基于漁業(yè)養(yǎng)殖的清道夫型仿生機(jī)械魚設(shè)計(jì)

易 娜 ，賀雙旭 ，滕小祺 ，應(yīng)晟斌

（浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引言

我國(guó)養(yǎng)殖產(chǎn)量居世界第一，其中以螃蟹、蝦和牡蠣養(yǎng)殖為最。水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)水質(zhì)、水深、含氧量等都有一定要求，以螃蟹、蝦、牡蠣養(yǎng)殖為例：螃蟹喜歡生活在河灘上的洞穴和沙石水草中，水流不能急，不能有風(fēng)和陰涼，水深需要l m以上、水質(zhì)清潔；魚蟹混養(yǎng)是池塘養(yǎng)蟹的一種模式，要求水質(zhì)干凈，能夠有0.3 m左右透明度；養(yǎng)殖南美白對(duì)蝦適宜深度在1.5 m～2 m，排水系統(tǒng)良好，水質(zhì)干凈且溶氧量高；牡蠣養(yǎng)殖需要選擇潮流暢通、餌料豐富、風(fēng)浪平靜、水深在4 m 以上、鹽度較低的海區(qū)。人工養(yǎng)殖時(shí)，由于成本和技術(shù)原因，往往放養(yǎng)密度較大，水面又較小，因此除了增加增氧設(shè)施外，還需要一種小型設(shè)備，在不驚擾水產(chǎn)的情況下，可以近距離地觀察其活動(dòng)、生長(zhǎng)和吃食等情況，養(yǎng)殖戶可以據(jù)此立即進(jìn)行投料、換水等。仿生機(jī)械魚是將仿生學(xué)結(jié)合到漁業(yè)養(yǎng)殖領(lǐng)域，使監(jiān)測(cè)設(shè)備模擬魚類游動(dòng)，其小體積、高靈活性、低污染、無(wú)擾動(dòng)的特點(diǎn)，使其能在不同的水域環(huán)境中進(jìn)行水下監(jiān)測(cè)。所設(shè)計(jì)的清道夫型仿生機(jī)械魚主要用于水下漁情分析、定位、查詢和水下觀光[1-10]。

1 清道夫型仿生機(jī)械魚主要性能指標(biāo)和功能

清道夫型仿生機(jī)械魚性能指標(biāo)如表1 所示，主要功能如下。

表1 清道夫型仿生機(jī)械魚性能指標(biāo)

1）隱形。仿生清道夫魚型設(shè)計(jì)在任何狀態(tài)下都不會(huì)驚擾養(yǎng)殖水產(chǎn)。

2）動(dòng)力。由螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合舵面轉(zhuǎn)向產(chǎn)生推力和方向控制。

3）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。能夠隨時(shí)工作，看清水下情況，便于觀察水產(chǎn)活動(dòng)、生長(zhǎng)和吃食情況。

4）水下檢查。能夠進(jìn)行水質(zhì)探測(cè)，近距離觀察所投喂的飼料、藥品以及水產(chǎn)的食用情況，防止外來(lái)物種入侵或人為惡意投毒。

5）搭載掛鉤。可實(shí)現(xiàn)近距離精準(zhǔn)投料，觀察水產(chǎn)的喜好。

6）可擴(kuò)展接口?？蓪?shí)現(xiàn)搭載多種搜尋、探測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器快速就位，查明水域深度、水下溫度、水壓、水流方向、流速和水質(zhì)等情況。

7）配備照明顯示控制系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)水下圖像的還原、增強(qiáng)、處理功能，可適應(yīng)各種復(fù)雜黑暗水域的工作。

2 設(shè)計(jì)的基本思路

根據(jù)研究背景，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)聚焦在螃蟹、蝦、牡蠣的養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)觀光的角度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)潛水器設(shè)計(jì)。

2.1 整體設(shè)計(jì)

