（控制科学与工程专业论文）波动鳍仿生水下推进器及其控制方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 水下推进技术是决定水中航行器航程、航速和机动性的关键技术，研究新型 仿生水下推进器具有重要的经济意义和军事价值。波动鳍仿生水下推进器是一种 模仿鱼类中央鳍对鳍模式( m e d i a na n d o rp a i r e df i n , m p f ) 推进的新型仿生水下 推进器，具有机构简单、控制灵活、流体载荷分布均匀等优点，自二十世纪初开 始引起国内外研究机构的关注。 本文围绕波动鳍仿生水下推进器开展了仿生学、机构设计、控制方法和实验 等一系列研究工作，主要研究内容和成果如下： l深入开展了仿生对象鱼类波动鳍生物推进器的仿生学研究，为波动鳍 仿生水下推进器机构设计和控制方法研究提供了客观依据和科学指导。以弓鳍目 鱼类“尼罗河魔鬼”的背鳍推进器为仿生对象，基于双视角同步成像观测系统进 行实验，获取了仿生对象的形态学特征、内部构造和中枢神经系统控制机理，分 析了起动、停止、机动和直线巡游运动过程的动力学特性，建立了波动鳍生物推 进器在直线巡游状态下的运动学模型，通过对运动学模型中的波速、波幅、频率 三个参数进行调节对鳇面运动形状进行了拟合。 2 成功设计了并联多关节、多参数可控的波动鳍仿生水下推进器实验装置， 深入分析了仿生水下推进器的动力学特性。分析了波动鳍仿生水下推进器的设计 原则，研制了多关节并联、直流伺服电机驱动和分层控制的波动鳍仿生水下推进 器实验装置；建立了考虑鳍面弹性形变和流体作用的推进器动力学模型，分析了 单关节和整个推进器系统的动力学特性，基于作动盘理论建立了波动鳍仿生推进 器的简化推力模型。 3 基于新型神经元振荡器模型设计了一种仿生神经网络控制系统，实现了对 波动鳍仿生水下推进器各种运动的有效控制。提出了一种有两个神经元构成、连 接关系简单、易于工程应用的新型神经元振荡器模型，其振荡参数由动力学方程 中三个系数独立控制。以新型振荡器为基本单元，设计了单个关节的仿生神经网 络控制系统，研究了单关节起动、停止、等幅摆动等运动的控制方法。设计了控 制波动鳍仿生水下推进器的仿生中枢模式发生器群( c e n t r a lp a t t e r ng e n e r a t o r s ， c p g s ) 神经网络控制系统，研究了推进器起动、停止和稳态游动的控制方法，在 引入神经元估计器构成闭环后实现了对推进器波动幅度的稳定控制。实验结果表 明：本文设计的仿生神经网络控制方法比传统的逆运动学控制方法更加有效，实 现了对仿生对象从“形态相似”到“功能相似的进步，可应用于类似的仿生机 器人。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 4 进行了波动鳍仿生水下推进器实验装置的水动力实验、运动实验和流场实 验，分析了推进器运动过程中的推力、侧向力、推进速度和流场变化，对简化推 力模型中的参数进行了辨识，分析了目前制约波动鳍仿生水下推进器性能的关键 因素。 主题词：仿生水下推进器波动鳍机构控制神经网络实验中枢模式发生器群 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t p a c t u n d e r w a t e rp r o p u l s i o n t e c h n o l o g y i s a l l a b s o l u t e l yk e yc o m p o n e n tw h i c h d e t e r m i n e st h ev o y a g e ，v e l o c i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t yo ft h eu n d e r w a t e rv e h i c l e s i ti s f u l lo fe c o n o m i ca n dm i l i t a r ys i g n i f i c a n c et od e v e l o pn e w - t y p eb i o n i cu n d e r w a t e r p r o p u l s o r s f o r t h e r e q u i r e m e n t s i n b e t t e r p e r f o r m a n c e ，h i g h e re f f i c i e n c y ，l e s s d i s t u r b a n c e ， e t c t h eu n d e r w a t e rb i o n i cu n d u l a t o r y f i n p r o p u l s o r ,i n s p i r e db y u n d u l a t