水中垃圾收集仿真魚設(shè)計

雷潔 白羽生 劉凱龍 趙榮海 朱月美

摘 ?要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題越發(fā)突出，其中水污染問題是重中之重，但是清理水中垃圾單靠人力清理十分困難，水源水域中垃圾處理會出現(xiàn)一些不可避免的人員損傷。垃圾收集仿生魚可以清理漂浮垃圾，不需要人來操作，可實現(xiàn)全自動清掃垃圾。文章詳細闡述了仿真魚的水中運動、上浮下降與轉(zhuǎn)向及垃圾收集的裝置設(shè)計。根據(jù)制作過程簡要闡述了仿生魚的軟件編程、部分焊接制作技術(shù)及器件選取。

關(guān)鍵詞：仿生魚;機械結(jié)構(gòu);運動裝置;軟件編程;焊接制作;器件選取

中圖分類號：TP242;TP311 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0160-04

Simulation Fish Design for Water Garbage Collection

LEI Jie， BAI Yusheng， LIU Kailong， ZHAO Ronghai， ZHU Yuemei

（Xi’an Siyuan University， Xi’an ?710038， China）

Abstract： With the rapid development of economy， the problem of environmental pollution is more and more serious， and water pollution is the top priority， but it is very difficult to clean up garbage in water by human resources， and there are some inevitable personnel injuries in garbage treatment in water sources and areas. Garbage collection bionic fish can clean up floating garbage， and it does not need people to operate. It can achieve all automatic garbage cleaning. This paper describes the motion in water， floating， down and turn of simulation fish， device design of garbage collection. it describes the software programming， partial welding production technology and device selection of bionic fish according to the manufacture process.

Keywords： bionic fish; mechanical structure; motion device; software programming; welding production; device selection

0 ?引 ?言

目前，海洋中有2 600萬噸到6 600萬噸塑料垃圾，其中大部分在海底，對海洋動植物以及海洋生態(tài)平衡構(gòu)成巨大威脅[1]。從水下清除垃圾既復雜又充滿危險。通常情況下，清除作業(yè)由水肺潛水員完成[2]?，F(xiàn)階段發(fā)展出了機器仿真魚（Bio-mimeticRobotFish），模仿魚類運動推進機理，運用優(yōu)良的仿生材料和智能材料制成，并用于船舶污染智能檢測的高效率、機動性、低噪性和對環(huán)境擾動小的水下機器人，替代水肺潛水員完成清理作業(yè)[3，4]。本文針對仿生魚在海洋生態(tài)中解決水資源污染問題、仿生魚設(shè)計方案，以及出現(xiàn)的問題等進行了論述。

1 ?設(shè)計目的

隨著科學的不斷發(fā)展好技術(shù)的日益進步，人類對海洋的開發(fā)和利用程度不斷加強，本項目擬設(shè)計一款解決小范圍水域污染問題的垃圾收集仿生魚。此裝置可收集水中漂浮的廢紙、塑料制品、其他白色垃圾等。該設(shè)計在仿生魚的腹部下方安置一個利用磁吸裝置控制收放口的收納袋，利用可定時控制的收放網(wǎng)口進行廢棄物回收，此收集器較為簡便，可大幅度減輕人工打撈強度。

2 ?設(shè)計方案

2.1 ?整體結(jié)構(gòu)

2.1.1 ?仿生魚外觀結(jié)構(gòu)

仿生魚本身是按照木瓜魚來設(shè)計的，增加表面浮力，頭部裝置感應器，在魚的腹部增加一個收納袋來進行廢棄物回收。外觀遵循以下原則：（1）必須滿足浮力要求，即外殼的外表面所包圍的體積要大于等于機器魚的自重，然后通過加配重調(diào)整至重力與浮力相等。（2）外殼的外觀必須有利于減阻。（3）外殼必須滿足防水要求。（4）滿足通信、充電需求。

