一種用于水下探測(cè)的混動(dòng)仿生機(jī)器魚

汪真西

（北京郵電大學(xué)，北京100876）

隨著深海戰(zhàn)略和科技的日益發(fā)展，水下機(jī)器人的研發(fā)與設(shè)計(jì)被人們廣泛關(guān)注，其中仿生動(dòng)力機(jī)器人因其能夠自由運(yùn)動(dòng)、耗能低、續(xù)航能力強(qiáng)、能夠與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)、水環(huán)境檢測(cè)等功能[1]，成為了設(shè)計(jì)與研究的重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器魚的游動(dòng)效果，大多將運(yùn)動(dòng)激振源靠近其尾部，設(shè)計(jì)制作單關(guān)節(jié)或多關(guān)節(jié)的舵機(jī)和舵機(jī)聯(lián)合擺動(dòng)結(jié)構(gòu)。雖然仿生的設(shè)計(jì)方式優(yōu)勢(shì)明顯，但在海洋和負(fù)責(zé)水域作業(yè)中，中小型的仿生機(jī)器魚因復(fù)雜洋流和水環(huán)境不穩(wěn)定因素，機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性將大打折扣，巡游姿態(tài)難以平衡，無法在真實(shí)的海洋環(huán)境中得以應(yīng)用。而大型仿生機(jī)器魚又因價(jià)格昂貴，使用成本高而無法普及。因此，本文設(shè)計(jì)了螺旋槳推進(jìn)與單關(guān)節(jié)仿生結(jié)合的混合動(dòng)力機(jī)器魚，以應(yīng)對(duì)和提高復(fù)雜水域環(huán)境下的作業(yè)。

1 混合動(dòng)力仿生機(jī)器魚總體設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)水下檢測(cè)是使用水下傳感器人工進(jìn)行，然后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行校對(duì)。同時(shí)，養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)需要多個(gè)技術(shù)檢測(cè)指標(biāo)，例如水下溫度、水溶解氧含量、水下的pH 值以及水環(huán)境的渾濁程度等，如果只是用單一的傳感器來進(jìn)行檢測(cè)，并拿回實(shí)驗(yàn)室再與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)做一一對(duì)比，很大程序上增加了勞動(dòng)時(shí)間，而且效率不高，增加了勞動(dòng)成本。至于深水檢測(cè)，則需要潛水員來完成[2]。因此混合動(dòng)力仿生機(jī)器魚的總體設(shè)計(jì)和制作應(yīng)從海洋、復(fù)雜水域作業(yè)的真實(shí)需求出發(fā)。主要針對(duì)水質(zhì)水樣檢測(cè)、遠(yuǎn)洋特種作業(yè)2 大作業(yè)方向，并適配多種復(fù)雜水環(huán)境作業(yè)，例如水下搜救、大壩巡檢等。混合動(dòng)力仿生機(jī)器魚采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)混動(dòng)機(jī)器魚處于靜水域中時(shí)，可采用尾翼驅(qū)動(dòng)模式，便于節(jié)省電池功耗；當(dāng)混動(dòng)機(jī)器魚需要瞬時(shí)動(dòng)力輸出、快速下潛或處于復(fù)雜水域且浪涌等級(jí)較高時(shí)，可采用傳統(tǒng)螺旋槳驅(qū)動(dòng)模式，便于混動(dòng)機(jī)器魚提升動(dòng)力。

混動(dòng)機(jī)器魚可提供豐富掛載平臺(tái)與外設(shè)接口，可靈活搭載各類水文信息探測(cè)設(shè)備，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析檢測(cè)。通過自身的有纜傳輸將檢測(cè)到的水質(zhì)參數(shù)生成可視化圖表實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，可適應(yīng)水上、水中和水下不同深度的作業(yè)，保證信息及時(shí)有效。

1.1 混動(dòng)魚基本組成

混動(dòng)魚總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 混動(dòng)魚總體設(shè)計(jì)

