李源 張麗

摘 要：本設(shè)計構(gòu)想旨在設(shè)計一種仿生蝠鲼外形，自帶動力，并且具有一定生命保障能力，能夠?qū)崿F(xiàn)水下記錄等各種水下任務(wù)的潛水輔助系統(tǒng)。仿蝠鲼推進系統(tǒng)由兩側(cè)的螺旋槳推進器以及均勻分布在四個方向的舵機組成，在水下平面運作時，由螺旋槳推進器發(fā)動產(chǎn)生主要推力，同時舵機配合轉(zhuǎn)動模仿蝠鲼的運動方式配合螺旋槳的推進，使得操作者能夠在水平面方向自由游動;在水中升降運動時，能夠前兩舵機改變舵機的朝向，從而有效地產(chǎn)生豎直方向的推力。最終，這種潛水輔助系統(tǒng)可以完成水下全方位運動的運動輔助。

關(guān)鍵詞：仿生;蝠鲼;水下推進器

0 引言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）無論在軍事上還是在國民經(jīng)濟上都有著廣泛的應(yīng)用。世界各國在水下機器人領(lǐng)域，特別是深海作業(yè)設(shè)備研究方面做了大量工作，取得了相當(dāng)?shù)某删汀?/p>

隨著科技的發(fā)展和人均收入的不斷提高，潛水已經(jīng)成為了廣大人民群眾喜聞樂見的一種體育運動，走進水中世界已經(jīng)不再是一個心愿，而是一份能夠讓人切切實實感受到的浪漫。然而隨著潛水運動的不斷普及，潛水裝備已經(jīng)成為了一種利潤與商機都十分巨大的市場。

對于廣大消費者而言，傳統(tǒng)的潛水基礎(chǔ)培訓(xùn)費用和與其相伴的潛水裝備費用始終是一筆十分巨大的開銷，為此，我們希望研發(fā)這款潛水輔助設(shè)備。首先，能夠大大縮短潛水培訓(xùn)的周期;其次，能夠減少潛水員在水下作業(yè)時的運動量從而減少氧氣消耗量;同時，還能夠搭載多種任務(wù)化模塊來滿足不同的潛水人員的任務(wù)或者娛樂需求。

1 設(shè)計方案

這種新型的風(fēng)能海浪能補償發(fā)電機由以下三個部分組成：機械結(jié)構(gòu)部分、電子硬件部分以及軟件與應(yīng)用部分。

1.1 機械結(jié)構(gòu)部分

機械結(jié)構(gòu)部分由三維建模軟件設(shè)計而成。利用solidworks軟件進行外殼以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，完成電機的選型，推進器的制造，舵機的選型以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，同時，還要對所設(shè)計各個部件以及整個裝配體進行分析，其中包括：干涉檢查、縫隙計算、零件屬性分析、姿態(tài)分析、整體靜力學(xué)分析、流體力學(xué)分析以及校核各個零件和整個機體的強度。

1.2 電子硬件部分

電子硬件部分主要由下位機控制板和各類水下傳感器組成。建電子系統(tǒng)，能夠控制整個機體的姿態(tài)和航行速度以及其他外掛設(shè)備，并且為整個系統(tǒng)提供電力，利用微處理器對各個部分進行控制，最后將航行狀況與信息集成在便攜面板上，可供潛水人員時刻掌握潛水狀況。

該系統(tǒng)的通信模塊則使用藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊具有較高的普及度，如果開發(fā)出相應(yīng)APP，可以利用手機之類的終端對水下機器人進行控制。藍(lán)牙模塊可以通過串口與主控板進行通信，通信較為方便。

傳感器部分：MS5803-14BA微型壓力傳感器/水深測量，用來控制機器魚的下潛深度，也可以在將來需要更多功能時（比如姿態(tài)控制）加上相應(yīng)芯片來實現(xiàn)定制化功能，可以根據(jù)客戶需求進行拓展;攝像頭模塊采用OV6620 CMOS圖像傳感器，該傳感器具有運用高級算法抑制高光溢出、消除拖尾、消除固定模式噪聲（FPS）等專利技術(shù)，并且可以編程所有的攝像機功能。

1.3 軟件與應(yīng)用部分

開發(fā)對應(yīng)上位機，實現(xiàn)通過上位機來控制功能模塊，并且能夠采集潛水?dāng)?shù)據(jù)以及潛水員生命體征。還有對應(yīng)軟件，能夠記錄裝置的航行狀況，為檢修和重復(fù)使用提供便利。

2 具體功能

我們提出的仿生蝠鲼潛水輔助系統(tǒng)，通過上述設(shè)計，可以實現(xiàn)以下功能：能夠解放潛水員雙手的水下潛水輔助設(shè)備，自帶動力，潛水員在水下消耗體力極大地減少，從而達(dá)到延長其工作時間，提升工作效率的作用。此外仿生的外形設(shè)計即仿蝠鲼外形設(shè)計，能夠搭載更多設(shè)備，同時減小航行阻力，增大橫滾阻力防止其發(fā)生翻滾。輔助系統(tǒng)中還有生命特征實時監(jiān)測，內(nèi)置心率傳感器，呼吸傳感器等監(jiān)測生命體征傳感器，實時監(jiān)測潛水員的生命體征，遇到異常情況可觸發(fā)保護系統(tǒng)，在保證不會對潛水員造成二次傷害的情況下快速返回水面，而在沒有潛水員進行操作時可以作為ROV（Remote Operated Vehicle即無人水下航行器），具備一定的獨立航行能力。

因此，仿生蝠鲼潛水輔助系統(tǒng)在有人或無人操作的情況下都能夠發(fā)揮水下輔助工作及探測的任務(wù)，在有人員操作時能夠輔助水下潛水員在水下快捷方便地運動并且解放潛水員的雙手，進行各種水下工作。

3 結(jié)論

本文闡述了一種仿蝠鲼潛水輔助系統(tǒng)的設(shè)計方案，利用背包式的推進系統(tǒng)解放潛水員的雙手，從而實現(xiàn)提高水下工作效率目的，利用兩個自由度的螺旋槳推進裝置完成潛水員在水下的全方位移動以及豎直方向的沉浮運動。

先進科技迅速地發(fā)展，人均收入不斷提高，潛水已經(jīng)成為了廣大人民群眾喜聞樂見的一種體育運動。潛水培訓(xùn)的周期較長，專業(yè)潛水員的訓(xùn)練要求也相當(dāng)高，而此類的潛水輔助設(shè)備正可降低這類運動的培訓(xùn)門檻，便于潛水的普及推廣，同時專業(yè)的潛水員也可以借助這套系統(tǒng)更加有效地進行水下作業(yè)。因此，我們這套海浪能、風(fēng)能補償發(fā)電的設(shè)計方案在潛水行業(yè)迅速發(fā)展的今天有著很大的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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