智能钓鱼装置的触发弹射结构设计

杨 航，高 彪，施良才，张 啸

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

传统的钓鱼工具受环境限制很大，当身后或上方存在障碍物时难以完成甩钩.目前的鱼竿不能根据鱼所在的位置进行实时调整位置，也不能在鱼咬钩时实现自动收绳.邓武进提出了一种智能鱼竿，利用传感器检测鱼咬钩的情况，但未实现对前视区域的自动瞄准功能[1].英国发明了一款利用声波定位技术将游入锥形声波区内的鱼显示到显示屏幕上，当鱼咬钩时根据水面泛起的波纹提示钓鱼者鱼已咬钩，但未能实现自动收绳功能[2].针对此现状在问题，本文提出了一种触发弹射式钓鱼装置，可以实现前视区域自由瞄准目标、捕捉目标、发射鱼钩，解决空间受限问题.

1 钓鱼装置主体构成及弹射功能实现

1.1 钓鱼装置主体构成

钓鱼装置主体结构由收放绳机构、伸缩机构、旋转台、发射机构四部分组成.整体结构如图1所示.

图1 钓鱼装置结构图

四个部分的结构图如图2～5所示.

图2 旋转台

图3 发射机构图

图4 钓鱼装置收放绳机构

图5 钓鱼装置伸缩机构图

其中鱼漂和鱼钩的末端用鱼线相连，鱼漂结构如图6所示，鱼漂采用聚乙烯材料制成，其密度为0.91 g/cm3，小于水的密度1 g/cm3.

图6 鱼漂结构图

整体形状是规则图形，将其划分为四个部分，面积分别为Si，(i=1,2,3,4)，各个面质心为Ai，(i=1,2,3,4)，根据形心公式可以求得其形心.理论力学中给出了规则图形的形心(图中S0)即为图形重心的结论，如图7所示.

根据阿基米德定律可知规则图形的浮心与重心重合，且鱼漂的密度小于水的密度，故鱼漂浮于水上.鱼线在伸缩鱼竿的中轴线一侧，另一端与收绳机构相连.伸缩杆通过弹簧实现弹射.鱼竿整体架设在可自动旋转任意角度旋转的平台上，旋转台能根据鱼所在位置，自动调整角度.渔具系统控制电机、鱼漂补光.鱼竿尾端部位安有显示屏，能显示水底内容.补光灯和摄像头处采用透明薄玻璃片密封，两者之间有局部空气，补光灯发出的光从空气进入水中发生折射照射到鱼钩上，同时鱼钩将光折射到摄像头，实现对鱼钩图像的采集，进而摄像头对鱼钩的一直照射，其光线传播路径如图8所示.

图8 光线传播路径图

1.2 弹射功能实现

鱼竿的弹射：电机1正转，齿轮轴1与齿轮轴2啮合，使得发射节逆时针转动，与伸缩鱼竿底部脱离接触，伸缩鱼竿在内部弹簧弹力作用下将伸缩鱼竿1弹出，伸缩鱼竿1完全伸出时，带动伸缩鱼竿2继续伸出，鱼钩和鱼漂随着伸缩鱼竿一起运动，当伸缩鱼竿1，2不在伸出时，鱼钩和鱼漂由于惯性继续运动，直至鱼钩沉入和鱼漂漂浮在水面.定滑轮减少在收放绳过程中的阻力.

2 弹簧选取与仿真分析

2.1 弹簧选取

弹射机构采用三段伸缩结构，如图2所示的伸缩杆1尾端安装储能弹簧，其弹性系数为k，最大压缩量后弹簧剩余原长xr，弹簧压缩后剩余长度x，杆2在杆1带动下弹出，采用轻质碳钢，摩擦系数μ，定义三个杆的质量为mi，(i=1,2,3)弹射速度vi，(i=1,2,3).三根杆等长为li，(i=1,2,3).由能量守恒定律得式1：

(1)

式中，x0为弹簧原长，g为重力加速度.

