仿蝠鲼潜水辅助系统设计构想

李源 张丽

摘 要：本设计构想旨在设计一种仿生蝠鲼外形，自带动力，并且具有一定生命保障能力，能够实现水下记录等各种水下任务的潜水辅助系统。仿蝠鲼推进系统由两侧的螺旋桨推进器以及均匀分布在四个方向的舵机组成，在水下平面运作时，由螺旋桨推进器发动产生主要推力，同时舵机配合转动模仿蝠鲼的运动方式配合螺旋桨的推进，使得操作者能够在水平面方向自由游动;在水中升降运动时，能够前两舵机改变舵机的朝向，从而有效地产生竖直方向的推力。最终，这种潜水辅助系统可以完成水下全方位运动的运动辅助。

关键词：仿生;蝠鲼;水下推进器

0 引言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）无论在军事上还是在国民经济上都有着广泛的应用。世界各国在水下机器人领域，特别是深海作业设备研究方面做了大量工作，取得了相当的成就。

随着科技的发展和人均收入的不断提高，潜水已经成为了广大人民群众喜闻乐见的一种体育运动，走进水中世界已经不再是一个心愿，而是一份能够让人切切实实感受到的浪漫。然而随着潜水运动的不断普及，潜水装备已经成为了一种利润与商机都十分巨大的市场。

对于广大消费者而言，传统的潜水基础培训费用和与其相伴的潜水装备费用始终是一笔十分巨大的开销，为此，我们希望研发这款潜水辅助设备。首先，能够大大缩短潜水培训的周期;其次，能够减少潜水员在水下作业时的运动量从而减少氧气消耗量;同时，还能够搭载多种任务化模块来满足不同的潜水人员的任务或者娱乐需求。

1 设计方案

这种新型的风能海浪能补偿发电机由以下三个部分组成：机械结构部分、电子硬件部分以及软件与应用部分。

1.1 机械结构部分

机械结构部分由三维建模软件设计而成。利用solidworks软件进行外壳以及内部结构的设计，完成电机的选型，推进器的制造，舵机的选型以及内部结构的合理设计，同时，还要对所设计各个部件以及整个装配体进行分析，其中包括：干涉检查、缝隙计算、零件属性分析、姿态分析、整体静力学分析、流体力学分析以及校核各个零件和整个机体的强度。

1.2 电子硬件部分

电子硬件部分主要由下位机控制板和各类水下传感器组成。建电子系统，能够控制整个机体的姿态和航行速度以及其他外挂设备，并且为整个系统提供电力，利用微处理器对各个部分进行控制，最后将航行状况与信息集成在便携面板上，可供潜水人员时刻掌握潜水状况。

该系统的通信模塊则使用蓝牙模块。蓝牙模块具有较高的普及度，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。

传感器部分：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。

1.3 软件与应用部分

开发对应上位机，实现通过上位机来控制功能模块，并且能够采集潜水数据以及潜水员生命体征。还有对应软件，能够记录装置的航行状况，为检修和重复使用提供便利。

2 具体功能

我们提出的仿生蝠鲼潜水辅助系统，通过上述设计，可以实现以下功能：能够解放潜水员双手的水下潜水辅助设备，自带动力，潜水员在水下消耗体力极大地减少，从而达到延长其工作时间，提升工作效率的作用。此外仿生的外形设计即仿蝠鲼外形设计，能够搭载更多设备，同时减小航行阻力，增大横滚阻力防止其发生翻滚。辅助系统中还有生命特征实时监测，内置心率传感器，呼吸传感器等监测生命体征传感器，实时监测潜水员的生命体征，遇到异常情况可触发保护系统，在保证不会对潜水员造成二次伤害的情况下快速返回水面，而在没有潜水员进行操作时可以作为ROV（Remote Operated Vehicle即无人水下航行器），具备一定的独立航行能力。

因此，仿生蝠鲼潜水辅助系统在有人或无人操作的情况下都能够发挥水下辅助工作及探测的任务，在有人员操作时能够辅助水下潜水员在水下快捷方便地运动并且解放潜水员的双手，进行各种水下工作。

3 结论

本文阐述了一种仿蝠鲼潜水辅助系统的设计方案，利用背包式的推进系统解放潜水员的双手，从而实现提高水下工作效率目的，利用两个自由度的螺旋桨推进装置完成潜水员在水下的全方位移动以及竖直方向的沉浮运动。

先进科技迅速地发展，人均收入不断提高，潜水已经成为了广大人民群众喜闻乐见的一种体育运动。潜水培训的周期较长，专业潜水员的训练要求也相当高，而此类的潜水辅助设备正可降低这类运动的培训门槛，便于潜水的普及推广，同时专业的潜水员也可以借助这套系统更加有效地进行水下作业。因此，我们这套海浪能、风能补偿发电的设计方案在潜水行业迅速发展的今天有着很大的发展前景。

参考文献：

[1]云忠.仿蝠鲼胸鳍推进执行机构水动力特性分析[J].合肥大学学报，2018，（01）：7-11.

[2]王杨威.形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计[J].机器人，1991，（01）：256-261.