（流体力学专业论文）仿生水下机器人的运动分析及视景仿真.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 鱼类和海洋哺乳动物有良好的推进系统与操纵系统，其突出的优点是效 率高、噪声低。利用仿生学的原理，以某种鱼类或海豚等为研究对象，构成 新型的仿生智能水下机器人平台。 论文以哈尔滨工程大学军用智能水下机器人国防重点实验室的“仿生一 l ”号原理样机为研究对象，利用面元法计算的仿生鱼水动力结果，并分析 了水平面和垂直面上仿生鱼的运动过程，建立了初步的运动模型。运用计算 机图形学方面中三维图像建模的知识，根据轴变形原理，用仿真动画模拟了 仿生鱼的直航、回转、升沉等运动状态。 论文还在仿生鱼原理样机试验以及仿真试验结果初步分析的基础卜，讨 论了仿真试验的误差并进行分析；仿真结果与真实的仿生鱼的运动致，对 以后的工作有较大的指导意义。 关键词：仿生鱼：运动仿真：轴变形 哈尔滨上程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t f i s ha n do c e a nm a m m a lh a v ee x c e l l e n tp r o p u l s i o na n dm a n e u v e r i n g s y s t e m ， w h o s ee x c e l l e n c e sa r eg o o de f f i c i e n c ya n dl o wy a w p u s i n gb i o n i c st h e o r y , i ti sa r e s e a r c hh o t s p o tt h a tp e o p l ed e v e l o pn e wb i o n i ci n t e l l i g e n ts y s t e mo fa u vb y a n i m a t i n gd o l p h i n o rt u n a t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e “f a n g s h e n g i r o b o tf i s ho f h a r b i ne n g i n e e r i n g u n i v e r s i t ya u v s t a t ek e yl a b ，u s e st h ep a n e lm e t h o d sc a l c u l a t t i n gt h er o b o t f i s h s h y d r o d y n a m i cr e s u l t s ，a n da n a l y z e st h em o t i o n o fr o b o tf i s hi nh o r i z o n t a l a n dv e r t i c a lp l a n e ，t h e ns e tu pt h em o t i o nm o d e lo fr o b o tf i s h f i n a l l y , b yu s i n g 3 dt e c h n o l o g yo fc o m p u t e rg r a p h i c sa n da x d fm e t h o d ，t h ep a p e ra n i m a t et h e r o b o tf i s h st h r e e t y p i c a lm o t i o nt y p e s ：f o r w a r d ，t u m i n g a n da s c e n d i n g b a s e do nt h er o b o tf i s h se x p e r i m e n ta n dm o t i o na n i m a t i o n sr e s u r s ，t h i s p a p e ra l s o d i s c u s s e st h ea n i m a t i o ne x p e r i m e n t se r r o r , a n da n a l y z et h ec a u s e ； a n i m a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h er o b o tf i s h sm o t i o n a i lo fa b o v ea r e p r a c t i c a b l ef o rt h ef u t u r e r e s e a r c ho nr o b o tf i s h k e yw o r d s ：r o b o tf i s h ，m o t i o na n i m a t i o n ，a x i a ld e f o r m a t i o n ( a x d f ) 哈尔滨 = ：程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月曰 喻尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 综述 当前，随着在水下科学勘测和军事领域的广泛应用，人们对于具有较长 续航能力和较强生存能力的自主潜器的需求与日俱增。