当弹射中杆1与杆2接触瞬间产生碰撞，带动杆2一起伸出，并以新的初速度v120运动，碰撞过程忽略瞬时摩擦，得式2：

m1v1=(m1+m2)v120，

(2)

在这之后，伸缩鱼竿1，2以相同速度运动，根据能量守恒得式3：

(3)

式中，v12为两个伸缩竿1，2一起运动时的速度.

伸缩鱼竿1的速度在质量、长度等参数一定的情况下，速度由弹簧唯一决定.根据胡克定律可知，弹簧在初始条件下收的压缩力为k(x0-xr).

2.2 伸缩杆弹射过程仿真分析

选择鱼竿的质量参数m1=0.183 kg，m2=0.782 kg，长度参数m2=0.782 kg，l1=l2=l=0.59 m，弹簧原长x0=1.180 m，滑动摩擦系数μ=0.57，重力加速度g=9.8 m/s2.将上述参数设定好后利用Solidworks软件进行建模[3]，将钓鱼装置放入ADAMS进行仿真[4-5]，做弹簧压缩后剩余长度x与鱼竿1速度v(x-v)曲线.其中v由k决定.在本次仿真中取弹簧弹性系数为k=9.1 N/m，k=9.2 N/m，k=9.3 N/m，k=30 N/m时进行仿真，如下图9～12所示.

弹簧压缩后剩余长度/m图9 k=9.1时曲线图

弹簧压缩后剩余长度/m图10 k=9.2时曲线图

弹簧压缩后剩余长度/m图11 k=9.3时曲线图

弹簧压缩后剩余长度/m图12 k=30时曲线图

图中两段曲线分别表示碰撞前后鱼竿1的运动速度.仿真结果表明：当k=9.1 N/m时，弹簧还未完全恢复原长时，速度已经为0，说明弹簧弹力不足以使得鱼竿弹出；当k=9.2 N/m时，弹簧恰好恢复原长，速度为0，说明弹簧恰好能将鱼竿弹出.当k=9.3 N/m时，此时鱼竿弹出时有较小的速度；当k=30 N/m时，弹性系数过大使得速度不易收敛，故不选弹性系数过大的弹簧.综上所述，选取k=9.3 N/m的弹簧较为合理.

3 控制系统功能

控制系统以STM32单片机为控制器[6]，通过旋转台自动转动，前端摄像头捕捉到的信息，实时获取水下信息来实现对渔具的收放绳机构、旋转台、发射机构进行控制.当发射机构动作时，伸缩机构随之动作.系统框图如图13所示.当摄像头看到鱼时，将信息返回单片机，单片机控制将画面在显示屏上显示[7]，经图像处理后，实时控制电机转动，带动旋转台转动，使得伸缩鱼竿能够转动任意角度发射鱼竿，完成智能钓鱼.鱼漂内以51单片机为控制器[8,9]，采用无线通信实现命令与画面的传输[10].

图13 控制系统框图

4 实物测试

对实物测试，实物图如图14所示，分别选取弹簧弹性系数k=9.1 N/m，9.2 N/m，9.3 N/m，9.5 N/m，10 N/m，以鱼竿弹射至最长时1 780 mm为测量值进行多次实验，对其弹射成功次数进行统计如表1所示.

图14 多功能钓鱼装置实物图

表1 弹射成功次数统计表

从表1可以看出，该实物实验与理论分析能够基本符合，验证了理论的正确性.

5 结 论

本文采用三段伸缩杆结构，设计了触发弹射钓鱼装置，利用压缩弹簧贮存的能量经触发机构实现发射鱼竿，并在控制系统配合下实现钓鱼者前事区域内的自动瞄准钓鱼功能，装置关键结构经过理论计算与仿真实验，选择了适当的弹簧；同时运用控制触发自动完成鱼钩发射，结合图像视觉与实时图像处理实现智能化功能.装置研制后经对弹射机构进行弹射试验，系统弹射功能可靠达到有效率达到98%以上.