基于儲水艙式的電磁驅(qū)動仿生機(jī)器魚上浮下潛的研究

朱紅秀 宋高明 買浩楠 薛逸飛 田文健

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

1 概述

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

本文基于電磁驅(qū)動機(jī)器魚[2]，采用儲水倉法完成機(jī)器魚的浮潛運動。在浮力不變的情況下，通過儲水倉的進(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)動機(jī)器魚的總體設(shè)計

2.1 電磁驅(qū)動機(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)動器組成。魚體頭部固定鉛絲實現(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 儲水倉的設(shè)計和安裝

本文設(shè)計了一種可換氣圓柱狀儲水倉，如圖2 為儲水倉設(shè)計圖，在密封圓柱狀水倉的基礎(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，實現(xiàn)氣體的交換，從而降低空氣壓縮比。

圖2 儲水倉設(shè)計圖

2.3 電磁驅(qū)動機(jī)器魚體積與配重

在Creo 中測量得機(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)原點建立坐標(biāo)軸，魚頭部所占的1/2 長度在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)知識可得機(jī)器魚的重心位置計算法為：

經(jīng)計算分析得知機(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)動機(jī)器魚上浮下潛的動力學(xué)分析

3.1 電磁驅(qū)動機(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，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)器魚儲水倉進(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)器魚在下潛時受到的流體阻力。

3.2 電磁驅(qū)動機(jī)器魚下潛運動的仿真數(shù)值計算與分析

在研究機(jī)器魚浮潛的過程中，通過ANSYS Fluent 對機(jī)器魚下潛運動進(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壓力云圖3。

由圖3 可知，機(jī)器魚下潛時受力較為均衡，魚體底部受到的壓力最大。

4 電磁驅(qū)動機(jī)器魚浮潛控制系統(tǒng)的研究

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

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

4.2 控制系統(tǒng)硬件功能實現(xiàn)

本節(jié)設(shè)計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，信號傳輸?shù)紸rduino 板，Arduino 開始通過端口將信號傳到L298N 模塊上，L298N 模塊根據(jù)收到的信號給水泵（電機(jī)）供電，實現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，并可通過PWM進(jìn)行調(diào)速。

5 電磁驅(qū)動機(jī)器魚上浮下潛運動實驗

5.1 浮潛控制系統(tǒng)實驗

5.1.1 實驗?zāi)康模簷z驗水泵吸水和排水的穩(wěn)定性；測試通過PWM對水泵流速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.1.2 實驗過程：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，在不同時刻記錄重量。

圖4 為三組實驗數(shù)據(jù)擬合線圖。

5.1.3 實驗結(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驗

5.2.1 實驗?zāi)康模和ㄟ^控制系統(tǒng)，完成機(jī)器在水中的下潛運動。

5.2.2 實驗過程與數(shù)據(jù)記錄：在Arduino 中傳入編譯的程序，進(jìn)行信號調(diào)試后，對機(jī)器魚進(jìn)行整體裝配。

通過藍(lán)牙控制機(jī)器魚的下潛運動。圖5 為機(jī)器魚在魚缸中的下潛實驗過程，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)行水泵吸水實驗，記錄機(jī)器魚加速下潛到0.4 米水深所需時間。結(jié)果如表3。

表3 吸水量與下潛時間記錄值

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

表4 排水量與上浮時間記錄值

5.2.3 實驗結(jié)論：本節(jié)設(shè)計的浮潛控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)機(jī)器魚的浮潛運動。隨儲水倉進(jìn)、排水量的增大，機(jī)器魚浮潛運動時間縮短。

6 結(jié)論

本文以實驗室的單關(guān)節(jié)電磁驅(qū)動機(jī)器魚作為研究對象，研究電磁驅(qū)動機(jī)器魚上浮下潛功能的實現(xiàn)。主要工作如下：（1）提出基于儲水倉法的機(jī)器魚上浮下潛的方法。（2）對機(jī)器魚浮潛進(jìn)行動力學(xué)分析與仿真數(shù)值計算與分析。（3）設(shè)計完成機(jī)器魚浮潛控制系統(tǒng)。（4）進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試實驗與機(jī)器魚水中下潛實驗。