水中垃圾收集仿真鱼设计

雷洁 白羽生 刘凯龙 赵荣海 朱月美

摘  要：随着经济的快速发展，环境污染问题越发突出，其中水污染问题是重中之重，但是清理水中垃圾单靠人力清理十分困难，水源水域中垃圾处理会出现一些不可避免的人员损伤。垃圾收集仿生鱼可以清理漂浮垃圾，不需要人来操作，可实现全自动清扫垃圾。文章详细阐述了仿真鱼的水中运动、上浮下降与转向及垃圾收集的装置设计。根据制作过程简要阐述了仿生鱼的软件编程、部分焊接制作技術及器件选取。

关键词：仿生鱼;机械结构;运动装置;软件编程;焊接制作;器件选取

中图分类号：TP242;TP311           文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0160-04

Simulation Fish Design for Water Garbage Collection

LEI Jie， BAI Yusheng， LIU Kailong， ZHAO Ronghai， ZHU Yuemei

（Xi’an Siyuan University， Xi’an  710038， China）

Abstract： With the rapid development of economy， the problem of environmental pollution is more and more serious， and water pollution is the top priority， but it is very difficult to clean up garbage in water by human resources， and there are some inevitable personnel injuries in garbage treatment in water sources and areas. Garbage collection bionic fish can clean up floating garbage， and it does not need people to operate. It can achieve all automatic garbage cleaning. This paper describes the motion in water， floating， down and turn of simulation fish， device design of garbage collection. it describes the software programming， partial welding production technology and device selection of bionic fish according to the manufacture process.

Keywords： bionic fish; mechanical structure; motion device; software programming; welding production; device selection

0  引  言

目前，海洋中有2 600万吨到6 600万吨塑料垃圾，其中大部分在海底，对海洋动植物以及海洋生态平衡构成巨大威胁[1]。从水下清除垃圾既复杂又充满危险。通常情况下，清除作业由水肺潜水员完成[2]。现阶段发展出了机器仿真鱼（Bio-mimeticRobotFish），模仿鱼类运动推进机理，运用优良的仿生材料和智能材料制成，并用于船舶污染智能检测的高效率、机动性、低噪性和对环境扰动小的水下机器人，替代水肺潜水员完成清理作业[3，4]。本文针对仿生鱼在海洋生态中解决水资源污染问题、仿生鱼设计方案，以及出现的问题等进行了论述。

1  设计目的

随着科学的不断发展好技术的日益进步，人类对海洋的开发和利用程度不断加强，本项目拟设计一款解决小范围水域污染问题的垃圾收集仿生鱼。此装置可收集水中漂浮的废纸、塑料制品、其他白色垃圾等。该设计在仿生鱼的腹部下方安置一个利用磁吸装置控制收放口的收纳袋，利用可定时控制的收放网口进行废弃物回收，此收集器较为简便，可大幅度减轻人工打捞强度。

2  设计方案

2.1  整体结构

2.1.1  仿生鱼外观结构

仿生鱼本身是按照木瓜鱼来设计的，增加表面浮力，头部装置感应器，在鱼的腹部增加一个收纳袋来进行废弃物回收。外观遵循以下原则：（1）必须满足浮力要求，即外壳的外表面所包围的体积要大于等于机器鱼的自重，然后通过加配重调整至重力与浮力相等。（2）外壳的外观必须有利于减阻。（3）外壳必须满足防水要求。（4）满足通信、充电需求。

单关节机器鱼的前进动力全部由尾鳍提供，而尾鳍能够产生的推力大小与其形状、大小、材质等密切相关，因此，为了能够在机器鱼样机搭建成功以后做多组不同尾鳍的实验，本机器鱼样机中设计了一个尾鳍架。尾鳍架短边的一端有一方孔，用于与转轴的方轴连接，尾鳍架的长边有两个螺栓孔。而所有的尾鳍中均有对应的槽和螺纹孔，正好可以与尾鳍架配对，方便多组尾鳍实验的进行。

尾鳍架与转轴通过方孔配合定位，然后用紧定钉固定，尾鳍架的下端螺栓孔用于与尾鳍架组合件连接，尾鳍架组合件的另外一段加工有心通孔，与壳体上圆柱凸台配合，起到辅助支撑的作用。若不加装此组合件，则尾鳍架将变为一个悬臂梁，不利于尾鳍结构的稳定性。

仿照真实鲤鱼背鳍外形设计背鳍，作用：（1）可以辅助保持机器鱼的翻转稳定性。（2）美化机器鱼外形。背鳍分为前后两片，前背鳍中有一方孔，用于安放开关，后背鳍固定于鱼身上即可。

