楊 航，高 彪，施良才，張 嘯

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

傳統(tǒng)的釣魚工具受環(huán)境限制很大，當(dāng)身后或上方存在障礙物時(shí)難以完成甩鉤.目前的魚竿不能根據(jù)魚所在的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整位置，也不能在魚咬鉤時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收繩.鄧武進(jìn)提出了一種智能魚竿，利用傳感器檢測(cè)魚咬鉤的情況，但未實(shí)現(xiàn)對(duì)前視區(qū)域的自動(dòng)瞄準(zhǔn)功能[1].英國發(fā)明了一款利用聲波定位技術(shù)將游入錐形聲波區(qū)內(nèi)的魚顯示到顯示屏幕上，當(dāng)魚咬鉤時(shí)根據(jù)水面泛起的波紋提示釣魚者魚已咬鉤，但未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收繩功能[2].針對(duì)此現(xiàn)狀在問題，本文提出了一種觸發(fā)彈射式釣魚裝置，可以實(shí)現(xiàn)前視區(qū)域自由瞄準(zhǔn)目標(biāo)、捕捉目標(biāo)、發(fā)射魚鉤，解決空間受限問題.

1 釣魚裝置主體構(gòu)成及彈射功能實(shí)現(xiàn)

1.1 釣魚裝置主體構(gòu)成

釣魚裝置主體結(jié)構(gòu)由收放繩機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射機(jī)構(gòu)四部分組成.整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 釣魚裝置結(jié)構(gòu)圖

四個(gè)部分的結(jié)構(gòu)圖如圖2～5所示.

圖2 旋轉(zhuǎn)臺(tái)

圖3 發(fā)射機(jī)構(gòu)圖

圖4 釣魚裝置收放繩機(jī)構(gòu)

圖5 釣魚裝置伸縮機(jī)構(gòu)圖

其中魚漂和魚鉤的末端用魚線相連，魚漂結(jié)構(gòu)如圖6所示，魚漂采用聚乙烯材料制成，其密度為0.91 g/cm3，小于水的密度1 g/cm3.

圖6 魚漂結(jié)構(gòu)圖

整體形狀是規(guī)則圖形，將其劃分為四個(gè)部分，面積分別為Si，(i=1,2,3,4)，各個(gè)面質(zhì)心為Ai，(i=1,2,3,4)，根據(jù)形心公式可以求得其形心.理論力學(xué)中給出了規(guī)則圖形的形心(圖中S0)即為圖形重心的結(jié)論，如圖7所示.

根據(jù)阿基米德定律可知規(guī)則圖形的浮心與重心重合，且魚漂的密度小于水的密度，故魚漂浮于水上.魚線在伸縮魚竿的中軸線一側(cè)，另一端與收繩機(jī)構(gòu)相連.伸縮桿通過彈簧實(shí)現(xiàn)彈射.魚竿整體架設(shè)在可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)任意角度旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)臺(tái)能根據(jù)魚所在位置，自動(dòng)調(diào)整角度.漁具系統(tǒng)控制電機(jī)、魚漂補(bǔ)光.魚竿尾端部位安有顯示屏，能顯示水底內(nèi)容.補(bǔ)光燈和攝像頭處采用透明薄玻璃片密封，兩者之間有局部空氣，補(bǔ)光燈發(fā)出的光從空氣進(jìn)入水中發(fā)生折射照射到魚鉤上，同時(shí)魚鉤將光折射到攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚鉤圖像的采集，進(jìn)而攝像頭對(duì)魚鉤的一直照射，其光線傳播路徑如圖8所示.

圖8 光線傳播路徑圖

1.2 彈射功能實(shí)現(xiàn)

魚竿的彈射：電機(jī)1正轉(zhuǎn)，齒輪軸1與齒輪軸2嚙合，使得發(fā)射節(jié)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與伸縮魚竿底部脫離接觸，伸縮魚竿在內(nèi)部彈簧彈力作用下將伸縮魚竿1彈出，伸縮魚竿1完全伸出時(shí)，帶動(dòng)伸縮魚竿2繼續(xù)伸出，魚鉤和魚漂隨著伸縮魚竿一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)伸縮魚竿1，2不在伸出時(shí)，魚鉤和魚漂由于慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至魚鉤沉入和魚漂漂浮在水面.定滑輪減少在收放繩過程中的阻力.

2 彈簧選取與仿真分析

2.1 彈簧選取

彈射機(jī)構(gòu)采用三段伸縮結(jié)構(gòu)，如圖2所示的伸縮桿1尾端安裝儲(chǔ)能彈簧，其彈性系數(shù)為k，最大壓縮量后彈簧剩余原長(zhǎng)xr，彈簧壓縮后剩余長(zhǎng)度x，桿2在桿1帶動(dòng)下彈出，采用輕質(zhì)碳鋼，摩擦系數(shù)μ，定義三個(gè)桿的質(zhì)量為mi，(i=1,2,3)彈射速度vi，(i=1,2,3).三根桿等長(zhǎng)為li，(i=1,2,3).由能量守恒定律得式1：

(1)

式中，x0為彈簧原長(zhǎng)，g為重力加速度.