而传统的潜器具有体 积大、重量重、效率低、噪音大以及机动性差等问题，已经不能满足科学和 _ 程上的需要。仿生鱼是一种革命性的水下潜器，它有柔性的鱼体，由摆动 的鳍推动。 利用仿生学原理，开发类似海豚或金枪鱼的操纵与推进技术是一个很有 前途的研究方向之一。经过6 0 0 0 万年的演变，海洋中的海豚和金枪鱼等动物 已经具备了高速航行的能力，并且它们的推进效率高、噪声低、机动性好。 这样的综合能力是人类i f l 前所使用的传统的推进和控制装置所无法比拟的。 发达国家在这一方面已经进行了多年的探索研究。在研究人工智能技术的同 时，探索生物的操纵与推进原理，并将其应用于微型潜艇和微小型无人水下 探测器。在战争时期，这些新型的潜艇和微小型无人水下探测器可用于水雷 战和反水雷战、军事侦察和潜艇的配套武器；在和平时期，可用于复杂海洋 环境下的海底测量、水下观察等，因此具有十分重要的意义。 1 2 仿生鱼的推进方式 1 2 1 仿生鱼推进方式的特点 与传统的螺旋桨推进器相比，仿鱼鳍推进器具有如下特点： ( 1 ) 推进效率高，初步试验表明，采用仿鱼鳍水下推进器比常规螺旋桨推 进器的效率可提高1 5 2 0 。而从长远上看，仿鱼鳍的水下推进器可以大大 节省能量，提高能源的利用率，从而延长水下作业时间。 ( 2 ) 使流体性能更加完善，鱼类尾鳍摆动产生的尾流具有推进作用，可使 其具有更加理想的流体力学性能，从而具有良好的操纵性。采用仿鱼鳍水下 推进器可提高运动装置的启动、加速和转向性能。 ( 3 ) 可减低噪声和保护环境，仿鱼鳍推进器运行期间的噪声比螺旋桨运行 期间的噪声要低的都，不易被对方声纳发现和识别，有较强的隐身性，有利 于突防，具有重要的军事价值。 1 哈尔滨工程火学硕士学位论文 ( 4 ) 实现了推进器与舵的统一，仿鱼鳍推进器的应用将改变目前螺旋桨推 进器与舵机系统分开，功能单一，结构庞大，机构复杂的情况，实现浆一舵 功能和二为一，从而可精简结构和系统，简化制造工艺，并降低成本和造价， 具有重大的现实意义和使用价值。 ( 5 ) 可采用多种驱动方式，对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼鳍推进器 可采用机械驱动，也可采用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式；对于 为小型水下运动装置，可采用形状记忆合金、人造合成肌肉以及压电瓷等多 种驱动元件。 1 2 2 鱼类推进方式的分类 水中海豚或鱼类游动的系统的流体力学研究开始于二十世纪六十年代。 l ，i g h t h i l l 首先对水中动物的游动方式进行了分类和力学分析。根据鱼类推 进运动的特征水下推进器可划分为两种基本模式：一类是曲伸式 ( a n g u 1 l i f o r m ) ，如八目鳗等；另一类是摆尾式( c a r a n g i f o r m ) ，如海豚和 金枪鱼等。 曲伸式( a n g u i l l i f o r m ) 特点就是整个身体( 或几乎整个身体) 都参与了 大振幅的波动，由于在整个身体长度上至少提供了一个完整的波长，所以使 横向力相抵消，使横向的运动趋势减低到最小，很多采用曲伸式游动的鱼类 通过改变波的方向能实现与向前运动一样的向后运动。曲伸式的推进效率主 要与波的传播速度有关，波的传播速度越大，推进效率就越高，与摆尾式相 比而言，身体波动式推进效率较低，主要适用于狭缝中的穿行。 摆尾式( c a r a n g i f o r m ) 游动的特点是躯体前部几乎不动，仅仅摆动躯体 的尾部和一个大展弦比的尾鳍来获得推力和机动控制力。海洋中游动速度最 怏的鱼类都采用尾鳍摆动推进模式，在运动过程中尾鳍摆动，而身体仅有小 的摆动或波动，甚至保持很大的刚性。其推进效率主要与下列参数有关： 1 尾鳍的形状比率为展弦比； 2 尾鳍的形状为后掠角和前端的曲率： 3 尾鳍的刚度； 4 尾鳍的形状： 5 尾鳍的摆动规律。 2 哈尔滨j 二程人学硕士学位论文 图1 1 鱼类的推进方式 尾鳍摆动式推进具有很高的效率，适于长时间、长距离的游动，但运动 灵活性能较差，另外，还有一些鱼类通过这种游动方式的阻力很小、效率很 高，特别适用于a u v 和u u v 的推进和机动控制。 1 2 3 仿生鱼的国内外研究概况 摆尾式游动的效率与其尾鳍的性能关系极大。所以，其流体动力学研究 多集中于尾鲭的性能表现。l i g h t h i l l ( 1 9 7 0 ) 首先将空气动力学的二维机翼 理论应用于平板型尾鳍，研究了它的上下起伏和纵倾两种运动的幅度比、期 间的相位差和纵倾轴的位置与推力、推进效率的关系。c h o p r a ，k a m b e ( 1 9 7 7 ) 对月牙形尾鳍( 1 u n a t et a i l ) 及其大幅度运动问题进行了三维研究。 k a r p o u y i a n ，s p e d d i n g 及c h e n g ( 1 9 9 0 ) 将升力线理论应用于月牙形尾鳍的 理论计算。l i u 和b o s e ( 1 9 9 3 ) 运用准涡格法( q u a s i v o r t e x l a t t i c em e t h o d ) 对海洋哺乳动物的尾鳍进行了分析研究。 