力。

3.2 電磁驅動機器魚下潛運動的仿真數值計算與分析

在研究機器魚浮潛的過程中，通過ANSYS Fluent 對機器魚下潛運動進行仿真[6]，設定下潛速度求出機器魚受到的阻力，并在后處理模塊獲得流體及壓力云圖。

仿真結果分析：

表2 是得到的機器魚以不同速度下潛受到的阻力值。

表2 仿真數據結果

使用MATLAB 中的擬合工具，對表中的數據擬合，擬合之后得到曲線方程[7]表示為：機器魚在下潛過程中，下潛速度越大，受到的阻力也越大。使用后處理模塊Result，得到機器魚勻速下潛過程中魚體周圍流場壓力云圖3。

由圖3 可知，機器魚下潛時受力較為均衡，魚體底部受到的壓力最大。

4 電磁驅動機器魚浮潛控制系統的研究

4.1 電磁驅動機器魚浮潛控制系統的總體設計

浮潛控制系統主要由Arduino uno、L298N、水泵（電機）、儲水艙、24V 電池、藍牙模塊組成。

4.2 控制系統硬件功能實現

本節設計了上浮下潛的控制系統。浮潛控制系統工作情況如下：電池通過L298N 模塊給水泵供電，L298N 給Arduino 板供電，當藍牙模塊接收到指令，信號傳輸到Arduino 板，Arduino 開始通過端口將信號傳到L298N 模塊上，L298N 模塊根據收到的信號給水泵（電機）供電，實現正轉或反轉，并可通過PWM進行調速。

5 電磁驅動機器魚上浮下潛運動實驗

5.1 浮潛控制系統實驗

5.1.1 實驗目的：檢驗水泵吸水和排水的穩定性；測試通過PWM對水泵流速進行調節。

5.1.2 實驗過程：通過設定脈寬占空比，分別設定水泵抽水流速為2ml/s、4ml/s、8ml/s，在不同時刻記錄重量。

圖4 為三組實驗數據擬合線圖。

5.1.3 實驗結論：水泵工作穩定。通過設定脈寬占空比調節流速，設定值越大，流速越快。

5.2 機器魚水中上浮下潛實驗

5.2.1 實驗目的：通過控制系統，完成機器在水中的下潛運動。

5.2.2 實驗過程與數據記錄：在Arduino 中傳入編譯的程序，進行信號調試后，對機器魚進行整體裝配。

通過藍牙控制機器魚的下潛運動。圖5 為機器魚在魚缸中的下潛實驗過程，分別為初始狀態（a），下潛狀態（b）和停止狀態（c）。

圖5 機器魚下潛過程圖

進行水泵吸水實驗，記錄機器魚加速下潛到0.4 米水深所需時間。結果如表3。

表3 吸水量與下潛時間記錄值

進行水泵排水實驗，記錄機器魚在0.4 米水底上浮到達水面時間。結果如表4。

表4 排水量與上浮時間記錄值

5.2.3 實驗結論：本節設計的浮潛控制系統可以實現機器魚的浮潛運動。隨儲水倉進、排水量的增大，機器魚浮潛運動時間縮短。

6 結論

本文以實驗室的單關節電磁驅動機器魚作為研究對象，研究電磁驅動機器魚上浮下潛功能的實現。主要工作如下：（1）提出基于儲水倉法的機器魚上浮下潛的方法。（2）對機器魚浮潛進行動力學分析與仿真數值計算與分析。（3）設計完成機器魚浮潛控制系統。（4）進行控制系統調試實驗與機器魚水中下潛實驗。