由于背鳍较薄，材料为树脂材料，较脆，易损坏，所以背鳍设计为可插拔式，若损坏，直接更换一个新的背鳍即可。鱼身上部有三个子口，分别与背鳍上的三个圆柱凸台紧配，以固定背鳍。

仿生鱼体长1.5 m，宽长为1 m，类似于木瓜鱼体积大小。

2.1.2  仿生鱼内部结构

仿生鱼内部结构布局如图1所示。对于机械来说，在水中相對运动较为重要的是电子装置在水中是否能够正常运行，为防止水渗透到内部，使内部电感装置受损与报废，我们采取的是仿生鱼全身使用光敏树脂3D打印出，使用密封条封住内部与外部多余空隙。在整个仿生鱼的顶部中间位置放置抵消超过浮力重量的浮力板，来为其提供在水中的浮力，以及保持平衡。控制系统是由供电模块、感知模块、和控制模块三个模块组成，由中央控板控制，位于中心位置。尾部是连接一个舵机齿轮的鱼尾。

2.2  运动装置设计

仿生鱼运动装置结构设计如图2所示。尾部利用直流电机带动齿轮，齿轮与鱼尾相连，来回摆动从而为仿生鱼在水中提供前进动力。后方的一整部分装置于一个舵机相连，利用舵机的大幅左右摆动来使后方的鱼尾装置左右摆动，实现仿生鱼在水中游动时的转向功能。控制模块选用Arduino进行编程，从而控制实现各种功能，Arduino的主要功能是通过接受各电子元件发送的控制参数，控制3个舵机和1个直流电机的配合从而实现仿生机器鱼的多种运动模态。

2.3  回收装置设计

仿生鱼腹下方安置一个带有收放口的中型网兜，在水中采取控制时间利用磁吸装置收放网口回收，在一定时间中开放网口收纳废弃物，到时间结束后，收缩网口把内部废弃物带回回收站清理，再次放出更新计时器。在仿生鱼头部加载一个GPS定位，当仿生鱼返回时根据GPS定位点返回回收站。

2.4  供电系统设计

仿生鱼中需要供电的硬件有电机、电机驱动板、舵机、遥控接收器、单片机。电池单元可选用镍氢电池、镍镉电池、锂电池。

镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。其内部抵制力小，即内阻很小，可快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。但其最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短。

镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。

锂离子电池是目前比较先进的电池，它具有能量密度高的特性，因此锂电池具备重量轻、体积小、容量大、无“记忆效应”等优点，但其对充电要求很高，需要专用的充电器，过充电可能会导致漏液和爆炸，并且价格较贵[5]。

综上比较可知，镍氢电池性能优越，价格便宜，与其他两种充电电池相比，属于性价比最高的电池，而且充电方便，因而选用镍氢电池单元作为供电电池组的基本单元。

单片机的供电电压是4.5～5.5 V，舵机的供电电压是4.8～7.2 V以上，电机的额定电压是9 V。镍氢电池的特点是电池刚充满时电压很高，当电量将耗尽时电压较低，存在电压不稳定的问题。所以供电模块中必须使用稳压芯片。

稳压芯片根据工作原理主要有两种类型：串联型稳压和DC-DC稳压。串联型稳压芯片一般需要有1.5 V以上的压降才能正常工作，并且能耗比较大，不过稳压后的电压平稳无杂波，且芯片价格便宜;而DC-DC型稳压基本没有压降，能耗少，但稳压后的电压有轻微的高频干扰，并且芯片价格稍贵。

考虑到现有实验条件以及价格因素，选用串联型稳压芯片来提供两种不同的电压，5 V用于给单片机和接收机、舵机供电，9 V用于给电机驱动板、电机供电。

2.5  软件编程

在模块电路设计过程中需要通过编程来验证各个模块电路的功能，包括超声波测距程序、时钟芯片读写程序、蓝牙模块控制程序、舵机检测程序和步进电机检测程序，编程前要根据功能要求完成各模块的程序流程图设计，根据程序流程图编写模块代码，逐步调试;编程过程中需要结合模块电路图不断调试验证，最终形成完整的程序设计流程，如图3所示。

此次系统设计过程中，编程使用的软件为Arduino。该软件是一款专业的、实用的C语言软件开发系统，提供代码编写、编译器、安装包和调试跟踪等功能，此外还可以将仿真器件添加到软件当中，为单片机程序的调试仿真提供了便捷。仿真鱼电路图如图4所示。