i o n so ft h em e d i a na n d o rp a i r e df i n ( m p f ) f i s h , h a sa d v a n t a g e si ns i m p l i c i t yi n s t r u c t u r e ，a g i l i t yi nc o n t r o la n du n i f o r m i t yi nf l u i dl o a dd i s t r i b u t i o n s u c han e w - t y p e b i o n i cp r o p u l s o rh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ob ym a n yr e l a t e dr e s e a r c h i n s t i t u t e so ft h ew o r l ds i n c e2 0 0 0 s i nt h i st h e s i s ，t h eb i o n i ci n s p i r a t i o n s ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，c o n t r o lm e t h o da n d e x p e r i m e n t so ft h eu n d u l a t o r y - f r op r o p u l s o rw e r ei n v e s t i g a t e dd e e p g o i n g l ya n d s y s t e m a t i c a l l y 1 1 1 em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 b i o n i ci n s p i r a t i o n sf r o mt h ea m i i f o r mf i s h ”g y m n a r c h u sn i l o t i c u s ”，w h i c h g e n e r a l l ys w i m sb yu n d u l a t i o n so ft h el o n gd o r s a lf i n ，a r ee x t r a c t e dt oa n s w e rw h ya n d h o wt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e df o rt h eu n d u l a t o r y - f i n p r o p u l s o r w ee s t a b l i s h e dat w o v i e ws y n c h r o n o u si m a g i n ga p p a r a t u st oo b s e r v et h e d o r s a lf i n so u t l i n e a sw e l la ss h a p ei nt h ed i f f e r e n tm o v e m e n t s ，a n dt oa n a l y z ei t s m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ei n n e rs t r u c t u r ea sw e l la st h ec e n t r a ln e u r a lc o n t r o l m e c h a n i s m , a i d e db yt h ex r a yi m a g e s t h es w i m m i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d d u r i n gt h es t a r t i n g ，s t o p p i n g ，s t r a i g h tc r u i s ea n dm a n e u v e r i n gm o t i o n a n df u r t h e r m o r e ， w es e t u pak i n e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b e t h el i n e s w i m m i n gm o t i o n o ft h e u n d u l a t o r y f mp r o p u l s o ra n dw ec a nc o n s t r u c ts e v e r a lf i ns h a p e sb yr e g u l a t i n g k i n e m a t i c a lp a r a m e t e