仿生機(jī)械魚的整體設(shè)計(jì)需要解決以下問題。

1）結(jié)構(gòu)問題。根據(jù)伯努利原理，仿生機(jī)械魚的外形采用流線型結(jié)構(gòu)，使其在運(yùn)動(dòng)中可以有效減少水的阻力，從而節(jié)約能源。在進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)時(shí)，該問題是必須要考慮的因素。

2）動(dòng)力控制問題。為了保證仿生機(jī)械魚能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、左右轉(zhuǎn)彎、上浮和下潛等各種游姿，需要探究仿生機(jī)械魚的有效動(dòng)力與控制策略，用不同的“電機(jī)+螺旋槳”來(lái)進(jìn)行方向控制。

3）實(shí)時(shí)通信問題。實(shí)時(shí)通信是仿生機(jī)械魚水下運(yùn)動(dòng)和陸上控制平臺(tái)的連接橋梁，它可以實(shí)時(shí)把仿生機(jī)械魚游動(dòng)采集到的數(shù)據(jù)和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況傳送到控制平臺(tái)，同時(shí)能夠?qū)鞲衅魇占男畔鬟f到控制平臺(tái)。

2.2 局部設(shè)計(jì)

1）外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖1 所示，根據(jù)伯努利原理，仿生機(jī)械魚的外形采用流線型結(jié)構(gòu)，目前大部分潛水器是類似于潛艇的回轉(zhuǎn)細(xì)長(zhǎng)體[10]。隨著仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，仿魚類形態(tài)甚至是運(yùn)動(dòng)方式的潛水器將會(huì)不斷發(fā)展，本設(shè)計(jì)主體結(jié)構(gòu)為流線型回轉(zhuǎn)細(xì)長(zhǎng)體，仿生機(jī)械魚外觀如圖2所示。

圖1 伯努利原理

圖2 仿生機(jī)械魚外觀

2）動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。為了保證仿生機(jī)械魚能夠?qū)崿F(xiàn)直線前進(jìn)與后退運(yùn)動(dòng)、左右轉(zhuǎn)彎、快速上浮和下潛等各種游姿。本設(shè)計(jì)采用三臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力，其中兩臺(tái)安裝在仿生機(jī)械魚尾部，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械魚的前進(jìn)與后退、左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)；另一臺(tái)電機(jī)安裝在仿生機(jī)械魚的中部重心處，并從中設(shè)置通道，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和傘齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)魚的上浮和下潛運(yùn)動(dòng)，該部分采用密封防水設(shè)計(jì)。仿生機(jī)械魚裝配如圖3所示，遠(yuǎn)程遙控器外觀如圖4所示。

圖3 仿生機(jī)械魚裝配

圖4 仿生機(jī)械魚遠(yuǎn)程遙控器外觀

3）控制部分設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過遙控的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)電機(jī)的控制，控制部分采用密封防水設(shè)計(jì)。清道夫型仿生機(jī)械魚電氣原理如圖5所示。

圖5 清道夫型仿生機(jī)械魚電氣原理

4）通信單元設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的通信單元主要用于水下圖形、圖像的反饋，采用剛性有線電纜拖曳的方式進(jìn)行通信，此部分采用密封防水設(shè)計(jì)。

5）附件設(shè)計(jì)。如圖6 所示，仿生機(jī)械魚在頭部設(shè)計(jì)有魚餌鉤、磁力吸盤、探頭輔助器、固定器等附件。對(duì)于重量較輕和體積較小的物件可以在發(fā)現(xiàn)后直接獲取。頭部的連接與仿生機(jī)械魚的結(jié)構(gòu)骨架是整體，不影響仿生機(jī)械魚的強(qiáng)度。

圖6 仿生機(jī)械魚附件

6）照明單元設(shè)計(jì)。在攝像頭周圍設(shè)計(jì)有6 個(gè)LED燈，并可調(diào)節(jié)亮度，本部分采用密封防水設(shè)計(jì)。