當(dāng)彈射中桿1與桿2接觸瞬間產(chǎn)生碰撞，帶動(dòng)桿2一起伸出，并以新的初速度v120運(yùn)動(dòng)，碰撞過程忽略瞬時(shí)摩擦，得式2：

m1v1=(m1+m2)v120，

(2)

在這之后，伸縮魚竿1，2以相同速度運(yùn)動(dòng)，根據(jù)能量守恒得式3：

(3)

式中，v12為兩個(gè)伸縮竿1，2一起運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度.

伸縮魚竿1的速度在質(zhì)量、長(zhǎng)度等參數(shù)一定的情況下，速度由彈簧唯一決定.根據(jù)胡克定律可知，彈簧在初始條件下收的壓縮力為k(x0-xr).

2.2 伸縮桿彈射過程仿真分析

選擇魚竿的質(zhì)量參數(shù)m1=0.183 kg，m2=0.782 kg，長(zhǎng)度參數(shù)m2=0.782 kg，l1=l2=l=0.59 m，彈簧原長(zhǎng)x0=1.180 m，滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.57，重力加速度g=9.8 m/s2.將上述參數(shù)設(shè)定好后利用Solidworks軟件進(jìn)行建模[3]，將釣魚裝置放入ADAMS進(jìn)行仿真[4-5]，做彈簧壓縮后剩余長(zhǎng)度x與魚竿1速度v(x-v)曲線.其中v由k決定.在本次仿真中取彈簧彈性系數(shù)為k=9.1 N/m，k=9.2 N/m，k=9.3 N/m，k=30 N/m時(shí)進(jìn)行仿真，如下圖9～12所示.

彈簧壓縮后剩余長(zhǎng)度/m圖9 k=9.1時(shí)曲線圖

彈簧壓縮后剩余長(zhǎng)度/m圖10 k=9.2時(shí)曲線圖

彈簧壓縮后剩余長(zhǎng)度/m圖11 k=9.3時(shí)曲線圖

彈簧壓縮后剩余長(zhǎng)度/m圖12 k=30時(shí)曲線圖

圖中兩段曲線分別表示碰撞前后魚竿1的運(yùn)動(dòng)速度.仿真結(jié)果表明：當(dāng)k=9.1 N/m時(shí)，彈簧還未完全恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí)，速度已經(jīng)為0，說明彈簧彈力不足以使得魚竿彈出；當(dāng)k=9.2 N/m時(shí)，彈簧恰好恢復(fù)原長(zhǎng)，速度為0，說明彈簧恰好能將魚竿彈出.當(dāng)k=9.3 N/m時(shí)，此時(shí)魚竿彈出時(shí)有較小的速度；當(dāng)k=30 N/m時(shí)，彈性系數(shù)過大使得速度不易收斂，故不選彈性系數(shù)過大的彈簧.綜上所述，選取k=9.3 N/m的彈簧較為合理.

3 控制系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制器[6]，通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，前端攝像頭捕捉到的信息，實(shí)時(shí)獲取水下信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)漁具的收放繩機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制.當(dāng)發(fā)射機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，伸縮機(jī)構(gòu)隨之動(dòng)作.系統(tǒng)框圖如圖13所示.當(dāng)攝像頭看到魚時(shí)，將信息返回單片機(jī)，單片機(jī)控制將畫面在顯示屏上顯示[7]，經(jīng)圖像處理后，實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得伸縮魚竿能夠轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度發(fā)射魚竿，完成智能釣魚.魚漂內(nèi)以51單片機(jī)為控制器[8,9]，采用無線通信實(shí)現(xiàn)命令與畫面的傳輸[10].

圖13 控制系統(tǒng)框圖

4 實(shí)物測(cè)試

對(duì)實(shí)物測(cè)試，實(shí)物圖如圖14所示，分別選取彈簧彈性系數(shù)k=9.1 N/m，9.2 N/m，9.3 N/m，9.5 N/m，10 N/m，以魚竿彈射至最長(zhǎng)時(shí)1 780 mm為測(cè)量值進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)其彈射成功次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1所示.

圖14 多功能釣魚裝置實(shí)物圖

表1 彈射成功次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，該實(shí)物實(shí)驗(yàn)與理論分析能夠基本符合，驗(yàn)證了理論的正確性.

5 結(jié) 論

本文采用三段伸縮桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了觸發(fā)彈射釣魚裝置，利用壓縮彈簧貯存的能量經(jīng)觸發(fā)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)射魚竿，并在控制系統(tǒng)配合下實(shí)現(xiàn)釣魚者前事區(qū)域內(nèi)的自動(dòng)瞄準(zhǔn)釣魚功能，裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)經(jīng)過理論計(jì)算與仿真實(shí)驗(yàn)，選擇了適當(dāng)?shù)膹椈?；同時(shí)運(yùn)用控制觸發(fā)自動(dòng)完成魚鉤發(fā)射，結(jié)合圖像視覺與實(shí)時(shí)圖像處理實(shí)現(xiàn)智能化功能.裝置研制后經(jīng)對(duì)彈射機(jī)構(gòu)進(jìn)行彈射試驗(yàn)，系統(tǒng)彈射功能可靠達(dá)到有效率達(dá)到98%以上.