關(guān)鍵詞： 海洋資源 仿生機(jī)器魚(yú) 傳感器 水質(zhì)檢測(cè)

水是生命之源。盡管我國(guó)擁有長(zhǎng)江、黃河等眾多河流、湖泊，以及豐富的海水資源，但人均水資源占有量是相當(dāng)匱乏的。因此，保護(hù)水資源刻不容緩，為了監(jiān)控水質(zhì)環(huán)境和保護(hù)生態(tài)，筆者設(shè)計(jì)了組合型推進(jìn)裝置的智能水質(zhì)與魚(yú)群監(jiān)測(cè)仿生魚(yú)，通過(guò)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)，制作一種組合型的推進(jìn)裝置能夠使機(jī)械魚(yú)的運(yùn)動(dòng)效率更高，更加靈活、更接近真實(shí)。并且可在其內(nèi)部裝備有探測(cè)傳感器，可以發(fā)現(xiàn)水中的多種污染物，如輪船泄漏的燃油或其他化學(xué)物等，能夠使相關(guān)部門(mén)（如水務(wù)局）及時(shí)了解水質(zhì)情況并及時(shí)采取措施[1]。

1 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器魚(yú)現(xiàn)狀

隨著水資源的減少和水產(chǎn)業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需要，國(guó)內(nèi)外都出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的水質(zhì)檢測(cè)產(chǎn)品。20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)、德國(guó)等開(kāi)發(fā)了水質(zhì)檢測(cè)儀來(lái)檢測(cè)水的相關(guān)數(shù)據(jù)并取得了不錯(cuò)的效果[2]。但相關(guān)產(chǎn)品基本都是用于養(yǎng)殖業(yè)，采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法、儀器法和實(shí)驗(yàn)室法等。這些方法雖然精度較高，但是成本高、設(shè)備大，難以攜帶監(jiān)測(cè)水下的各個(gè)方位，因此不太適合直接監(jiān)測(cè)。從國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展比國(guó)外晚10 年左右，發(fā)展相對(duì)較慢，基本采用人工測(cè)定的方法，這種方法精度不高并且效率較低。近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)在各個(gè)領(lǐng)域取得了巨大成就，自動(dòng)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了很好的發(fā)展，這為水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)提供了良好的技術(shù)條件。

2 仿生機(jī)器魚(yú)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)結(jié)合仿生學(xué)原理，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)分析、控制運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化水產(chǎn)養(yǎng)殖，外形酷似真魚(yú)，減少對(duì)魚(yú)塘生態(tài)環(huán)境的影響，水質(zhì)傳感器可根據(jù)不同的需求進(jìn)行搭載[2]。

首先，將機(jī)器魚(yú)的各個(gè)組成模塊，包括攝像頭模塊、魚(yú)體開(kāi)關(guān)模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊和電池控制模塊，封閉在一個(gè)密封的外殼中；其次，將電池控制部分、胸鰭模塊和尾部驅(qū)動(dòng)模塊密封起來(lái)；最后，用與內(nèi)部空間大小相適應(yīng)的橡膠覆蓋和密封，它的布局如圖1 所示[3]。在日常生活中所見(jiàn)的魚(yú)大都是靠尾鰭的波動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自由游動(dòng)，通過(guò)控制尾鰭的波動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向等功能，而振源是尾部波動(dòng)形成的必要因素，也就是說(shuō)，需要尾部產(chǎn)生一個(gè)周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，選擇了球形曲柄滑塊機(jī)構(gòu)推進(jìn)裝置將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成為搖桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)角度搖桿，將輸入旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為搖桿的角振動(dòng)，絲桿使滑塊軸向移動(dòng)，從而改變搖桿的輸出角度[4-5]。舵機(jī)的電機(jī)軸與金屬舵臂相連接，使魚(yú)鰭轉(zhuǎn)動(dòng)的中心固定在兩舵機(jī)對(duì)角線的中點(diǎn)，通過(guò)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制胸鰭的輸出方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)械魚(yú)的上浮下潛。

3 仿生機(jī)器魚(yú)電路設(shè)計(jì)

接通電源后，內(nèi)藏于魚(yú)身的單片機(jī)組件上電，系統(tǒng)接通，系統(tǒng)接通后，各傳感器部件與通信模塊部件等上電進(jìn)入工作狀態(tài)，舵機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。通過(guò)遠(yuǎn)程控制舵機(jī)的方向，可以使仿生魚(yú)的游動(dòng)方向變更。圖2 所展示的是系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖。

雖然最小系統(tǒng)板載了一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器，但要測(cè)量的是水下溫度。內(nèi)部溫度傳感器主要測(cè)量的是芯片工作溫度的變化程度，精度不高并且無(wú)法測(cè)量水下溫度，因此，建議選用帶有探頭的DS18B20 溫度傳感器[6]。此傳感器容易與單片機(jī)對(duì)接，價(jià)格便宜，廣泛應(yīng)用于當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域，符合該設(shè)計(jì)要求，其主要參數(shù)具體見(jiàn)表1。

仿生機(jī)器魚(yú)內(nèi)部搭配SUNLEPHANT 公司的濁度傳感器，可以發(fā)現(xiàn)水中的多種污染物，如輪船泄漏的燃油或其他化學(xué)物等，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)[7-8]。