1 9 9 4 年，美国麻省理工学院( m i t ) 成功研制了一艘1 2 米长的类似金 枪鱼推进的微型无人驾驶潜艇c h a r l i ei ，并计划在5 年之内研制成功一艘 4 6 米长的类似的小型无人驾驶潜艇，以便能够携带声纳航行设备和试验仪 器，绘制洋底地图和寻找水下污染源。为进一步研究此类推进的流体机理， 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 9 9 8 年m i t 又研制了一艘0 8 米的机器梭子鱼r o b o tp i k e 。2 0 0 0 年，通过 对原有系统进行改进，m i t 又制造了第二艘仿金枪鱼潜器r o b o t u n ai t 。1 9 9 8 年美国麻省剑桥的c 8 d r a p e r 实验室对一艘2 4 米长金枪鱼型的u u v 进行 了涡流控制研究，并将其称为v c u u v 。 目前，在仿生力学领域的研究基本上是沿两个方向展开的：其一是在风 浪流影响较大的近岸海域中工作的试验平台，此类平台的操纵性需要闭环的、 大尺度的控制，这对用于在沿海雷区探雷的a u v 或u u v 是非常重要的。其二 是在深海中的远程巡航器试验平台，对此类平台要进行小尺度的、减少其边 界层内湍流的开环或闭环控制，主要目的是减少阻力。 美圈麻省理工学院在仿生机器鱼的研究方面取得了大量的研究成果，先 后研制了两条机器鱼“t u n a ”及“p i k e ”。通过长时间的的观察鱼类的游动情 况，麻省理工学院的科研人员研制了第一条机器鱼t u n a ，研制该机器鱼的目 的是克服目前水下机器人和水下潜器的连续工作时间的限制，也就是电池寿 命的限制，首机器人和潜水器的体积以及承载能力等因素的限制，不可能装 备足够的装备足够的能源，通过采用基于新型仿鱼鳍驱动原理的新型驱动器 可以使问题得以解决，因为鱼类具有效率、性能最高的水下驱动系统。当一 个刚性物体在水中游动时，在它的侧面会产生涡流，因而会降低运动物体的 速度，增加消耗的动力，但金枪鱼游动时。可利用尾巴的摆动把涡流的阻力 转化为一种推进的动力。t u n a 是一条长约4 英尺，由2 8 4 3 个零件组成，具 有高级推进系统的金枪鱼。它是模仿蓝金枪鱼制造的。t u n a 具有关节式铝台 金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、网状泡沫组织，并用聚氨基甲酸酯弹性纤维纱 表皮包裹，它装有多台2 马力的无刷直流伺服电动机( t u n a 实际上只是用每 台电动机额定功率的十分之一) 、轴承及电路等。t u n a 在多处理器控制下， 通过摆动躯体和尾巴，能像真鱼一样游动，速度可达7 2 公里小时( 4 节) 。 t u n a 的摆动式尾巴有助于机器鱼的驱动，推进效率达9 1 ，其外形如图1 2 ： 美国佛罗里达中兴大学的科研人员正在研制一种微电子鱼机器人”m e r i f ”， 该机器人的驱动系统完全由形状记忆合金制成该机器人由5 个子系统组成： 1 控制系统； 2 运动系统； 4 哈尔滨t ：程大学硕士学位论文 3 驱动系统； 4 悬浮系统： 5 传感系统。 浚项研究由以下3 个主要目的： 1 模拟自然界的鱼类，通过鱼尾的摆动实现机器人的水下浮游： 2 研制一种无噪声的水下驱动系统，利用常规驱动的水下机器人有噪 声，这将很难使机器人接近所要观察、研究的水下生物。该项研究中，驱动 系统完全由形状记忆合金构成，能真j 下实现无噪声驱动： 3 大范围、长时间的水下作业，为了达到这一目的，采用一种“能量循 环”的方法，当太阳能电池能量即将用尽的时候，机器入停止浮游，并且浮 出水面，电池开始充电，充满后，机器人下潜，重新开始作业，通过这样一 种方法可以实现大范围、长时间的水下作业。 图1 2r o b o t u n a i i 哈尔滨j i ：程大学硕士学位论文 图1 3r o b o t u n a i ib a c k b o n e 美国新墨西哥大学的m e t h r a nm o j a r r a d 和m o h s e ns h a h i n p o o r 等人进行 了人工合成肌肉在水下机器人系统中的应用研究，该项目利用高分子电解质 离子交换膜( i e m ) 通过化学镀的方法镀在金属铂片上，然后制成类似鱼鳍的 带状薄片，在外加电场的作用下，从而推动水下机器人运动，。试验结构表明， 其运动速度与波动频率和振幅成正比，并且和推进器的几何形状和流体性质 有关。 图1 4 仿黑色鲈鱼机器鱼f i s h r o b 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 月本东海大学n k a t o 等人研究了黑鲈鱼的胸鳍运动原理，初步分析了胸 鳍动作状态由游动姿态的关系。n k a t o 从水下运动装置的机动性能出发主要 分析了与在水平面以及垂直面上的盘旋以及转向运动与鱼的胸鳍摆动之间的 关系，并研制了试验样机，该样机可以用p c 机来控制以实现类似于鱼类的运 动。 日本东芝公司的研究人员研制了无线控制的能象真鱼一样游动的机器 鱼，该机器鱼长约6 0 c m ，重约6 磅，该机器鱼通过一台台式计算机控制它的 一个尾鳍、两个胸鳍的运动，由于没有必要完全精确的复制海洋鱼类的驱动 方式，所以采用弹性振动鳍制作了试验样机，电池驱动的鳍摆动频率为 o 2 1 h z ，机器鱼的游动速度可达0 2 5 m s 。 