水陸兩棲新型仿生無人遙控潛水器設(shè)計構(gòu)想

毛潤澤　李源

摘 要：本設(shè)計構(gòu)想旨在依據(jù)仿生原理設(shè)計一種新型的水陸兩用無人潛水器，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)技術(shù)，從而改進(jìn)傳統(tǒng)的水下航行方式，使航行器能夠在危險、狹窄、復(fù)雜的水下環(huán)境中穩(wěn)定有效地進(jìn)行監(jiān)測、偵探、救撈等活動，并且解決其噪聲大、對環(huán)境擾動大、運(yùn)動靈活性和隱蔽性較差等問題，進(jìn)而可以應(yīng)用在海上軍事等領(lǐng)域。此外這款航行器還可以在陸地上運(yùn)動，因此我們設(shè)計的水陸兩棲新型仿生無人遙控潛水器相比于傳統(tǒng)的水下航行器功能會更加完善，有著更為廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：仿生；水陸兩棲；潛水器

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，黨和國家高度重視海洋的發(fā)展及其對中國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性意義，習(xí)近平總書記指出，海洋在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局和對外開放中的作用更加重要，在國家生態(tài)文明的建設(shè)中的角色更加顯著，在國際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科技競爭中的戰(zhàn)略地位也明顯上升，因此海洋工程與科技的發(fā)展受到廣泛的關(guān)注與研究；此外，海洋武器在水中戰(zhàn)場中的作用已經(jīng)發(fā)生了明顯的改變，被越來越多地應(yīng)用于近海海域來支援聯(lián)合作戰(zhàn)，然而對于常規(guī)海洋武器來說，體積大等特點(diǎn)導(dǎo)致其很容易被對方發(fā)現(xiàn)和攻擊，這無疑增加了成本昂貴的海洋武器的風(fēng)險。因此我們需要無人駕駛系統(tǒng)到傳統(tǒng)海上力量無法到達(dá)的地方收集信息，無人水下航行器就此脫穎而出。

而在現(xiàn)有的系列無人水下航行器中，傳統(tǒng)水下航行器在市面上的占比較高，如自主式水下航行器、遙控水下航行器。傳統(tǒng)的水下航行器大多使用傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器，但經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)技術(shù)有著推進(jìn)器噪聲大、對環(huán)境擾動大、運(yùn)動靈活性和隱蔽性較差等問題，這些問題限制了水下航行器的應(yīng)用范圍。為了解決這些問題，使得水下航行器能夠更好地進(jìn)行信息捕捉以及信息傳遞等，我們對水下航行器進(jìn)行進(jìn)一步的研究，我們發(fā)現(xiàn)，仿生在水下航行器的板塊中有著非常大的作用，自然的生物系統(tǒng)能夠最大限度地提高水下航行器的運(yùn)作能力和效果。與此同時，國內(nèi)外對仿生機(jī)器人的研究正在逐漸走向成熟，利用現(xiàn)有的仿生科技以及我們對水下生物的研究，我們將用仿生技術(shù)實現(xiàn)對傳統(tǒng)水下航行的改進(jìn)，即我們將進(jìn)行對水陸兩棲新型仿生機(jī)器人的研究。

1 模型建立

1.1 水生動物推進(jìn)模式與推進(jìn)機(jī)理的分析

根據(jù)1999年的來自Sfakiotakis.M等人的研究，魚類基本推進(jìn)模式化分為四種，即噴射式（例如烏賊、魷魚、水母等）、身體波動式即鰻行式（例如鰻魚、水蛇等）、BCF（Body/Caudal Fin）式，其中BCF式又可細(xì)分為鰻鱺式推進(jìn)、亞鲹科式推進(jìn)、鲹科式推進(jìn)、鲹科加月牙式推進(jìn)以及MPF（Median and/or Paired Fin）推進(jìn)式五種推進(jìn)方式。

1.2 整體結(jié)構(gòu)分析

本項目是將蜥蜴陸地行走方式和海豚在水中游動方式相結(jié)合的一種水陸兩棲新型機(jī)器人設(shè)計方案，以蜥蜴和海豚為藍(lán)本， 主要考慮其在水中運(yùn)動的穩(wěn)定性、機(jī)動性和高效性以及在陸地上的穩(wěn)定性，根據(jù)其基于CFD的仿生蜥蜴擺尾數(shù)值仿真分析得到較好的理論依據(jù)。因此根據(jù)以上敘述，本項目是一個擁有四足的仿魚形機(jī)器人，通過12個舵機(jī)進(jìn)行陸地上的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、越障等功能。其次，它通過頭、尾鰭的擺動模擬海豚背腹式運(yùn)動及螺旋槳的位置調(diào)節(jié)，便可以實現(xiàn)水中的游動及完成任務(wù)。

