一種用于水下探測的混動仿生機器魚

汪真西

（北京郵電大學，北京100876）

隨著深海戰略和科技的日益發展，水下機器人的研發與設計被人們廣泛關注，其中仿生動力機器人因其能夠自由運動、耗能低、續航能力強、能夠與上位機實現通訊等優點，可實現水下探測、水環境檢測等功能[1]，成為了設計與研究的重點。為了實現傳統設計的仿生機器魚的游動效果，大多將運動激振源靠近其尾部，設計制作單關節或多關節的舵機和舵機聯合擺動結構。雖然仿生的設計方式優勢明顯，但在海洋和負責水域作業中，中小型的仿生機器魚因復雜洋流和水環境不穩定因素，機動性和穩定性將大打折扣，巡游姿態難以平衡，無法在真實的海洋環境中得以應用。而大型仿生機器魚又因價格昂貴，使用成本高而無法普及。因此，本文設計了螺旋槳推進與單關節仿生結合的混合動力機器魚，以應對和提高復雜水域環境下的作業。

1 混合動力仿生機器魚總體設計

目前大多數水下檢測是使用水下傳感器人工進行，然后與標準值進行校對。同時，養殖業生產需要多個技術檢測指標，例如水下溫度、水溶解氧含量、水下的pH 值以及水環境的渾濁程度等，如果只是用單一的傳感器來進行檢測，并拿回實驗室再與標準數據做一一對比，很大程序上增加了勞動時間，而且效率不高，增加了勞動成本。至于深水檢測，則需要潛水員來完成[2]。因此混合動力仿生機器魚的總體設計和制作應從海洋、復雜水域作業的真實需求出發。主要針對水質水樣檢測、遠洋特種作業2 大作業方向，并適配多種復雜水環境作業，例如水下搜救、大壩巡檢等。混合動力仿生機器魚采用混合動力驅動。當混動機器魚處于靜水域中時，可采用尾翼驅動模式，便于節省電池功耗；當混動機器魚需要瞬時動力輸出、快速下潛或處于復雜水域且浪涌等級較高時，可采用傳統螺旋槳驅動模式，便于混動機器魚提升動力。

混動機器魚可提供豐富掛載平臺與外設接口，可靈活搭載各類水文信息探測設備，對水質進行實時分析檢測。通過自身的有纜傳輸將檢測到的水質參數生成可視化圖表實時傳輸到上位機，可適應水上、水中和水下不同深度的作業，保證信息及時有效。

1.1 混動魚基本組成

混動魚總體設計如圖1 所示。

圖1 混動魚總體設計

1.1.1 主控艙設計

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

STM32 單片機：采用擴展性和性能更強的STM32傳感器，以提供更多的擴展航插接口，滿足不同作業需求。

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

水壓傳感器：由于螺旋槳推力較大，在空氣中啟動對螺旋槳的損傷較大，因此使用水壓傳感器判斷設備是否在水中，以對應開啟螺旋槳，除此之外，對下潛深度進行實時監測。

紅外避障傳感器：在水質良好的情況下，可使用巡游模式，機器魚自主避開障礙物。

水質傳感器：預留防水航插接口，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），從而可將機器魚應用于不同領域，完成不同任務。

攝像頭：可供地面工作人員實時觀測水下情況時使用，便于控制混動仿生機器人魚。

1.1.2 姿態調節艙

在水中使用攝像頭對混動機器魚進行控制時，由于水環境不穩，對操作人員來說，控制難度較大；攝像頭傳輸圖像的延遲和攝像頭對環境的感光需要時間，在運動中，往往因為圖傳不夠清晰，很難對機器魚進行有效姿態的調整。因此，姿態調節艙的設計主要以自動調節為主。

姿態調節艙內安裝著重心調節裝置，結合PID 閉環控制，當混動機器魚受到浪涌作用，自身姿態發生變化時，重心調節裝置立即做出重心調節動作，從而保證機器魚自身姿態穩定。在機器魚巡游或穩定狀態下盡可能減少鏡頭的晃動，提升操作者的體驗感并使操控更加精準。

1.1.3 電池艙

因使用了混合動力形式，電力的消耗會比單一動力的消耗更大，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部空間規劃。

經過選型與測試，選擇配備4 000 mA 大容量的鋰電池，續航時間最長可達到6 h，輕松完成巡游、取樣、檢測工作。

1.1.4 動力配置

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

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

1.2 電氣系統組成

電氣系統是混動機器魚的重要組成部分，由供電單元、控制單元、處理單元和上位機組成，混動機器魚從外部感知環境，到處理單元對數據的處理，最后到控制單元執行相應動作，均依賴電氣系統之間的有效配合。電氣系統框圖如圖2 所示。

