水中垃圾收集仿真魚(yú)設(shè)計(jì)

雷潔 白羽生 劉凱龍 趙榮海 朱月美

摘 ?要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題越發(fā)突出，其中水污染問(wèn)題是重中之重，但是清理水中垃圾單靠人力清理十分困難，水源水域中垃圾處理會(huì)出現(xiàn)一些不可避免的人員損傷。垃圾收集仿生魚(yú)可以清理漂浮垃圾，不需要人來(lái)操作，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)清掃垃圾。文章詳細(xì)闡述了仿真魚(yú)的水中運(yùn)動(dòng)、上浮下降與轉(zhuǎn)向及垃圾收集的裝置設(shè)計(jì)。根據(jù)制作過(guò)程簡(jiǎn)要闡述了仿生魚(yú)的軟件編程、部分焊接制作技術(shù)及器件選取。

關(guān)鍵詞：仿生魚(yú);機(jī)械結(jié)構(gòu);運(yùn)動(dòng)裝置;軟件編程;焊接制作;器件選取

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242;TP311 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0160-04

Simulation Fish Design for Water Garbage Collection

LEI Jie， BAI Yusheng， LIU Kailong， ZHAO Ronghai， ZHU Yuemei

（Xi’an Siyuan University， Xi’an ?710038， China）

Abstract： With the rapid development of economy， the problem of environmental pollution is more and more serious， and water pollution is the top priority， but it is very difficult to clean up garbage in water by human resources， and there are some inevitable personnel injuries in garbage treatment in water sources and areas. Garbage collection bionic fish can clean up floating garbage， and it does not need people to operate. It can achieve all automatic garbage cleaning. This paper describes the motion in water， floating， down and turn of simulation fish， device design of garbage collection. it describes the software programming， partial welding production technology and device selection of bionic fish according to the manufacture process.

Keywords： bionic fish; mechanical structure; motion device; software programming; welding production; device selection

0 ?引 ?言

目前，海洋中有2 600萬(wàn)噸到6 600萬(wàn)噸塑料垃圾，其中大部分在海底，對(duì)海洋動(dòng)植物以及海洋生態(tài)平衡構(gòu)成巨大威脅[1]。從水下清除垃圾既復(fù)雜又充滿危險(xiǎn)。通常情況下，清除作業(yè)由水肺潛水員完成[2]。現(xiàn)階段發(fā)展出了機(jī)器仿真魚(yú)（Bio-mimeticRobotFish），模仿魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)推進(jìn)機(jī)理，運(yùn)用優(yōu)良的仿生材料和智能材料制成，并用于船舶污染智能檢測(cè)的高效率、機(jī)動(dòng)性、低噪性和對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小的水下機(jī)器人，替代水肺潛水員完成清理作業(yè)[3，4]。本文針對(duì)仿生魚(yú)在海洋生態(tài)中解決水資源污染問(wèn)題、仿生魚(yú)設(shè)計(jì)方案，以及出現(xiàn)的問(wèn)題等進(jìn)行了論述。

1 ?設(shè)計(jì)目的

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展好技術(shù)的日益進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)和利用程度不斷加強(qiáng)，本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一款解決小范圍水域污染問(wèn)題的垃圾收集仿生魚(yú)。此裝置可收集水中漂浮的廢紙、塑料制品、其他白色垃圾等。該設(shè)計(jì)在仿生魚(yú)的腹部下方安置一個(gè)利用磁吸裝置控制收放口的收納袋，利用可定時(shí)控制的收放網(wǎng)口進(jìn)行廢棄物回收，此收集器較為簡(jiǎn)便，可大幅度減輕人工打撈強(qiáng)度。

2 ?設(shè)計(jì)方案

2.1 ?整體結(jié)構(gòu)

2.1.1 ?仿生魚(yú)外觀結(jié)構(gòu)

仿生魚(yú)本身是按照木瓜魚(yú)來(lái)設(shè)計(jì)的，增加表面浮力，頭部裝置感應(yīng)器，在魚(yú)的腹部增加一個(gè)收納袋來(lái)進(jìn)行廢棄物回收。外觀遵循以下原則：（1）必須滿足浮力要求，即外殼的外表面所包圍的體積要大于等于機(jī)器魚(yú)的自重，然后通過(guò)加配重調(diào)整至重力與浮力相等。（2）外殼的外觀必須有利于減阻。（3）外殼必須滿足防水要求。（4）滿足通信、充電需求。

