（控制科学与工程专业论文）基于多波动鳍推进的仿生水下机器人设计、建模与控制.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 鱼类波动鳍推进模式具有流体扰动小、可产生矢量推力并且易于向水下机器 人移植等显著优点，为未来水下机器人的仿生设计提供了新的选择，具有广阔的 应用前景和理论研究价值。本文以波动鳍推进模式为研究对象，提出将模仿鱼类 波动鳍结构、运动特征及推进功能的仿生波动鳍作为基本推进单元设计水下机器 人推进控制系统的基本思想。论文主要围绕“基于多波动鳍推进的仿生水下机器 人”仿生设计、多鳍推进控制系统动力学建模、多鳍协同波动推进控制技术三方 面展开研究，主要研究内容及刽新点如下； 1 提出了“基于多波动鳍推进的仿生水下机器人”设计方案。论文在国内率先研 究波动鳍仿生推进方式并将其应用于水下机器人的推进控制系统设计。基于四 鳍正交平行配置结构的多波动鳍推进控制系统设计方案在原理上能够通过四 条仿生鳍的波动主动产生沿载体轴向的推进力和用于姿态控制的偏航力矩与 俯伽力矩，并且推进力与操控力矩的大小与方向可以通过改变仿生鳕波动参数 及多鲳之间波动运动的协同关系进行控制，这种不依赖于任何舵翼装置主动产 生推进力与操控力矩的能力不仅能够用于水下航行器的推进与姿态控制，而且 有利于增强载体的低速稳定性和快速机动能力。基于波动鳍推进模式的多鳍推 进控制系统设计方案为水下机器人的仿生设计提供了一个新的思路和选择。 2 根据波动鳍的仿生学研究结果，并基于流体力学中的阻力模型，建立了波动鳍 运动学模型与动力学模型波动鳍运动学模型综合考虑了鳍面基线形态与运动 特征、鳍面静态形状、鳍条运动规律、鲳面纵向与侧向位移等因素，能够用统 一的数学形式描述波动鳍的形态特征与运动特征，具有较强的适应性。波动鳍 动力学模型能够揭示波动鳍波动产生的六分量流体动力，力矩与鳍面波动参数、 几何参数以及随载体运动速度之间的基本关系。并用于建立多波动鳍推进控制 系统动力学模型以及分析其推进速度，能耗与推进效率。波动鳍动力学模型的 正确性在基于多波动鳍推进的仿生水下机器人试验系统的推力、力矩以及推进 速度测试试验中得到了验证。 3 针对“基于多波动鳍推进的仿生水下机器人”推进系统与控制系统一体化设计 的技术特点，提出了波动鳍推进模式用于水下机器人推进与姿态控制的多鳍协 同波动推进控制方法。多鳕协同波动推进控制方法将水下机器入控制系统划分 为多鳍协同波动控制与水下机器人运动，姿态控制两个层级。在多鳍协同波动控 制层级，分别针对载体低速与稳速条件下的操控要求提出不同的多鳍协同控制 算法，以产生期望的推力与操控力矩，并消除或抑制波动鳍产生的周期性力矩 分量的不利影响。根据运动与姿态控制目标的不同，将仿生水下机器人控制系 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 统的运动与姿态控制层级设计为双环控制系统。由于多波动鳍推进控制系统只 能主动产生推进力、偏航力矩与俯仰力矩，因此将航速、航向与俯仰控制作为 基本控制通道处于控制内环，其控制器采用模糊自适应p i d 控制策略进行非耦 合分离设计；控制任务分解模块作为控制外环，其任务是将非基本控制通道的 控制目标转化或分解为航速、偏航角与俯仰角控制目标，控制量的转化策略采 用专家p i d 控制策略。在此基础上，根据多波动鳍推进控制系统动力学模型， 提出相应的航速通道前馈补偿算法以及横滚姿态修正算法。通过在仿生水下机 器人仿真系统上进行航速、航向、俯仰以及定深控制系统的阶跃响应、抗干扰 性能和跟踪性能仿真，初步验证了多鳍协同波动推进控制方法用于水下机器人 推进与姿态控制的有效性。 主题词：波动鳍仿生推进水下机器人 仿生设计动力学建模推进控制 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 r a c t n l cp r o p u l s i o nm o d eo ff i s h su n d u l a t o r yf i ah a sa d v a n t a g e s0 1 1l e s ss w i m m i n g d i s t u r b a n c e ，g e n e r a t i o n so fv e c t o rt h r u s ta n dc o n v e n i e n c eo fb e i n g 台a n s p h n t e dt o u n d e r w a t e rv e h i c l e s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，s u c hab i o - p r o p u l s i o nm o d ep r o v i d e san o v e l s c h e m ef o rf u t u r ea q u a t i cr o b o t s ，s oi t p o s s e s s e sv a l u e so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d p r o s p e c t i v ef o rw i d ea p p l i c a t i o n s t l l i st h e s i sp r e s e n t st h ef i s h - i n s p i r e dr o b o tw h i c h i s p r o p e l l e db yc o o