（控制科学与工程专业论文）仿鱼柔性长鳍波动推进理论与实验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 仿鱼长鳍波动推进水下机器人不仅是一种具有新颖推进方式的、复杂的智能 机器人系统，而且是一种新概念的水下航行器，无论在军事还是民用领域都有着 广阔的应用前景。论文以弓鳍目鱼“尼罗河魔鬼”为仿生对象，主要围绕弓鳍目 长背鳍波动推进模式鱼类游动的仿生学研究、仿生波动鳍建模与动力分析、仿生 波动鳍结构参数与运动参数对推进性能影响等开展一些理论与实验研究方面的探 索性工作，为工程上建立实用的仿生柔性长鳍简化模型及其简化准则提供依据， 为研制具有灵活机动和高效推进能力的水下仿生航行器奠定基础。 论文的主要工作和研究成果包括： ( 1 ) 建立了鱼类柔性长鳍波动推进的运动学数据库，提取了弓鳍目推进模式 鱼的身体形态特征、结构特征和稳态游动的基本运动特征，为仿生波动鳍形态学 和运动学建模、波动推进理论验证、计算流体仿真的形体构造与运动描述以及仿 生波动鳍机械推进装置设计奠定了仿生学基础。 ( 2 ) 从活鱼的运动学数据出发，利用改进的大摆幅伸长体模型，完成了对“尼 罗河魔鬼 长背鳍波动推进的动力学分析。结果显示：在每秒0 7 2 8 0 9 8 5 鳍长 的特征游速范围内，“尼罗河魔鬼”长背鳍波动推进的水动力学效率介于 8 1 6 6 4 8 6 4 2 0 之间，且随速度增大而增大，表明长背鳍波动推进游动是一种 适应水中环境的高效游动模式。 ( 3 ) 研究了柔性长鳍波动推进模式能量和动量传输方式的有效性，探讨了长 鳍波动推进力产生的非定常机理。结果表明：通过允许大量的水被小质量的鳍面 推动，柔性长鳍波动推进提供了一种有效的动量传递的方式；定性分析柔性长背 鳍波动推进是由流体延迟脱流现象产生的结果，在大攻角条件下波动鳍产生的非 定常升力和阻力是由同一机理引起，不同于小攻角条件下力产生的定常机理。 ( 4 ) 提出了“刚性鳍条简谐摆动+ 鳍面薄膜柔性变形 的仿生波动鳍运动和 变形模型，建立了仿生鳍的动力平衡方程。为简化分析和计算仿生波动鳍运动的 动力学性能提供了解析模型。 ( 5 ) 基于仿生实验测试平台，对仿生波动鳍推进进行了实验研究，采用正交 实验设计方法对仿生波动鳍推进实验方案进行了整体优化，综合应用极差分析和 方差分析对实验测量数据进行分析，成功地从实验角度研究了仿生波动鳍结构参 数和运动参数对推进性能的影响，实验研究发现： 1 )鳍条形状、鳍条摆频、波数和鳍面材料硬度是影响仿生鳍波动推进整体 性能的主要因素； 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 2 ) 增大鳍条摆频是提高仿生波动鳍推进运动性能和水动性能最直接也是 最有效的途径； 3 )波动长鳍形状是影响仿生鳍推进功率和推进效率的首要因素，增大鳍面 展弦比可提高推进速度，但推进效率会降低，适当改变鳍条倾角，不仅 可提高推进速度和推进加速度，同时也提高推进效率； 4 ) 相同条件下软鳍面仿生鳍的推进效率明显高于硬鳍面仿生鳍的推进效 率。 上述研究工作和取得结果对进一步开展仿鱼长鳍波动推进机理研究和研制新 型水下仿鱼长鳍波动推进航行器，即具有重要的理论意义，又具有潜在的应用价 值。 主题词：“尼罗河魔鬼柔性长鳍 生鳍仿生实验测试平台正交实验设计 波动推进建模薄壳理论仿 仿生学 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 u n d e r s e as w i m m i n gr o b o tb yb i o n i cu n d u l a t o d rf i ni sn o to n l yac o r r l p l i c a t e d i m e l l 培e mr o b o tw i m n e wl o c o m o t i o nm e t l l o d ，b u ta l s oa i ll n l d e r s e av e h i c l ew i mn e w c o n c e p t b i o l l i cs 诚r i u l l i n g r o b o t sb yl o n gu i l d u l a t o 巧f i nw o u l dh a v ee x t e n s i v e 印p l i c a t i o ni nm i l i t a r ya i l dc i v i l i a n b e i n gap 甜o f i i n e w b i o i l i cs w i m m i n gu n d e r s e a v e h i c l eb yl o n gu n d u l a t i n gf i na n di t sk e yt e c h n o l o g i e s r e s e a r c h ，b i o n i c so nt h e l o c o m o t i o nm o d eo fa r i i f o 肌f i s h ，m o d e l i n ga 1 1 dd y n a m i ca n a l y s i so f b i o i l i cu n d u l a t i n g f i n ，a n de f f e c t so fc o m i g u r a t i o n a lp a r a m e t e r sa 1 1 dk i n e m a t i cp a r 锄e t e r so fb i o f i nt o p r o p u l s i v ep e r f o r m a u l c ew e r es t u d i e di nt h i sp 印e r t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so fm i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) 1 kk i n e m a t i cd 撕b a s eo na l t l i i f o 珊f i s hc r u i s i n gb yl o n g - b a s e df i n 、v a s e s t a b l i s h e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o d ys h a p ea n dc o n f i g u r a t i o na n dt l l el 【i n e m a t i c s o fs t e a d yf o n v a 柑s w 砌n gw e r ed i s t i l l e d 仔o mm eo b s e a t i o na n de x p e r i m e m a ld a t a ， w h i c hp r o v i d em eb i o i l i cf o u n d a t i o nf o rm o d e l i n gt h eb i o f i n ，v a l i d a t i n gt h eu i l d u l a t o 巧 p r o p u l s i o nt 1 1 e o r y ，c o n f o m a t i n g t h ef o ma n ds t m c t u r ef o rc f ds i m u l a t i o n ，a n d d e s i g n i n gt h em e c h a n i c a lb i o ：e i n ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ng ，z 刀b ，七嬲c r u i s i n g ， t h e h y d r o m e c h a i l i c a lp e r f o 肌a n c e so ft h eu n d u l a t o 巧l o n gd o r s a lf i np r o p e l l e ro fg 刀f 肠，配螂 w e r ee s t i m a t e d a p p l y i n g t h e l a r g ea m p l i t u d ee l o n g a t e d - b o d yt h e o 巧t h e h y d r o m e c h a n i c a le m c i e n c yo ft h eu n d u l a t o 巧l o n gd o r s a lf i ns y s t e mm n g e d 疔o m 8 1 6 6 4 t o8 6 4 2 0 o v e ras p e e dr a n go f0 7 2 8 0 9 8 5l s i ti ss u g g e s t e dt h a tt h e u 1 1 d u l a t o 巧l o n gd o r s a lf i np r 叩u l s i o ni s a i le m c i e ms 晰m m i n gm o d ew h i c h ：e i t st h e u n d e 刑a t e re n v i r o n m e n t ( 3 ) t h ev a l i d 时o fm o m e n t 啪a n de n e 唱yt r a n s f e r r e dt ot h es u l l o u i l d i n gw a t e rb y l o n gn e x i b l ef i n sw a sa n a l y s e d i ti ss h o w nm a tl o n gn e x i b l ef i n su 1 