r so ft h ep r o p u l s i v ev e l o c i t y ，a m p l i t u d ea sw e l la sf r e q u e n c y 2 a nu n d u l a t o r y - f i ne x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sa c c o m p l i s h e dw h i c hi sc o m p o s e do f m u l t i p l ep a r a l l e lj o i n t sa n dw h o s eu n d u l a t i o np a r a m e t e r sc a nb ei n d e p e n d e n t l y r e g u l a t i v e h e r e b y ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ew a si n d e p t hs t u d i e d i nd e t a i l ，w e p r e s e n t e dt h r e ed e s i g np r i n c i p l e so ft h eb i o n i cu n d u l a t o r y - f mp r o p u l s o r , b u i l tan o v e l d y n a m i cm o d e lw i t hc o n s i d e r a t i o n so ft h ee l a s t i cf i n sd e f o r m a t i o na n dt h eu n s t e a d y f l u i da c t i o n , a n da n a l y z e dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es i n g l ej o i n ta sw e l la st h e w h o l eb i o n i cu n d u l a t o r yd e v i c e m o r e o v e r , as i m p l yt h r u s tp r e d i c t i o nm o d e lw a ss e tu p b a s e do nt h ea c t u a t o r - d i s ct h e o r y 3 t h eb i o n i cn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e dw i t ht h eb a s i so fa n e w - s t y l en e u r a lo s c i l l a t o r , a n dt h ev a r i o u sm o t i o n so ft h eu n d u l a t o r y - f - mp r o p u l s o rc a n b ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e db yt h i sn e u r a ln e t w o r k n 圮n e w s t y l en e u r a lo s c i l l a t o r ，w h i c h i sc o m p o s e do ft w on e u r o n sa n dw h o s eo s c i l l a t i o np a r a m e t e r sa r ei n d e p e n d e n t l y c o n t r o l l e db yt h r e es p e c i a lc o e f f i c i e n t si nt h ed y n a m i ce q u a t i o n s ，p o s s e s s e sa d v a n t a g e s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 o fs i m p l ec o n n e c t i o n sa n dc o n v e n i e n t e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t a k i n gt h en e u r a l o s c i l l a t o ra st h eb a s i cc o m p o n e n t ，w ed e s i g n n e das i n g l e - j o i n tn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ，a