p e r a t i v eu n d u l a t i o no ft h em u l t i - f i nb i o - p r o p u l s o r , i n c l u d i n gb i o n i c d e s i g ns c h e m e ，d y n a m i cm o d e l i n go ft h eu n d u l a t o r ym u l t i - f i np r o p u l s i o ns y s t e ma n d t h ec o o p e r a t i v ec o n t r o lm e c h a n i s mo ft h em u t t i - f , np r o p u l s o r a n dw em a yd r a wt h e f o l i o w i n gi n n o v a t i v ep o i n t s 1 n 】et h e s i sp r o p o s e st h ed e s i g ns c h e m ef o rah o v e ib i o n i cu n d e r w a t e rv e h i c l e w h i c hi sp r o p e l l e db yu n d u l a t o r ym u l t i p l ef i s h - l i k ef i n i nt e r m so f e x i s t i n gr e p o r t s a n dp u b l i s h e dl i t e r a t u r e ，i ti st h ef i r s tt i m et oi m i t a t ep r o p u l s i o nm e c h a n i s mo f u n d u l a t o r yf i n sa n da p p l yt h a ti n t ot h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp r o p u l s i o n a n de o n 缸o ls y s t e mf o rt h en o v e lu n d e r w a t e rv e h i c l e 眺p r o p u l s i o na n dc o n 舡o l s c h e m ew i t hf o u ro r t h o g o n a l p a r a l l e l - d e p l o y e du n d u l a t o r yf i n sh a sb e e nv e r i f i e dt o g e n e r a t et h r u s ta sw e l la sy a w i n ga n dp i t c h i n gm o m e n t sv i aa c t i v em u l t i - f m u n d u l a t i o n s i na d d i t i o n , t h et h r u s ta n dm o m e n t sc a l lb ec o n t r o l l e db yc o o r d i n a t i n g u n d u l a t o r yp a r a m e t e r so f e a c hf i no rv a r y i n gc o o p e r a t i v eu n d u l a t i o i l sa m o n gt h e f o t i tf i n s t l l i sb i o a i cm u l t i - f i np r o p u l s o rc a l l a c t i v e l yg e n o t a t e t h r u s ta n d o p e r a t i o n a lm o m e n t sw i t h o u ta n yr u d d e r s , s oi tm a yn o to n l yb ea p p l i c a b l ei n p r o p u l s i o na n dg e s t u r ec o n l i o l , b u ta l s oi ti sg o o da te n h a n c i n gm a n e u v e r a b i l i t ya t l o ws p e e da n dh i g h - s p e o da g i l i t y 1 1 p r o p u l s i o na n dc o n ：b ：o ls y s t e md e s i g n s c h e m eb a s e do nt h eu n d u l a t o r ym u l t i f i np r o p u i s o rp r o v i d e sa l li n n o v a t i v ei d e a a n da n o t h e rc h o i c ef o rt h eb i o n i cd e s i g no f u n d e r w a t e rv e h i c l e s 2 n l ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cm o d e l sa l ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fb