1 d u l a t i n gp r o v i d e d a ne f f e c t i v em e a n so fm o m e n t u mt r m l s f e r ，b ya l l o w i n g1 a 略ea m o u l l t so fw a t e rt ob e m o v e db ys m a l lb o d ym a s s e s 1 1 1 i sp 印e rd i s c u s s e dt h ef l u i dm e c h a n i c a lm e c h a i l i s m so f f o r c ep r o d u c t i o ni nl l n d u l a t o 巧 l o n g d o r s a l f i n p r o p u l s i o n f o r c eg e n e r a t i o no f u 1 1 d u l a t o r yl o n g - d o r s a lf i nr e s u l t sf r o md e l a y e ds t a l l w ei n f e r e dt h a tl ma 1 1 dp r e s s u r e d r a gg e n e r a t eb yt h es 锄en u i dp h e n o m e n aa th i g ha n g l e so fa t 协：k ，w h i c hd i f f e r s 丘o m s t e a d y - s t a t em e c h a i l i s m sa tl o wa 1 1 9 l e so fa n a c k ( 4 ) as i m p l i f i e dp h y s i c a lm o d e lo nt h el o n g - b a s e du 1 1 d u l a t o 巧f mo fa i l 彳m f 洳，聊 f i s hg 疗f 肠，f c 淞w a sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hw a sc o m p o s e do fne q u a lm i nr o d sa n da r e c t a n g u l a re l a s t i c m e m b r a l l ec o l l i l e c t i n gt h e mt o g e t h e r w ee 妣l i s h e dak i n e m a t i c m o d e lo ft h el o n g - b a s e du 1 1 d u l a t o r yf i no nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h el o n g b a s e dd o r s a l f i nl o c o m o t i o na n dc o i l s i d e r i n gt h en u i d s t m c t u r ei n t e r a c t i o n f l l r t h e r ，t h ee q u i l i b r i u m 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 e q u a t i o n so ft h eu n d u l a t o 巧f i nw e r eo b t a i n e db ya p p l y i n gt h em e m b r a n et h e o 巧o ft h i n s h e l l si nw h i c ht h eg e o m e t r i c a ln o n l i n e 撕t yo ft h es 仃u c t u r ew a st a k e ni m oa c c o u n t t h et h m s ta n dp r o p u l s i v ee m c i e n c yo ft h el o n g - b a s e df i nu i l d u l a t i n gm a yb ea n a l y z e d b ya p p l y i n gt h ed e r i v e dk i n e m a t i cm o d e la n de q u i l i b r i u me q u a t i o n so ft 1 1 eu n d u l a t o 巧 f i n ( 5 ) 0 nt h eb a s i so fa m l y z i n gt h em e a s u r em e t h o d so fp r o p u l s i v ep e r f o m l