多功能检测取样勘探机械鱼

多功能检测取样勘探机械鱼

王怀樟

青岛科技大学， 266061

1.研发背景与意义

1.1研发背景

鱼类经过上亿年的自然进化具有高超的游动能力,鱼类的高效游动能力、低阻特性和高度环境适应能力,可以极大地推动自主式水下技术的发展。目前仿生鱼常见的驱动方式主要有电机驱动、气/流体驱动、形状记忆合金驱动和离子型金属聚合物驱动等,存在着结构复杂、环境适应性差或驱动源庞大等缺点,限制了仿生鱼的运动场景和活动范围。

随着人类对海洋的不断开发，海洋石油等开采技术逐渐走向成熟，为确保海底石油管道运输安全，对海底石油管道进行检测和维护一直是各国高度关注的热点和难点。在海底的勘探作业要求机械鱼或设备具有良好的续航能力，较低的能耗。海底地形和环境的复杂性则要求机械鱼或设备具有良好自适应和抗干扰能力。由于深海运载器在水下作业时间极其有限，需要岩芯取样钻机能在微小钻压条件下实现快速钻取作业。加之，深海领域地形条件和环境极其复杂，现有成熟的取芯技术无法直接满足深海作业要求，而较大的改进提升了研发成本和技术难度。

1.2研究意义

本产品主要用于海底石油管道的检测和开展海底勘探的任务，该产品由运动模块、智能检测模块、锚固取样装置、GPS定位模块等结构组成，是一种多功能一体化的仿生装置。本设计为多功能水下检测勘探取样的仿生机械鱼，在结构方面,以多节组合结构的尾鳍与重心调节机构相结合来实现鱼的各种水下运动。在控制检测方面,能够根据用户发送的指令实现相应的运动,其次还能实现水下检测等功能,有效地减少人工水下作业的需要。 

2.研究内容

2.1建立模型

仿生推进技术的研究一直是水下仿生机械鱼研究的难点。本设计提出的仿生鱼和仿水母泳动机构，我们采用了全柔性触手做锚固取样装置，机械鱼的水动力学性能具有高度非线性，难以获得精确的水动力系数。

根据水母游动的水动力学研究，考虑深海海底环境特点，提出机械鱼扑翼机构设计方案；对扑翼系统传动机构尺寸和动力参数进行优化；分析深海环境中不同压强条件下，扑翼机构的推进效率，揭示机械鱼仿生扑翼机理。建立三角支撑状态下锚固器破岩锚固理论，分析结构尺寸、钻进角度、动力参数等因素对锚固器钻进效率的影响规律，探索提高锚固器工作效率的方法；搭建超声波钻探器采样试验平台，选择不同硬度等级的海底岩石样本，开展钻进取芯试验，验证取芯方式的可靠性。

3.设计方案及技术原理

本产品主要用于海底石油管道的检测和开展海底勘探任务，该产品由运动模块、智能检测模块、锚固取样装置、GPS定位模块等结构组成，是一种多功能一体化的仿生装置。

3.1鱼体总设计

仿生机械鱼在巡游过程中可分为直线游动、转向游动和上浮下潜。运动的过程主要通过上位机与机器鱼进行串口通信而发出相应指令来控制，步进电机驱动尾部结构为机器鱼的运动提供动力。

3.1.1电器控制

机械鱼与上位机之间的串口通信通过一个无线发射装置（蓝牙串口HC-06）实现,从而来控制机器鱼的游动状态。

在串口调试助手上，发送已经编写好的控制策略指令，并设置好帧格式、波特率即可使用。工作的模块在编程中，将机器鱼的几种游动状态分别用数字表示，通过串口发送数字指令实现机器鱼游动状态的有效切换。

上位机通过发送相关的实时运动参数，以此来控制仿生机器鱼的运动，STM32控制板相关串口的初始化共包括：传输模式的选择、波特率的设置、传输帧格式的设置、发送接受的使能与中断等。

3.1.2鱼体机械结构

机器鱼的运动主要依靠其尾部结构。尾部结构采用拉线式驱动方式，通过步进电机驱动曲柄摇杆机构，摇杆的运动转换为滑槽平台上一对小滑块的往复运动，带动鱼线，使得鱼尾左右摆动推进前进。通过控制步进电机，以使滑槽平台上面的一对小滑块运动产生差异，从而实现游动方向的改变。该驱动方式减少控制系统的复杂度，更接近鱼的真实游态。