單關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)的前進(jìn)動(dòng)力全部由尾鰭提供，而尾鰭能夠產(chǎn)生的推力大小與其形狀、大小、材質(zhì)等密切相關(guān)，因此，為了能夠在機(jī)器魚(yú)樣機(jī)搭建成功以后做多組不同尾鰭的實(shí)驗(yàn)，本機(jī)器魚(yú)樣機(jī)中設(shè)計(jì)了一個(gè)尾鰭架。尾鰭架短邊的一端有一方孔，用于與轉(zhuǎn)軸的方軸連接，尾鰭架的長(zhǎng)邊有兩個(gè)螺栓孔。而所有的尾鰭中均有對(duì)應(yīng)的槽和螺紋孔，正好可以與尾鰭架配對(duì)，方便多組尾鰭實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

尾鰭架與轉(zhuǎn)軸通過(guò)方孔配合定位，然后用緊定釘固定，尾鰭架的下端螺栓孔用于與尾鰭架組合件連接，尾鰭架組合件的另外一段加工有心通孔，與殼體上圓柱凸臺(tái)配合，起到輔助支撐的作用。若不加裝此組合件，則尾鰭架將變?yōu)橐粋€(gè)懸臂梁，不利于尾鰭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

仿照真實(shí)鯉魚(yú)背鰭外形設(shè)計(jì)背鰭，作用：（1）可以輔助保持機(jī)器魚(yú)的翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。（2）美化機(jī)器魚(yú)外形。背鰭分為前后兩片，前背鰭中有一方孔，用于安放開(kāi)關(guān)，后背鰭固定于魚(yú)身上即可。

由于背鰭較薄，材料為樹(shù)脂材料，較脆，易損壞，所以背鰭設(shè)計(jì)為可插拔式，若損壞，直接更換一個(gè)新的背鰭即可。魚(yú)身上部有三個(gè)子口，分別與背鰭上的三個(gè)圓柱凸臺(tái)緊配，以固定背鰭。

仿生魚(yú)體長(zhǎng)1.5 m，寬長(zhǎng)為1 m，類(lèi)似于木瓜魚(yú)體積大小。

2.1.2 ?仿生魚(yú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

仿生魚(yú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。對(duì)于機(jī)械來(lái)說(shuō)，在水中相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為重要的是電子裝置在水中是否能夠正常運(yùn)行，為防止水滲透到內(nèi)部，使內(nèi)部電感裝置受損與報(bào)廢，我們采取的是仿生魚(yú)全身使用光敏樹(shù)脂3D打印出，使用密封條封住內(nèi)部與外部多余空隙。在整個(gè)仿生魚(yú)的頂部中間位置放置抵消超過(guò)浮力重量的浮力板，來(lái)為其提供在水中的浮力，以及保持平衡?？刂葡到y(tǒng)是由供電模塊、感知模塊、和控制模塊三個(gè)模塊組成，由中央控板控制，位于中心位置。尾部是連接一個(gè)舵機(jī)齒輪的魚(yú)尾。

2.2 ?運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

仿生魚(yú)運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。尾部利用直流電機(jī)帶動(dòng)齒輪，齒輪與魚(yú)尾相連，來(lái)回?cái)[動(dòng)從而為仿生魚(yú)在水中提供前進(jìn)動(dòng)力。后方的一整部分裝置于一個(gè)舵機(jī)相連，利用舵機(jī)的大幅左右擺動(dòng)來(lái)使后方的魚(yú)尾裝置左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生魚(yú)在水中游動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向功能。控制模塊選用Arduino進(jìn)行編程，從而控制實(shí)現(xiàn)各種功能，Arduino的主要功能是通過(guò)接受各電子元件發(fā)送的控制參數(shù)，控制3個(gè)舵機(jī)和1個(gè)直流電機(jī)的配合從而實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)的多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)。

2.3 ?回收裝置設(shè)計(jì)

仿生魚(yú)腹下方安置一個(gè)帶有收放口的中型網(wǎng)兜，在水中采取控制時(shí)間利用磁吸裝置收放網(wǎng)口回收，在一定時(shí)間中開(kāi)放網(wǎng)口收納廢棄物，到時(shí)間結(jié)束后，收縮網(wǎng)口把內(nèi)部廢棄物帶回回收站清理，再次放出更新計(jì)時(shí)器。在仿生魚(yú)頭部加載一個(gè)GPS定位，當(dāng)仿生魚(yú)返回時(shí)根據(jù)GPS定位點(diǎn)返回回收站。

