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[摘 要]当前，伴随着人们的环境意识提高，加上现如今水质恶劣，腐蚀性很高，水污染的治理已经刻不容缓。传统的水下检测器已经无法适应对当前水下任务的挑战。为了能够完成对水质的监测，本文设计出一款仿生鱼式水下监测器，本设计可以适应不同的水下环境，可以广泛应用于军事，娱乐探险，水下考古等领域。
[关键词]仿生学;机器鱼;水下勘测
中图分类号：TP377 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0282-01
0引言
21世纪是被誉为海洋世纪，占地球总面积的71%的海洋蕴藏了无穷的宝藏。水下能源的开发将会对人类的进步起到至关重要的作用，而鱼类是水下最为庞大的种群，所以模仿鱼类对水下探索起着至关重要的作用。本文所介绍的仿生鱼可以实现不同水域探测。
1仿生依据
根据研究表明，魚类把鱼鳍当作身体前行的推进器，通过摆动身体与水产生反作用力推进自身前进，根据这一原理以及科学研究总结得知鱼类运动有多种方式，这些方式对我们的仿生鱼研究有着极大的模仿意义。
目前的仿生鱼的模仿对象有梭鱼、鳗鱼、鲤鱼等等。这几种鱼有着极佳的游动灵活性和游动效率，这些鱼类外形呈流线型，在水中游动时受到的水中阻力极小，因此这些流线型鱼类是当前仿生鱼最佳模仿对象。
2仿生鱼设计的基本思路
本设计根据流体力学极其基本原理综合仿生学设计的一款仿生鱼类机器，此仿生鱼能够在水下图像采集，自主避开障碍，其使用价值有很多，比如海洋科考，军事应用;在及时降低石油污染有很大的价值，当油船等发生原油泄露时，由于船是不断移动的，所以早期发现很难，以至于很容易造成大范围的污染，而有了这种仿生鱼，跟随油船活动，就有可能在第一时间发现并通报漏油情况，以便尽早采取应对措施。与以往的水下监测机器人相比，仿生鱼外形独特，推进噪音小，对周围水生物影响较小，最大还原水体本来环境[1]。
本仿生鱼可以实现在自动控制和遥控之间切换，将仿生鱼电源打开，即可运行。本文所述的机器鱼集多种传感器于一身，可以采集水下图像，自动躲避障碍，在不同水层游动，各分系统封闭性强，安全性高。且本仿生机械鱼可以自由切换人工操控模式以及自动操控模式，以此来适应复杂的使用环境，加强其可靠性程度。根据其具体的应用场合可以自由添加不同的传感器来适应不同使用场合的勘测。
本款仿生鱼具有多方面的应用，比如军事，民用以及科学勘测等，不仅可以取代人类亲自下水，更可以降低人们下水的风险，更重要的是可以检测水下地形或者勘探火山喷发;在军事方面，由于其高度的隐蔽性，加大敌军发现的难度可以防止被早期发现引起不必要的战斗人员伤亡，甚至可以提前携带遥控炸药，等待秘密潜入敌后给予敌人致命的背后打击，炸毁地方主力，导致地方丧失战斗力;在监测水体质量方面，由于仿生鱼外形逼真，封闭性好，噪音极低，潜入鱼群当中可以最大程度降低对自然生态的影响;此外，仿生机器械鱼还可以应用于海洋动物园供游客观赏用等。作为典型的水下机器人，仿生鱼是一种水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域有着巨大的潜在价值。
3仿生鱼的结构设计
在了解鱼类各部分功能之后，我们对仿生机器鱼有了初步的结构设想，鱼体动力装置包括主轴，侧骨架。主轴为分节结构，各节之间有铰链连接，每一节主轴上固定一个侧骨架，最后一节安装有尾鳍。每一节侧骨架的断开位置安装电磁装置，在最后一节与倒数第二节之间安装阻尼装置。而本设计的电磁装置既能产生拉力又可以产生推力的电磁铁用来保证鱼体灵活[2]。
由于仿生鱼最主要的任务是进行水下探测，所以视觉装置必不可少。为了更好地探测水下环境，我们在鱼头部位安装一个摄像头，但是只有一个摄像头无法精确得知在何时何处避开障碍物，所以在鱼头另一个位置安装第二个摄像机，从不同角度拍摄同一个障碍物就能更好地提供视野避开障碍物。再加上安装的锂电池可以实现在水中游动一个小时以上[3]。
在控制方式上，本设计安装有液位变送针，红外光电开关等传感器，配合STC12C560S2单片机可实现仿生鱼在水中的自由游动。另外本设计还可以转换为遥控操作模式，从而适应更加复杂的水中环境。加上不同的监测装置可以实现检测水下的PH值、浑浊度、氨氮浓度等水下指标。
4结论
随着科学的不断进步，仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、开始逐步运用到现实的科学应用当中，伴随着水下探索的能力提升以及军事应用的需求，当代科学研究开始将目光投到水下生物当中。因为水下生物具有高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，使其迅速成为科学家们研究的重要目标。
目前已研制出的仿生水下机器人中，根据其所模仿水下生物的运动方式，可分为水下机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人。鱼类作为最早的水中动物具备着其他水中生物不具备的巨大优势，其亿万年的进化历史造就其无与伦比的水中优势以及游动灵活度，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。正是这种在水中运动的完美性，吸引了世界各国科研工作者对模仿鱼类游动方式的水下机器人技术进行研究与开发。
参考文献
[1]侯超.仿生鱼建模与控制研究.山东科技大学，2018.
