水陆两栖新型仿生无人遥控潜水器设计构想

毛润泽　李源

摘 要：本设计构想旨在依据仿生原理设计一种新型的水陸两用无人潜水器，用以代替传统的螺旋桨推进技术，从而改进传统的水下航行方式，使航行器能够在危险、狭窄、复杂的水下环境中稳定有效地进行监测、侦探、救捞等活动，并且解决其噪声大、对环境扰动大、运动灵活性和隐蔽性较差等问题，进而可以应用在海上军事等领域。此外这款航行器还可以在陆地上运动，因此我们设计的水陆两栖新型仿生无人遥控潜水器相比于传统的水下航行器功能会更加完善，有着更为广阔的应用前景。

关键词：仿生；水陆两栖；潜水器

0 引言

20世纪90年代以来，党和国家高度重视海洋的发展及其对中国可持续发展的战略性意义，习近平总书记指出，海洋在国家经济发展格局和对外开放中的作用更加重要，在国家生态文明的建设中的角色更加显著，在国际政治、经济、军事、科技竞争中的战略地位也明显上升，因此海洋工程与科技的发展受到广泛的关注与研究；此外，海洋武器在水中战场中的作用已经发生了明显的改变，被越来越多地应用于近海海域来支援联合作战，然而对于常规海洋武器来说，体积大等特点导致其很容易被对方发现和攻击，这无疑增加了成本昂贵的海洋武器的风险。因此我们需要无人驾驶系统到传统海上力量无法到达的地方收集信息，无人水下航行器就此脱颖而出。

而在现有的系列无人水下航行器中，传统水下航行器在市面上的占比较高，如自主式水下航行器、遥控水下航行器。传统的水下航行器大多使用传统的螺旋桨推进器，但经实践发现，传统的螺旋桨推进技术有着推进器噪声大、对环境扰动大、运动灵活性和隐蔽性较差等问题，这些问题限制了水下航行器的应用范围。为了解决这些问题，使得水下航行器能够更好地进行信息捕捉以及信息传递等，我们对水下航行器进行进一步的研究，我们发现，仿生在水下航行器的板块中有着非常大的作用，自然的生物系统能够最大限度地提高水下航行器的运作能力和效果。与此同时，国内外对仿生机器人的研究正在逐渐走向成熟，利用现有的仿生科技以及我们对水下生物的研究，我们将用仿生技术实现对传统水下航行的改进，即我们将进行对水陆两栖新型仿生机器人的研究。

1 模型建立

1.1 水生动物推进模式与推进机理的分析

根据1999年的来自Sfakiotakis.M等人的研究，鱼类基本推进模式化分为四种，即喷射式（例如乌贼、鱿鱼、水母等）、身体波动式即鳗行式（例如鳗鱼、水蛇等）、BCF（Body/Caudal Fin）式，其中BCF式又可细分为鳗鲡式推进、亚鲹科式推进、鲹科式推进、鲹科加月牙式推进以及MPF（Median and/or Paired Fin）推进式五种推进方式。

1.2 整体结构分析

本项目是将蜥蜴陆地行走方式和海豚在水中游动方式相结合的一种水陆两栖新型机器人设计方案，以蜥蜴和海豚为蓝本， 主要考虑其在水中运动的稳定性、机动性和高效性以及在陆地上的稳定性，根据其基于CFD的仿生蜥蜴摆尾数值仿真分析得到较好的理论依据。因此根据以上叙述，本项目是一个拥有四足的仿鱼形机器人，通过12个舵机进行陆地上的前进、后退、转向、越障等功能。其次，它通过头、尾鳍的摆动模拟海豚背腹式运动及螺旋桨的位置调节，便可以实现水中的游动及完成任务。

1.3 身体运动模型建立

依据查找到的文献资料和已有的知识，建立一个水陆两栖新型仿生机器人在做稳态背腹式推进过程中的数学模型，即得到在体轴坐标系中描述海豚背腹式摆动的运动方程，身体周期性的运动可用身体中心线的运动来表征。进而研究可知，海豚背腹式运动方程可以被简化，即预先规定海豚身体上的三个特征点的运动幅度，分别是喙部、质心处以及尾鳍处，利用最小二乘法拟合出这三个特征点的二次方程，可得到海豚游动时身体中心线的简化运动方程。

1.4 豚尾运动模型建立

海豚的推进性能是指影响海豚运动性能的推进力的大小及方向。根据对海豚做稳态背腹式推进的仿生学研究，描述出海豚身体及豚尾的运动学参数。我们认识到运动学参数影响着推进力的大小及方向，之后我们将建立含上述运动参数的描述豚尾俯仰-沉浮运动的数学模型。首先建立尾鳍摆动轴的运动方程，经过坐标变换得到其绝对运动方程。进而可得到描述尾鳍沉浮-俯仰复合运动的数学模型。

2 设计内容

2.1 机械结构

水陆两栖新型仿生机器人采用腹背推进在水中行进，模仿海豚的运动特性，并且通过使用舵机控制陆地上的前进、后退、转向、越障等功能。设计制作基于要实现的预期功能以及结构，运用SolidWorks进行建模，并用adams进行运动学仿真，检验其结构的合理性。