單關(guān)節(jié)機器魚的前進動力全部由尾鰭提供，而尾鰭能夠產(chǎn)生的推力大小與其形狀、大小、材質(zhì)等密切相關(guān)，因此，為了能夠在機器魚樣機搭建成功以后做多組不同尾鰭的實驗，本機器魚樣機中設(shè)計了一個尾鰭架。尾鰭架短邊的一端有一方孔，用于與轉(zhuǎn)軸的方軸連接，尾鰭架的長邊有兩個螺栓孔。而所有的尾鰭中均有對應的槽和螺紋孔，正好可以與尾鰭架配對，方便多組尾鰭實驗的進行。

尾鰭架與轉(zhuǎn)軸通過方孔配合定位，然后用緊定釘固定，尾鰭架的下端螺栓孔用于與尾鰭架組合件連接，尾鰭架組合件的另外一段加工有心通孔，與殼體上圓柱凸臺配合，起到輔助支撐的作用。若不加裝此組合件，則尾鰭架將變?yōu)橐粋€懸臂梁，不利于尾鰭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

仿照真實鯉魚背鰭外形設(shè)計背鰭，作用：（1）可以輔助保持機器魚的翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。（2）美化機器魚外形。背鰭分為前后兩片，前背鰭中有一方孔，用于安放開關(guān)，后背鰭固定于魚身上即可。

由于背鰭較薄，材料為樹脂材料，較脆，易損壞，所以背鰭設(shè)計為可插拔式，若損壞，直接更換一個新的背鰭即可。魚身上部有三個子口，分別與背鰭上的三個圓柱凸臺緊配，以固定背鰭。

仿生魚體長1.5 m，寬長為1 m，類似于木瓜魚體積大小。

2.1.2 ?仿生魚內(nèi)部結(jié)構(gòu)

仿生魚內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。對于機械來說，在水中相對運動較為重要的是電子裝置在水中是否能夠正常運行，為防止水滲透到內(nèi)部，使內(nèi)部電感裝置受損與報廢，我們采取的是仿生魚全身使用光敏樹脂3D打印出，使用密封條封住內(nèi)部與外部多余空隙。在整個仿生魚的頂部中間位置放置抵消超過浮力重量的浮力板，來為其提供在水中的浮力，以及保持平衡?？刂葡到y(tǒng)是由供電模塊、感知模塊、和控制模塊三個模塊組成，由中央控板控制，位于中心位置。尾部是連接一個舵機齒輪的魚尾。

2.2 ?運動裝置設(shè)計

仿生魚運動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。尾部利用直流電機帶動齒輪，齒輪與魚尾相連，來回擺動從而為仿生魚在水中提供前進動力。后方的一整部分裝置于一個舵機相連，利用舵機的大幅左右擺動來使后方的魚尾裝置左右擺動，實現(xiàn)仿生魚在水中游動時的轉(zhuǎn)向功能?？刂颇K選用Arduino進行編程，從而控制實現(xiàn)各種功能，Arduino的主要功能是通過接受各電子元件發(fā)送的控制參數(shù)，控制3個舵機和1個直流電機的配合從而實現(xiàn)仿生機器魚的多種運動模態(tài)。

2.3 ?回收裝置設(shè)計

仿生魚腹下方安置一個帶有收放口的中型網(wǎng)兜，在水中采取控制時間利用磁吸裝置收放網(wǎng)口回收，在一定時間中開放網(wǎng)口收納廢棄物，到時間結(jié)束后，收縮網(wǎng)口把內(nèi)部廢棄物帶回回收站清理，再次放出更新計時器。在仿生魚頭部加載一個GPS定位，當仿生魚返回時根據(jù)GPS定位點返回回收站。

2.4 ?供電系統(tǒng)設(shè)計

仿生魚中需要供電的硬件有電機、電機驅(qū)動板、舵機、遙控接收器、單片機。電池單元可選用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池。

鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，經(jīng)濟耐用。其內(nèi)部抵制力小，即內(nèi)阻很小，可快速充電，又可為負載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。但其最致命的缺點是，在充放電過程中如果處理不當，會出現(xiàn)嚴重的“記憶效應”，使得服務壽命大大縮短。

鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。

鋰離子電池是目前比較先進的電池，它具有能量密度高的特性，因此鋰電池具備重量輕、體積小、容量大、無“記憶效應”等優(yōu)點，但其對充電要求很高，需要專用的充電器，過充電可能會導致漏液和爆炸，并且價格較貴[5]。

綜上比較可知，鎳氫電池性能優(yōu)越，價格便宜，與其他兩種充電電池相比，屬于性價比最高的電池，而且充電方便，因而選用鎳氫電池單元作為供電電池組的基本單元。

單片機的供電電壓是4.5～5.5 V，舵機的供電電壓是4.8～7.2 V以上，電機的額定電壓是9 V。鎳氫電池的特點是電池剛充滿時電壓很高，當電量將耗盡時電壓較低，存在電壓不穩(wěn)定的問題。所以供電模塊中必須使用穩(wěn)壓芯片。

穩(wěn)壓芯片根據(jù)工作原理主要有兩種類型：串聯(lián)型穩(wěn)壓和DC-DC穩(wěn)壓。串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片一般需要有1.5 V以上的壓降才能正常工作，并且能耗比較大，不過穩(wěn)壓后的電壓平穩(wěn)無雜波，且芯片價格便宜;而DC-DC型穩(wěn)壓基本沒有壓降，能耗少，但穩(wěn)壓后的電壓有輕微的高頻干擾，并且芯片價格稍貴。

考慮到現(xiàn)有實驗條件以及價格因素，選用串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片來提供兩種不同的電壓，5 V用于給單片機和接收機、舵機供電，9 V用于給電機驅(qū)動板、電機供電。

2.5 ?軟件編程

在模塊電路設(shè)計過程中需要通過編程來驗證各個模塊電路的功能，包括超聲波測距程序、時鐘芯片讀寫程序、藍牙模塊控制程序、舵機檢測程序和步進電機檢測程序，編程前要根據(jù)功能要求完成各模塊的程序流程圖設(shè)計，根據(jù)程序流程圖編寫模塊代碼，逐步調(diào)試;編程過程中需要結(jié)合模塊電路圖不斷調(diào)試驗證，最終形成完整的程序設(shè)計流程，如圖3所示。

此次系統(tǒng)設(shè)計過程中，編程使用的軟件為Arduino。該軟件是一款專業(yè)的、實用的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供代碼編寫、編譯器、安裝包和調(diào)試跟蹤等功能，此外還可以將仿真器件添加到軟件當中，為單片機程序的調(diào)試仿真提供了便捷。仿真魚電路圖如圖4所示。

2.6 ?焊接制作

本次系統(tǒng)設(shè)計的實物驗證電路板使用萬用電路板，將各個模塊的器件按照設(shè)計好的電路圖焊接到萬用電路板上，焊接過程中分別驗證各模塊電路是否能正常運行，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。焊接制作前，選擇合適的烙鐵頭和焊錫;焊接過程中，要掌握好電烙鐵的溫度，在焊接元器件時把握好接觸時間，選擇好焊點的接觸位置，以免損壞器件，盡可能一次性完成電路板焊接，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。焊接遵循就近原則，導線要橫平豎直，避免交叉，減少跳線的使用，將模擬信號和數(shù)字信號盡量分離焊接，電源和通訊線盡量分離，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。如圖5所示。

3 ?器件選型

仿生魚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)是由供電模塊、感知模塊、和控制模塊三個模塊組成。仿生魚感知前方環(huán)境的變化，到處理器處理信息，最后控制運動執(zhí)行機構(gòu)完成相應的動作，依賴于控制系統(tǒng)各子單元之間的有效配合。