[2]仲昆.机器鱼人工侧线系统的设计与环境感知研究.华东交通大学，2014
[3]王安忆，刘贵杰，王新宝，付碧波.尾鳍推进模式仿生机器鱼的进展与分析.中国海洋大学，2016.
[关键词]仿生学;机器鱼;水下勘测
中图分类号：TP377 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0282-01
0引言
21世纪是被誉为海洋世纪，占地球总面积的71%的海洋蕴藏了无穷的宝藏。水下能源的开发将会对人类的进步起到至关重要的作用，而鱼类是水下最为庞大的种群，所以模仿鱼类对水下探索起着至关重要的作用。本文所介绍的仿生鱼可以实现不同水域探测。
1仿生依据
根据研究表明，魚类把鱼鳍当作身体前行的推进器，通过摆动身体与水产生反作用力推进自身前进，根据这一原理以及科学研究总结得知鱼类运动有多种方式，这些方式对我们的仿生鱼研究有着极大的模仿意义。
目前的仿生鱼的模仿对象有梭鱼、鳗鱼、鲤鱼等等。这几种鱼有着极佳的游动灵活性和游动效率，这些鱼类外形呈流线型，在水中游动时受到的水中阻力极小，因此这些流线型鱼类是当前仿生鱼最佳模仿对象。
2仿生鱼设计的基本思路
本设计根据流体力学极其基本原理综合仿生学设计的一款仿生鱼类机器，此仿生鱼能够在水下图像采集，自主避开障碍，其使用价值有很多，比如海洋科考，军事应用;在及时降低石油污染有很大的价值，当油船等发生原油泄露时，由于船是不断移动的，所以早期发现很难，以至于很容易造成大范围的污染，而有了这种仿生鱼，跟随油船活动，就有可能在第一时间发现并通报漏油情况，以便尽早采取应对措施。与以往的水下监测机器人相比，仿生鱼外形独特，推进噪音小，对周围水生物影响较小，最大还原水体本来环境[1]。
本仿生鱼可以实现在自动控制和遥控之间切换，将仿生鱼电源打开，即可运行。本文所述的机器鱼集多种传感器于一身，可以采集水下图像，自动躲避障碍，在不同水层游动，各分系统封闭性强，安全性高。且本仿生机械鱼可以自由切换人工操控模式以及自动操控模式，以此来适应复杂的使用环境，加强其可靠性程度。根据其具体的应用场合可以自由添加不同的传感器来适应不同使用场合的勘测。
本款仿生鱼具有多方面的应用，比如军事，民用以及科学勘测等，不仅可以取代人类亲自下水，更可以降低人们下水的风险，更重要的是可以检测水下地形或者勘探火山喷发;在军事方面，由于其高度的隐蔽性，加大敌军发现的难度可以防止被早期发现引起不必要的战斗人员伤亡，甚至可以提前携带遥控炸药，等待秘密潜入敌后给予敌人致命的背后打击，炸毁地方主力，导致地方丧失战斗力;在监测水体质量方面，由于仿生鱼外形逼真，封闭性好，噪音极低，潜入鱼群当中可以最大程度降低对自然生态的影响;此外，仿生机器械鱼还可以应用于海洋动物园供游客观赏用等。作为典型的水下机器人，仿生鱼是一种水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域有着巨大的潜在价值。
3仿生鱼的结构设计
在了解鱼类各部分功能之后，我们对仿生机器鱼有了初步的结构设想，鱼体动力装置包括主轴，侧骨架。主轴为分节结构，各节之间有铰链连接，每一节主轴上固定一个侧骨架，最后一节安装有尾鳍。每一节侧骨架的断开位置安装电磁装置，在最后一节与倒数第二节之间安装阻尼装置。而本设计的电磁装置既能产生拉力又可以产生推力的电磁铁用来保证鱼体灵活[2]。
由于仿生鱼最主要的任务是进行水下探测，所以视觉装置必不可少。为了更好地探测水下环境，我们在鱼头部位安装一个摄像头，但是只有一个摄像头无法精确得知在何时何处避开障碍物，所以在鱼头另一个位置安装第二个摄像机，从不同角度拍摄同一个障碍物就能更好地提供视野避开障碍物。再加上安装的锂电池可以实现在水中游动一个小时以上[3]。
在控制方式上，本设计安装有液位变送针，红外光电开关等传感器，配合STC12C560S2单片机可实现仿生鱼在水中的自由游动。另外本设计还可以转换为遥控操作模式，从而适应更加复杂的水中环境。加上不同的监测装置可以实现检测水下的PH值、浑浊度、氨氮浓度等水下指标。
4结论
随着科学的不断进步，仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、开始逐步运用到现实的科学应用当中，伴随着水下探索的能力提升以及军事应用的需求，当代科学研究开始将目光投到水下生物当中。因为水下生物具有高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，使其迅速成为科学家们研究的重要目标。
目前已研制出的仿生水下机器人中，根据其所模仿水下生物的运动方式，可分为水下机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人。鱼类作为最早的水中动物具备着其他水中生物不具备的巨大优势，其亿万年的进化历史造就其无与伦比的水中优势以及游动灵活度，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。正是这种在水中运动的完美性，吸引了世界各国科研工作者对模仿鱼类游动方式的水下机器人技术进行研究与开发。
参考文献
[1]侯超.仿生鱼建模与控制研究.山东科技大学，2018.
[2]仲昆.机器鱼人工侧线系统的设计与环境感知研究.华东交通大学，2014
[3]王安忆，刘贵杰，王新宝，付碧波.尾鳍推进模式仿生机器鱼的进展与分析.中国海洋大学，2016.