上浮下沉运动方式主要依靠丝杠以及上面的配重块实现。丝杆在电机的驱动下，使得配重块来回运动，借此改变机器鱼的重心，配合前进运动模式，以实现上浮下沉的功能。

3.2鱼下锚固取样装置

锚固钻探装置主要包括锚固支架、角度调整机构、伸缩机构和四个超声波钻探器。

角度调整机构调整锚固器水平面之间的角度，伸缩机构控制取样器伸出与收回。其中超声波钻探器是基于压电超声振动的高频率低功耗原理设计的，能在微小钻压条件下实现快速钻取作业。

锚固取样装置运动状态：锚固取样装置安置于仿生机构的下方，搭载三个锚固器和一个取样器。锚固钻探装置在游动时处于收起状态，当钻探取样机械鱼到达海底岩床后，锚固装置内部的槽凸轮角度调节机构调整锚固器的工作角度，使其呈三角支撑状态，锚固器刺入海底岩床，使机械鱼整体锚固于海底。之后取样器在预压弹簧的推动下于下方伸出接近岩床，开展采样工作。超声波钻探器工作原理： 超声波钻探器是基于压电超声振动的高频率低功耗原理设计的。在工作状态下，用高频正弦电压激励超声换能器，电压被转换为相应频率的超声振动。超声振动传导至锚杆，锚杆末端作用在岩石表面，在冲击循环载荷作用下，岩石内部会产生裂纹，裂纹逐渐发育扩大最终导致岩石破碎，锚固器实现冲击钻进。钻杆空腔的顶部有一斜楔，当钻杆钻进岩石至一定深度时，岩心与斜楔接触使岩心产生弯矩，岩心根部的应力达到其抗拉强度时，岩心发生断裂。同时，钻杆内壁均布有一定长度和倾角的软钢丝，以便将破碎的岩心保存在钻杆内。最终岩石样芯由机械鱼带回水面。

3.3智能检测模块

智能检测模块主要包括超声波测距和视觉识别两个部分。

为更好实现自动巡检功能，鱼体装配有超声波测距模块，通过测量超声波返回时间从而计算鱼体与四周障碍物距离。

创新点汇总

创新点1：采用拉线式进行设计，具有柔性好、转弯性能好以及效率和仿生度更高的优点。依靠电机驱动丝杠以使配重块位置改变，从而改变仿生鱼的重心位置，实现上浮下沉功能。

创新点2：设计的锚固取样装置呈三角支撑状态，锚固超声波钻机刺入海底岩床，将整体锚固于海底。钻探超声波钻机于下方伸出接近海床开展采样工作，岩石样芯被折断后保持在空心钻杆中，并由机械鱼带回水面。

创新点3：采用OpenMv进行视觉图像自适应识别，通过识别图像形状及颜色，实现定轨巡航以及泄漏物检测。相比灰度传感器检测，更加灵活高效，可更好地实现管道泄露检测以及自动巡检的功能。将OpenMV 算力资源强大的优点和STM32单片机控制简单的优点相结合，达到对物体的识别与测量的目的。

创新点4： 超声波传感器接收部电路采用集成电路CX20106A。采用将超声波能量用于海底岩床的锚固附着和矿石样本的钻探取芯，基于压电超声振动的高频率低功耗原理设计，增强了锚固取样过程中装置的稳定性，降低所需能耗。

创新点5： GPS 定位模块采用 u-blox 公司的 NEO-6M 模组方案，其体积小、高性能、低功耗，定位精度高， 可以直接通过串口向单片机系统输出GPS 定位信息。 这些信息采用 NMEA-0183 标准协议，输出常见格式为“GGA”，包含了经纬度、海拔、时间、速度等参数。模块工作电压为 3.3～5 V，含有EEPROM，掉电后仍可保存 GPS 定位信息。

4.应用前景

在飞速发展的时代，随着人类对海洋的不断开发，海洋石油等开采技术逐渐走向成熟，海底石油管道的铺设逐渐广泛。但管道泄露问题不容小觑，管道一旦泄露，海洋生态环境将面临严重破坏，所以海底石油管道的检测和维护一直是各国关注的热点。而设计团队开发的智能检测模块可以实时对海底石油管道附近水况进行监测。

超声波锚固器和钻探器非常适用于搭载在机械鱼上，而本装置将仿生鱼作为运载工具，针对复杂海底地形环境开展钻探取芯作业。基于超声波能量的海底锚固附着与钻进技术有望为海底岩石取样提供新的思路。能耗低，易于固定区域长久定点布控等优势，在深海勘探领域展现出良好的应用前景。

参考文献：

[1]王程. 拉线驱动柔性脊柱仿生鱼的设计与实验研究[D].哈尔滨工程大学,2019.