2.4 ?供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿生魚(yú)中需要供電的硬件有電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、舵機(jī)、遙控接收器、單片機(jī)。電池單元可選用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池。

鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用。其內(nèi)部抵制力小，即內(nèi)阻很小，可快速充電，又可為負(fù)載提供大電流，而且放電時(shí)電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。但其最致命的缺點(diǎn)是，在充放電過(guò)程中如果處理不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”，使得服務(wù)壽命大大縮短。

鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

鋰離子電池是目前比較先進(jìn)的電池，它具有能量密度高的特性，因此鋰電池具備重量輕、體積小、容量大、無(wú)“記憶效應(yīng)”等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)充電要求很高，需要專(zhuān)用的充電器，過(guò)充電可能會(huì)導(dǎo)致漏液和爆炸，并且價(jià)格較貴[5]。

綜上比較可知，鎳氫電池性能優(yōu)越，價(jià)格便宜，與其他兩種充電電池相比，屬于性?xún)r(jià)比最高的電池，而且充電方便，因而選用鎳氫電池單元作為供電電池組的基本單元。

單片機(jī)的供電電壓是4.5～5.5 V，舵機(jī)的供電電壓是4.8～7.2 V以上，電機(jī)的額定電壓是9 V。鎳氫電池的特點(diǎn)是電池剛充滿時(shí)電壓很高，當(dāng)電量將耗盡時(shí)電壓較低，存在電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題。所以供電模塊中必須使用穩(wěn)壓芯片。

穩(wěn)壓芯片根據(jù)工作原理主要有兩種類(lèi)型：串聯(lián)型穩(wěn)壓和DC-DC穩(wěn)壓。串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片一般需要有1.5 V以上的壓降才能正常工作，并且能耗比較大，不過(guò)穩(wěn)壓后的電壓平穩(wěn)無(wú)雜波，且芯片價(jià)格便宜;而DC-DC型穩(wěn)壓基本沒(méi)有壓降，能耗少，但穩(wěn)壓后的電壓有輕微的高頻干擾，并且芯片價(jià)格稍貴。

考慮到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件以及價(jià)格因素，選用串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片來(lái)提供兩種不同的電壓，5 V用于給單片機(jī)和接收機(jī)、舵機(jī)供電，9 V用于給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、電機(jī)供電。

2.5 ?軟件編程

在模塊電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需要通過(guò)編程來(lái)驗(yàn)證各個(gè)模塊電路的功能，包括超聲波測(cè)距程序、時(shí)鐘芯片讀寫(xiě)程序、藍(lán)牙模塊控制程序、舵機(jī)檢測(cè)程序和步進(jìn)電機(jī)檢測(cè)程序，編程前要根據(jù)功能要求完成各模塊的程序流程圖設(shè)計(jì)，根據(jù)程序流程圖編寫(xiě)模塊代碼，逐步調(diào)試;編程過(guò)程中需要結(jié)合模塊電路圖不斷調(diào)試驗(yàn)證，最終形成完整的程序設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，編程使用的軟件為Arduino。該軟件是一款專(zhuān)業(yè)的、實(shí)用的C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，提供代碼編寫(xiě)、編譯器、安裝包和調(diào)試跟蹤等功能，此外還可以將仿真器件添加到軟件當(dāng)中，為單片機(jī)程序的調(diào)試仿真提供了便捷。仿真魚(yú)電路圖如圖4所示。

2.6 ?焊接制作

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)物驗(yàn)證電路板使用萬(wàn)用電路板，將各個(gè)模塊的器件按照設(shè)計(jì)好的電路圖焊接到萬(wàn)用電路板上，焊接過(guò)程中分別驗(yàn)證各模塊電路是否能正常運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾正。焊接制作前，選擇合適的烙鐵頭和焊錫;焊接過(guò)程中，要掌握好電烙鐵的溫度，在焊接元器件時(shí)把握好接觸時(shí)間，選擇好焊點(diǎn)的接觸位置，以免損壞器件，盡可能一次性完成電路板焊接，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。焊接遵循就近原則，導(dǎo)線要橫平豎直，避免交叉，減少跳線的使用，將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)盡量分離焊接，電源和通訊線盡量分離，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。如圖5所示。

