水下取样机器鱼的设计与控制

刘宇驰 周洪艳

近年来，随着科学技术的发展和对水体资源利用的重视，水下机器鱼承担越来越重的作用。由于水下工作与陆地工作不一样，仅仅靠人力难以有效对水体进行取样并监测，需要利用水下机器人来实现[1]。本文设计的机器鱼是仿真机器人，主要用于对环境的探查和监测，取回不同区域不同深度的水质进行分析。采用仿真机器鱼对大自然进行探索，体现了人与自然和谐相处的特点。

1 机器鱼结构设计

1.1 机器鱼头部结构

机器鱼的头部采用亚克力玻璃材料，一方面保证了机器鱼前端的稳固性，另一方面透明的亚克力玻璃为水下摄像头的工作提供条件。设计成内空的流线可以减少水下运行的阻力。头部最后端臂厚3mm，长100mm并与鱼体相连接，左右两边各安装3个与鱼体骨架相连的螺纹孔起固定作用。

1.2 机器鱼身体结构

将机器鱼的鱼身设计成黄色的整体，增加了机器鱼的可辨识性、增加了鱼身内部空间，有利于内部步进电机、温度检测仪、控制中心、前后配重装置、凸轮连杆机构的安装。

鱼身两侧采用螺旋桨式的推进结构，采用螺旋桨的转动带动机器鱼做前进与后退，两侧的螺旋桨结构也可以保证机器鱼在运动过程中的稳定性，与尾鳍共同完成上浮下潜游动悬浮等工作。

1.3 机器鱼尾部结构

机器鱼尾部采用软橡胶材料，通过连杆机构完成与鱼体连接，尽可能地缩小连接处外露的连接机构，能够增加鱼尾摆动范围并容易控制机器鱼的转向速度。

尾鳍在摆动时可以产生有力的拍动，紧接着再迅速反方向拍动一次，第一次拍动产生一个大涡流，第二次拍动产生一个完全反向旋转的涡流。当两个涡流自鱼尾推开相互削弱时，便产生一股强大的推力，这样既可以为机器鱼的游动提供动力，又可以为机器鱼的转向提供动力[2]。

2 机器鱼内部结构

机器鱼以鱼体内机架为主体，将步进电机放置于鱼体后三分之一处，用以带动螺旋桨及尾鳍的工作。主控制板固定在鱼头亚克力玻璃后，在保证鱼体平衡性的同时方便工作人员进行检修。鱼体前后的平衡装置可辅助机器鱼实现上浮或下潜。GPS定位模块安置在机架上，可实时定位机器鱼的位置，水样采集装置安装在机器鱼的顶部，与水体零距离接触，保证监测结果的可靠性和准确性[3]。

机器鱼内部结构有：摄像头、天线、温度测量仪、凸轮连杆机构、尾鳍、后配重装置、步进电机、含氧量测试仪、控制中心、水样采集装置、信息处理装置和前配重装置。

3 机器鱼运动的实现

机器鱼主要通过控制调节系统、电源、步进电机、前后平衡装置（配重块）、两侧螺旋桨、尾鳍的共同作用来实现。管理员通过控制调节系统发出指令，即可增加步进电机输出功率，为尾鳍的摆动、两侧螺旋桨的转动提供更大动力。当需要上浮、下潜时可通过控制前后平衡装置的注水量改变鱼体的前后重量，进而改变鱼体的平衡姿态，以达到上浮、下潜功能的实现。

例如，通过前后平衡装置未注水，螺旋桨、尾鳍平稳摆动，使鱼身达到悬浮的状态；通过步进电机带动左右螺旋桨转动、尾鳍平稳摆动，使鱼身达到前行的状态；通过后配重装置注水，增加螺旋桨、尾鳍的转动频率和摆幅，使鱼身上浮的状态；通过尾鳍减小摆幅，左（右）旋浆减小转动，右（左）旋浆加大转动使鱼身达到左右转弯的状态。