i o n i c i n s p i r a t i o n si nb a l i s t i f o r mf i s h su n d u l a t o z yf i n sa n dt h e 出叠gm o d e li nf l u i d m e c h a n i c s 1 1 1 ek i n e m a t i cm o d e lc a nd e s c r i b em o r p h o l o g i c a la n dk i n e m a t i c c h a l a e t e r i s t i c so ft h eu n d u l a t o r yf i n su n d e rau n i f o f i ne x p r e s s i o n , a n di sm o r e f e a s i b l ew i t hc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n si nm o r p h o l o g yi nc o m p a n yw i t h l o c o m o t i o no ft h ef i nb a s el i n e ，t h en a t u r a ls h a p e ，t h ef i nr a yo s c i l l a t i o n , a n dt h e l a t e r a la sw e l la sv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t s a d d i t i o n a l l y , t h ed y n a m i cm o d e lo f b i o n i cu n d u l a t o r yf i nc a nm 扯o v c rt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef o r c e s m o m e n t sa n d p r o p u l s i v ew a v ep a r a m e t e r s ，g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa sw e l la ss w i n l m i n gv e l o c i t y a n di th a sb e e nu s e dt oc o n s t r u c tt h ed y n a m i cm o d e lo f t h ep r o p u l s i o na n de o n t r o l s y s t e ma n dt oa n a l y z ei t sm o t i o nv e l o c i t y , e n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r o p u l s i o n e f f i c i e n c y t ob em o r ei m p o r t a n t , t h i su n d u l a t o r y 缸d y a d i cm o d e lh a sb e e n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a lt e s t si nt h r u s t , m o m e n t sa n dp r o p u l s i v ev e l o c i t yo ft h e u n d e r w a t e rv e h i c l e 3 i nt e r l n so ft h e i n c o r p o r a t i o nb e t w e e np r o p u l s i o na n dc o n t r o l i nt h eb i o n i c u n d e r w a t e rv e h i c l e w ep r e s e n tt h em u l t i f mc o o p e r a t i v ec o n t r o lm e c h a n i s mf o r a p p l y i n gt h eu n d u l a t o r ) rf mm o d ei n t op r o p u l s i o na n dg e s t u r ec o n t r 0 1 t ob e c o n c r e t e ，t i f f sm e t h o dc l a s s i f i e st h er o b o t i cc o n t r o ls y a e mi n t ot w ol e v e l s ： m u l t i f i nc o o p e r a t i v ec o n t r o la n dm o t i o n g e s t u r ec o n t r 0 1 o nt h el e v e lo fm u l t i f i i i c o o p e r a t i o nc o n t r o l ，w ep r o p o s ea n dd e s i g nt h ec 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 s t og e n e r a t ea p p r o p