仿蝠鲼潛水輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

李源 張麗

摘 要：本設(shè)計(jì)構(gòu)想旨在設(shè)計(jì)一種仿生蝠鲼外形，自帶動(dòng)力，并且具有一定生命保障能力，能夠?qū)崿F(xiàn)水下記錄等各種水下任務(wù)的潛水輔助系統(tǒng)。仿蝠鲼推進(jìn)系統(tǒng)由兩側(cè)的螺旋槳推進(jìn)器以及均勻分布在四個(gè)方向的舵機(jī)組成，在水下平面運(yùn)作時(shí)，由螺旋槳推進(jìn)器發(fā)動(dòng)產(chǎn)生主要推力，同時(shí)舵機(jī)配合轉(zhuǎn)動(dòng)模仿蝠鲼的運(yùn)動(dòng)方式配合螺旋槳的推進(jìn)，使得操作者能夠在水平面方向自由游動(dòng);在水中升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠前兩舵機(jī)改變舵機(jī)的朝向，從而有效地產(chǎn)生豎直方向的推力。最終，這種潛水輔助系統(tǒng)可以完成水下全方位運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)輔助。

關(guān)鍵詞：仿生;蝠鲼;水下推進(jìn)器

0 引言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）無(wú)論在軍事上還是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)上都有著廣泛的應(yīng)用。世界各國(guó)在水下機(jī)器人領(lǐng)域，特別是深海作業(yè)設(shè)備研究方面做了大量工作，取得了相當(dāng)?shù)某删汀?/p>

隨著科技的發(fā)展和人均收入的不斷提高，潛水已經(jīng)成為了廣大人民群眾喜聞樂(lè)見(jiàn)的一種體育運(yùn)動(dòng)，走進(jìn)水中世界已經(jīng)不再是一個(gè)心愿，而是一份能夠讓人切切實(shí)實(shí)感受到的浪漫。然而隨著潛水運(yùn)動(dòng)的不斷普及，潛水裝備已經(jīng)成為了一種利潤(rùn)與商機(jī)都十分巨大的市場(chǎng)。

對(duì)于廣大消費(fèi)者而言，傳統(tǒng)的潛水基礎(chǔ)培訓(xùn)費(fèi)用和與其相伴的潛水裝備費(fèi)用始終是一筆十分巨大的開(kāi)銷，為此，我們希望研發(fā)這款潛水輔助設(shè)備。首先，能夠大大縮短潛水培訓(xùn)的周期;其次，能夠減少潛水員在水下作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)量從而減少氧氣消耗量;同時(shí)，還能夠搭載多種任務(wù)化模塊來(lái)滿足不同的潛水人員的任務(wù)或者娛樂(lè)需求。

1 設(shè)計(jì)方案

這種新型的風(fēng)能海浪能補(bǔ)償發(fā)電機(jī)由以下三個(gè)部分組成：機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、電子硬件部分以及軟件與應(yīng)用部分。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由三維建模軟件設(shè)計(jì)而成。利用solidworks軟件進(jìn)行外殼以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成電機(jī)的選型，推進(jìn)器的制造，舵機(jī)的選型以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，同時(shí)，還要對(duì)所設(shè)計(jì)各個(gè)部件以及整個(gè)裝配體進(jìn)行分析，其中包括：干涉檢查、縫隙計(jì)算、零件屬性分析、姿態(tài)分析、整體靜力學(xué)分析、流體力學(xué)分析以及校核各個(gè)零件和整個(gè)機(jī)體的強(qiáng)度。

1.2 電子硬件部分

電子硬件部分主要由下位機(jī)控制板和各類水下傳感器組成。建電子系統(tǒng)，能夠控制整個(gè)機(jī)體的姿態(tài)和航行速度以及其他外掛設(shè)備，并且為整個(gè)系統(tǒng)提供電力，利用微處理器對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行控制，最后將航行狀況與信息集成在便攜面板上，可供潛水人員時(shí)刻掌握潛水狀況。

該系統(tǒng)的通信模塊則使用藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊具有較高的普及度，如果開(kāi)發(fā)出相應(yīng)APP，可以利用手機(jī)之類的終端對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行控制。藍(lán)牙模塊可以通過(guò)串口與主控板進(jìn)行通信，通信較為方便。

傳感器部分：MS5803-14BA微型壓力傳感器/水深測(cè)量，用來(lái)控制機(jī)器魚的下潛深度，也可以在將來(lái)需要更多功能時(shí)（比如姿態(tài)控制）加上相應(yīng)芯片來(lái)實(shí)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(jí)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。

1.3 軟件與應(yīng)用部分

開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制功能模塊，并且能夠采集潛水?dāng)?shù)據(jù)以及潛水員生命體征。還有對(duì)應(yīng)軟件，能夠記錄裝置的航行狀況，為檢修和重復(fù)使用提供便利。

2 具體功能

我們提出的仿生蝠鲼潛水輔助系統(tǒng)，通過(guò)上述設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：能夠解放潛水員雙手的水下潛水輔助設(shè)備，自帶動(dòng)力，潛水員在水下消耗體力極大地減少，從而達(dá)到延長(zhǎng)其工作時(shí)間，提升工作效率的作用。此外仿生的外形設(shè)計(jì)即仿蝠鲼外形設(shè)計(jì)，能夠搭載更多設(shè)備，同時(shí)減小航行阻力，增大橫滾阻力防止其發(fā)生翻滾。輔助系統(tǒng)中還有生命特征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，內(nèi)置心率傳感器，呼吸傳感器等監(jiān)測(cè)生命體征傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛水員的生命體征，遇到異常情況可觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)，在保證不會(huì)對(duì)潛水員造成二次傷害的情況下快速返回水面，而在沒(méi)有潛水員進(jìn)行操作時(shí)可以作為ROV（Remote Operated Vehicle即無(wú)人水下航行器），具備一定的獨(dú)立航行能力。

因此，仿生蝠鲼潛水輔助系統(tǒng)在有人或無(wú)人操作的情況下都能夠發(fā)揮水下輔助工作及探測(cè)的任務(wù)，在有人員操作時(shí)能夠輔助水下潛水員在水下快捷方便地運(yùn)動(dòng)并且解放潛水員的雙手，進(jìn)行各種水下工作。

3 結(jié)論

本文闡述了一種仿蝠鲼潛水輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，利用背包式的推進(jìn)系統(tǒng)解放潛水員的雙手，從而實(shí)現(xiàn)提高水下工作效率目的，利用兩個(gè)自由度的螺旋槳推進(jìn)裝置完成潛水員在水下的全方位移動(dòng)以及豎直方向的沉浮運(yùn)動(dòng)。

先進(jìn)科技迅速地發(fā)展，人均收入不斷提高，潛水已經(jīng)成為了廣大人民群眾喜聞樂(lè)見(jiàn)的一種體育運(yùn)動(dòng)。潛水培訓(xùn)的周期較長(zhǎng)，專業(yè)潛水員的訓(xùn)練要求也相當(dāng)高，而此類的潛水輔助設(shè)備正可降低這類運(yùn)動(dòng)的培訓(xùn)門檻，便于潛水的普及推廣，同時(shí)專業(yè)的潛水員也可以借助這套系統(tǒng)更加有效地進(jìn)行水下作業(yè)。因此，我們這套海浪能、風(fēng)能補(bǔ)償發(fā)電的設(shè)計(jì)方案在潛水行業(yè)迅速發(fā)展的今天有著很大的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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