r 本东京工业大学研制了一艘1 7 5 米海豚型潜器的自航试验模型，其尾 部共有两个节点，第一个节点由发动机驱动，第二个节点以弹簧联结。日本 国家海洋研究院( n m r i ) 也研制了u p f 一2 0 0 1 等机器鱼。 国内对仿生鱼机器入的研究还属于刚剐起步阶段。哈工大机械电子工程 系证在研究的仿生鱼机器人申请了国家自然科学基金项目。北京航空航天大 学的研究人员研制了类似八目鳗的曲伸式仿生鱼。哈尔滨工程大学海洋综合 技术工程研究中心的师生们对国外在该领域内的技术发展进行了跟踪研究， 并编辑了一本水下仿生学译文集。该译文集涉及了水下仿生学领域的系统 设计、模型种类和控制系统的研究与开发等。另外，苏玉民老师针对金枪鱼 的水动力性能进行了计算，取得了一些成果。我教研室的仿生鱼原理样机已 于2 0 0 2 年底完成。 1 。2 4 目前研究热点及未来发展预测 目前，新型仿鱼鳍机器人的研究及未来发展主要集中在以下几方面： ( 1 ) 尾鳍摆动式推进模式水动力模型的建立； ( 2 ) 尾鳍摆动时尾流的产生及其与推进力和推进效率关系数学模型的建 立： ( 3 ) 弹性元件在降低尾鳍摆动能量损失中的应用； ( 4 ) 机器人姿态、运动轨迹控制； ( 5 ) 机器人的微型化； 哈尔滨：l 程大学硕士学位论文 1 3 视景仿真 视景仿真是仿真动画的高级阶段，也是虚拟现实技术的最重要的表现形 式，它是使用户产生身临其境感觉的交互式仿真环境，实现了用户与该环境 直接进行自然交互。视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的， 构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。它 i 叮分为仿真环境制作和仿真驱动。仿真环境制作主要包括：模型设计、场景 构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造出逼真的三维模型或和制作 逼真的纹理和特效；仿真驱动主要包括：场景驱动、模型调动处理、分布交 ! i 、大地形处理等，它要求告诉逼真地再现仿真环境，实时响应交互处理等。 视景仿真是计算机、图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、 信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。它有利于缩短试验和 研制周期，提高实验和研制质量，节省试验和研制经费，并已经在许多领域 等到了广泛应用，如城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、虚 拟现实房产推销系统、虚拟现实模拟培训、交互式娱乐仿真等等。特别的是， 它十分适用于在军事领域的作战训练和武器研制方面，例如运用场模拟技术 建立起一个虚拟的、非常逼真的电子战场环境，使攻防双方的作战人员沉浸 在由计算机产生的作战环境中，它为武器装备研制、战术演练和训练提供了 非常有效、经济的手段和途径，具有十分明显的经济效益并成为军事领域里 重要的高科技手段。现在，在很多领域，视景仿真已经成为仿真系统软件的 一一个重要的组成部分，它是虚拟现实技术、分布式交互仿真技术研究的主要 内容。 1 4 论文的主要工作 根据试验结果建立初始的运动模型，用面元法进行水动力计算，并利用 计算结果建立简化的鱼的运动模型。根据建立的模型制作鱼运动的关键帧， 实现鱼的运动仿真。并参与仿生水下机器人的湖上试验，根据试验结果对建 立的计算模型进行修正。整合仿真程序，并编写与控制器之间的接口程序， 实现与控制器联调，并在仿真器中引入虚拟现实技术。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章仿生鱼的运动分析 2 1 仿鱼型机器人的总体构成 仿金枪鱼微型潜器的方案设计主要参数： 艇体长：2 4 m 艇体宽：0 6 1 9 m 排水量：0 3 1 5 t 设计航速：1 2m s ( 约2 3 3k n ) 摇艏速度：3 0 。s 表2 1 方案设计参考数据 频率f 摆幅摆幅 平均功率平均功率 ( h z )a d c a ，c p l ( k w )p z ( k w ) 11 o1 1 51 0o 5 20 _ 3 5o 51 0o 5 3o 2o 31 00 5 哈尔滨上程人学硕士学协论文 图2 1仿生鱼内部布置图( f l j 视图) 图2 3 改造后的仿生鱼内部布罱图 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 2 仿生鱼运动的特点和难点 2 ，2 1 鱼类运动的特点 鱼类的游动机理是相当复杂的，一般认为鱼在启动、转向和低速游动时， 刹用水的粘性适当控制旋涡的脱离，以获得强大的推力。而摆尾式游动的鱼 类如会枪鱼，在一常速高速游动时，躯体的前三分之二几乎没有摆动和变形， 后三分之一带动尾鳍以常频摆动，尾鳍接近于刚性，前进中躯体的横移极小。 f i i 进的推力主要来自于尾鳍的摆动，此时粘性对尾鳍水动力性能影响相对较 小，可以用势流理论进行分析、研究。 