1.1.1 主控艙設(shè)計(jì)

主控艙內(nèi)部包含STM32 單片機(jī)、溫度濕度傳感器、水壓傳感器、紅外避障傳感器、水質(zhì)傳感器和攝像頭等裝置。

STM32 單片機(jī)：采用擴(kuò)展性和性能更強(qiáng)的STM32傳感器，以提供更多的擴(kuò)展航插接口，滿足不同作業(yè)需求。

溫度濕度傳感器：由于水中機(jī)器人的特殊性，主控艙需采用抽真空處理，溫度濕度傳感器用于檢測(cè)主控艙內(nèi)是否保持真空環(huán)境，以免元器件被損壞。

水壓傳感器：由于螺旋槳推力較大，在空氣中啟動(dòng)對(duì)螺旋槳的損傷較大，因此使用水壓傳感器判斷設(shè)備是否在水中，以對(duì)應(yīng)開啟螺旋槳，除此之外，對(duì)下潛深度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

紅外避障傳感器：在水質(zhì)良好的情況下，可使用巡游模式，機(jī)器魚自主避開障礙物。

水質(zhì)傳感器：預(yù)留防水航插接口，該接口可搭載不同類型的傳感器（例如溫度、pH 值、硝氮含量等傳感器），從而可將機(jī)器魚應(yīng)用于不同領(lǐng)域，完成不同任務(wù)。

攝像頭：可供地面工作人員實(shí)時(shí)觀測(cè)水下情況時(shí)使用，便于控制混動(dòng)仿生機(jī)器人魚。

1.1.2 姿態(tài)調(diào)節(jié)艙

在水中使用攝像頭對(duì)混動(dòng)機(jī)器魚進(jìn)行控制時(shí)，由于水環(huán)境不穩(wěn)，對(duì)操作人員來說，控制難度較大；攝像頭傳輸圖像的延遲和攝像頭對(duì)環(huán)境的感光需要時(shí)間，在運(yùn)動(dòng)中，往往因?yàn)閳D傳不夠清晰，很難對(duì)機(jī)器魚進(jìn)行有效姿態(tài)的調(diào)整。因此，姿態(tài)調(diào)節(jié)艙的設(shè)計(jì)主要以自動(dòng)調(diào)節(jié)為主。

姿態(tài)調(diào)節(jié)艙內(nèi)安裝著重心調(diào)節(jié)裝置，結(jié)合PID 閉環(huán)控制，當(dāng)混動(dòng)機(jī)器魚受到浪涌作用，自身姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，重心調(diào)節(jié)裝置立即做出重心調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而保證機(jī)器魚自身姿態(tài)穩(wěn)定。在機(jī)器魚巡游或穩(wěn)定狀態(tài)下盡可能減少鏡頭的晃動(dòng)，提升操作者的體驗(yàn)感并使操控更加精準(zhǔn)。

1.1.3 電池艙

因使用了混合動(dòng)力形式，電力的消耗會(huì)比單一動(dòng)力的消耗更大，確保電力充足是必要條件，除此之外，還需考慮電池的大小及安裝配置是否影響整體的內(nèi)部空間規(guī)劃。

經(jīng)過選型與測(cè)試，選擇配備4 000 mA 大容量的鋰電池，續(xù)航時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)到6 h，輕松完成巡游、取樣、檢測(cè)工作。

1.1.4 動(dòng)力配置

仿生尾鰭：尾鰭材質(zhì)為具有高韌性和高柔軟度的軟質(zhì)硅膠材質(zhì)，在尾部安裝卡扣，可輕松拆卸。

螺旋槳推進(jìn)器：采用主軸直徑為4 mm 的不銹鋼材質(zhì)，螺旋槳為直徑60 mm 的CNC 槳葉，最大推力可達(dá)20 kg。

1.2 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)是混動(dòng)機(jī)器魚的重要組成部分，由供電單元、控制單元、處理單元和上位機(jī)組成，混動(dòng)機(jī)器魚從外部感知環(huán)境，到處理單元對(duì)數(shù)據(jù)的處理，最后到控制單元執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，均依賴電氣系統(tǒng)之間的有效配合。電氣系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 電氣系統(tǒng)框圖