（1）沉浮装置：用于控制机器人的沉浮。

（2）头部装置：通过软件模拟设计出合理的头部模型。

（3）推进设计：根据海豚运动形态，采取腹背式推进设计身体的推进机构。

（4）四足设计：设计四足以实现水陆两栖。

（5）防水设计：用新型的防水材料以达到较好的防水效果。

2.2 硬件设计

电路板自行利用Altium Designer软件进行设计。电路板采用模块化设计，主要有电源管理模块，通信模块，核心控制模块，图传模块，扩展模块。

（一）电源管理模块：电源管理模块采用开关稳压芯片自主设计打板，输入电压可高达40V，输出5V分别供给单片机和舵机，还可输出3.3V以及12V电压以作扩展用途。该电源管理模块配备有保护电路，在过压、过流时起到保护作用。

（二）通信模块：通信模块则使用蓝牙模块。蓝牙模块具有较高的普遍度，如果开发出相应APP，可以利用手机之类的终端对水下机器人进行控制。蓝牙模块可以通过串口与主控板进行通信，通信较为方便。

（三）核心控制模块：核心控制模块上预留串口1，串口2，串口3接口，IIC接口，SPI接口，PWM波输出接口，以及多路模拟输入（AD）输出（DA）接口。串口1、2、3用来和上位机、舵机以及无线控制模块通信，IIC接口用来压力传感器或者其他支持IIC协议的芯片通信，SPI与闪存芯片（flash）或一些拓展设备通信，PWM输出接口用于控制移动滑块的模拟舵机，预留的多路模拟输入输出接口用于其他功能模块的添加，比如电压检测等。

（四）传感器模块：贺利氏/鉑电阻PT100铂热电阻pt100温度传感器，用来检测水域温度，可以起到气候监测的作用；MS5803-14BA微型压力传感器/水深测量，用来控制机器鱼的下潜深度，也可以在将来需要更多功能时（比如姿态控制）加上相应芯片来实现定制化功能，可以根据客户需求进行拓展；摄像头模块采用OV6620 CMOS图像传感器，该传感器具有运用高级算法抑制高光溢出、消除拖尾、消除固定模式噪声（FPS）等专利技术，并且可以编程所有的摄像机功能。

（五）控制方案：动力舵机采用AX-12数字舵机，该舵机输出扭矩大，精度高，可操作角度大，速度快，跟随性好。由于采用数字通信模式，所以占用单片机的资源特别少，控制三个数字舵机只需要一根串口线即可，理论上可以同时用一根串口线控制254个这样的舵机。

串口控制舵机时需要遵循一定的协议，具体协议可以参考AX-12的数据手册，这里仅仅对控制舵机转动角度的数据包进行简单的说明。首先数据以FF，FF开头，然后是舵机的ID号，数据包的长度，写入的指令及地址，然后是角度和速度位，低位在前，高位在后（0-1023），最后是一个校验和。这里速度位默认使用最快速度FF 01 （1023）；角度位则根据动作数据包进行更改。同时控制多个舵机时，舵机ID使用广播ID（FE），使用广播ID的好处是不仅可以同时控制多路舵机，而且还可以使舵机不返回数据以简化硬件电路设计。

在水下机器人运动时，单片机从动作数据包中读出一帧的数据，每一帧的数据中包括三个舵机在这一帧中应该转动的角度信息，单片机按照协议分别把舵机的角度值写入数据包中，然后求出验证和写入数据包中发送给舵机，在延时一定的时间后，单片机重复以上操作，实现舵机的连续转动。随着每一帧动作的输出，三个舵机将会按照各种设定的动作转动，实现水下机器人的游动。

2.3 软件系统

（一）视觉策略：利用多种信息在图像中定位目标物体。例如，实现规定的色标，物体的特殊形状，各种算法特征等。提取到这些信息后，可以将这些特点和特征按照重要性排序，然后按照顺序依次检验每个信息；还可以同时使用所有特征信息，例如按照一定的权重进行加权融合。之后可以加入机器学习算法对大量样本进行分析，得出不同物体的分类器。之后按看到的物体进行相关的动作，比如避障、水下样本采集，水下作业等。

（二）信息记录：在拍摄水下视频的同时利用传感器对水下的已标记物体信息进行识别和保存，例如记录该物体的海洋深度。

3 结论

本文阐述了一种水陆两栖新型仿生无人遥控潜水器的设计思路与设计方案，将蜥蜴陆地行走方式和海豚在水中游动方式相结合，从而实现水中的基本游动与在陆地上的爬行，使传统水下航行器噪声大、隐蔽性差的缺点有所缓解。这款设计可以应用于军事领域，也可以应用于民用的科普与娱乐市场，具有较好的发展前景。

参考文献：

[1]李成进.仿生型水下航行器研究现状及发展趋势[J].鱼雷技术，2016，24（01）：1-7.

[2]袁玉荣，鲁其兴，康静，庄照波，赵信义.小型仿生水下机器人控制系统的设计[J].智慧工厂，2018（01）：59-61.