一種新型波浪觀測系統
——測波魚的設計

曹娟，趙西增，曹露，夏志盛

（1.浙江海洋大學a.船舶與海運學院；b.海洋工程裝備學院,浙江 舟山 316022;2.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021；3.山東能源集團新能源有限公司,濟南 250014）

0 引言

海洋波動是海水運動的主要形式之一，波動能量巨大是船舶、海洋平臺和近海工程等結構受損及變形的主要原因[1]。因此，波浪是海洋工程建設、海洋災害預防和航海安全等領域中必須要考慮的環境要素，監測波浪的變化并研究其運動規律則顯得非常重要。近幾十年來，人類對海洋開發活動的增加促進了海洋觀測方法的研究和儀器設備的研制[2]。隨著國內外海洋波浪觀測技術的飛速發展，波浪觀測儀器也逐步更新換代，趨向智能化。常用的儀器有測波桿、波浪測量浮筒浮標、聲學測波儀等。但這幾類波浪觀測儀器在惡劣環境下的測量精度不高，尤其是在遭遇臺風、海嘯等惡劣天氣時，不能及時回收，容易丟失或損壞。雖然坐底式測波儀可以解決海面大風浪對觀測系統的破壞問題，但其需要安裝在水下或海底，不易安裝而且維護起來人力物力成本巨大[3]。隨著計算機水平、傳感器技術、智能控制水平的提高，水下機器人的發展前景大好，基于魚類的特性，仿生機器魚的研究也相繼開展，設計的仿生機器魚不僅能模擬魚類游動，而且體積小、靈活高效、低污染、低擾動，并且國內現已有成熟的機器魚技術[4]。

目前現有的一種水下巡邏機器魚，通過調節推進器與機器魚魚身的角度，實現機器魚的轉向或掉頭，使其具有靈活的機動性，通過調節可調節槳葉中葉片的角度，使得葉片的角度與當前的水流的方向、水流速度及機器魚本身的速度相適應，從而使機器魚保持最佳運動狀態，但其并不具有波浪觀測系統和智能化控制裝置。基于此，本文設計一種新型波浪觀測系統——測波魚，將波浪觀測要素搭載到仿生機器魚的身上，以解決現有裝置中無法在極端天氣下完成波浪監測和智能化控制能力低下的問題。

1 系統總體設計

基于已有的仿生機器魚，本文將研究波浪觀測系統的搭載，提出利用仿生機器魚實現波浪要素觀測的方案。仿生機器魚主要由機器魚實體模型、主控制模塊、機器魚運動模塊、無線通信模塊、感知模塊和供電模塊等幾部分組成。規劃好目標觀測點后，仿生機器魚通過GPS定位技術確定與目標點之間的方位[5]，紅外傳感器檢測周圍障礙物，由STM32微控制器驅動機器魚前進轉向、上浮下潛，到達目標點后波浪監測系統開始工作，采集波浪數據并儲存，同時通過Lora無線通信模塊傳輸到上位機，達到在極端天氣下對波浪的實時監測目的。該新型波浪觀測系統框架如圖1所示。

圖1 新型波浪觀測系統框架圖

2 測波魚的硬件設計

2.1 整體結構設計

本文所設計的測波魚主要包括主艙體、底防護艙、控制艙、穩固裝置及浮力控制組件。主艙體具有流線型外殼結構，可減少水下運動的阻力，底防護艙設置在其底部，頂部設有控制艙，控制艙上部設有穩固裝置，在底防護艙下方設有浮力控制組件，浮力控制組件通過連接件與底防護艙的底部固定連接。在主艙體的一側壁上裝有攝像機，主艙體的外側壁上設有側鰭，側鰭下方加推進器，超聲波探頭和探照燈設置在控制艙的內側壁，同時蓄電池、單片機、第一電動機也設置在控制艙內部，第一電動機的輸出端與尾鰭相連接，測波裝置在底防護艙，便于收集波浪數據。該測波魚的整體結構如圖2所示。

圖2 測波魚整體結構示意圖

圖3 測波魚主剖圖

該測波魚利用壓力傳感器和紅外傳感器形成波浪檢測模塊和自主避障模塊，并且搭載Lora無線通信模塊和GPS定位模塊，可以把相應的數據傳輸到單片機，同時接收單片機的控制指令來執行任務。該測波魚能夠自由地運動，耗能低，續航能力強，可長時間在水下工作，實時傳送波浪數據；探照燈可以在水底光線較差的情況下提供光照，輔助攝像機對畫面進行拍攝，超聲波探頭和紅外傳感器則可以進行測距預警，實現測波魚自主避障功能。側鰭下方的推進器，可以使得該測波魚在水中加速運動，同時也可以通過第一電動機帶動尾鰭的擺動，從而模仿魚類的游動來控制方向。

2.2 測波裝置

該測波魚的測波裝置采用壓力式測波原理，將壓力傳感器安裝在底防護艙下方，通過測量水下壓力的變化，然后轉換成波高，記錄波浪的起伏運動，再經由上位機數據處理，得到波高和波周期數據。

本設計所使用的是測量準確度較高的集成壓電傳感器，低功耗，防水膠保護，直接與測波魚魚身表面貼裝。壓力傳感器體積小、易于安裝，所依托的仿生機器魚在水下活動，避免了海面上風浪的影響，并且可以長期連續觀測波浪數據。