r i a t et h r u s ti nc o m p a n yw i t hm o m e m sa n dt oe l i m i n a t eo r d e c r e a s ed i s a d v a n t a g e o u si n f l u e n c e so ft h ep e r i o d i cm o m e n t s ，s oa st os a t i s f y m a n i p u l a t i o nr e q u i r e m e m sa tl o ws p e e do ro t h e r s t h em o t i o n g e s t u r ec o n t r o l s y s t e ma d o p t st h ed u a ll o o pa r c h i t e c t u r et oc o p ew i t hv a r i o u so b j e c t i v e si nm o t i o n a n dg e s t u r ec o n t r 0 1 w es e l e c tv e l o c i t y , y a w i n ga n dp i t c h i n ga st h et h r e eb a s i c c o n t r o lc h a n n e l si nv i e wo f t h ef a c tt h a tt h em u l t i f i np r o p u l s o rm a yo n l ya c t i v e l y g e n e r a t et h r u s t , y a w i n gm o m e ma n dp i t c h i n gm o m e n t a l lt h et h r e eb a s i cc o n t r o l c h a n n e l si nt h ei n n e rl o o pu t i l i z ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rf o rn o n - c o u p l i n g d e p a r t u r e t h em i s s i o nd e c o m p o s i t i o nm o d u l ei n t h eo m e rl o o pa n s w e r sf o r c o n v e r t i n go rd e c o m p o s i n gt h en o n - b a s i co b j e c t i v e si n t ot h eb a s i co b j e c t i v e si n v e l o c i t y , y a w i n ga n g l ea n dp i t c h i n ga n g l ea c c o r d i n gt oe x p e r tp i ds t r a t e g i e s i n s u c c e s s i o n , w ep r o p o s ec o r r e s p o n d i n gf o r w a r d - f e e d b a c kc o m p e n s a t o r ya l g o r i t h m s a n dr o l l i n gc o r r e c t i n ga l g o r i t h m sb a s e do nt h ed y n a m i cm o d e lo ft h em u l t i - f m p r o p u l s o r i ti sv a l i d a t e dt h a tt h ec o o p e r a t i v eu n d u l a t o r ym u l t i - f mp r o p u l s i o na n d c o n t r o la p p r o a c hi s a p p l i c a b l e i n t ot h em o t i o n g e s t u r ec o n t r o lo fu n d e r w a t e r v e h i c l e st h r o u g ha b u n d a n ts i m u l a t i o ni ns t e pr e s p o n s e s a n t i - d i s t u r b a n c ea n d t r a c k i n gp e r f o r m a n c eo fv e l o c i t y , y a w i n g ，p i t c h i n ga n dd e p t h - k e e p i n gc o n t r o l s y s t e m s k e yw o r d s ：u n d u l a t o r yf i n b i o n i cp r o p u l s i o nu n d e r w a t e rv e h i c l e b i o n i cd e s i g n d y n a m i cm o d e l i n gp r o p u l s i o nc o n t r o l 第i 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 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 - 1 1 图2 。