a n c e p a r 锄e t e r so fb i o n i cu n d u l a t o r yf i n ，w ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dab i o n i ce x p e r i m e n t a l m e a s u r es y s t e m t h ee x p e r i m e n tm e t h o d so nt h ei n f l u e n c eo fm eb i o n i cf i n s c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa n dk i n e m a t i cp a r 锄e t e r so ft h ep r o p u l s i v ep e 墒r m a n c ew e r e s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a ls c h e m ew a sh 0 1 i s t i c a l l y o p t i m i z e db ym u l t i o b j i e c t i v e o n h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ar a n g ea n a l y s i sa n dav 撕a n c ea n a l y s i so f o n h o g o n a le x p e r i m e n t 、e r ec 硎e do u t i ts h o w st h a t ： 1 ) r a yf l g u r e ，r a ys w i n g 仔e q u e n c y ，w a v en u m b e ra n df i nm e m b m n er i g i d i t ) ，a r e m ek e yf a c t o r st oi n n u e n c eb i o n i cf i np r o p u l s i v ep e r f o m a n c e 2 ) a u g m e n t i n gr a ys w i n gf r e q u e n c yi sad i r e c ta n de f f e c t i v e 印p r o a c ht oi m p r o v e b i o n i cf i n 虹n e m “c p e r f o n i l a n c e 3 ) r a yf i g u r ei s t h ec h i e fe f f e c tf a c t o rt op r o p u l s i v ep o w e ra n dp r o p u l s i v e e f 行c i e n c y a u g m e n t i n gt h ea s p e c tr a t i oo ft h eb i o n i cf i nm a yi n c r e a s e p r o p u l s i v ev e l o c i t y ，b u ta l s or e d u c et h ep r o p u l s i v ee m c i e n c y a p p r o p r i a t e l y m e n d i n gr a yo b l i q u i t ym a yi m p r o v ep r o p u l s i v es p e e da i l dp r o p u l s i v ee m c i e n c y s i m u l t a n e o u s l y 4 ) u n d e rt h es 姗ec o n d i t i o n s ，t h ep r o p u l s i v ee m c i e n c yo ft h en e x i b l eb i o n i cf i n i so b v i o u s l yg r e a t e rt h a nt h a to ft h er i g i db i o n i cf i n t h e s er e s u l t sa r en o to n l yo ft h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oo fp o t e n t i a l a p p l i c a t i o nv a l u ef o rd e s i g n i n gn e wb i o n i cs w i n 埘i n gu n d e r s e av e h i c l eb y1 0 n g u n d u l a t i n gf i n k e yw