由于鱼在摆动过程中，其形状是在不断变化的，水动力系数也是在不断 的变化的，所以很难按照传统的潜艇操纵性方程给出其水动力模型，只能对 应一种特定的摆动规律，即某一摆幅和相位差下，计算不同航速下的在其前 进方向( x 方向) 的水动力合力( 有正也有负) ，取合力为零的情况，在这种 状态下，可以认为，在这一摆幅和相位差下，鱼匀速运动的速度即为其合力 为零时对应的速度。 鱼在回航时，鱼尾只在一边摆动( 比如说左侧) ，那么鱼向左转，其回转 角速度与摆幅及相位差有一个对应的关系，系数可由试验测出。 2 3 2 运动分析的难点和解决方法 出于缺少适当的理论模型，对仿生鱼的运动采取理论计算和实验相结合 的方式建立一个简单粗略的运动模型。以余枪鱼尾鳍为对象，建立其数学 力学模型，模拟尾鳍的运动，用面元法计算尾鳍的非定常水动力性能，并研 究尾鳍运动的相关参数对水动力性能的影响。将计算得出的模型应用在仿生 一i 号原理样机上，通过试验测定具体技术指标，并修正计算以达到最优。 可以把仿生鱼的运动分解为垂直面上和水平面上的运动。 1 ) 在垂直面上，可以忽略其推进方式的影响，将胸鳍看作潜器的升降舵。 仿生鱼在垂直面运动中转动胸鳍的过程，就可以看作是潜器操升降舵的过程。 因此，可以直接套用潜艇操纵性中的垂直面运动方程。 2 ) 在水平面上，必须考虑其推进方式的影响。可以分为直航和转弯两种 运动方式。赢航时，运用面元法，能够计算出仿生鱼在其尾鳍的一定的摆幅 和频率下最终能达到的稳定航速。这样，选取几个摆幅和频率的组合，分别 哈尔滨工程人学硕士学位论文 计算出航速，通过插值，可以得到仿真所必需的多组输入和输出的数据，为 仿真提供一个简单粗略的运动模型。对于转弯可以采取同样的方法，首先分 析鱼在只弯曲身体而不摆尾的情况下的运动规律，然后分析弯曲身体并摆尾 的儿个特殊情况，插值后也可以得到近似的运动模型。 3 ) 仿生鱼的起动过程中，是从静止状态动态的过渡到匀速运动状态，目 前还无法对这一过程进行精确的水动力计算。可以采取这样的解决办法，通 过将该过程分为小的时间段，把在每一时间段内的运动看作匀速运动，根据 以上所述的方法计算航速，最后将各段汇合，也可以得到一个简单的起动过 程的运动模型。 2 3 仿生鱼运动模型的建立 2 3 1 尾鳍水动力分析 会枪鱼在一匀速快速直线游动时，主要靠尾鳍的摆动提供推力，胸鳍和 背鳍只起控制姿态的作用。躯体前部及胸鳍和背鳍基本没有摆动，只有躯体 后三分之一部分左右摆动，而尾鳍在尾柄的带动下左右横移的同时，还围绕 则尾柄端部左右摆动。这里将尾鳍处理为在均匀来流中运动的刚性体，忽略 随躯体的横移，尾鳍的横移运动和摆动频率都为常量，取如下图所示坐标， 则尾鳍的运动规律可以表示为 fz ( t ) = a ：s i n ( 2 矽) 【臼( f ) = o os i n ( 2 巧瞎一妒o ) 其中酿 一尾鳍的摆动幅度 a ，尾鳍的横移幅度 ，_一横移运动和摆动的频率 九一一横移运动和摆动运动间的相位差 横移运动速度和摆动角速度则可表示为： jt ( ，) = 2 f , r r ac o s ( 2 矽) 【万( r ) = 2 n f o oc o s ( 2 妒一妒o ) 以圪表示来流速度，则相对尾鲳的进流速度为 旷( ，) = 玩+ 矿 哈尔滨一i 程大学硕十学位论文 以v o 表示由绕y 轴摆动引起的尾鳍表面上某点速度，则该点总的速度为 v z ( t ) 丘( x ，y ，z ，f ) = 元+ 吃( f ) + 吃( z ，y ，z ，f ) l z r v 1 ( t ) 【添 x v o 心 这样，应用面元法时，边界条件应该写为 型= 一无( x ，弘毛f ) 在s 。上 c 3 n ( j 一 在由面元法求得尾鳍的压力分布后，尾鳍的推力系数c 。、侧向力系数 c ：及绕y 轴的力矩系数c 。可利用下式计算 c x = l 。c p n x d s c ；= j j 。c p n ；d s c 矿j f 。c ，( x n ：一，) a s 式中竹， ：为尾鳍表面单位法向量，各系数的定义如下： 印办，c ：2 苁一w 。袁 其中，p 是水的密度，1 3 是尾鳍的展长，c 。为尾鳍的特征弦长，e 、t 和m ， 哈尔滨l 程火学硕士学位论文 分别为尾鳍的推力、侧向力和绕轴的力矩，为下式表示的尾鳍的最大进流 速度 吒( r ) = 曙+ ( 2 碉：) 2 尾鳍的平均推进效率可表示为 ：盟 k 。- ， 式中，c 。，为平均推力系数，k 。是一个周期内的功率系数，t = l 厂表示运 动周期，k 。则由下式定义： 巧= 嚣c ；出+ 嚣c ，d o 2 3 2 面元法 考虑在速度为p ( x ，y ，z ，r ) 的无旋、非粘性、不可压缩来流中的任意升力体， 根据g r e e n 定理，流域的边界面上任意一点p ( x ，y ，z ，f ) 的扰动速度势巾( f ) 可 由以下积分表示 z 栅，2 f f 叭鲫，杀c 志，一掣志，嬲 其中：r ( p ，q ) 是场点p 和边界上q ( ，y 。，z ) 之间的距离，三是在q 点边 0 界面s 的法向导数。 考虑到物面s 。，尾涡面品和外边界面s 。上的边界条件： v 庐( f ) 专0 ，当s 。斗 掣：一vo(x,y,z,t)而在on ， 。 户+ 一p 一= 0 ( 掣) + 一( 掣) 一：o 在s 。 o n q io t t o _ 。 亓。，是边界面上的单位法向量，q 。是尾涡面上的点，上标+ 和分别表示在尾涡 嘶l 、下表面的值。 