2.3 穩固裝置

穩固裝置包括導流條和3個背鰭，導流條為板狀結構且與控制艙表面貼合，第一背鰭設于控制艙的頂部外側壁，第二背鰭和第三背鰭皆設于導流條上表面，一前一后，3個背鰭缺一不可。

通過穩固裝置的設置，能夠提高測波魚在水中的平衡性，使測波魚在水中保持直立狀態，避免測波魚左右傾斜晃動，有利于提高測波魚的機動性；除此之外，逐級設置的第一背鰭、第二背鰭、第三背鰭，通過其流線型結構外形，有助于降低測波魚行進過程中的水阻，同時也可以避免水草等纏繞魚身。

2.4 浮力控制組件

浮力控制組件具有內部中空的圓柱體結構，前端設有弧形板狀結構的防護板，內部設有密封板，防護板與密封板之間形成封閉水艙，密封板靠近防護板的一側面上設有水下專用插頭；密封板的另一側面設有調節艙，調節艙內有第二電動機，第二電動機的輸出軸上連接有絲桿，絲桿的另一端與活塞相連接，活塞的側面設有O形圈，形成油腔；浮力控制組件的后端為出油管，出油管與油腔相連接；出油管的側面周向設有若干個油囊，油囊的端部與出油管的側壁貫通連接，并且兩個相鄰油囊之間設有葉板，葉板與出油管的側壁滑動連接，方便拆卸。浮力控制組件的局部剖視圖如圖4所示。

圖4 浮力控制組件的局部剖視圖

一方面，該浮力控制組件可以實現測波魚底部的重心配重，保持其重心穩定性，有助于配合測波魚頂部的穩固裝置來保證測波魚在水中的平穩運動，也利于測波魚上各部件獲取的數據精準性，例如自主避障模塊的紅外感應準確度、攝像機拍攝畫面的清晰度等；另一方面，通過浮力控制組件一端部出油管的設計，實現多油囊控制浮力，增大了浮力可調節的范圍。

兩相鄰油囊之間設置的葉板，一方面能夠對各個油囊起到一定的間距分隔，控制油囊形變范圍，避免油囊相互擠壓破裂，另一方面，在水流作用下，葉板能夠圍繞出油管的側壁旋轉或擺動，可以配合測波魚上的尾鰭來對裝置起到轉向或推進作用；葉板的設計也有助于降低油囊附近水體的流速，進而降低油在裝置行進過程中脫離出油管的概率。

3 測波魚的工作原理

如圖5所示，該測波魚通過感知層、決策層、信息交換層及執行層協同合作進行測波。在感知層，測波魚實時獲取外部信息、自身信息及目標信息，具體包括測波魚的系統資源、動力性能、導航信息、周圍環境及目標的感知和理解。在決策層，測波魚通過感知層獲取信息資源，決策層依據輸入信號與不同任務特有的控制策略，實現各種信息和指令的綜合判別，產生相應的控制指令，完成指定的作業任務。在信息交換層，系統將控制命令通過無線通信模塊傳送給測波魚，同時也可以將測波魚采集到的傳感信息及機器魚的內部執行狀態信息反饋回決策層。在執行層，接收來自決策層發來的命令，并執行相應的動作。

圖5 測波魚工作原理圖

進行測波時，首先通過編譯程序代碼計算起始位置與目標位置的航向角度、避障調整航向角度，到達指定位置開始進行波浪觀測；借助側鰭的推進器及尾鰭的擺動來實現推進和轉向功能，GPS定位模塊進行自主導航和任務完成自動返航，以及水下遇到障礙物時自主避障[6]；考慮到仿生機器魚在臺風、海嘯等惡劣天氣可能會損壞或者遺失，配備Lora無線模塊將數據實時地傳輸到上位機，除此之外每次數據傳輸后都會產生大量的數據堆積，將這些數據儲存到數據庫中[7]。

4 測波魚的可行性分析

該測波魚是在現有仿生機器魚的設計基礎上，增加波浪要素觀測系統，單片機作主控單元，將壓力傳感器收集的數據通過無線通信模塊上傳到上位機，整個波浪觀測過程無需人工參與，自動化程度高，技術上具備可行性。

該測波魚具有流線型外殼結構，在魚體頂部和底部分別設置了穩固裝置和浮力控制組件，防止測波魚左右傾斜晃動，減小水流阻力，保證測波魚在水中的平穩運動，提高測波魚的機動性和獲取數據的精準性，故在結構上具備可行性。

該測波魚所使用的單片機以及傳感器價格合理，性價比高，實用性強，可以長期工作。不僅適用于科研試驗，也可以應用在河流、近海等區域觀測波浪。利用仿生魚在水下進行波浪觀測，不會影響水下生物的正常活動，避免對原有的生態環境的破壞，節省了人力物力，同時具有很好的經濟生態效益，故在經濟上具備可行性。

5 結語

針對傳統測波儀器的不足，本文設計了一種新型波浪觀測系統——測波魚，介紹了該測波魚的設計理念及工作原理，詳細描述了測波魚的結構設計，并分析了該測波魚的可行性。測波魚集成感知模塊和無線通信模塊，可以遠距離觀測并傳輸波浪數據，與傳統波浪觀測方式相比，測波魚集成度更高，更加智能化，體積小且靈活度高，方便后期維護，節省人力物力。