o r d s ： g n i l o t i c u s l o n g - b a s e du n d u i a t o r yf i n u n d u i a t i n g m o d e i i n g m e m b r a n et h e 0 吖o ft h i ns h e b i o n i cf i nb i o n i ct e s tp i a 讯) r m o r t h o g o n a it e s t b i o n i c s 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 b c f c f d c t d p i v e b t e p a l a e b t m p f p b a u d f 2 d w p t 3 d w p t 缩写词说明 b o d ya n d o rc a u d a l6 n ，鱼体和尾鳍 c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计算流体动力学 c u r r e n tt r a n s f o m e r ，电流互感器 d i g i t a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，数字粒子图像测速技术 e l o n g a t e db o d yt h e o r y ，伸长体理论 e l e c t r o a c t i v ep o i v m e ra c t u a t o r ，人工肌肉 l a e g ea m p l i t u d ee l o n g a t e db o d yt h e o r y ，大摆幅伸长体理论 m e d i a na n d o rp a i r e df i n ，奇鳍和对鳍 p a r a l l e lb e l l o w sa c t u a t o r ，并联的膜盒致动器 u s e rd e f i n e df u n c t i o n s ，用户自定义函数 t w o d i m e n s i n a lw a v i n gp l a t et h e o r y ，二维波动板理论 t h r e e d i m e n s i 曲lw a v i n gp l a t et h e o r y ，三维波动板理论 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 主要符号说明 特征波长 波数系数 波幅系数 波的角频率 鱼体的最大深度 静止鳍面深度 流体密度 鳍面薄膜密度 鳍条密度 虚质量系数 雷诺数 折合频率 单位时间内游动产生的平均推进力 游动所需总功率的时间平均 微分算子，表示物质导数 鳍条倾角 鳍面长度 鳍条高度 鳍条间距 鳍条横截面半径 鳍条的偏转角 鳍条的最大偏转角 鳍条摆动频率 相邻鳍条间相位差 柔性长鳍游动路径的角偏移量 泊松比 鳍条摆频 鳍条摆幅 波数 第v i 页 彳尼缈研胎 仃户户d秒k痧厶沙以说 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 鳍条形状 鳍面硬度 推进方向 因素的极差 仿生波动鳍推进试验各考察指标 因素七水平对应的试验指标y 的实验结果之和 y 磊的平均值 因素七水平与，因素所水平搭配对应指标y 的测量平均值 试验指标y 的总偏差平方和 因素偏差平方和 试验误差的偏差平方和 因素与因素交互作用的偏差平方和 s 的自由度 s j 的自由度 s ：，啪自由度 彤的自由度 因素j 对应指标7 的方差估计值 因素与因素，交互作用对应指标，的方差估计值 试验误差方差估计值 因素对应试验考察指标y 的，比 因素与因素交互作用对应指标7 的，比 歹因素后水平对应指标y 的效应 因素七水平与因素聊水平搭配对应指标y 的效应 第v i i 页 厶 略嘭矿p吃户户 嘛说皿儿吩y吆瑶珞影彤九九九九蟛吆嘭彤嚷矿彬 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1国际上一些典型的仿鱼长鳍波动推进器研究项目和成果1 1 表3 1 样本游动长背鳍运动参数测量值及其推力、功率、效率估算值4 9 表4 1 数值计算中矩形鳍参数7 1 表5 1 波动鳍推进系统可控因素水平表8 4 表5 2 皿和凡组合因素水平表8 6 表5 3 三6 4 ( 4 2 1 ) 试验表头设计8 6 表5 4 试验方案表8 7 表5 5 指标v 的极差分析9 0 表5 6 指标v 的方差分析表9 2 表5 7 指标1 的极差分析9 3 表5 8 指标1 的方差分析表9 4 表5 9 指标的极差分析9 5 表5 1 0 指标j p 的方差分析表9 7 表5 1l 指标水动功率的极差分析9 8 表5 1 2 指标水动功率的方差分析表9 9 表5 1 3 么三和c 的搭配表1 0 0 表5 1 4 彳三和脱的搭配表1 0 0 表5 1 5 指标推进效率7 7 的极差分析1 0 1 表5 1 6 指标推进效率叼的方差分析表1 0 3 表5 1 7 正交试验主次因素统计表1 0 4 表d 1平均极差修正系数13 7 第v i i i 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m p f 推进模式分类3 图1 2 波动鱼以速度u 游动示意图5 图1 3应用p b a 的波动长鳍装置。