用于煤矿井下透水事故探测机器鱼的研究

摘 要：为探测煤矿井下透水时被困人员的位置和井下环境信息，便于井下透水事故被困人员的营救，该文研究了电磁舵机驱动的机器鱼。根据仿生学原理设计了机器鱼的形体参数；通过对机器鱼在水下的受力分析，确定了电磁舵机的扭矩，并在此基础上选定了电磁舵机的参数；设计了机器鱼实现直线巡游和转弯的控制系统；最后通过实验验证了电磁舵机驱动机器鱼游动的可行性。

关键词：机器鱼 井下透水事故 电磁舵机 驱动控制

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0065-01

矿井透水淹井事故发生的原因是多种多样的，不同的矿区水文地质条件、不同的煤层赋存状态、不同的开采方式不同的管理模式，导致事故发生的原因各不相同。透水事故发生的常见类型有地表水、老空水、冲击层水、底板水等水害。煤矿生产过程中常见的矿井透水淹井事故从水源上分析主要是由地表水的溃入和老空区积水的透入造成的[1]。

煤矿水害往往会造成严重的淹井事故，除了对井下设备造成了破坏以外，还严重威胁井下作业人员的生命安全。因此需要有效的营救措施。为了避免营救过程中的盲目性以及对营救人员人身安全造成的威胁，需要提前对透水后井下的环境进行良好的探测，确定被困人员的位置，用以制定详细的有针对性的营救方案。这就使得水下机器鱼的研究极具应用价值。

1 机器鱼组成及结构原理

该文研究的机器鱼外部形体主要由鱼体和尾鳍组成。其内部结构由动力模块，控制模块，驱动模块，探测模块，通讯模块和避障模块组成。

机器鱼依靠尾鳍驱动模块带动尾鳍做往复摆动来实现水中的行进，并根据避障系统对前方环境的探测做出相应的动作，如遇到障碍物应该转弯或者上浮下潜，并将探测到的环境信息传回地面。

2 电磁舵机驱动机器鱼水下行进实验

2.1 实验装置及组成

本实验由MW公司生产大的D30电源和JMD10-C型号电源，AT89S52单片机，晶振，电容，电阻，运算放大器，DS1052E型号的示波器，直径6mm的舵机（自制）和尾鳍组成。其实物如图1所示。

电源模块可将AC220 V生活电压转换成DC和DC电压，此电信号经过驱动控制电路可实现输出频率可调的电信号，电源信号和最后产生的控制信号都可由示波器显示出来。通过此电信号舵机可以带动舵机来回摆动，舵机再通过连接的尾鳍摆动摆开水从而实现行进。

2.2 实验过程

首先将实验装置按照实验装置示意图连接好，然后将电源打开，示波器可以看到驱动控制电路的输出端输出了频率为1 Hz，振幅为的电信号。如图2所示。并且可以看到舵机能够带动尾鳍来回摆动。

然后将驱动控制电路连接上电磁舵机带动尾摆在水中摆动，具体的实验现象如图3所示，这样可以看到尾摆动能够产生卡门涡旋。

2.3 实验结论

根据样机实际情况，取=1.2， =1000 kg/m3，=0.1m，f=1Hz，A=15 °，S=0.01m2，将参数带入式（3），得=0.0040 N・m。

此次试验过程中可测得系统中的电压为5 V电流为0.03 A由此可得其提供的转T=0.02 N/m。

则可知T远远大于因此理论上试验完全满足要求。

因此电磁舵机可以用于驱动机器鱼在水中行进。

3 结语

为了将机器鱼应用于井下透水事故的营救、海洋勘探绘、监测和预报等领域，本文研究了电磁舵机驱动的机器鱼，对驱动控制系统进行了理论与实验研究，验证了电磁舵机驱动机器鱼水下行进的可行性；在避障，探测，通讯等方面需要深入研究，以实现对其功能的多样性

参考文献

[1] 张志国.煤矿水害事故原因及防治措施浅析[J].科技情报开发与经济，2012（2）.