1.3 身體運(yùn)動模型建立

依據(jù)查找到的文獻(xiàn)資料和已有的知識，建立一個水陸兩棲新型仿生機(jī)器人在做穩(wěn)態(tài)背腹式推進(jìn)過程中的數(shù)學(xué)模型，即得到在體軸坐標(biāo)系中描述海豚背腹式擺動的運(yùn)動方程，身體周期性的運(yùn)動可用身體中心線的運(yùn)動來表征。進(jìn)而研究可知，海豚背腹式運(yùn)動方程可以被簡化，即預(yù)先規(guī)定海豚身體上的三個特征點(diǎn)的運(yùn)動幅度，分別是喙部、質(zhì)心處以及尾鰭處，利用最小二乘法擬合出這三個特征點(diǎn)的二次方程，可得到海豚游動時身體中心線的簡化運(yùn)動方程。

1.4 豚尾運(yùn)動模型建立

海豚的推進(jìn)性能是指影響海豚運(yùn)動性能的推進(jìn)力的大小及方向。根據(jù)對海豚做穩(wěn)態(tài)背腹式推進(jìn)的仿生學(xué)研究，描述出海豚身體及豚尾的運(yùn)動學(xué)參數(shù)。我們認(rèn)識到運(yùn)動學(xué)參數(shù)影響著推進(jìn)力的大小及方向，之后我們將建立含上述運(yùn)動參數(shù)的描述豚尾俯仰-沉浮運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型。首先建立尾鰭擺動軸的運(yùn)動方程，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到其絕對運(yùn)動方程。進(jìn)而可得到描述尾鰭沉浮-俯仰復(fù)合運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型。

2 設(shè)計內(nèi)容

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

水陸兩棲新型仿生機(jī)器人采用腹背推進(jìn)在水中行進(jìn)，模仿海豚的運(yùn)動特性，并且通過使用舵機(jī)控制陸地上的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、越障等功能。設(shè)計制作基于要實現(xiàn)的預(yù)期功能以及結(jié)構(gòu)，運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行建模，并用adams進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，檢驗其結(jié)構(gòu)的合理性。

（1）沉浮裝置：用于控制機(jī)器人的沉浮。

（2）頭部裝置：通過軟件模擬設(shè)計出合理的頭部模型。

（3）推進(jìn)設(shè)計：根據(jù)海豚運(yùn)動形態(tài)，采取腹背式推進(jìn)設(shè)計身體的推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

（4）四足設(shè)計：設(shè)計四足以實現(xiàn)水陸兩棲。

（5）防水設(shè)計：用新型的防水材料以達(dá)到較好的防水效果。

2.2 硬件設(shè)計

電路板自行利用Altium Designer軟件進(jìn)行設(shè)計。電路板采用模塊化設(shè)計，主要有電源管理模塊，通信模塊，核心控制模塊，圖傳模塊，擴(kuò)展模塊。

（一）電源管理模塊：電源管理模塊采用開關(guān)穩(wěn)壓芯片自主設(shè)計打板，輸入電壓可高達(dá)40V，輸出5V分別供給單片機(jī)和舵機(jī)，還可輸出3.3V以及12V電壓以作擴(kuò)展用途。該電源管理模塊配備有保護(hù)電路，在過壓、過流時起到保護(hù)作用。

（二）通信模塊：通信模塊則使用藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊具有較高的普遍度，如果開發(fā)出相應(yīng)APP，可以利用手機(jī)之類的終端對水下機(jī)器人進(jìn)行控制。藍(lán)牙模塊可以通過串口與主控板進(jìn)行通信，通信較為方便。

（三）核心控制模塊：核心控制模塊上預(yù)留串口1，串口2，串口3接口，IIC接口，SPI接口，PWM波輸出接口，以及多路模擬輸入（AD）輸出（DA）接口。串口1、2、3用來和上位機(jī)、舵機(jī)以及無線控制模塊通信，IIC接口用來壓力傳感器或者其他支持IIC協(xié)議的芯片通信，SPI與閃存芯片（flash）或一些拓展設(shè)備通信，PWM輸出接口用于控制移動滑塊的模擬舵機(jī)，預(yù)留的多路模擬輸入輸出接口用于其他功能模塊的添加，比如電壓檢測等。