n ds t u d i e di t sc o r r e s p o n d i n gc o n t r o la l g o r i t h m sf o rm o t i o n s ，s u c ha ss t a r t i n g ， s t o p p i n ga n du n i f o r m - a m p l i t u d es w i m m i n g f u r t h e r m o r e ，ab i o n i cc p g s ( c e n t r a l p a t t e mg e n e r a t o r s ) n e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e dt oc o n t r o lt h em o v e m e n t s o ft h eu n d u l a t o r y f i np r o p u l s o r , a n dt od e s i g nt h ec o n t r o la l g o r i t h m sf o rs t a r t i n g ， s t o p p i n ga n ds t e a d ys w i m m i n gf o rt h eu n d u l a t o r y f i np r o p u l s o r w h a t sm o r e ，w e a c c o m p l i s h e dt h ec l o s e l o o pc o n t r o lb yi n t r o d u c i n ga n e u r a le s t i m a t o r , a n da p p l i e dt h i s m e t h o di n t oc o n t r o l l i n gt h et m d u l a t o r ya m p l i t u d e t h er e s u l t sv e r i f yt h a tt h eb i o n i c n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lm e t h o dc a nb em o r ee f f e c t i v et h a nt h et r a d i t i o n a l r e v e r s e - k i n e m a t i c sm e t h o d ，a n dc a nb ea d a p t i v et ov a r i o u sb i o n i cr o b o t s f r o mt h ev i e w p o i n to fb i o n i c s ，t h ew o r ki nt h i st h e s i sm a yp r o m o t et h eu n d u l a t o r y - f i np r o p u l s o rf r o m ”l i k e n e s si ns h a p e ”t o s i m i l a r i t yi ns p i r i t “ 4 w ec a r r i e do u ts e v e r a le x p e r i m e n t so nh y d r o d y n a m i c s ，k i n e m a t i c sa n df l u i d f i e l d s ，t oa n a l y z et h et h r u s t ，l a t e r a lf o r c e ，s w i m m i n gv e l o c i t ya n df l u i df i e l ds t r u c t u r e d u r i n gt h eu n d u l a t o r y f i np r o p u l s i o n t oh em o r em e a n i n g f u l ，t h ep a r a m e t e r si nt h e s i m p l yt h r u s tp r e d i c t i o nm o d e la r ei d e n t i f i e dw i t ht h em e a s u r e m e n td a t a a n ds e v e r a l k e yf a c t o r sw h i c hh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h eu n d u l a t o r y f i np r o p u l s o ra r ep r o p o s e da n d a n a l y z e d k e yw