12 图1 4 带状长鳍推进装置。1 2 图1 5日本大阪大学研制的仿鱼波动鳍推进水下机器人1 3 图1 6 配置一对侧向波动鳍的仿乌贼水下机器人1 3 图1 7 采用e p a s 驱动的仿鳐鱼水下机器人1 4 图1 8 北京航空航天大学研制的水下考古机器鱼16 图1 9 哈尔滨工程大学研制的“仿生i ”号原理样机1 6 图1 1 0 论文组织结构图2 1 图2 1仿生对象“尼罗河魔鬼 。2 4 图2 2 试验装置示意图2 5 图2 3 预处理波形轮廓线演变示意图。2 6 图2 4 “尼罗河魔鬼”样本拍摄图测量数据拟合结果图2 9 图2 5 样本形态学参数的空间分布图2 9 图2 6“尼罗河魔鬼”x 射线透视图3 0 图2 7 样本巡航游动过程中身体轴线角度变化统计图3 2 图2 8 样本游动姿态与波形图3 2 图2 9 样本一组平稳前行游动的等时间间隔图像序列及获取的相应长背鳍波动面 轮廓线3 3 图2 1 0 不同游速下匀速游动时背鳍运动参数变化趋势图。3 4 图2 1 1 匀速游动时等时间间隔图像序列图。3 5 图2 1 2 正、反向游动背鳍波形对比图3 5 图2 1 3 “尼罗河魔鬼在垂直面内1 8 0 度逆时针转弯游动过程3 6 图2 1 4 “尼罗河魔鬼 结构简化模型示意图3 7 图3 1随体坐标系c2 示意图4 7 图3 2 变形体b 包围于球形控制体h 示意图5 1 图3 3夕秩系曲线图5 3 图3 4 平均推力、平均功率和效率随鳍条倾斜角护的变化趋势。5 5 图3 5d i c k i s o n 预见鱼往复摆动尾鳍游动身后的尾迹动态过程说明示意图5 7 图3 6 游动鳗鲡在三个不同时刻的身后尾流动态图。5 8 第1 x 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1柔性长鳍物理简化模型6 2 图4 2 样本匀速游动时等时间间隔图像序列图6 3 图4 3长鳍波动运动时鳍面单元曲面示意图6 5 图4 4 鳍面薄膜微分单元受力示意图6 9 图5 ( a ) 不同鳍高鳍长比鳍面推力随时间变化7 2 图5 ( b ) 9 1 不同鳍面摆动产生推力占其所受载荷力模的比值( q x i q i ) 随时间变化 曲线7 2 图6 ( a ) 9 1 = o 1 5 鳍面最大摆幅钆不同产生推力( q x ) 随时间变化曲线7 3 图6 ( b ) 鳍面摆动姨i q i ( 推力侧向力) 随鳍面最大摆幅和时间变化曲线7 3 图5 1仿生实验平台总体结构图。7 6 图5 2 仿生实验平台的实物照片7 7 图5 3仿生波动鳍实验装置7 7 图5 4 因素水平变化对仿生鳍推进速度的影响9 l 图5 5因素水平变化对仿生鳍推进加速度的影响9 3 图5 6 因素水平变化对仿生鳍推进功率的影响9 6 图5 7因素水平变化对仿生鳍推进水动功率的影响9 8 图5 8因素水平变化对仿生鳍推进效率的影响1 0 2 图5 9 仿生鳍软鳍面与硬鳍面推进性能对比1 0 6 附图c 1一组电压、电流采样数据预处理效果对比图1 3 5 附图d 1有交互作用的尺法示意图1 3 6 第x 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： 笾鱼耋性筮鳍这边整进堡i 佥量塞验珏窥一 学位论文作者签名： 互荔。蛆 日期： 枷7 年，。月如日 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： 鱼鱼耋性篮鳢达邈推进垄论复塞验煎究 学位论文作者签名：至堑皇且日期： w 7 年，。月细日 作者指导教师签名： 龙氢 j 日期：弘1 年。月工日 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 研究的背景和意义 随着世界各国海洋开发战略和军事战略的发展，获得海洋及滨海地区的技术 优势和军事优势成为各国国家安全防御问题专家和国防技术科研人员关注的焦 点。水下机器人作为海洋开发的平台和现代水中兵器的载体，其技术研究重点从 冷战时期对巡航和速度性能的关注转移到冷战后对机动和自治性能方面【l j ，基于非 结构环境、极限环境下的先进水下机器人技术及其应用研究己成为各国研究和发 展的重点【2 ，3 】。