4 控制系统设计

机器鱼控制系统主要由鱼体外壳、内部框架、动力系统、控制系统、传感器、信息采集系统组成。

4.1 控制及动力系统

机器鱼的控制中心主要集中在主控制板，完成对机器鱼的运动调控、指挥水样采集等工作。操作者将相应指令传输到指定指令接口，从而驱动步进电机输出并改变其输出频率，带动螺旋桨与尾鳍摆动。操作者通过GY953传感器进行姿态检测反馈到主控，根据反馈控制舵机角度进行调整，保持水中机器鱼在水下平稳运动。

自主控制：编程设计预设路线，通过运动过程中GPS位置定位比较，或者使用光电传感器检测水域边缘和水中障碍物，实现自动避障，实现较大水域的自动巡游。

遥控控制：通过无线串口与芯片通讯，进入遥控模式，在保持基本运动方式不变的情况下，使机器鱼按照遥控路线进行巡游[4]。遥控过程流程如下：开始→初始化→是否人控→是→WiFi串口控制指令→运动控制程序。

4.2 环境温度监测传感器

环境水的温度通常在-20～50℃，机器鱼采用FLUE971传感器，加上一定的直流电压，二极管两端电压即随温度变化而改变。该测量仪尺寸小、重量轻、分辨时间短、响应时间快，测量精度为±0.1℃[5]。因为机器鱼体积受限，因此人们只能让其完成一些物理参数的测量，如温度、水位、风速、pH值等。其他需要测量的参数可待机器鱼将水样取回后，与陆地水质监测装置组成一个完备的系统。

4.3 信息采集系统

机器鱼的信息采集系统主要由前端的微型摄像头组成，亚克力玻璃在起保护作用的同时也起到防水的作用。微型摄像头具有体积小、重量轻、容易安装等优点，可真实地反映水下景象，在科研、军事技术、环保、水质监测等方面应用较广[6]。

5 机器鱼尾鳍形状的设计

尾鳍作摆动的运动时，其摆动能够产生超过80%的转向力。根据机械学与力学原理，其推进力与转向力的大小主要由尾鳍的形状与摆动幅度决定。在一定范围内，摆动的幅度可以提高转向与推动的效率，但过大的幅度会增加电池的消耗，对推进效率起到一定的负面作用。因此，找到合适的尾鳍形状与摆动幅度对机器鱼运动的效率有着至关重要的影响。

本文选取尾鳍摆动的振幅为控制参数，并通过改变尾鳍摆动最大幅度至鱼身的垂直距离来研究平均推力。通过测定，发现当设定尾鳍振幅小于或等于7cm时，平均推力随设定振幅增大而增大；当设定尾鳍振幅超过7cm时，平均推力随设定振幅的增加反而下降。

相关研究表明，当尾鳍摆动幅度为7cm时，机器鱼推进效果达到最优化[7]。所以，实现尾部拍动和模块化设计是当前小型仿生机器鱼设计的主要形式。但是，舵机的机械特性限制了尾部摆动频率，直接影响了机器鱼推进速度的提升。因此，为获得较稳定的游速，本文采用步进电机作为动力源，此时机器鱼可在清水中或含泥沙量小于0.5%的水中自由游动。

6 结语

本文讨论的水下取样机器鱼已经可以实现基本功能，而且在0.3Hz的频率下，圆尾尾鳍摆动7cm使推动效果达到最优化。利用仿生机器鱼对水质进行取样与监测是科学技术进步的表现，也是人与自然和谐相处的体现，它既可用于水质取样监测，也可与大型水质监测装置组成完备的水质监测系统。

[1]李宗义，邵强.用于环境监测的生物传感器[J].生物技术，2005，15（4）：95-97.

[2]张军.仿生机器鱼尾鳍推进性能实验研究[D].杭州：浙江大学，2016：12.

[3]刘亮.先进传感器及其应用[M].北京：化学工业出版社，2005：112-114.

[4]李成春.基于CC2430无线多参数传感器检测网络的设计[D].镇江：江苏大学，2010：6.

[5]孙雷霸.基于无线传感器网络的水环境多参数监测系统的研究与实现[D].镇江：江苏大学，2009：11-12.

[6]中华人民共和国国家环境保护总局.HJT354-2007 水污染源在线监测系统验收技术规范[S].北京：中国环境科学出版社，2007.

[7]李宗刚，吕江，石慧荣，等.一种仿生机器鱼尾鳍推进机构的设计[J].机械科学与技术，2013，32（12）：1775-1779.