o r d s ：b i o n i c ，u n d e r w a t e rp r o p u l s o r ，u n d u l a t o r yf i n ，m e c h a n i s m ， c o n t r o l ，n e u 隐ln e t w o r k s ，e x p e r i m e n t ，c e n t r a lp a t t e r ng e n e r a t o r si c p g s ) 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 仿生c p g s 神经网络控制系统的国内外研究现状1 4 表2 1 实验样本不同游速下运动参数的测量值3 0 表3 1 几种新型致动器的关键性能比较4 1 表3 2 波动鳍仿生水下推进器实验装置与仿生对象的参数比较4 4 表5 1 波动鳍实验装置不同运动参数下的推力数据9 1 表5 2 波动鳍实验装置不同运动参数下的推进速度9 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 鱼类游动模式的分类4 图1 2 波动鳍方式推进器工作过程中的简单受力分析4 图1 3 三类仿生水下推进器的典型仿生对象及内部机构7 图1 4 采用b c f 方式推进的两种鱼形机器入8 图1 5 英国哈利尔特一瓦特大学研制的波动鳍推进实验装置。9 图1 6 日本大阪大学和美国西北大学研制的波动鳍实验装置9 图1 7 新加坡南洋理工大学的波动鳍实验装置1 0 图1 8 国防科技大学研制的波动鳍实验装置和水下机器人1 0 图1 9 两种典型的胸鳍方式仿生水下推进器1 1 图1 1 0 “仿生a u v ”概念设计和前端的柔性波动鳍1 2 图1 1 1 脊椎动物和七腮鳗节律运动的神经控制系统。1 2 图1 1 2b c f 方式仿生水下推进器的逆运动学控制方法。1 5 图1 1 3 本文的组织结构1 7 图2 1 “尼罗河魔鬼”实验样本19 图2 2 双视角同步成像的鱼类观测系统原理图2 0 图2 3 实验样本的侧视与俯视特征采样拟合图2 0 图2 4 实验样本典型形态参数沿体轴的分布2 l 图2 5 实验样本的x 射线透视图21 图2 6 背鳍单根鳍条摆动过程中的肌肉动作变化2 2 图2 7 周期性运动中左右两侧肌肉的交互作用过程2 3 图2 8 “尼罗河魔鬼”背鳍推进器的c p g s 神经网络控制系统框图2 3 图2 9 描述推进器运动的三个参考坐标系2 4 图2 1 0 “尼罗河魔鬼 正向起动过程图像序列2 5 图2 1 l “尼罗河魔鬼 正向停止过程的图像序列2 6 图2 1 2 “尼罗河魔鬼”在垂直面内18 0 度逆时针转弯2 7 图2 1 3 “尼罗河魔鬼 在垂直面内1 8 0 度顺时针转弯2 8 图2 1 4 “尼罗河魔鬼 直线巡游时背鳍的波动状态2 8 图2 1 5 “尼罗河魔鬼”直线运动过程中推进波的传播过程。2 9 图2 16 实验样本运动图像序列。2 9 图2 1 7 背鳍运动参数随游速变化曲线与拟合结果。3 1 图2 1 8 尼罗河魔鬼与其它鱼类巡游时的斯特鲁哈尔数变化范围。3 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图2 1 9 三维波动鳍面的二维曲面坐标描述3 2 图2 2 0 鳍条转动的三种情况。3 3 图2 2 1 菱形波幅波动时的鳍面运动状态3 6 图2 2 2 等幅波动时的鳍面运动状态3 7 图2 2 3 递增幅度波动时的鳍面运动状态3 7 图3 1 波动鳍仿生水下推进器机构的仿生并联多关节设计3 9 图3 2 波动鳍生物推进器与仿生推进器的控制系统框图4 0 图3 3 单关节机构的两种连接方式4 2 图3 4 波动鳍仿生水下推进器的机构设计图与实验装置4 3 图3 5 波动鳍仿生水下推进器的分层控制系统4 4 图3 6 波动鳍仿生水下推进器单关节的动力学模型4 5 图3 7 单关节系统的阶跃响应4 7 图3 8 单关节系统的低频正弦函数响应4 9 图3 9 单关节系统的高频正弦函数响应4 9 图3 1 0 单关节系统的幅频特性和相频特性5 0 图3 1 1 弹性鳍面展开后的局部区域形状5 l 图3 1 2 第f 个鳍面单元的弹性形变分析5 2 图3 1 3 波动鳍仿生水下推进器波动时的流场变化5 4 图3 1 4 鳍面运动过程中的虚质量效应和第f 根鳍条的受力面5 5 图3 1 5 等幅波动时波动鳍仿生水下推进器各关节的角度变化曲线5 7 图3 1 6 不同流体载荷系数下推进器波动幅度随频率变化曲线。5 8 图3 1 7 流体载荷递减分布时的递增幅度波动。