基于储水舱式的电磁驱动仿生机器鱼上浮下潜的研究

2022-01-14朱红秀宋高明买浩楠薛逸飞田文健

科学技术创新 2021年35期

关键词：浮潜储水电磁

朱红秀宋高明买浩楠薛逸飞田文健

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

1 概述

对于仿生机器鱼来说，拥有较好的巡游能力和机动能力，是人类研究的关键。不仅要能进行直线的自由游动[1]，而且在转弯、浮潜、倒退等动作上也应自如游动，达到三维空间的游动要求。

本文基于电磁驱动机器鱼[2]，采用储水仓法完成机器鱼的浮潜运动。在浮力不变的情况下，通过储水仓的进水和出水改变机器鱼的重力，使机器鱼在水域较窄的环境下上浮与下潜。

2 电磁驱动机器鱼的总体设计

2.1 电磁驱动机器鱼结构组成

机器鱼由头部、中部和尾部电磁驱动器组成。鱼体头部固定铅丝实现机器鱼的配重，防止机器鱼发生纵倾、偏转。头部和中部组成空腔，空腔内放置控制系统硬件，如图1。

图1 机器鱼结构组成示意图

2.2 储水仓的设计和安装

本文设计了一种可换气圆柱状储水仓，如图2 为储水仓设计图，在密封圆柱状水仓的基础上进行改进，通过上方开口与机器鱼腔体内部空气连通，实现气体的交换，从而降低空气压缩比。

图2 储水仓设计图

2.3 电磁驱动机器鱼体积与配重

在Creo 中测量得机器鱼外部总体积约为2480cm3。称重得到各组成部件的重量和重心位置，如表1。

表1 机器鱼组成部件的质量和重心位置

以鱼体中心为坐标原点建立坐标轴，鱼头部所占的1/2 长度在x 轴的负半轴，后半段在x 轴的正半轴，建立二维平面坐标系，对加入配重后的机器鱼整体重心位置进行分析。

根据力学知识可得机器鱼的重心位置计算法为：

经计算分析得知机器鱼重心得横坐标值约为0，纵坐标为负值，机器鱼总重量与排开水的重量相等，机器鱼可在水中保持平衡。

3 电磁驱动机器鱼上浮下潜的动力学分析

3.1 电磁驱动机器鱼竖直方向受力分析

本节以机器鱼下潜为例，研究在机器鱼由水面初始位置竖直下潜到某一深度的过程中，该过程可分为三个阶段：加速下潜阶段、匀速下潜阶段和减速下潜阶段[5]。

由于在匀速下潜阶段时，机器鱼受到的重力、浮力、流体阻力[4]，三力平衡，速度一定，加速度为0，所以本文从匀速阶段开始入手研究。下式为机器鱼下潜过程的合力表达式[8]：

式中：ΣF- 机器鱼在竖直方向受到的合力；

G- 机器鱼储水仓进水后的重力；

Fb- 机器鱼进入水中全排水受到的浮力；

f- 机器鱼在下潜时受到的流体阻力。

3.2 电磁驱动机器鱼下潜运动的仿真数值计算与分析

在研究机器鱼浮潜的过程中，通过ANSYS Fluent 对机器鱼下潜运动进行仿真[6]，设定下潜速度求出机器鱼受到的阻力，并在后处理模块获得流体及压力云图。

仿真结果分析：

表2 是得到的机器鱼以不同速度下潜受到的阻力值。

表2 仿真数据结果

使用MATLAB 中的拟合工具，对表中的数据拟合，拟合之后得到曲线方程[7]表示为：机器鱼在下潜过程中，下潜速度越大，受到的阻力也越大。使用后处理模块Result，得到机器鱼匀速下潜过程中鱼体周围流场压力云图3。

由图3 可知，机器鱼下潜时受力较为均衡，鱼体底部受到的压力最大。

4 电磁驱动机器鱼浮潜控制系统的研究

4.1 电磁驱动机器鱼浮潜控制系统的总体设计

浮潜控制系统主要由Arduino uno、L298N、水泵（电机）、储水舱、24V 电池、蓝牙模块组成。

4.2 控制系统硬件功能实现

本节设计了上浮下潜的控制系统。浮潜控制系统工作情况如下：电池通过L298N 模块给水泵供电，L298N 给Arduino 板供电，当蓝牙模块接收到指令，信号传输到Arduino 板，Arduino 开始通过端口将信号传到L298N 模块上，L298N 模块根据收到的信号给水泵（电机）供电，实现正转或反转，并可通过PWM进行调速。