朱紅秀 宋高明 買浩楠 薛逸飛 田文健

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

1 概述

對(duì)于仿生機(jī)器魚來說，擁有較好的巡游能力和機(jī)動(dòng)能力，是人類研究的關(guān)鍵。不僅要能進(jìn)行直線的自由游動(dòng)[1]，而且在轉(zhuǎn)彎、浮潛、倒退等動(dòng)作上也應(yīng)自如游動(dòng)，達(dá)到三維空間的游動(dòng)要求。

本文基于電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚[2]，采用儲(chǔ)水倉(cāng)法完成機(jī)器魚的浮潛運(yùn)動(dòng)。在浮力不變的情況下，通過儲(chǔ)水倉(cāng)的進(jìn)水和出水改變機(jī)器魚的重力，使機(jī)器魚在水域較窄的環(huán)境下上浮與下潛。

2 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚的總體設(shè)計(jì)

2.1 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚結(jié)構(gòu)組成

機(jī)器魚由頭部、中部和尾部電磁驅(qū)動(dòng)器組成。魚體頭部固定鉛絲實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的配重，防止機(jī)器魚發(fā)生縱傾、偏轉(zhuǎn)。頭部和中部組成空腔，空腔內(nèi)放置控制系統(tǒng)硬件，如圖1。

圖1 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.2 儲(chǔ)水倉(cāng)的設(shè)計(jì)和安裝

本文設(shè)計(jì)了一種可換氣圓柱狀儲(chǔ)水倉(cāng)，如圖2 為儲(chǔ)水倉(cāng)設(shè)計(jì)圖，在密封圓柱狀水倉(cāng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過上方開口與機(jī)器魚腔體內(nèi)部空氣連通，實(shí)現(xiàn)氣體的交換，從而降低空氣壓縮比。

圖2 儲(chǔ)水倉(cāng)設(shè)計(jì)圖

2.3 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚體積與配重

在Creo 中測(cè)量得機(jī)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(jī)器魚組成部件的質(zhì)量和重心位置

以魚體中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸，魚頭部所占的1/2 長(zhǎng)度在x 軸的負(fù)半軸，后半段在x 軸的正半軸，建立二維平面坐標(biāo)系，對(duì)加入配重后的機(jī)器魚整體重心位置進(jìn)行分析。

根據(jù)力學(xué)知識(shí)可得機(jī)器魚的重心位置計(jì)算法為：

經(jīng)計(jì)算分析得知機(jī)器魚重心得橫坐標(biāo)值約為0，縱坐標(biāo)為負(fù)值，機(jī)器魚總重量與排開水的重量相等，機(jī)器魚可在水中保持平衡。

3 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚上浮下潛的動(dòng)力學(xué)分析

3.1 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚豎直方向受力分析

本節(jié)以機(jī)器魚下潛為例，研究在機(jī)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(gè)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(shí)，機(jī)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(jī)器魚下潛過程的合力表達(dá)式[8]：

式中：ΣF- 機(jī)器魚在豎直方向受到的合力；

G- 機(jī)器魚儲(chǔ)水倉(cāng)進(jìn)水后的重力；

Fb- 機(jī)器魚進(jìn)入水中全排水受到的浮力；

f- 機(jī)器魚在下潛時(shí)受到的流體阻力。

3.2 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚下潛運(yùn)動(dòng)的仿真數(shù)值計(jì)算與分析

在研究機(jī)器魚浮潛的過程中，通過ANSYS Fluent 對(duì)機(jī)器魚下潛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真[6]，設(shè)定下潛速度求出機(jī)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(jié)果分析：

表2 是得到的機(jī)器魚以不同速度下潛受到的阻力值。

表2 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

使用MATLAB 中的擬合工具，對(duì)表中的數(shù)據(jù)擬合，擬合之后得到曲線方程[7]表示為：機(jī)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(jī)器魚勻速下潛過程中魚體周圍流場(chǎng)壓力云圖3。

由圖3 可知，機(jī)器魚下潛時(shí)受力較為均衡，魚體底部受到的壓力最大。

4 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚浮潛控制系統(tǒng)的研究

4.1 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚浮潛控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

浮潛控制系統(tǒng)主要由Arduino uno、L298N、水泵（電機(jī)）、儲(chǔ)水艙、24V 電池、藍(lán)牙模塊組成。

4.2 控制系統(tǒng)硬件功能實(shí)現(xiàn)

本節(jié)設(shè)計(jì)了上浮下潛的控制系統(tǒng)。浮潛控制系統(tǒng)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(dāng)藍(lán)牙模塊接收到指令，信號(hào)傳輸?shù)紸rduino 板，Arduino 開始通過端口將信號(hào)傳到L298N 模塊上，L298N 模塊根據(jù)收到的信號(hào)給水泵（電機(jī)）供電，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，并可通過PWM進(jìn)行調(diào)速。

5 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚上浮下潛運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

5.1 浮潛控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

5.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z驗(yàn)水泵吸水和排水的穩(wěn)定性；測(cè)試通過PWM對(duì)水泵流速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.1.2 實(shí)驗(yàn)過程：通過設(shè)定脈寬占空比，分別設(shè)定水泵抽水流速為2ml/s、4ml/s、8ml/s，在不同時(shí)刻記錄重量。

圖4 為三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合線圖。

5.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：水泵工作穩(wěn)定。通過設(shè)定脈寬占空比調(diào)節(jié)流速，設(shè)定值越大，流速越快。

5.2 機(jī)器魚水中上浮下潛實(shí)驗(yàn)

5.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^控制系統(tǒng)，完成機(jī)器在水中的下潛運(yùn)動(dòng)。

5.2.2 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)記錄：在Arduino 中傳入編譯的程序，進(jìn)行信號(hào)調(diào)試后，對(duì)機(jī)器魚進(jìn)行整體裝配。

通過藍(lán)牙控制機(jī)器魚的下潛運(yùn)動(dòng)。圖5 為機(jī)器魚在魚缸中的下潛實(shí)驗(yàn)過程，分別為初始狀態(tài)（a），下潛狀態(tài)（b）和停止?fàn)顟B(tài)（c）。

圖5 機(jī)器魚下潛過程圖

進(jìn)行水泵吸水實(shí)驗(yàn)，記錄機(jī)器魚加速下潛到0.4 米水深所需時(shí)間。結(jié)果如表3。

表3 吸水量與下潛時(shí)間記錄值

進(jìn)行水泵排水實(shí)驗(yàn)，記錄機(jī)器魚在0.4 米水底上浮到達(dá)水面時(shí)間。結(jié)果如表4。

表4 排水量與上浮時(shí)間記錄值

5.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本節(jié)設(shè)計(jì)的浮潛控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的浮潛運(yùn)動(dòng)。隨儲(chǔ)水倉(cāng)進(jìn)、排水量的增大，機(jī)器魚浮潛運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短。

6 結(jié)論

本文以實(shí)驗(yàn)室的單關(guān)節(jié)電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚作為研究對(duì)象，研究電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚上浮下潛功能的實(shí)現(xiàn)。主要工作如下：（1）提出基于儲(chǔ)水倉(cāng)法的機(jī)器魚上浮下潛的方法。（2）對(duì)機(jī)器魚浮潛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析與仿真數(shù)值計(jì)算與分析。（3）設(shè)計(jì)完成機(jī)器魚浮潛控制系統(tǒng)。（4）進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)與機(jī)器魚水中下潛實(shí)驗(yàn)。