5 9 图3 1 8 波动鳍仿生水下推进器工作过程中的受力分析6 0 图4 1 模仿七鳃鳗的c p g s 神经网络6 3 图4 2 基于m a t s u o k a 振荡器的仿生c p g s 神经网络6 3 图4 3 基于w i l s o n c o w a n 振荡器的仿生c p g s 神经网络6 5 图4 4 新型人工神经元振荡器模型6 7 图4 5 新型神经元振荡器中的非线性自反馈函数6 8 图4 6 新型神经元振荡器在相平面内的运动轨迹6 9 图4 7 矢径绝对变化率在相平面内的空间分布7 0 图4 8 振荡角频率变化项在相平面的空间分布7 1 图4 9 平衡点两个约束函数在相平面的轨迹7 2 图4 1 0 矢径导数沿封闭圆周积分随半径的变化曲线7 3 图4 1 1 单关节仿生神经网络开环控制系统框图7 4 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 2 单关节仿生神经网络开环控制系统的三种运动过程。7 6 图4 1 3 关节摆动幅度的神经元估计器7 7 图4 1 4 关节正弦摆动时神经元估计器的输出曲线7 8 图4 15 单关节仿生神经网络闭环控制系统框图7 9 图4 1 6 单关节闭环仿生神经网络控制系统控制下的等幅运动。8 0 图4 1 7 单关节闭环仿生神经网络控制系统控制下的变幅摆动。8 0 图4 1 8 不同系统参数下单关节闭环控制系统的频率调节过程。8 1 图4 2 0 波动鳍仿生水下推进器在仿生神经网络控制下的起动过程。8 3 图4 2 l 不同节间连接强度时的起动过程。8 4 图4 2 2 仿生神经网络控制下的稳态游动过程。8 5 图4 2 3 仿生神经网络控制下的递增幅度波动8 5 图4 2 4 波动鳍仿生水下推进器在仿生神经网络控制下的停止过程8 6 图4 2 5 波动鳍仿生水下推进器的仿生神经网络闭环控制系统框图8 7 图4 2 6 仿生神经网络闭环控制系统控制下的角频率调节过程8 8 图5 1 波动鳍仿生水下推进器的静基座水动力实验原理图8 9 图5 2 波动鳍仿生水下推进器的水动力实验系统9 0 图5 3 波动鳍仿生水下推进器的控制与数据采集系统框图9 0 图5 4 波幅3 0 。、频率不同时波动鳍实验装置的推力曲线9 l 图5 5 波动鳍实验装置推力随频率、设定波动幅度变化曲面9 2 图5 6 波动鳍实验装置随频率、实测波动幅度的变化曲面9 2 图5 7 波动鳍实验装置不同设定波幅下的实测幅频系数9 3 图5 8 无量纲系数岛，随频率、实测波动幅度的变化曲面9 4 图5 9 幅度= 3 0 。、频率= l h z 、2 h z 、3 h z 时的侧向力变化曲线。9 5 图5 1 0 玎，= 0 5 、o o = 1 5 。时不同频率下的的侧向力曲线9 5 图5 1 1 力：= 0 2 5 、o o = 1 5 。时不同频率下的侧向力曲线。9 6 图5 1 2 波动鳍实验装置在导轨上的直线运动。9 6 图5 1 3 不同波幅下波动鳍实验装置推进速度随频率变化曲线。9 7 图5 1 4 波动鳍仿生水下推进器的流场实验观测系统示意图。9 8 图5 1 5 波动鳍推进器前段一个周期内的流场变化。9 9 图5 1 6 波动鳍推进器0 5 h z 波动时中段一个周期内的流场变化1 0 1 图5 1 7 波动鳍推进器1 h z 波动时中段一个周期内的流场变化1 0 1 图5 1 8 波动鳍推进器2 h z 波动时中段一个周期内的流场变化1 0 2 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 遮动鳢笾生丞王推进墨拯墓撞剑友法研究 学位论文作者签名：至丝型：基 日期：加叼年乒月2 。日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授 权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文题目： 这动鳢笾生盔王燕进墨盈甚控制友洼班塞 学位论文作者签名：型垒丛丕 储指导教9 币繇返堡基 日期：刎年钼加日 日期：乒却年月加日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 海洋占地球表面积的7 1 ，不但自身蕴藏着比陆地更加丰富的食物、矿产等 资源，而且是重要的运输通道和军事战略空间，同世界各国的生存与发展都密切 相关，2 l 世纪也被称为人类开发、利用海洋的“海洋世纪 。人类自身不能在水 中长时间生活或大范围高速运动，必须借助于水面船舶、潜艇、潜水器、水下机 器人等各类水中航行器以拓展人类在海洋中的活动能力。水下推进技术是决定这 些水中航行器航程、航速、机动性等性能的关键技术之一，因此具有重要的经济 价值和军事意义，一直以来都是国内外相关研究机构的研究重点【i - 7 】。 水下推进技术的研究可以追溯到几千年前。受鱼类摆动身体和尾鳍在水中自 由游动的启发，人类先后发明了橹、桨、舵三种简单实用的仿生装置，成功地实 现了木船在江河湖海中的推进与控制，迈出了人类征服自然的重要一步。