濁度傳感器采用散射光式濁度測(cè)量法原理設(shè)計(jì)制作而成。在傳感器采集信息時(shí)，當(dāng)一束光束射入水樣，由于水樣中濁度物質(zhì)使光產(chǎn)生散射，通過(guò)測(cè)量與入射光垂直方向的散射光強(qiáng)度，并與內(nèi)部標(biāo)定值比對(duì)，從而計(jì)算出水樣中的濁度，經(jīng)過(guò)線性化處理輸出最終值。

濁度是衡量介質(zhì)中懸浮性顆粒物對(duì)光線阻礙程度的指標(biāo)。懸浮顆粒對(duì)入射光會(huì)產(chǎn)生不同方向的散射，其中90°散射光受顆粒物尺寸影響較小，常被用作濁度測(cè)量。光源發(fā)射860 nm 紅外光，在90°方向檢測(cè)散射光強(qiáng)度，變送器根據(jù)檢測(cè)的散射光強(qiáng)計(jì)算濁度。濁度傳感器模塊將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理，該款模塊具有模擬量和數(shù)字量輸出接口，模擬量可通過(guò)單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣處理，以獲知當(dāng)前水的污濁度。此款濁度傳感器廣泛應(yīng)用于飲用水處理系統(tǒng)濁度監(jiān)測(cè)、飲用水管網(wǎng)濁度監(jiān)測(cè)、膜處理工藝中過(guò)濾膜狀態(tài)監(jiān)測(cè)、灌裝水（瓶裝水、桶裝水）系統(tǒng)濁度監(jiān)測(cè)、直接飲用水系統(tǒng)濁度監(jiān)測(cè)、食品和飲料行業(yè)的過(guò)程工藝水濁度監(jiān)測(cè)、制藥過(guò)程工藝水、廢水排放口（清水）濁度監(jiān)測(cè)、地表水、市政污水、工業(yè)廢水、污水處理、自來(lái)水廠、過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。

傳感器系統(tǒng)電路原理圖具體見(jiàn)圖3。

采用FPV 600 MW 圖傳型號(hào)的圖像傳輸模塊進(jìn)行圖像傳輸，F(xiàn)PV 600 MW 共由以下幾個(gè)基本系統(tǒng)組成：機(jī)架、電機(jī)組成動(dòng)力系統(tǒng)；電池、電調(diào)組成供電系統(tǒng)；飛控，接收機(jī)組成控制系統(tǒng)；圖傳、天線、攝像頭，組成圖像傳輸系統(tǒng)。圖傳負(fù)責(zé)將攝像頭拍攝、飛控處理過(guò)的圖像傳到眼鏡上。圖傳有一個(gè)很重要的參數(shù)：功率。大部分圖傳是600 MW、800 MW，功率越大，圖傳的傳輸距離就越遠(yuǎn)，反之亦然。飛控就像人的腦子、電腦的處理器，處理著來(lái)自攝像頭、電調(diào)、接收機(jī)的各種信息。所以，大部分的信號(hào)線和供電都焊接在飛控上。FPV 600 MW 具有重量輕、尺寸小的特點(diǎn)，能夠節(jié)約機(jī)械魚(yú)的密封空間。除此之外，還具有頻點(diǎn)通用的特點(diǎn)，適用于1.2 GHz 通用頻段，TKT、百特、羅美等同頻段接收機(jī)皆可適用。該型號(hào)的圖像傳輸模塊還具備功率足、耗電小、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)，使其在水下運(yùn)作時(shí)的續(xù)航能力得到了保證，并且能夠防止電路因熱量過(guò)大而被燒毀[9]。

4 仿生魚(yú)的實(shí)際應(yīng)用

4.1 環(huán)境測(cè)試應(yīng)用

水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，目前大多數(shù)地區(qū)采用浮標(biāo)式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，測(cè)量各種生態(tài)環(huán)境水質(zhì)參數(shù)，但此監(jiān)測(cè)方法存在耗費(fèi)資金大、監(jiān)測(cè)范圍小的缺點(diǎn)。嘗試用機(jī)器魚(yú)放入水中進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)可以有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)大面積監(jiān)測(cè)，并節(jié)約成本。

4.2 發(fā)現(xiàn)污染源

許多制造廠商將污水排水管隱藏起來(lái)，用以逃避相關(guān)政府部門(mén)的監(jiān)管。在很多國(guó)家使用蛇形機(jī)器人來(lái)追蹤它們，但事實(shí)上，魚(yú)形機(jī)器人也可以做這項(xiàng)工作。

4.3 應(yīng)用于管道檢查

由于水在管道中流動(dòng)，同時(shí)受到管道狹小的局限，通常只能對(duì)其進(jìn)行局部密封和檢查，但因?yàn)榉律鷻C(jī)械魚(yú)具備體積小、靈活度高等特點(diǎn)，可以提高人們對(duì)狹小環(huán)境的檢查能力。因此，仿生機(jī)器魚(yú)的應(yīng)用是廣泛的。

5 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)、通信和傳感器技術(shù)的仿生魚(yú)系統(tǒng)，它將環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器收集的數(shù)據(jù)傳輸給用戶，然后由用戶處理和使用這些數(shù)據(jù)。它可被用于多種目的，包括對(duì)當(dāng)?shù)氐匦?、氣候變化的科學(xué)研究，以及生態(tài)系統(tǒng)的合理化研究。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人們會(huì)看到越來(lái)越多機(jī)器仿生魚(yú)自由地在水中游泳，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更多的功能，例如：自動(dòng)巡邏、沉船探索以及失事船只的尋找等，利用科學(xué)技術(shù)賦予機(jī)器魚(yú)更多的使命，實(shí)現(xiàn)人類難以實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的作用。