1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 鱼类推进模式分类1 波动鳍推进模式分类2 国内外几种典型的鱼形机器人6 美国鱼雷系统技术局提出的仿生a u v 概念设计方案。7 几种典型的基于胸鳍推进的仿生水下机器人8 英国哈利尔特瓦特大学研制的波动鳍仿生装置儿 美国西北大学2 0 0 3 年研制的带状鳍推进器 美国西北大学2 0 0 5 年研制的带状鳍推进器1 2 国防科技大学2 0 0 3 年研制的仿生水下机器人试验模型1 2 国防科技大学2 0 0 5 年研制的波动鳍仿生装置1 3 论文组织结构图1 7 仿生观测对象2 l “尼罗河魔鬼”形态学测量结果2 1 “鸳鸯炮弹”形态学测量结果2 2 “尼罗河魔鬼”背鳍波动图2 2 正向游动与逆向游动背鳍波形对比图2 5 波动鳍推进鱼类的受力分析2 6 推进波波形轮廓线的投影曲线 波动鳍致动机构的两种实现方案比较 2 8 2 9 三鳍配置结构与四鳍配置结构示意图3 1 平行配置结构与带锥度配置结构示意图 平行配置结构与带锥度配置结构受力分析 3 l 3 3 多波动鳍推进控制系统分层控制结构3 4 基于四鳍正交平行配置结构的多波动鳍推进控制系统3 6 基于多波动鳍推进的仿生水下机器人设计方案3 7 波动鳍结构示意图3 9 坐标系统定义示意图4 1 鳍条基点运动示意图 。4 3 直基线波动鳍与曲线基线波动鳍仿真结果4 5 不同静态鳍面形状的波动鳍仿真结果。 波动鳍侧向与纵向偏移仿真结果 4 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 7 通过4 ( s ) 描述变幅波动模式4 6 图3 8 通过晶o ) 描述变波长波动模式4 7 图3 9 通过厂描述波动频率4 7 图3 1 0 仿生波动鳍空间曲面示意图5 l 图3 1 1 波动鳍流体动力力矩分量的时域与频域分析5 3 图3 1 2f 矿，u ，) 与无量纲游速一班 厂的关系曲线。5 5 图3 1 3 毫与鳍面展弦比 三的关系曲线 图3 1 4 置与鳍条最大摆角吃。的关系曲线5 6 图3 1 5 寇与推进波波数l i a 的关系曲线5 6 图3 1 6 穿越角口定义示意图5 7 图3 1 7 豆与波长五、波数玎及穿越角盯的关系曲线5 8 图3 1 8 四鳍正交平行配置结构示意图6 0 图3 1 9 比例系数0 与载体阻力系数。的关系曲线6 4 图3 2 0 比例系数。与波动鳍数的关系曲线6 5 图3 2 1 推进效率r 与鳍面展弦比h l 及波数l 1 3 , 的关系曲线6 7 图3 2 2 最大频率丘与鳍面展弦比 ，三及波数三五的关系曲线6 7 图3 2 3 最大稳态游速u ，。与鳍面展弦比h l l 及波数l i z 的关系曲线6 8 图4 1 周期性分量的辐值函数a ( u x 。力 7 7 图4 2 相位关系对周期性力矩分量的影响7 8 图4 3 偏航角速度幅频特性曲线7 9 图4 4 仿生水下机器人控制系统结构8 5 图4 5 模糊自适应p i d 控制器8 7 图4 6 航速、航向与俯仰控制器8 8 图4 ，7 模糊系统的隶属度函数8 9 图4 8 航向控制系统s i m u l i n k 仿真模型。9 2 图4 9 航向控制系统阶越响应仿真9 2 图4 1 0 航向控制系统跟踪控制性能仿真9 3 图4 1 l 基于串级p i d 的定深控制系统9 4 图4 1 2 定深控制系统s h n u i l n k 仿真模型9 7 图4 1 3 定深控制系统阶跃响应仿真9 7 图4 1 4 定深控制系统斜坡信号跟踪控制仿真9 8 图4 1 5 基于按输入前馈补偿的航速控制系统9 8 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 6 基于按输入前馈补偿的航速控制系统s i m u l i n k 仿真模型9 9 图4 1 7 基于前馈补偿的航速控制系统阶跃响应曲线9 9 图5 1 基于多波动鳍推进的仿生水下机器人试验系统1 0 3 图5 2 偏航力矩测试原理图 1 0 6 图5 3 各种波动频率下波动鳍产生的推力随时间变化的测试曲线1 0 7 图5 4 平均推力相对波动频率的钡4 试嗌线与理论曲线1 0 8 图5 5 波动鳍偏航力矩测试1 0 9 图5 6 偏航力矩相对波动频率的测试曲线与理论曲线1 1 0 图5 7 稳态游速测试原理图1 1 2 图5 8 稳态游速钡i 试1 1 2 图5 9 稳态游速相对波动频率的测试曲线与理论曲线1 1 4 图5 1 0 比例系数0 与波动鳍数之间关系的理论曲线与实测曲线。1 1 5 图5 1 1 不同展弦比的波动鳍推进速度比较1 1 6 图5 1 2 两种鳍面的比例系数0 与波动鳍数的测试曲线比较。1 1 7 图5 1 3 仿生水下机器入仿真系统基本结构1 1 8 图5 1 46 自由度刚体动力学仿真模型1 2 0 图5 1 5 仿真系统工作流程图 图5 1 6 推进速度开环控制仿真1 2 6 图5 1 7 俯仰与偏航姿态开环控制仿真1 2 7 图5 。