1 8 世纪 后期，人类又发明了模仿马车车轮的明轮推进系统，但容易受水面波浪冲击而影 响船舶的稳定性，因此并没有得到广泛应用。1 8 1 4 年，螺旋桨作为一种崭新的水 下推进器形式成功地应用在第一艘蒸汽机驱动的军舰上，实现了船舶航速、航程 的一个飞跃峭j 。此后近两百多年来，由于螺旋桨具有结构简单、推进效率较高、可 靠性高等优点，被各种水中航行器广泛采用，成为水下推进器最主要的形式。 与鱼类生物推进器和橹、桨等简单仿生水下推进器相比，螺旋桨水下推进器 的优点是将推进器官工作面的往复运动变换为旋转运动，能够直接由蒸汽机、内 燃机、电动机等旋转动力机械驱动，可以产生更大推力和更高推进速度。但螺旋 桨尾流中始终存在垂直于前进方向的旋转速度分量，消耗在流体中的这部分能量 不能产生有效推力，成为制约其推进效率的关键因素。此外，螺旋桨转速较高时 产生的气穴空化现象引起桨叶磨损和效率下降，载体也必须克服与螺旋桨转动方 向相反的较大转矩。目前各类螺旋桨的推进效率徘徊在4 0 - 6 0 之f 司1 9 ，即使采 用复杂的对转螺旋桨技术也只能提高1 0 - 2 0 左右【l o 】。一些军用侦察机器人、鱼 类活动观测机器人等新型水中航行器要求推进器具有流体扰动小、尾迹特征小、 推进效率高、机动性高等特性。螺旋桨难以满足上述需求，因此有必要继续进行 其它新型水下推进器的探索性研究工作。 2 0 世纪6 0 年代诞生的仿生学( b i o n i e s b i o m i m e t i c s ) 作为生物、电子、材料、 机械、控制等多学科交叉融合的新兴学科，给水下推进技术研究领域注入了新的 活力。仿生学的核心思想是“师法自然 ，首先对自然界中经过亿万年进化、选 择形成的简单、高效、可靠的各种原理、方法、机构等进行研究，然后将其“移 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 植”到各种人造装置的研制过程中以提高其性能，最终实现“源于生物，高于生 物”的目标【1 1 d 5 1 。仿生学研究的一个重要分支就是运动仿生，专门研究在各种人 造运动载体中采用模仿生物的运动方式来实现更高的速度、效率、机动性等【i 6 。 运动仿生按照环境不同可以分为空中、陆地、水下三类，其中水下运动仿生就是 模仿鱼类等水中动物推进方式来研制用于各种水中航行器的仿生水下推进器。 仿生水下推进器的研究经历了近半个世纪的艰苦探索，取得了一系列成果。 一方面，自2 0 世纪6 0 年代以来，l i g h t h i l l 、吴耀祖( t y w u ) 、程健宇、童秉 纲等提出了多种描述生物和仿生水下推进器流体力学作用过程的简化理论，初步 分析了推进器的效率、推力、速度等参数【1 7 - 3 3 1 。另一方面，自2 0 世纪9 0 年代以 来，国内外很多研究机构研制出模仿鱼类身体一尾鳍模式( b o d ya n dc a u d a lf i n ， b c f ) 推进的鱼形机器人或仿生推进装置，成功地实现了对鱼类各种运动的模仿 3 4 - 4 8 】。此外，随着计算机和计算流体力学的不断进步，一部分研究机构开始采用 计算流体力学方法进行了仿生水下推进器运动的数值模拟【4 9 。5 5 1 。 进入2 l 世纪以来，世界范围内的仿生水下推进技术研究进入了一个相对缓慢 的时期，其原因主要有三个方面：首先，由于受理论、试验技术等因素的制约， 目前对各种生物或仿生水下推进器运动时的复杂、时变、非定常的流体特性难以 进行深入分析；其次，研制出的各种b c f 方式仿生推进器或鱼形机器人在实现基 本的运动功能后，却受机构、致动器、密封等工程实现技术制约很难进一步提升 其性能，距离应用需求还存在相当大的差距；最后，鱼类高超的运动性能取决于 生物推进器的优良推进特性和鱼体的良好减阻外形两方面，而人造水中航行器自 身的流体阻力系数远大于鱼体，因此在采用仿生水下推进器后的运动性能与最初 期望也存在一定差距。 波动鳍( u n d u l a t o r yf i n ，u f ) 仿生水下推进器是一种不同于b c f 方式仿生水 下推进器的新型推进器，它以鱼类具有波动功能的背鳍( d o r s a lf i n ) 、腹鳍( v e n t r a l f i n ) 、臀鳍( a n a lf i n ) 等推进器官为模仿对象，通过鳍条驱动弹性鳍面在水中波 动的方式获得推力。与b c f 方式仿生水下推进器相比，波动鳍仿生水下推进器具 有机构简单、参数控制灵活、流体载荷分布合理、机动性好等优点，因此，自2 1 世纪初开始成为仿生水下推进技术研究领域的一个新兴方向。 本学位论文课题来源于国家部委项目“基于波动方式的x x 新概念仿生推进 器 ，项目的研究目标是探索性地研究一种能够作为现有水下推进器有益补充的 新型仿生水下推进器，其研究内容包括波动鳍仿生推进理论、波动鳍生物推进器 仿生学研究、波动鳍仿生水下推进器机构设计、波动鳍仿生水下推进器控制技术、 多波动鳍推进载体仿生设计、多鳍协同波动推进控制技术等方面。