集推进与操控于一体的新型水下推进技术是非结构环境下水下机器 人的关键技术之一，其在很大程度上决定机器人系统对环境的适应性和相容性， 从而基于仿生学原理及针对相应环境信息水下机器人的推进原理、控制算法、行 动策略等的研究也就成为国际先进水下机器人技术研究的主要目标。 鱼类经过数百万年的自然演化，优化选择，获得了高效的游动能力和对特定 水环境的高度适应性和相当的智能，其推进模式和推进机构尽管未必是最优的， 但与螺旋桨等现有常规推进方式和人工机械推进装置相比，在推进效率、机动性 和运动稳定性等方面占有明显优势，是目前水下机器人所无法比拟的，特别是它 们无噪声推进和对环境扰动小的优点，对于军事应用尤为重要。鱼类优良的游动 运动方式给人类提高水下机器人推进系统的推进操控性能及与水环境的交互性能 带来了希望，近半个世纪以来，鱼类游动推进模式和仿鱼推进技术日趋成为水下 推进器领域研究的热门方向【4 9 | 。自2 0 世纪9 0 年代以来，仿生技术、计算机技术、 控制技术和材料技术的发展，为仿鱼水下机器人控制的理论和方法、动作原理、 系统构成和实现、控制算法等方面的研究提供了强有力的支持，新型仿鱼水下推 进器的研究成为目前水下机器人研究领域的热点，并取得了以美国麻省理工学院 研制的仿生机器金枪鱼( r o b 0 1 吼a ) 为代表的一系列成果i l 州3 。 海洋生物中，大多数鱼类通过身体和尾鳍( b o d ya n d o rc a u d a lf i n b c f ) 运 动产生推力，而其它鱼类利用奇鳍和对鳍( m e d i a l la i l d o rp a i r e df i n m p f ) 进行 推进。鱼类科目中大约1 5 的鱼类采用m p f 模式作为巡航推进方式，同时更多数 量依靠b c f 模式推进的鱼类利用m p f 模式来实现机动和稳定4 ，”】。从进化论观 点( 进化数量上) 来讲，b c f 推进模式是更优的，尤其鲣科加月牙尾推进模式 ( 砌“刀船咖聊) 被认为迄今水生环境演化的最有效的运动模式，此是2 0 世纪9 0 年代 各国学者把注意力主要集中在采用该种模式的水下推进器理论与实验研究上的主 要原因，但此模式只是在平静空旷水域中高速游动时是最优的，而对于诸如低速 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 游动、转弯机动、迅速加速及紊流环境等情况则是尤其低效的【l 弘1 。7 1 。而m p f 推进 模式中诸如刀鱼、蝴蝶鱼等鱼类采用的柔性长鳍波动推进游动模式集较高的推进 效率、优良的机动性、稳定性于一体，不仅适用于远洋航行，还具有低速下灵活 机动、抗扰动能力强的特点，适应于近海等复杂环境。因此，对于研制集自主水 下航行器( a u v ) 性能和遥控操纵航行器( r o v ) 性能于一体的未来新型水下航 行器来说，鱼类长鳍波动推进模式具有相当重要的参考价值。 仿鱼柔性长鳍波动推进的新型仿鱼机器人涉及柔性长鳍波动推进的仿生学研 究、仿生波动鳍推进理论、仿生波动鳍推进器机构设计、水下仿生波动鳍推进器 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多个方面。 文献【1 8 】主要针对基于四鳍正交平行配置方式的多波动鳍推进控制系统和相应的 多鳍协同波动控制方法展开研究，取得了若干成果。文献 1 9 】开展了水下仿生波动 鳍推进器机构设计和深入研究了用于波动鳍运动控制的仿生神经网络控制方法。 本文主要围绕柔性长鳍波动推进模式鱼类游动的仿生学研究、仿生波动鳍推进机 理、仿生波动鳍结构参数与运动参数对推进性能影响等开展理论与实验研究方面 的探索性工作，为工程上建立实用的仿生波动鳍运动和变形模型及其简化准则提 供依据，为研制具有灵活机动和高效推进能力的实用型仿生波动鳍水下推进器样 机提供指导。 1 2 仿鱼长鳍波动推进器研究概述 1 - 2 1 鱼类长鳍波动推进模式的分类及特点 为了适应环境，鱼类经过数百万年的自然演化，不仅在形状和尺寸上有显著 差异，游动方式也呈现多样化。1 9 8 4 年，w e b b 根据鱼类游动时推力产生所依赖的 主要身体机构不同，将鱼类的游动推进模式分为两大类：b c f 推进模式和m p f 推 进模式；又根据鱼类游动时是否有完整的推进波沿推进器( 提供推力的身体部位) 经过，将鱼类产生推力的运动分为波动和摆动两类【1 。基于鱼类产生推力的身体 机构和运动类型不同，w e b b 在b r e d e r 关于鱼类推进模式分类的基础上，提出了一 种更加详细、完整的分类方案，s f a k i o t a t i s 等在其发表的综述文章中对鱼类推进模 式的这种分类及其特点作了详细描述【9 】。 鱼类m p f 游动推进模式如图1 1 所示，可分为鳍摆动模式和鳍波动模式两大 类。鳍摆动模式主要分为鲍科模式( 死抛d 如以f 扣朋) 和隆头鱼科模式( 三口6 ，扣r 朋) ， 推进鳍多为附属于身体上的短鳍胸鳍、短腹鳍或短背鳍，诸如海鲫和桂鱼。 