7）材料設(shè)計(jì)。除了電氣和動(dòng)力部分外，其余材料采用ABS塑料或PS 塑料，以減輕重量，節(jié)約能源。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

本課題研究背景和設(shè)計(jì)思路決定了產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)在以下方面。

1）仿生技術(shù)。依據(jù)伯努利原理，為減小運(yùn)動(dòng)中的水阻力，潛水器的外形采用流線型魚形設(shè)計(jì)。

2）材料技術(shù)。由于其重點(diǎn)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)觀光，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間水下作業(yè)有要求，考慮到具體作業(yè)環(huán)境，作業(yè)時(shí)間至少需要30 min 以上。因此，仿生機(jī)械魚的主體材料需要選用密度小、耐海水腐蝕、噪聲小的輕質(zhì)復(fù)合材料。

3）通信技術(shù)。由于螃蟹、蝦、牡蠣的養(yǎng)殖水深最多只有4 m～5 m，為了有效監(jiān)測(cè)、傳輸數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目的通信方式主要采用雙絞線電纜，成本低、響應(yīng)快，選擇長(zhǎng)度為15 m 的電纜。

4）密封技術(shù)。本課題應(yīng)用背景決定了該產(chǎn)品在0.5 h 水下作業(yè)能夠滿足要求。難點(diǎn)在于水下航行時(shí)不能短路，因此，產(chǎn)品的防水密封很重要。

上述技術(shù)在本設(shè)計(jì)中均有采用。至于智能控制技術(shù)、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)以及水下導(dǎo)航（定位）技術(shù)等非本項(xiàng)目重點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中沒有采用，可在應(yīng)用中視市場(chǎng)需要酌情開發(fā)。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

本研究設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械魚體積不大，但由于結(jié)構(gòu)原因自身具有一定的質(zhì)量（200 g），在水下運(yùn)動(dòng)速度不需要太快。考慮到水下作業(yè)需要六向移動(dòng)，故而在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的因素是整體質(zhì)量、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、螺旋槳尺寸等產(chǎn)生的推力。通常一個(gè)螺旋槳在不同轉(zhuǎn)矩的電機(jī)下產(chǎn)生的推力不同，不是越大越好，也不是越小越好。直接影響螺旋槳性能的主要參數(shù)如下。

1）直徑D：相接于螺旋槳葉尖的圓的直徑。通常，直徑越大，效率越高，但直徑往往受到吃水和輸出轉(zhuǎn)速等限制。

2）槳葉數(shù)N。

3）轉(zhuǎn)速n：每分鐘螺旋槳的轉(zhuǎn)數(shù)。

4）螺距P：螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離，指理論螺距。

5）滑失率：螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周，仿生機(jī)械魚實(shí)際前進(jìn)的距離和螺距的差值與螺距之比。

6）螺距比：螺距與直徑的比（P/D），一般在0.6～1.5。通常，高速輕載船選取的值比較大，低速重載船選取的值比較小。

7）盤面比：各槳葉在前進(jìn)方向上的投影面積之和與直徑為D的圓面積之比。通常，高轉(zhuǎn)速的螺旋槳所取的比值小，低速、大推力的螺旋槳所取的比值大。例如，拖輪的螺旋槳盤面比大于1.2，甚至更大的情況也不少見。

對(duì)于仿生魚等小型潛水器而言，可以參考公式（1）。

式中：F推力—螺旋槳推力，單位N；D—螺旋槳直徑，單位cm；S—螺距，指螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈推動(dòng)距離，單位cm；L—螺旋漿寬度，單位cm；N—電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位rad/s；P—大氣壓力（1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，1 000 m 以下基本可以取1）；f—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（0.000 25）。

本項(xiàng)目螺旋槳直徑1 cm，螺距30 cm，螺旋漿最大寬度0.5 cm，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速30 rad/s，計(jì)算可得：