文献 5 6 1 针对多 鳍载体推进控制系统开展了相关研究，取得了若干成果。本论文以仿生学研究为 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 基础，着重研究波动鳍仿生水下推进器的机构设计和控制方法两个方面，最后通 过多种实验分析了波动鳍仿生水下推进器实验装置的工作特性和推进性能。本论 文不仅是项目研究的重要组成部分，而且为将来研制实用型波动鳍仿生水下推进 器奠定了坚实的基础。 1 2 国内外研究现状 仿生水下推进器的主要研究内容可以划分为仿生水下推进理论、仿生水下推 进器实验装置研制、仿生水下推进器控制方法三个方面，其中仿生水下推进理论 是整个研究工作的前提和基础，仿生水下推进器实验装置研制是工程实现方面的 实践和探索，仿生水下推进器控制方法是提升推进性能的重要途径。 1 2 1 仿生水下推进理论研究现状 仿生水下推进器是对水生动物生物推进器的模仿，而自然界中的水生动物( 其 中绝大多数都是鱼类，后文中对二者不加区分) 种类多达数万种，运动模式丰富 多样，每种运动又由一种或多种生物推进器产生，因此首先需要对这些运动进行 观测和分类。鱼类的运动主要分为游动和非游动两大类，非游动包括各种特殊动 作如跳跃、掘穴、飞行、滑行、喷射推进等，其普遍性和重要性远低于游动1 5 。 游动按照时间特性又分为两类：( a ) 周期性游动，其特征是存在一个周期性的重 复过程，被鱼类用来以稳定速度完成长距离的运动；( b ) 瞬态( 非稳定) 游动， 如快速起动、逃逸机动、转弯等，持续时间很短，主要用于短时机动。由于非稳 定游动的流体力学作用过程更为复杂多变，对鱼类运动性能的影响远不及周期性 游动重要，因此一直以来国内外研究人员都将周期性游动作为关注的重点【5 8 - 6 2 1 。 按照产生周期性游动的生物推进器类型、部位和原理不同，b r e d e r 最早在1 9 2 6 年将鱼类游动推进模式分为b c f 模式和中央鳍对鳍模式( m e d i a na n d o rp a i r e d f i n ，m p f ) 两大类【6 3 1 。l i n d e y 给出了按照这种分类方法的各种不同游动方式之间 的内在联系畔j ，如图1 1 所示，其中阴影部分为推力产生单元。b c f 方式分为鳗 鲡目方式( a n g u i l l i f o r m ) 、亚鲣科方式( s u b e a r a n g i f o r m ) 、鲣科方式( c a r a n g i f o r m ) 、 鲔科鳄科加月牙尾方式( t h u n n i f o r m ) 和箱纯科方式( o s t r a c i i f o r m ) ，其特点是 身体和尾鳍都参与摆动。m p f 模式又分为波动鳍方式和摆动鳍方式( o s c i l l a t o r y f i n ) 两类。其中，波动鳍方式的特点是鳍面由大量与肌肉相连的鳍条和柔性薄膜 连接而成，可以在水中波动来产生操控力和力矩，包括弓鳍目( a m i i f o r m ) 的背 鳍( d o r s a lf i n ) 、裸背鳗目( g y m n o t i f o r m ) 的腹鳍( v e n t r a lf i n ) 、鳞纯科( b a l i s t i f o m ) 的背臀鳍( d o r s a la n da n a lf i n s ) 、鳐科( r a j i f o r m ) 和刺纯科( d i o d o n t i f o r m ) 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的胸鳍( p e c t o r a lf i n ) 。摆动鳍方式包括隆头鱼科( l a b r i f o r m ) 的胸鳍和纯科 ( t e t r a o d o n t i f o r m ) 的背臀鳍，其特点是运动过程中鳍面不能主动变形。 波动鳍 运动 摆动鳍 运动 ( a ) b c f 模式 田甲因一t l 背mi 恩 ； ) m p f 模式 图1 1 鱼类游动模式的分类 为便于比较分析，将b c f 模式推进器中的各种不同形式泛称为b c f 方式。 b c f 方式推进器适于长时间高速巡游和高效推进，超过8 5 的鱼类采用其作为游 动过程中的主要推进器。m p f 模式中的波动鳍方式推进器一般被用作操纵和稳定 的辅助推进器，但也有一部分鱼类采用波动鳍方式推进器作为主要推进器，运动 速度一般不高于3 倍身体长度秒( b o d yl e n g t h s e c ，b l s ) 【6 引。 ， 推进波传播方向 f y f 卜- - - 一 萱垄查囱， 弓f ， 、 一f y j、( ) 、 、， 、 图1 2 波动鳍方式推进器工作过程中