波动鳍运动方式主要分为鳐科模式( r 劬拍r 聊) 、刺纯科模式( d f d 如门f 帕，脚) 、 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 鱼类m p f 推进模式分类 f i g 1 1c i a s s i f i c a t i o no fm p fs w i m m i n gm o d e s 弓鳍目模式( 彳研f 咖册) 、裸背鳗属鱼模式( o 榭，z d ，咖瑚) 和鳞鲍科模式 ( b 口，括加朋) ，推进鳍主要为附属于身体上的柔性长鳍。m p f 波动推进相对于 m p f 摆动推进而言，具有高速，高效和优越的加速性等优点，摆动式推进则具有 更好的机动性【9 ，1 4 1 。 1 2 1 1 鳐科模式 鳐科模式发现于鲅鱼和鳐鱼等鱼类中，以硕大柔韧的三角形胸鳍为特征，游 动时象鸟类飞翔，胸鳍波动或上下拍打，垂直于身体的波沿胸鳍经过，波动幅度 从胸鳍的前端沿鳍逐渐增加直至鳍的顶点，然后沿鳍向鳍的后端逐渐变小9 ，2 0 1 。 1 2 1 2 刺纯科模式 类似于鳐科模式，刺鲍科模式鱼类游动中，推进主要依靠宽大的胸鳍波动实 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 现，沿胸鳍可观测到多达两个完整的波形。但在胸鳍波动过程中常常伴随着胸鳍 的拍打运动1 9 】，河豚( 尸够，加乃) 是此推进模式的典型代表。 1 2 1 3 弓鳍目模式 弓鳍目鱼类游动是利用柔性长背鳍波动推进，游动时身体轴在许多情况保持 直线，它的大多数典型特征在非洲淡水电子鳗身上发现。该鱼类的臀鳍和尾鳍正 逐渐消失，背鳍延长至身体的大半长度。在转弯和制动时，长背鳍可以大幅变换 波幅，且其通过改变长背鳍推进波的传播方向，能象前行一样逆向游动【9 ，2 1 1 。 1 2 1 4 裸背鳗科模式 裸背鳗科模式名字来自于南美电子鳗鱼g 少加以d f 螂c 口r 印d ，此推进模式鱼类的 背鳍通常已经消失，推进依赖于柔性长臀鳍波动实现，可以看作为是弓鳍目模式 关于鱼体的上下对称形式。裸背鳗科鱼类身体是柔性的，能够弯曲，可以象鳗鲡 一样波动身体，但它们在巡航游动时身体保持直线，依靠柔性长臀鳍波动产生推 力，避免身体摆动增加游动阻力陷2 5 1 。 1 2 1 5 鳞纯科模式 鳞鲍科模式鱼类身体是刚性的，不能弯曲，游动完全依靠位于身体后端的柔 性背鳍和臀鳍波动产生推力，背臀鳍通过协同能实现多种复杂的波动动作，例如 在悬浮时背臀鳍在相反的方向上传递波【2 6 。此类鱼典型的特征是背臀鳍通常相对 对方相互倾斜，身体平坦，侧向扁平，身体结构这种特点与背臀鳍波动游动增强 推进效率相关【2 2 ，2 7 1 。 m p f 波动推进鱼类游动依靠柔性长鳍波动产生推力，其通过优良的推进效率 同阻力增强的避免相结合，以低能量消耗获得向前运动，不仅具有较高的推进性 能，且具有高度机动性。柔性长鳍由数根鳍条通过薄膜( m e m b r a n e ) 连接而成， 长鳍波动推进具有优良的机动性来自于这样的事实：波动鳍是一个具有大数量主 动控制输入端的推进器，通过适当地调整这些输入信号，推力矢量的灵敏控制是 可能的阳3 ，2 引。 1 2 2 鱼类游动的推进机制及力学机理研究 由于自然过程固有的可变性与复杂性，相对于别的工程领域，鱼类运动学试 验的精确性、可靠性及测量方法均具有局限性，鱼类推进机理研究工作曾一度被 阻碍。随着流体力学研究者的加入，水涧实验、流场观测实验方法和流体建模、 数值计算等方法用于鱼类运动研究，鱼类游动机理的研究取得了长足的进展，在 2 0 世纪6 0 、7 0 年代达到了一个高潮。 2 0 世纪5 0 年代，g r a y 和h a n c o c k 等采用准静态法建立了游动生物的“抗力 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 趸琵弋瓦磊面et 1 1 e o r y ) 数学模型口9 ，3 0 】，其假设：任一小段机体与周围液体间的 相互作用可分为抗力和粘性阻力，二者均和该段机体相对于液体的瞬时速度成正 比；抗力又可分解为切向分量( 与机体中心线相切) 和法向分量( 与机体中心线 垂直) ，它们分别正比于机体相对于周围液体的切向和法向速度分量，则单位长 度机体产生的推力f 为： f = 墨【( y u ) 办( s c f ) 一c 】五( s c f ) + k n ( y u ) l1 一2 ( s c f ) l ( 1 1 ) 式中墨为切向力系数，k n 为法向力系数，u 为动物游动速度，c 是随机体中 心线运动的参考系中的波速，y 是随机体质心运动的参考系中的波速，j 表示沿中 心线离鱼体头部的距离，办( s ，f ) 表示鱼脊柱( 中心线) 的位移。抗力理论由于忽略 了惯性力，把动力学问题退化为静力学和运动学问题的结合，其应用仅局限