混動(dòng)機(jī)器魚采用的工作模式為在線模式，在水環(huán)境中作業(yè)時(shí)，混動(dòng)機(jī)器魚的處理器僅對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳和發(fā)送至上位機(jī)，處理單元不對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采集到的信息一并由上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析或保存。在線模式大大保證了混動(dòng)機(jī)器魚在水中的系統(tǒng)穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)量大分析處理過慢，導(dǎo)致混動(dòng)機(jī)器魚失控或程序宕機(jī)。

在程序設(shè)計(jì)中，以閉環(huán)電路控制為主，在水中因視野的局限性，操作手無法像在陸地或者空中那樣進(jìn)行快速或復(fù)雜的姿態(tài)操控，因此設(shè)置簡(jiǎn)單的操作按鍵進(jìn)行姿態(tài)的控制，例如一鍵懸停、一鍵下潛到指定的深度、水中固定的區(qū)域進(jìn)行巡游等，盡可能降低操作手的上手難度，以環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集、分析為主。

2 混動(dòng)機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制

本文所述的混動(dòng)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)控制主要實(shí)現(xiàn)以下功能：在水中運(yùn)動(dòng)的過程中，可以根據(jù)混動(dòng)機(jī)器魚在水中不同的翻轉(zhuǎn)角來進(jìn)行閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，降低操作員的控制難度。因此，在控制算法中采用基于CPG 的控制算法，對(duì)混動(dòng)機(jī)器魚的每個(gè)動(dòng)力關(guān)節(jié)部分建立新的非線性振蕩器CPG 模型，通過調(diào)節(jié)CPG 模型參數(shù)使不同的動(dòng)力關(guān)節(jié)可以協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一鍵水平、一鍵快速下潛等功能。

螺旋漿推進(jìn)動(dòng)力和仿生推進(jìn)動(dòng)力不設(shè)置同時(shí)開啟的工作狀態(tài)，在螺旋槳推進(jìn)狀態(tài)下，仿生推動(dòng)的動(dòng)力效果將大大減弱，仿生推動(dòng)的作用效果不明顯，在水中因水的阻力效果明顯，螺旋漿推動(dòng)時(shí)的電池消耗會(huì)激增，因此，為增加水下的作業(yè)時(shí)間，不設(shè)置同時(shí)推動(dòng)狀態(tài)。

混動(dòng)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)控制的CPG 模型由3 層組成，分別為飽和層、振蕩器耦合層和輸出轉(zhuǎn)換層。飽和層將上層控制命令轉(zhuǎn)化為CPG 模型的具體控制輸入?yún)?shù)，這些參數(shù)通過耦合的神經(jīng)振蕩器作用，產(chǎn)生穩(wěn)定的CPG 信號(hào)，最后經(jīng)由轉(zhuǎn)換層將CPG 信號(hào)轉(zhuǎn)換為舵機(jī)和螺旋槳推進(jìn)器能夠識(shí)別的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而控制尾鰭擺動(dòng)和螺旋槳推進(jìn)。其中應(yīng)用的耦合振蕩器網(wǎng)絡(luò)表達(dá)式如下，狀態(tài)變量r、x分別為振蕩器在時(shí)間t內(nèi)的振幅、偏移：

3 未來應(yīng)用與創(chuàng)新

3.1 水環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)保護(hù)水資源和促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖都具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法有人工現(xiàn)定點(diǎn)采樣和建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，但不能全面反映整個(gè)水域的水質(zhì)狀況[3]。使用混動(dòng)機(jī)器魚對(duì)水質(zhì)參數(shù)按照物理、化學(xué)、生物進(jìn)行分類，具體分析濁度、透明度、色度、水溫、pH、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、農(nóng)藥、菌類、微生物等指標(biāo)[4]。通過擴(kuò)展的航插接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與對(duì)比。