1 8 航速控制系统阶跃响应仿真 1 2 8 图5 1 9 俯仰姿态控制系统阶跃响应仿真1 2 8 图5 2 0 定深控制系统阶跃响应仿真 图5 2 1 航速与偏航姿态控制系统抗干扰特性仿真1 2 9 图5 2 2 定深控制系统抗干扰特性仿真1 3 0 图5 2 3 偏航姿态的斜坡信号跟踪控制仿真结果1 3 0 图5 2 4 偏航姿态的正弦信号跟踪控制仿真结果1 3 1 图5 2 5 偏航姿态斜坡信号与正弦信号跟踪控制时的质心轨迹曲线1 3 1 图5 2 6 初始横滚角非零时的俯仰与偏航姿态控制1 3 2 图5 2 7 航速、深度与偏航通道同时控制时的仿真结果1 3 2 图5 2 8 航速、俯仰与偏航通道同时控制时的仿真结果1 3 3 图5 2 9 同时进行俯仰角稳定控制与偏航角跟踪控制的仿真结果1 3 3 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 i 国i 勾# 1 - 典型的鱼形机器人研究项目5 表1 2 基于胸鳍推进的典型仿生水下机器人比较8 表2 1 波动鳍各特征与水下机器人仿生设计之间的对应关系。2 0 表2 2 “尼罗河魔鬼”形态特征与运动特征描述2 3 表2 3 “鸳鸯炮弹”形态特征与运动特征描述2 3 表2 , 4 基于c f d 仿真的阻力系数计算结果3 2 表4 ，1 墨的模糊规则表。8 9 表4 2k ，的模糊规则表。9 0 表4 3k 。的模糊规则表9 0 表5 1 波动鳍偏航力矩测试结果1 0 9 表5 2 鳍面展弦比为o 2 5 的波动鳍推进速度铡试结果1 1 3 表5 , 3 鳍面展弦比为o 1 6 7 的波动鳍推进速度测试结果11 3 表5 4 比例系数0 与载体阻力系数g 辨识结果1 1 4 表5 5 ，眦与【一的理论估算值与测试结果比较1 1 7 表5 6 水下机器人设计参数表1 2 4 表5 7 水下机器人流体动力学模型参数表1 2 5 表5 8 水下机器人控制系统设计参数表1 2 5 第1 v 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科与我一同工作的同志对本研究所傲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：基王丕遮盘箜蕉登鲤鱼生盔王扭墨厶遮! ：建搓量控劐 学位论文作者签名：塑生蕴丞。日期：砂一彳年，一月矿日 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；可以搀学位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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王垒这塑缝整堂盟位生盔王扭墨厶遮盐：建搓皇揎剑 学位论文作者签名：邋 选主式 日期：矽口# 年口月，夕日 作者指导教师签名： l 盔盘， 日期： 6 年j 月 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 课题的提出及其意义 随着对海洋权益争夺的日益激烈，研究具有高效能、高机动性的水下推进控 制技术成为水下航行器设计的迫切要求【m 1 。目前潜艇、鱼雷、水下机器人等水下 航行器以及水面船舶的推进方式主要是螺旋桨方式，而用于载体航向与姿态控制 的操纵力矩主要是依靠操纵舵被动获得【1 ，3 棚。螺旋桨作为一项成熟的传统水下推 进技术，其推进效能的改善已难以取得突破性进展，面基于升力理论的操纵舵控 制方式也难以满足水下航行器低速条件下的姿态控制要求【9 1 1 1 。仿生推进技术作为 很有前途的研究领域越来越受到人们的重视，与螺旋桨推进方式相比，鱼类推进 模式具有高效、高机动性与低扰动等特点，为人类研制新型水下推进控制系统提 供了模仿对象 9 - 2 2 1 。 莲驴 麴簟 团圆 t ) b 呼横式 霄酋 奠 i 弓茸fl 糠背糍l l c 式刘k = ；一 釉酐挂式 图i 1 鱼类推进模式分类 国际上关于鱼类推进模式较为权威的分类是根据鱼类推进器官的不同分为身 体尾鳍推进模式( b o d ya n d o rc a u d a lf i n ：b c f ) 和中央鳍对鳍推进模式( m e d i a n a n d o rp a i rf i n ：m p f ) 两大类( 如图1 1 所示) i l l , 2 0 - 2 2 1 。b c f 模式主要是借助身体 波动运动或尾鳍摆动运动产生推进力，包括鳗鲡模式( a n g u i l i f o r m ) 、鳇科模式 ( c a r a n g i f o r m ) 、鲔科模式( t h u n n i f r o m ) 及箱鲍科模式( o s t r a c i i f o r m ) 等。而m p f 模式主要是借助尾鳍以外的其它鳍的运动产生推进力，根据缝运动方式的不同， m p f 模式又分为摆动鳍方式和波动鳍方式。采用摆动鳍推进模式的鱼类包括隆头 鱼科( l a b r i f o r m ) 和纯科( t e t m o d o m i f o r m ) 等。采用波动鳍推进模式的鱼类包括 鳐科( r a j i f o r m ) 、刺纯科( d i o d o n t i f o r m ) 、弓鳍目( a m i i f o r m ) 、裸背鳗属 ( g y n m o t i f o r m ) 和鳞纯科( b a l i s t i f o r m ) 等( 如图1 2 所示) i l l , 2 3 , 2 4 1 。 第1 页 固；固 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 c t t s 推进器接近4 0 机动性最大游速：o 6 m s正向与逆向游动，可水面与水下游动，6 转弯速率： 1 5 0 ；上浮与下潜。