4 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 则在物面上积分方程可展开为 z z c ( p , t ) = 。炒) 去( 志肌j j ，坝q 1 ，) 去志础 + 。( 盼动( 志) 搬 式中庐为通过尾涡面的速度势跳跃，可记为 庐o ) = 庐( f ) + 一妒( f ) 一 对于非定常问题，由于物面的速度势是时间的函数，速度势跳跃也是连 续变化的。 结合以下压力k u t t a 条件 ( a p ) ，。( r ) = p 矗o ) 一p 矗( r ) = 0 即可求得积分方程s ( “) = s t ( f ) = 可”彤( ，) 的数值解。 采用柳泽发展的方法，在物体表面对扰动速度势( ，) 求导获得物体表面 的扰动速度p ( x ，y ，2 ，f ) ，则物体表面中的速度为 k ( x ，y ，z ，y ) = ( x ，y ，z ，f ) + v ( x ，y ，z ，f ) 应用b e r n o u l l i 方程物体表面的压力可表示为 p ( f ) ：+ 要烈i 玩( f ) 阳嘶门一p 掣 p ( ) 2 + 猁( ) 阳门一等 对该压力进行积分，即可求得水动力系数。 2 3 3 运动坐标系的选取 为了描述机器鱼的运动和建立仿真系统，就必须首先建立适合描述机器 鱼运动的坐标系。本文根据国际水池会议( i t t c ) 推荐的和造船与轮机工程 学会( s n a m e ) 术语公报的体系，同时参考有关资料，建立如下两种坐标系： 固定坐标系e 一手町f ( 简称“定系”) 和运动坐标系o 一蔓弦( 简称“动系”) 。 1 固定坐标系 固定坐标系又称地面坐标系，是机器鱼作空间运动的惯性参考系。固定 坐标系的原点e 可取为地面、海面或海中的任意一定点，e f 轴的正向指向 哈尔滨l 科人学硕士学位论文 地心，e 亭轴和e 即在水平面内相互垂直，轴的正向可以任选， 。般地，e f 轴 与机器鱼的运动主航向一致。e 一亭，7 f 构成了一一个右手直角坐标系( 见图 2 3 ) 。 辍 y 图2 4 固定坐标系和运动坐标系 2 运动坐标系 运动坐标系又称艇体坐标系，是固定于机器鱼艇体上的坐标系。坐标原 点o 可以取在艇体上的任一点，纵轴o k 平行于艇体基线指向艇首，横轴0 平 行于基面指向右舷，垂轴晓指向艇底。o x y z 也构成一个右手直角坐标系 ( 见图2 3 ) 。如果坐标原点取在机器鱼的重心g 上，则一般认为这样的坐标 轴g x 、g y 、是机器鱼艇体的惯性主轴。 图2 5 仿生鱼的运动坐标系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 4 仿生鱼运动的表示 用运动坐标系来表明仿生鱼运动的六个自由度非常明确，见图2 4 。坐标 原点的速度u 在动坐标轴上的三个分量称为纵向速度“、横向速度v 和垂向 速度w ；机器鱼绕原点的角速度力的三个分量称为横摇角速度p 、纵摇角速 度q 和摇首角速度，；作用在机器人艇上的外力f 在坐标轴上的三个分量称 为纵向力x 、横向力王，和垂向力z ：作用力对于原点的力矩膨的三个分量称 为横摇力矩丘、纵摇力矩吖和摇首力矩。速度和力的分量以指向坐标轴 的f 向为正，角速度和力矩的正负号服从右手定则。 仿生鱼在海洋空间上的位置和姿态，可以用运动坐标系原点的地面坐标 值( 善。，7 7 。，己) 和运动坐标系相对于固定坐标系的姿念角( 庐，0 ，p ) 来确定。为横倾角，以向右倾为j _ f ! ；0 为纵倾角，以仰首( 亦称尾倾) 为 正；v 为艏向角，以右转为正。 z ( a ) x 0 d z ( b ) y ( c ) ( a ) 空间运动( b ) 垂直面运动( c ) 水平面运动 图2 6 水动力角 1 7 哈尔滨上程大学硕十学位论文 在一般情况下，潜艇的运动总是具有六个自由度的空间运动。例如，潜 艇在水平转向时，不但有偏航、前进和横移，而且也同时会伴随出现横倾、 纵倾和潜浮现象。不过，就实际航行来说，潜艇的最基本的运动方式是保持 或改变航向以及保持或改变深度。改变航向时，潜艇的重心在水平面内运动； 改变深度时，潜艇的重心在垂直而内运动。所以，为了分析卜的简化，常常 假定空间运动可以分解为互不相关的两个平面运动，即水平面运动和垂直面 运动。前者只考虑航向的变化而不涉及深度的变化，后者只考虑深度的变化 而不涉及航向的变化。 2 3 ，5 运动的一般方程 动坐标系的原点设在潜艇重心上。参考潜艇的运动方程，可得到机器鱼 垂直面运动的方程： m ( f t + w q + z g 口一x c ；q2 ) = x = 0 ， ( 谛一u q x o o y o q2 ) = z ( 2 - 2 7 ) l r 口+ m x g ( 伽一u q ) 一z g 0 + w g ) = m 水平方向合力为零，垂直方向上只考虑升力。 图2 7 升力和攻角的关系 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 数值计算结果及分析 为验证本计算方法的有效性，计算了n a c a 0 0 1 2 面的矩形机翼，并与的二 维面元法的计算结果进行了比较。其横移幅度，摆幅为0 度，诱导频率定义 为k = 2 l 形o 。展弦比取8 0 。所示计算结果与j o n s e p l a t z e r 符合良好。 