F推力=(D×S×L×N2×P×f×1 0)×9.8/1 0 0 0=(1×30×0.5×302×1×0.000 25×10)×9.8/1 000=0.33 N，如果前進(jìn)和后退采用兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)作用，則可產(chǎn)生推力F推力=2*0.33=0.66 N。

由上述計(jì)算可知，上浮下潛用一臺(tái)電機(jī)能產(chǎn)生0.33 N 的推力，前進(jìn)和后退兩臺(tái)電機(jī)能產(chǎn)生0.66 N的推力。由于物體在水中或多或少都會(huì)產(chǎn)生浮力，所以本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中只要電機(jī)選用合適，就符合設(shè)計(jì)要求。

4 使用方法及使用性能分析

4.1 使用方法

1）提前1 h 將仿生機(jī)械魚充好電，如果需要投喂餌料，也要提前備好。

2）把清道夫型仿生機(jī)械魚的數(shù)據(jù)線連接到手機(jī)顯示屏或電腦顯示器等設(shè)備上。

3）將遙控器及手機(jī)通過連接器整體裝配起來(lái)，如圖7 所示，成為一個(gè)整體，調(diào)節(jié)旋鈕開關(guān)檢查燈光是否正常。

圖7 清道夫型仿生機(jī)械魚全套系統(tǒng)

4）將清道夫型仿生機(jī)械魚放入水中，在所需的水域進(jìn)行探索，尋找水產(chǎn)；操作人員可在岸邊或船上操作遙控器，通過屏幕確定仿生魚的姿態(tài)和行進(jìn)方向來(lái)搜索并觀測(cè)水產(chǎn)；也可利用其頭部掛鉤鉤住餌料（藥品）觀察水產(chǎn)吃食的情況；當(dāng)水中亮度不足時(shí)，可調(diào)節(jié)旋鈕開關(guān)打開燈光進(jìn)行補(bǔ)光。

4.2 性能分析

如圖8 所示，經(jīng)過實(shí)際下水測(cè)試，清道夫型仿生機(jī)械魚的結(jié)構(gòu)合理，采用可拆卸零部件，水密性好；整套系統(tǒng)的可裝配性與工藝性好；操作簡(jiǎn)單方便。圖9（a）、圖9（b）分別是用本裝備觀察白天和夜間水下漁情的照片。

圖8 下水測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖9 水下漁情

5 創(chuàng)新點(diǎn)

1）采用了清道夫魚的流線型輪廓。一方面，水阻低，可節(jié)約能耗；另一方面，在進(jìn)行漁情調(diào)查或水下環(huán)境調(diào)查時(shí)，隱蔽性強(qiáng)且不易被其他品種的大魚食用。

2）水下可視化。仿生清道夫魚自帶照明和水下探頭，當(dāng)水中能見度低時(shí)，可以人為調(diào)節(jié)光源亮度，以看清水下狀況，適用于所有水下場(chǎng)景。

3）仿生機(jī)械魚頭部的附件可進(jìn)行拆卸、改裝和擴(kuò)展。可實(shí)現(xiàn)使用不同的餌料喂養(yǎng)水產(chǎn)的功能。

6 結(jié)語(yǔ)

清道夫型仿生機(jī)械魚具有適用面大、成本低、能耗小、運(yùn)動(dòng)范圍廣、能在機(jī)動(dòng)性能要求比較高的水下環(huán)境工作等優(yōu)點(diǎn)，使用它可以進(jìn)行水下漁情分析、定位、查詢，且具有水下觀光等功能。但智能控制技術(shù)、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)以及水下導(dǎo)航（定位）技術(shù)等非本研究重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中沒有采用，后期可根據(jù)產(chǎn)品在應(yīng)用市場(chǎng)中的需要酌情開發(fā)。該產(chǎn)品市場(chǎng)化后成本不高，銷售價(jià)格也不高，符合農(nóng)村市場(chǎng)購(gòu)買力。