（四）傳感器模塊：賀利氏/鉑電阻PT100鉑熱電阻pt100溫度傳感器，用來檢測水域溫度，可以起到氣候監(jiān)測的作用；MS5803-14BA微型壓力傳感器/水深測量，用來控制機(jī)器魚的下潛深度，也可以在將來需要更多功能時（比如姿態(tài)控制）加上相應(yīng)芯片來實現(xiàn)定制化功能，可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行拓展；攝像頭模塊采用OV6620 CMOS圖像傳感器，該傳感器具有運(yùn)用高級算法抑制高光溢出、消除拖尾、消除固定模式噪聲（FPS）等專利技術(shù)，并且可以編程所有的攝像機(jī)功能。

（五）控制方案：動力舵機(jī)采用AX-12數(shù)字舵機(jī)，該舵機(jī)輸出扭矩大，精度高，可操作角度大，速度快，跟隨性好。由于采用數(shù)字通信模式，所以占用單片機(jī)的資源特別少，控制三個數(shù)字舵機(jī)只需要一根串口線即可，理論上可以同時用一根串口線控制254個這樣的舵機(jī)。

串口控制舵機(jī)時需要遵循一定的協(xié)議，具體協(xié)議可以參考AX-12的數(shù)據(jù)手冊，這里僅僅對控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度的數(shù)據(jù)包進(jìn)行簡單的說明。首先數(shù)據(jù)以FF，F(xiàn)F開頭，然后是舵機(jī)的ID號，數(shù)據(jù)包的長度，寫入的指令及地址，然后是角度和速度位，低位在前，高位在后（0-1023），最后是一個校驗和。這里速度位默認(rèn)使用最快速度FF 01 （1023）；角度位則根據(jù)動作數(shù)據(jù)包進(jìn)行更改。同時控制多個舵機(jī)時，舵機(jī)ID使用廣播ID（FE），使用廣播ID的好處是不僅可以同時控制多路舵機(jī)，而且還可以使舵機(jī)不返回數(shù)據(jù)以簡化硬件電路設(shè)計。

在水下機(jī)器人運(yùn)動時，單片機(jī)從動作數(shù)據(jù)包中讀出一幀的數(shù)據(jù)，每一幀的數(shù)據(jù)中包括三個舵機(jī)在這一幀中應(yīng)該轉(zhuǎn)動的角度信息，單片機(jī)按照協(xié)議分別把舵機(jī)的角度值寫入數(shù)據(jù)包中，然后求出驗證和寫入數(shù)據(jù)包中發(fā)送給舵機(jī)，在延時一定的時間后，單片機(jī)重復(fù)以上操作，實現(xiàn)舵機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動。隨著每一幀動作的輸出，三個舵機(jī)將會按照各種設(shè)定的動作轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水下機(jī)器人的游動。

2.3 軟件系統(tǒng)

（一）視覺策略：利用多種信息在圖像中定位目標(biāo)物體。例如，實現(xiàn)規(guī)定的色標(biāo)，物體的特殊形狀，各種算法特征等。提取到這些信息后，可以將這些特點(diǎn)和特征按照重要性排序，然后按照順序依次檢驗每個信息；還可以同時使用所有特征信息，例如按照一定的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)融合。之后可以加入機(jī)器學(xué)習(xí)算法對大量樣本進(jìn)行分析，得出不同物體的分類器。之后按看到的物體進(jìn)行相關(guān)的動作，比如避障、水下樣本采集，水下作業(yè)等。

（二）信息記錄：在拍攝水下視頻的同時利用傳感器對水下的已標(biāo)記物體信息進(jìn)行識別和保存，例如記錄該物體的海洋深度。

3 結(jié)論

本文闡述了一種水陸兩棲新型仿生無人遙控潛水器的設(shè)計思路與設(shè)計方案，將蜥蜴陸地行走方式和海豚在水中游動方式相結(jié)合，從而實現(xiàn)水中的基本游動與在陸地上的爬行，使傳統(tǒng)水下航行器噪聲大、隱蔽性差的缺點(diǎn)有所緩解。這款設(shè)計可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于民用的科普與娛樂市場，具有較好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李成進(jìn).仿生型水下航行器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].魚雷技術(shù)，2016，24（01）：1-7.

[2]袁玉榮，魯其興，康靜，莊照波，趙信義.小型仿生水下機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].智慧工廠，2018（01）：59-61.