图2 8 尾鳍的水动力性能 计算尾鳍耿黑金枪鱼的尾鳍轮廓，面为n a c a 0 0 1 8 翼型，这里采用了线性 化的尾涡，其任一展向位置处的尾涡形状呈正弦型，尾鳍的面元分布即为我 形状如图4 所示。为考察程序计算的稳定性，取不同步长进行了计算，结果 表明一个周期内取6 0 个以上步长，即可得到稳定的计算结果。在进速 v 0 = 6 c 。米秒，频率厂= o 5 ，横移幅度a ，= c 。，摆幅e 0 = 6 度，经过三个 周期的迭代计算后，达到收敛。尽管侧向力系数c 的幅值较大，当运动频率 足够大或金枪鱼的躯体由于背鳍和腹鳍的作用而横向阻尼足够大时，鱼体的 横向移动将极小，而是在推力的作用下向前运动。s a n d b e r g 的研究报告指出， 对具有类似金枪鱼尾鳍的运动规律的机翼而言，其水动力性能取决与无因次 的系数一斯特洛哈数( s t r o u h a ln u m b e r ) s t ，s t = f h v 。其中，h 为尾鳍的尾 涡在z 方向的宽度。 兰j ：鎏：崔銮= i ：堡= 兰墨鳖吝 0 8 0 7 0 ，6 7 0 5 营 60 4 昔 80 3 0 2 0 1 o 图2 ，9 尾鳍的尾涡分布 2356 78 1 s t 图2 1 0 尾鳍的水动力性能随摆幅的变化 哈尔滨】：程大学硕士学位论文 l o 9 o 8 0 3 o 2 o 1 o c z m c x m q 51 0 l bz uz b3 u3 b 0 0 ( d e g ) 图2 1 1 尾鳍的水动力性能随摆幅的变化 但在考虑了流动的粘性和非定常的影响后，对相同的s t ，前进速度或摆 动频率不同时，图给出了f = 0 5 ，a ：= c o ，吼= 2 0 度，九= 9 0 度时，尾鳍的水 动力性能随斯特洛哈数的变化，图中为消耗功率意义上的平均侧向力系数， 显见平均推力系数及平均侧向力系数、随的增大而增加，而推进效率却在处 存在一个最大值。图2 3 为，尾鳍的水动力性能随其绕y 轴的摆动幅度的变 化，从中可以看到，但其它参数不变时，平均推力系数及平均侧向力系数随 尾鳍摆幅的增大而减小，而推进效率在1 0 一2 5 度范围内变化很小，在2 0 度处 达到最大值，超过2 5 度后急剧下降。因此，对所计算的工况，摆动幅度存在 个最佳值。 应用面元法对月牙形金枪鱼的水动力性能进行数值分析。计算与的比较 说明，利用本方法可以得到合理的计算结果。计算分析表明： 尾鳍的推力、侧向力呈周期性变化，平均推力为正值，而平均侧向力为 零： 尾鳍的水动力系数都随斯特洛哈数的增大而增加，而推进效率在某一斯 特洛哈数达到最高； 哈尔滨1 ：稃大学硕士学位论文 推进效率在摆幅为1 0 2 5 度范围内变化最小，水动力系数随其摆幅的增 大而减小，对特定的工况，存在效率最佳的摆幅。 0 3 0 2 5 0 2 臣 运o 1 5 霸 0 t 0 0 5 0 - ，声 尾鳍后端 j 7 。二 ，。尾鳍前端 | 00 51l _ 522 53 航速( m s ) 图2 1 1尾鳍摆幅与航速的关系 ( 频率= 1 0 ，相位差= 3 0 度) 2 5 仿真器中控制算子的确定 为达到运动仿真的目的，在建立仿真器之后，需要与控制器之问进行联 调。仿生水下机器人采用模糊p i d 控制，用于控制仿生鱼胸鳍及尾鳍的运动。 仿真器与控制器之间采用遵循r s 4 8 5 协 义的串口通信，在单机或两台计算机 之间连接并调试。因此，需要编写与控制器接口程序，并且能达到响应控制 信号并给出反馈的程度，使控制器与仿真器之间形成闭环控制，以达到调试 控制器并指导试验的目的。 2 6 本章小结 本章主要内容是对仿生鱼的运动采取理论计算和实验相结合的方式，建 藏一个简单粗略的运动模型。以金枪鱼尾鳍为对象，建立其数学力学模型， 模拟尾鳍的运动，用面元法计算尾鳍的非定常水动力性能，并研究尾鳍运动 哈尔滨：i ：程大学硕十学位论文 的相关参数对水动力性能的影响。把仿生鱼的运动分解为垂直面上和水平面 上的运动，得到仿生鱼的近似的运动模型。 哈尔滨 ：程人学硕士学位论文 第3 章仿生鱼的视景仿真 3 1 仿生鱼视景仿真综述 视景仿真是仿真动画的高级阶段，也是虚拟现实技术的最重要的表现形 式，它是使用户产生身临其境感觉的交互式仿真环境，实现了用户与该环境 赢接进行自然交互。视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的， 构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。它 可分为仿真环境制作和仿真驱动。仿真环境制作主要包括：模型设计、场景 构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造出逼真的三维模型或和制作 逼真的纹理和特效；仿真驱动主要包括：场景驱动、模型调动处理、分布交 互、大地形处理等，它要求告诉逼真地再现仿真环境，实时响应交互处理等。 视景仿真是计算机、图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、 信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。