（精密仪器及机械专业论文）仿生机器鱼巡游和机动的运动机理研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 自主式水下航行器( a u v ) 对于人类开发海洋资源十分重要，作为关键部件 的推进器一般采用螺旋桨和叶轮原理，存在机械效率低、噪音大、机动运动性差 等缺点。鱼类经过上亿年的自然进化具有高超的游动能力，将鱼类完美的水下运 动方式合理的应用于水下推进系统中，可以极大地推动a u v 技术的发展。针对 现有鱼形机器人在仿生设计、传动结构和沉浮装置等方面上的不足，同时仿生鱼 类的鱼体波动和胸鳍摆动两种推进模式，设计出具有高机动性、高稳定性的柔性 外形的小型仿生机器鱼，并能够快速自如的上升下潜。 本文以体干中线表征鱼体波动，建立大振幅鱼体尾鳍摆动模式的巡游运动学 模型，进行仿真和模型试验模拟鱼类游动的体干曲线族。通过对鱼体在纵向、横 向和沉浮方向的力学分析和计算，建立了仿生机器鱼巡游的动力学模型，计算出 其推进效率。根据动力学模型对多种步态的各游动性能指标进行仿真计算和模型 实验，并分析了鱼体运动的控制参数对其影响。同时，本文基于仿生胸鳍摆动的 简化物理模型，通过对鲫鱼胸鳍方式游动的高速摄影图像的分析建立了运动学方 程。考虑到由于攻角的时变性所产生的非定常效应，对所建立胸鳍游动的动力学 模型进行修正。依据多步态仿真实验，分析了速度、推进力和游动效率等参数的 变化规律和构成，以及与运动参数的关系。 本文还进行了鱼类快速起动运动学的基础研究，分别建立了仿生机器鱼s 形和c 形起动的运动学模型，对主动和被动s 形起动、c 形起动的鱼体体干曲 线波分别进行仿真计算和分析。通过解析鱼体受到的横向摆动流体举力、鱼鳍尾 涡反作用力、边界层摩擦阻力和纵向附加质量力，建立快速起动的动力学模型， 对主动减速和被动减速的推进效率进行比较。利用多步态的仿真实验，分析讨论 了各起动性能指标的变化情况，以及鱼体横向摆动速度、法向线速度、迎角与推 进力的关系，并阐明了各运动控制参数对快速起动性能的影响。基于仿生机器鱼 c 形转向运动的简化物理模型，建立了快速转向游动的运动学方程，得到体干中 线运动步态，以及鱼体质心坐标和轨迹的运动规律。根据计算出的转动惯量、鱼 体受到的驱动力矩和阻力矩，建立c 形转向运动的动力学模型，并对前摆转向 运动进行多序列仿真游动实验，分析鱼体柔性段弧长和相对弯曲度对转动惯量、 中国科学技术火学博士学位论文 力矩、转动角位移和最大转动角速度的影响，提出了有效提高仿生机器鱼快速转 向性能的方法。 本文采用理论分析、仿真计算和模型试验相结合的研究方法，深入分析了仿 生机器鱼运用鱼体波动和胸鳍摆动模式，实现巡游和机动游动的运动特征和力学 机理，仿真和试验的结果与自然界鱼类的运动特征规律基本吻合，本文的研究为 水下仿鱼航行器的研制工作提供了理论基础和设计方法。 关键词：仿生机器鱼，运动方程，动力学模型，推进效率，快速起动，转向运动 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e s ( a u v ) a r eq u i t ei m p o r t a n tf o rt h eh u m a n b e i n gt od e v e l o pt h em a r i n er e s o u r c e s t h es c r e wp r o p e l l e rh a sd i s a d v a n t a g e so n m e c h a n i c a le f f i c i e n c y , n o i s ea n dm a e u v e r a b i l i t ya sk e yc o m p o n e n to fa u v t h r o u g h t h ee v o l u t i o no fa b o u tb i l l i o ny e a r s ，f i s hh o l d ss u p e rs w i m m i n ga b i l i t i e s t h ea u v t e c h n o l o g yc a nb ei m p r o v e dg r e a t l yp r o v i d e df i s hp r o p u l s i o nm o d e sa r ea p p l i e dt o t h r u s t e r sr a t i o n a l l y t o w a r d ss o m ed e f i c i e n c i e sa tb i o n i cd e s i g n ，d r i v i n gf r a m e w o r k a n du p d o w nd e v i c eo ft h ee x i s t i n gf i s h l i k eu n d e r w a t e rr o b o t s ，t h em i n i - j o i n tb i o n i c r o b o tf i s hw i t hh i g hm a n e u v e r a b i l i t y , h i g hs t a b i l i t y , u p d o w nl o c o m o t i o na n df l e x i b l e a p p e a r a n c eh a v e b e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , b a s e do nt w op r o p u l s i o nm o d eo f b o d y c a u d a lf i n ( b c f ) m o t i o na n dm e d i a n p a i