2.6  焊接制作

本次系统设计的实物验证电路板使用万用电路板，将各个模块的器件按照设计好的电路图焊接到万用电路板上，焊接过程中分别验证各模块电路是否能正常运行，发现问题及时纠正。焊接制作前，选择合适的烙铁头和焊锡;焊接过程中，要掌握好电烙铁的温度，在焊接元器件时把握好接触时间，选择好焊点的接触位置，以免损坏器件，尽可能一次性完成电路板焊接，以保证系统工作的稳定性。焊接遵循就近原则，导线要横平竖直，避免交叉，减少跳线的使用，将模拟信号和数字信号尽量分离焊接，电源和通讯线尽量分离，从而提高系统的抗干扰性和稳定性。如图5所示。

3  器件选型

仿生鱼控制系统硬件设计。控制系统是由供电模块、感知模块、和控制模块三个模块组成。仿生鱼感知前方环境的变化，到处理器处理信息，最后控制运动执行机构完成相应的动作，依赖于控制系统各子单元之间的有效配合。

供电模块就是用电池向个电子元件进行供电，这就需要各电子元件的电压与电池之间要匹配，否则就会出现短路、断路等各种意外情况。电池是为整个仿生鱼提供最基本动力的原件，在水中要做好防水措施，单独隔离开。以备时时刻刻提供所需的动力。

感知模块感知各种传感器数据，再通过总线把传感器数据传给Arduino控制器。在仿生机鱼上安装超声波测距传感器，可以实现仿生机器鱼的自主化和智能化。例如在前方有障碍物时，超声波测距传感器会将信息传输给控制中心，从而做出相应指令来控制其停下，或者进行转向以免碰到前方障碍物损坏仿生鱼。

控制模块选用Arduino进行编程，写出控制各个部分的程序，从而控制实现各种功能，Arduino的主要功能是，通过接受各电子元件发送的控制参数控制3个舵机和3个步进电机的配合，实现仿生机器鱼的多种运动模态（前进、转向、停止游动）。

4  模拟仿真测试

制作仿真鱼水下回收装置模型，进行水中运动模拟实验，测试运行效果。由模型测试结果表明，该仿生鱼能在水中自由移动（前进、转向、上下浮动），速度运行比预想中较慢，原因是在水中运动与在陆地中运动阻力不相同造成动力差，后增加动力推力装置解决水中运行速度慢的问题。同时，下端网袋束口器正常收放，其载重测试较预期结果要好，水中存在相对浮力，所以存储垃圾结果比预期多百分之五的載重量。

5  结  论

本次电路设计采用模块化电路设计方式，通过验证每个功能来确定模块电路，在调试过程中不断完善模块电路，最终整理合并，形成系统总设计电路图。此次系统设计的模块电路可分为：单片机最小系统电路、超声波测距模块电路、实时时钟电路、蓝牙模块串口电路、舵机模块电路和步进电机模块电路。在电路设计过程中，将存在的问题、改进的方法和最终的验证结果记录下来，并将问题分析过程细化记录，为后续的系统电路改进和完善做好充分准备。

本实验过程中存在的问题：（1）仿生鱼在水中上浮与下降的操作性。（2）回收装置如何可知满载返回。

在仿生鱼的内部加载一个集水泵来改变仿生鱼自身重量下沉与上浮的状态。当需要下沉时，内部集水泵吸收外来水增加本体总量下沉，上浮时集水泵外压内部水减轻自身重量实现上浮。

此仿生鱼装置为仿真虚拟验证。每次网袋收集体积较小，总体积大约为1.5 m²。收容体积较小，所以现阶段适用于一般的小型湖泊。仿生鱼装置可大大减少人为劳动力，避免造成人员伤亡。

参考文献：

[1] 高晓超，李文朴.水污染治理工程的常见问题与对策探究 [EB/OL].[2022-01-06].https：//wenku.baidu.com/view/639471d22079168884868762caaedd3382c4b549.html.

[2] 朱曦薇.水下机器人[EB/OL].[2022-01-06].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1720556722973708585&wfr=spider&for=pc&qq-pf-to=pcqq.c2c.

[3] 喻俊志，王硕，谭民.多仿生机器鱼控制与协调 [J].机器人技术与应用，2003（3）：27-35.

[4] 童秉钢.鱼类波状游动的推进机制 [J].力学与实践，2000，（3）：69-74.

[5] shujianli1979.镍氢电池 [EB/OL].[2022-01-06].https：//www.docin.com/p-1950377821.html.

作者简介：雷洁（1997.10—），女，汉族，青海格尔木人，本科在读，研究方向：机械设计制造及其自动化专业。