小半自由度运动，可前进与 角加速度： 8 0 0 0 s a ；径转弯；侧向游动后退，小半径转弯；摇 爆发加速度： 0 4 9 摆；状态保持 上表所列的四种基于胸鳍推进的仿生水下机器人如图1 5 所示。 图1 5 几种典型的基于胸鳍推进的仿生水下机器入 水下机器人仿生设计需要综合考虑稳定性与机动性的要求，对整体动力学布 局与推进控制系统进行综合优化设计。推进器的形状、位置、机械特性、运动模 式、配置结构都对水下机器人的推进性能起着至关重要的作用，人们虽然可以在 鱼形机器人的研制中利用结构仿生的方法通过结构相似实现功能相近，但对于利 用组合仿生推进技术的仿生水下机器人设计而言，尽管近年来基于c a d c a e c f d 等技术发展起来的多学科优化技术以及虚拟样机技术为其提供了有力的技术手 段，然而目前却仍没有成熟的理论与设计原则可供应用。 第8 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 2 2 波动鳍仿生推进技术研究进展 受生物实验技术和非定常流体动力学理论的制约，关于鱼类中央鳍，对鳍推进 模式的研究是随着2 0 世纪9 0 年代流体可视化技术和生物实验测量技术的迅速发 展才初步取得一些进展。从现有文献看，目前尽管三维波动板理论、大摆幅伸长 体理论等生物流体力学理论被广泛用于鱼类推进机理的研究，但关于波动鳍的推 进机理仍不清楚，针对波动鳍仿生推进器的研究也才刚刚起步，国外只有美、英 等国研制出了波动鳍仿生实验装置 2 3 , 3 5 5 1 l 。 1 2 2 1 波动鳍推进机理研究进展 目前，用于估算波动鳍推进模式推力与效率的理论工具主要有以下三类：促 动盘理论( a c t u a t o r - d i s ct h e o r y ) 【5 2 】、波动板理论( w a v i n gp l a t et h e o r y ) 1 5 3 - 5 7 】和伸 长体理论( e l o n g a t e db o d yt h e o r y ) 【2 6 ，2 7 t 5 删。 促动盘理论是动量原理在流体动力学中的特殊应用。此方法基于“黑箱”原 理，将作用于流体上的推进机构简化为理想装置，称为促动盘。当流体流经促动 盘时其周围压强增大，通过积分整个促动盘表面上的压强增量即可获得流体对其 产生的推力。其主要优点在于无需获得推进机构的详细运动学特性，不足之处是 当脱落于尾迹的动能不可忽略时，该理论的估算值有较大误差。b l a k e 对波动鳍推 进模式的鱼类进行分析时将波动鳍视为促动盘，并对此模型作了五点假设：( i ) 促 动盘上的压力增量和推力载荷为常量；( i i ) 鳍的尾迹中无旋转速度；( i i i ) 存在确 切的尾迹边界；( i v ) 通过促动盘的速度是连续的；( v ) 尾迹的内外静压等于自由 流的静压。在此假设基础上，b l a k e 应用促动盘理论，分析比较了弓鳍日鱼类“尼 罗河魔鬼”和海马柔性长背鳍的推进性能 5 0 1 。 1 9 6 1 年，吴耀祖1 5 7 】应用势流理论和线性边界层条件对柔性二维波动板的推进 性能进行了研究，通过假设流体涡脱落发生于鱼体截面收缩部位，并假设尾流中 涡做无漩运动，提出了“二维波动板理论( 2 d w p t ) ”。1 9 9 1 年，程建字将二维 波动板模型推广到三维情况，用以研究任意平面形状和任意展弦比的波动板，并 使用半解析半数值的方法给出了三维非定常线性解【6 9 j 。波动板理论尝试揭示推进 波参数和鳍形状对推进性能的影响，已应用于波动鳍的机械特性以及肌体运动与 力之间动态关系的分析f 0 - 7 2 1 。 1 9 6 0 年，l i g h t h i u t 6 3 朋1 以空气动力学中的“细长体理论”为基础，发展了适用 于身体任意侧向波动的“非稳态细长体理论”，建立了鱼类推进模式研究史上第一 个用于分析鲮科模式的数学模型。随后，他又提出了“伸长体理论( e b t ) ” 2 7 6 2 1 ， 并在1 9 7 1 年将e b t 扩展为“大摆幅伸长体理论( l a e b t ) ”【6 1 1 ，使之适合于任 意摆幅的鱼类运动。这些基本工作为鱼类推进机理的研究奠定了坚实的理论基础。 第9 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 l a e b t 最初主要应用于分析鳗鲡模式( a n g u i l i f o r m ) 畔】，随后其假设条件被推广 至大摆幅情况，成功地应用于鲣科模式( c a r a n g i f o r m ) 的推进性能分析【6 1 1 。在随 后的数十年，l a e b t 被广泛应用于鳗鲡、鲣科和鲔科推进模式的研究。 由于鳍波动模式和体波动模式在理论分析上具有相似性，l i g h t h i l l 和b l a k e 在 1 9 9 0 年将l a e b t 应用于鳞纯科模式( b a l i s f i f o r m ) 和裸背鳗属模式( g - y m n o t i f o r m ) 的波动鳍推进性能分析，分析背臀鳍，背鳍与身体之间的相互耦合增强效_ 应【6 5 】。其 中l i g h t h i l t 对采用波动鳍推进模式的鱼类在匀速游动时的流体运动特性和波动鳍 作了以下几个基本假设：( i ) 流体为非粘性不可压缩的牛顿流体，流体运动服从连 续方程：( i i ) 流体脱落于鳍面形成的尾迹中的涡做无漩运动：( i i i ) 鳍的长度为常 量：( i v ) 垂直于背脊方向的鳍的任一薄片运动主要受相邻部分鳍面运动的影响； ( v ) 鳍面流体脱落