3 ?器件選型

仿生魚(yú)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)是由供電模塊、感知模塊、和控制模塊三個(gè)模塊組成。仿生魚(yú)感知前方環(huán)境的變化，到處理器處理信息，最后控制運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，依賴(lài)于控制系統(tǒng)各子單元之間的有效配合。

供電模塊就是用電池向個(gè)電子元件進(jìn)行供電，這就需要各電子元件的電壓與電池之間要匹配，否則就會(huì)出現(xiàn)短路、斷路等各種意外情況。電池是為整個(gè)仿生魚(yú)提供最基本動(dòng)力的原件，在水中要做好防水措施，單獨(dú)隔離開(kāi)。以備時(shí)時(shí)刻刻提供所需的動(dòng)力。

感知模塊感知各種傳感器數(shù)據(jù)，再通過(guò)總線把傳感器數(shù)據(jù)傳給Arduino控制器。在仿生機(jī)魚(yú)上安裝超聲波測(cè)距傳感器，可以實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)的自主化和智能化。例如在前方有障礙物時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器會(huì)將信息傳輸給控制中心，從而做出相應(yīng)指令來(lái)控制其停下，或者進(jìn)行轉(zhuǎn)向以免碰到前方障礙物損壞仿生魚(yú)。

控制模塊選用Arduino進(jìn)行編程，寫(xiě)出控制各個(gè)部分的程序，從而控制實(shí)現(xiàn)各種功能，Arduino的主要功能是，通過(guò)接受各電子元件發(fā)送的控制參數(shù)控制3個(gè)舵機(jī)和3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)的多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)（前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、停止游動(dòng)）。

4 ?模擬仿真測(cè)試

制作仿真魚(yú)水下回收裝置模型，進(jìn)行水中運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試運(yùn)行效果。由模型測(cè)試結(jié)果表明，該仿生魚(yú)能在水中自由移動(dòng)（前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、上下浮動(dòng)），速度運(yùn)行比預(yù)想中較慢，原因是在水中運(yùn)動(dòng)與在陸地中運(yùn)動(dòng)阻力不相同造成動(dòng)力差，后增加動(dòng)力推力裝置解決水中運(yùn)行速度慢的問(wèn)題。同時(shí)，下端網(wǎng)袋束口器正常收放，其載重測(cè)試較預(yù)期結(jié)果要好，水中存在相對(duì)浮力，所以存儲(chǔ)垃圾結(jié)果比預(yù)期多百分之五的載重量。

5 ?結(jié) ?論

本次電路設(shè)計(jì)采用模塊化電路設(shè)計(jì)方式，通過(guò)驗(yàn)證每個(gè)功能來(lái)確定模塊電路，在調(diào)試過(guò)程中不斷完善模塊電路，最終整理合并，形成系統(tǒng)總設(shè)計(jì)電路圖。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊電路可分為：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)電路、超聲波測(cè)距模塊電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、藍(lán)牙模塊串口電路、舵機(jī)模塊電路和步進(jìn)電機(jī)模塊電路。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，將存在的問(wèn)題、改進(jìn)的方法和最終的驗(yàn)證結(jié)果記錄下來(lái)，并將問(wèn)題分析過(guò)程細(xì)化記錄，為后續(xù)的系統(tǒng)電路改進(jìn)和完善做好充分準(zhǔn)備。

本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題：（1）仿生魚(yú)在水中上浮與下降的操作性。（2）回收裝置如何可知滿載返回。

在仿生魚(yú)的內(nèi)部加載一個(gè)集水泵來(lái)改變仿生魚(yú)自身重量下沉與上浮的狀態(tài)。當(dāng)需要下沉?xí)r，內(nèi)部集水泵吸收外來(lái)水增加本體總量下沉，上浮時(shí)集水泵外壓內(nèi)部水減輕自身重量實(shí)現(xiàn)上浮。

此仿生魚(yú)裝置為仿真虛擬驗(yàn)證。每次網(wǎng)袋收集體積較小，總體積大約為1.5 m2。收容體積較小，所以現(xiàn)階段適用于一般的小型湖泊。仿生魚(yú)裝置可大大減少人為勞動(dòng)力，避免造成人員傷亡。

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作者簡(jiǎn)介：雷潔（1997.10—），女，漢族，青海格爾木人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。