上位機(jī)可實(shí)時(shí)讀取混動(dòng)機(jī)器魚當(dāng)前的姿態(tài)、壓傳、主控艙溫度、剩余電量和外設(shè)水質(zhì)傳感器的數(shù)值。使用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比處理，可實(shí)時(shí)檢測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，配合智能算法，可實(shí)現(xiàn)污染源尋跡，同時(shí)可根據(jù)設(shè)定的三維坐標(biāo)點(diǎn)或根據(jù)算法至濃度最高處進(jìn)行自動(dòng)三維定點(diǎn)采樣。

3.2 海洋作業(yè)與遠(yuǎn)洋漁業(yè)

遠(yuǎn)洋漁業(yè)中，對(duì)水域環(huán)境的信息采集和養(yǎng)殖狀態(tài)跟蹤采樣一直是水產(chǎn)養(yǎng)殖所面臨的問題，使用混動(dòng)機(jī)器魚可以適應(yīng)海浪和水下魚群環(huán)境，保持機(jī)器魚水下姿態(tài)可控，同時(shí)對(duì)水下魚類不造成任何機(jī)械性損傷。所配置的紅外傳感器，一定程度上可在水下養(yǎng)殖環(huán)境中進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)巡游，對(duì)水質(zhì)和魚類養(yǎng)殖情況進(jìn)行長(zhǎng)效實(shí)時(shí)的追蹤觀察。

3.3 創(chuàng)新迭代

在實(shí)踐過程中，因天氣因素對(duì)海洋作業(yè)環(huán)境造成一定影響，還需進(jìn)一步提高混動(dòng)魚在水下抗浪涌的程度，可根據(jù)海洋環(huán)境、湖泊環(huán)境，進(jìn)行不同公斤級(jí)的混動(dòng)水中機(jī)器魚研發(fā)設(shè)計(jì)。拓展更多的仿生種類，從單關(guān)節(jié)的仿生魚尾控制，到多關(guān)節(jié)的仿生魚尾控制，針對(duì)不同的水深環(huán)境，制作不同的可拓展魚尾，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的替換，增加水環(huán)境適應(yīng)度。

未來將重點(diǎn)研發(fā)和設(shè)計(jì)多混動(dòng)機(jī)器魚協(xié)同作業(yè)，擴(kuò)大水域作業(yè)面積并提高效率，充分發(fā)揮混動(dòng)機(jī)器魚的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大混動(dòng)機(jī)器魚的使用范圍，如水下搜救、消防作業(yè)等。在操作上，對(duì)操作手的操作控制進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，配置操作艙，進(jìn)行更多維度的水下機(jī)器人控制。同時(shí)在未來的海洋娛樂中，可以在陸地上駕駛水中機(jī)器魚進(jìn)行水下航拍探索。

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的混動(dòng)機(jī)器魚，采用高度集成的模塊化設(shè)計(jì)和整體開放布局的防水設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)備可分為5 個(gè)獨(dú)立的艙體，每個(gè)艙體均獨(dú)立密封，艙體之間由防水航插接口進(jìn)行通信與供電，配合螺旋槳推進(jìn)和仿生推進(jìn)的多種動(dòng)力形式，極大提高了其在水中的靈活性和機(jī)動(dòng)性，可使用螺旋槳推進(jìn)快速靠近目標(biāo)水域，節(jié)約能源，保護(hù)水中生物。解決小型水下機(jī)器人應(yīng)用范圍小、控制難度大及使用環(huán)境要求高的問題，可以將其應(yīng)用在不同的行業(yè)和領(lǐng)域，同時(shí)降低消費(fèi)者的購(gòu)買門檻。