它有利于缩短试验和 研制周期，提高实验和研制质量，节省试验和研制经费，并已经在许多领域 得到了广泛应用，如城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、虚 拟现实房产推销系统、虚拟现实模拟培训、交互式娱乐仿真等等。特别的是， 它十分适用于在军事领域的作战训练和武器研制方面，例如运用场模拟技术 建立起一个虚拟的、非常逼真的电子战场环境，使攻防双方的作战人员沉浸 在由计算机产生的作战环境中，它为武器装备研制、战术演练和训练提供了 非常有效、经济的手段和途径，具有十分明显的经济效益并成为军事领域里 重要的高科技手段。现在，在很多领域，视景仿真已经成为仿真系统软件的 一个重要的组成部分，它是虚拟现实技术、分布式交互仿真技术研究的主要 内容。 对仿生鱼而占，在这里主要运用轴变形方法对仿生鱼进行建模，根据仿 生鱼尾部传动机构的运动规律，计算出机器鱼的轴线的变化情况，进而实现 鱼体整体的变形；建立仿生鱼垂直面内的运动模型，模拟直航、偏航以及在 垂直面上利用胸鳍进行的升沉等运动形式。 3 2 鱼体( 鳍) 的绘制 3 21 曲线造型方法基本知识 哈尔滨：l ：聪人学硕士学位论文 一b 6 z i e r 曲线 b 6 z i e r 曲线是构造自由型曲线最重要和最基本的方法之一，它是由法国 雷诺汽车公司的工程师贝齐尔于1 9 6 2 年提出的。b 6 z i e r 曲线是一种以逼近 为基础的参数多项式曲线，具有许多优良的性质，b 6 z i e r 方法把函数逼近和 几何表示有机结合，使它特别适合形状设计。而且数学处理方法简单，易于 被设计人员所接受。 与参数样条曲线不同，b 6 z i e r 曲线是由一组顶点确定的多边形所定义， 如图。改变顶点的位置曲线的形状就会发生变化，所以这些顶点称为控制点 或b 6 z i e r 点，相应的多边形称为控制多边形或b 6 z i e r 多边形。 b z 图3 1 典型的b 6 z i e r 曲线 二b 一样条曲线 由b 6 z i e r 曲线的参数仿射变换不变性，通常只需将它定义在 o ，1 参数区 问上即可。但是对b 一样条曲线来说。若其中每段b 6 z i e r 曲线均被看作是【o ，1 参数区间到r 3 得光滑映射。考虑到b 一样条曲线是连续的，且其中每段曲线 有严格的连接顺序，而且这些参数区间可排列成一连续区间，并将其中每一 子区f 刚经参数反射变换到【o ，l 】，进而获得b 4 z i e r 曲线的表示。 考虑一条由l 段b 一样条曲线s ( u ) ，假设它是一区间序列“。 “ “， 到r 3 的连续映射，将区间，“。 映射为第f 段b 6 z i e r 曲线。称 哈尔滨：r ：程人学硕士学位论文 ( f - 1 , 2 ，上) 为一节点( k n o t ) ，称缸。如l 为该b z i e r 样条s ，( f ) 可表示为( 如 图3 2 所示) s ( ) = s ，o ) = 巧1 b ；( f ) t 【o ，1 】 ( 3 5 ) j = o 其中扣1 定义为兰，“l ，“。1 ；尸；气，= 0 , 1 ，”) 为第f 段曲线 u t + l 一“j“。 的控制多边形。 图3 2b - 样条曲线的分段构造 由b 一样条曲线的连续性可知 s ( u ；) = e ( 0 ) = s 。( 1 ) 即 磁。= 最” i = 1 , 2 ，l ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 这样，我们就得到了一条连续b 6 z i e r 样条曲线，其控制多边形可表示为 “，j = 0 , i ，n ；i = 1 , 2 ， 。当然，它仅是c 。连续，尚不满足任何高阶光 滑性条件。 由于每段b 4 z i e r 曲线是无限次可微的。因而只需保证每个节点处光滑性 就可得到整条b 6 z i e r 样条曲线得光滑性。s ( “) 在“，处c ( 0 ， ”) 连续的条 ：生j j 鎏i ：型盔耋2 主兰竺鎏銮 件。出c 连续的定义可知，s ( ”) 应该满足： 著叫。旷= 等酬，+ 凡z ，s ， 即 著s 。卜著刚。 t = 卿，rc 。吲 由复合求导公式可知，上式可转化为 f爿”= 露n 1 ( 扫蚪= ( 料1 扣0 1 2 ，r 。 这样可以方便地求出s ( u ) 在各结点处的c 光滑拼接条件。 三三次b - - 样条曲线 由式( 3 - 1 0 ) 可知，n 次c 1 1 3 - 样条曲线的连续性条件为 f科”= 嗜。 1 叫“k 竽删” 汪0 1 2 工。1 d 爿 图3 3b 样条曲线的构造 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 这条件说明c 1 b 一样条曲线的控制点p o o ( 即爿”，掣i ”和只必须共 线，且p o ”将线段掣i ”只“分割成长度比例为兰# 的两端( 如图3 3 ) 。 口f 先考虑c 1 b - 样条曲线插值的问题。该问题可描述为：给定二维或三维型 值点q 。，q 一，q ，构造一条经过这些型值点的c 三次b 样条曲线。 根据b 6 z i e r 样条的构造，只需构造l 条三次b 6 z i e r 曲线，将 q ，- i q ( f = 1 , 2 ，l ) c 1 次连接起来，其中口。和q ，自动地成为第f 条三次b 6 z i e r 曲线的始、终两端点的控制点。显然，这样构造的三次b 6 z i e r 样条共有3