圖2 電氣系統框圖

混動機器魚采用的工作模式為在線模式，在水環境中作業時，混動機器魚的處理器僅對傳感器所采集的數據進行上傳和發送至上位機，處理單元不對所采集的數據進行分析。采集到的信息一并由上位機進行實時對比分析或保存。在線模式大大保證了混動機器魚在水中的系統穩定性，不會因為數據量大分析處理過慢，導致混動機器魚失控或程序宕機。

在程序設計中，以閉環電路控制為主，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行快速或復雜的姿態操控，因此設置簡單的操作按鍵進行姿態的控制，例如一鍵懸停、一鍵下潛到指定的深度、水中固定的區域進行巡游等，盡可能降低操作手的上手難度，以環境信息數據采集、分析為主。

2 混動機器魚運動控制

本文所述的混動機器魚的運動控制主要實現以下功能：在水中運動的過程中，可以根據混動機器魚在水中不同的翻轉角來進行閉環動態調節，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，對混動機器魚的每個動力關節部分建立新的非線性振蕩器CPG 模型，通過調節CPG 模型參數使不同的動力關節可以協調運動，從而實現一鍵水平、一鍵快速下潛等功能。

螺旋漿推進動力和仿生推進動力不設置同時開啟的工作狀態，在螺旋槳推進狀態下，仿生推動的動力效果將大大減弱，仿生推動的作用效果不明顯，在水中因水的阻力效果明顯，螺旋漿推動時的電池消耗會激增，因此，為增加水下的作業時間，不設置同時推動狀態。

混動機器魚的運動控制的CPG 模型由3 層組成，分別為飽和層、振蕩器耦合層和輸出轉換層。飽和層將上層控制命令轉化為CPG 模型的具體控制輸入參數，這些參數通過耦合的神經振蕩器作用，產生穩定的CPG 信號，最后經由轉換層將CPG 信號轉換為舵機和螺旋槳推進器能夠識別的驅動信號，進而控制尾鰭擺動和螺旋槳推進。其中應用的耦合振蕩器網絡表達式如下，狀態變量r、x分別為振蕩器在時間t內的振幅、偏移：

3 未來應用與創新

3.1 水環境的動態監測

水質監測對保護水資源和促進水產養殖都具有十分重要的意義。傳統的水質監測方法有人工現定點采樣和建立自動監測站點，但不能全面反映整個水域的水質狀況[3]。使用混動機器魚對水質參數按照物理、化學、生物進行分類，具體分析濁度、透明度、色度、水溫、pH、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、農藥、菌類、微生物等指標[4]。通過擴展的航插接口實現數據的采集與對比。

上位機可實時讀取混動機器魚當前的姿態、壓傳、主控艙溫度、剩余電量和外設水質傳感器的數值。使用上位機進行數據的對比處理，可實時檢測水質數據，配合智能算法，可實現污染源尋跡，同時可根據設定的三維坐標點或根據算法至濃度最高處進行自動三維定點采樣。

3.2 海洋作業與遠洋漁業

遠洋漁業中，對水域環境的信息采集和養殖狀態跟蹤采樣一直是水產養殖所面臨的問題，使用混動機器魚可以適應海浪和水下魚群環境，保持機器魚水下姿態可控，同時對水下魚類不造成任何機械性損傷。所配置的紅外傳感器，一定程度上可在水下養殖環境中進行定時定點巡游，對水質和魚類養殖情況進行長效實時的追蹤觀察。

3.3 創新迭代

在實踐過程中，因天氣因素對海洋作業環境造成一定影響，還需進一步提高混動魚在水下抗浪涌的程度，可根據海洋環境、湖泊環境，進行不同公斤級的混動水中機器魚研發設計。拓展更多的仿生種類，從單關節的仿生魚尾控制，到多關節的仿生魚尾控制，針對不同的水深環境，制作不同的可拓展魚尾，進行標準件的替換，增加水環境適應度。

未來將重點研發和設計多混動機器魚協同作業，擴大水域作業面積并提高效率，充分發揮混動機器魚的優勢，擴大混動機器魚的使用范圍，如水下搜救、消防作業等。在操作上，對操作手的操作控制進行優化升級，配置操作艙，進行更多維度的水下機器人控制。同時在未來的海洋娛樂中，可以在陸地上駕駛水中機器魚進行水下航拍探索。

4 結論

所設計的混動機器魚，采用高度集成的模塊化設計和整體開放布局的防水設計，整個設備可分為5 個獨立的艙體，每個艙體均獨立密封，艙體之間由防水航插接口進行通信與供電，配合螺旋槳推進和仿生推進的多種動力形式，極大提高了其在水中的靈活性和機動性，可使用螺旋槳推進快速靠近目標水域，節約能源，保護水中生物。解決小型水下機器人應用范圍小、控制難度大及使用環境要求高的問題，可以將其應用在不同的行業和領域，同時降低消費者的購買門檻。