供電模塊就是用電池向個電子元件進行供電，這就需要各電子元件的電壓與電池之間要匹配，否則就會出現(xiàn)短路、斷路等各種意外情況。電池是為整個仿生魚提供最基本動力的原件，在水中要做好防水措施，單獨隔離開。以備時時刻刻提供所需的動力。

感知模塊感知各種傳感器數(shù)據(jù)，再通過總線把傳感器數(shù)據(jù)傳給Arduino控制器。在仿生機魚上安裝超聲波測距傳感器，可以實現(xiàn)仿生機器魚的自主化和智能化。例如在前方有障礙物時，超聲波測距傳感器會將信息傳輸給控制中心，從而做出相應指令來控制其停下，或者進行轉(zhuǎn)向以免碰到前方障礙物損壞仿生魚。

控制模塊選用Arduino進行編程，寫出控制各個部分的程序，從而控制實現(xiàn)各種功能，Arduino的主要功能是，通過接受各電子元件發(fā)送的控制參數(shù)控制3個舵機和3個步進電機的配合，實現(xiàn)仿生機器魚的多種運動模態(tài)（前進、轉(zhuǎn)向、停止游動）。

4 ?模擬仿真測試

制作仿真魚水下回收裝置模型，進行水中運動模擬實驗，測試運行效果。由模型測試結(jié)果表明，該仿生魚能在水中自由移動（前進、轉(zhuǎn)向、上下浮動），速度運行比預想中較慢，原因是在水中運動與在陸地中運動阻力不相同造成動力差，后增加動力推力裝置解決水中運行速度慢的問題。同時，下端網(wǎng)袋束口器正常收放，其載重測試較預期結(jié)果要好，水中存在相對浮力，所以存儲垃圾結(jié)果比預期多百分之五的載重量。

5 ?結(jié) ?論

本次電路設(shè)計采用模塊化電路設(shè)計方式，通過驗證每個功能來確定模塊電路，在調(diào)試過程中不斷完善模塊電路，最終整理合并，形成系統(tǒng)總設(shè)計電路圖。此次系統(tǒng)設(shè)計的模塊電路可分為：單片機最小系統(tǒng)電路、超聲波測距模塊電路、實時時鐘電路、藍牙模塊串口電路、舵機模塊電路和步進電機模塊電路。在電路設(shè)計過程中，將存在的問題、改進的方法和最終的驗證結(jié)果記錄下來，并將問題分析過程細化記錄，為后續(xù)的系統(tǒng)電路改進和完善做好充分準備。

本實驗過程中存在的問題：（1）仿生魚在水中上浮與下降的操作性。（2）回收裝置如何可知滿載返回。

在仿生魚的內(nèi)部加載一個集水泵來改變仿生魚自身重量下沉與上浮的狀態(tài)。當需要下沉時，內(nèi)部集水泵吸收外來水增加本體總量下沉，上浮時集水泵外壓內(nèi)部水減輕自身重量實現(xiàn)上浮。

此仿生魚裝置為仿真虛擬驗證。每次網(wǎng)袋收集體積較小，總體積大約為1.5 m2。收容體積較小，所以現(xiàn)階段適用于一般的小型湖泊。仿生魚裝置可大大減少人為勞動力，避免造成人員傷亡。

參考文獻：

[1] 高曉超，李文樸.水污染治理工程的常見問題與對策探究 [EB/OL].[2022-01-06].https：//wenku.baidu.com/view/639471d22079168884868762caaedd3382c4b549.html.

[2] 朱曦薇.水下機器人[EB/OL].[2022-01-06].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1720556722973708585&wfr=spider&for=pc&qq-pf-to=pcqq.c2c.

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[4] 童秉鋼.魚類波狀游動的推進機制 [J].力學與實踐，2000，（3）：69-74.

[5] shujianli1979.鎳氫電池 [EB/OL].[2022-01-06].https：//www.docin.com/p-1950377821.html.

作者簡介：雷潔（1997.10—），女，漢族，青海格爾木人，本科在讀，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。