r e df i nm o t i o n ak i n e m a t i cm o d e lo ft h ec r u i s i n go fl a r g e a m p l i t u d e sb c fi se s t a b l i s h e db a s e d o nf i s hb o d y sc e n t e r l i n e ，a n dt h ef a m i l yo fc u r v e sa r eo b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i o n s a n de x p e r i m e n t st or e p r o d u c ef i s hm o t i o n a f t e ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ff o r c e sb y n e i g h b o r i n gf l u i d sa tt h el e n g t h w i s e ，l a t e r a la n du p - d o w nd i r e c t i o n s ，t h ed y n a m i c a l m o d e la n dp r o p u l s i o ne f f i c i e n c yo ft h er o b o tf i s hi sd e d u c e d o nt h eg r o u n d so f s i m u l a t i o n sa n dp r o t o t y p et e s t so nv a r i o u ss w i m m i n gp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t h e i n f l u e n c e so fv a r i o u sp a r a m e t e r sc o n t r o l l i n gm o t i o n sh a v eb e e nd i s c u s s e d b ya n a l y s i s o fh i 曲- s p e e dp h o t o g r a p h yo ft h ec m c i a n sp e c t o r a lf i no s c i l l a t i o n ，as i m p l i f i e d p h y s i c a lm o d e la n dk i n e m a t i c a le q u a t i o no fm p fa r eb r o u 曲tf o r w a r d c o n s i d e r i n g n o n s t e a d ye f f e c to fa t t a c k st i m e v a r i a t i o n ，t h ed y n a m i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da n d m o d i f i e d b o t hr e g u l a rp a t t e r na n dc o m p o s i t i o n ，o fs w i m m i n gv e l o c i t y , p r o p u l s i v e f o r c ea n de f f i c i e n c y , a r ea n a l y z e di na c c o r d a n c ew i t hm u l t i g a i ts i m u l a t i o n s t h u st h e i n h e r e n tr e l a t i o n sb e t w e e nk i n e m a t i cp a r a m e t e r sa n ds w i m m i n gp e r f o r m a n c e sc a nb e f o u n do u t t h eb a s i ct h e o r yo ff a s t s t a r tk i n e m a t i c si ss t u d i e d ，a n dm o t i o ne q u a t i o n so f s - s t a r ta n dc - s t a r ta r ee s t a b l i s h e d s u b s e q u e n t l y , l a wo fm o t i o no fb o d yc e n t e r l i n ea r e i i i 中国科学技术大学博十学位论文 s i m u l a t e da n de x p a t i a t e d o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho ft h r u s ta n dd r a ga sr e s u l to f l a t e r a lo s c i l l a t i o no ff i s hb o d y , t a i l i n gv o r t e x ，b o u n d a r yl a y e rf r i c t i o n ，a d d e dm a s so f l e n g t h w i s ed i r e c t i o n ，d y n a m i cm o d e l a r ea c q u i r e da n dp r o p u l s i o ne f f i c i e n c yo fa c t i v e d e c e l e r a t i o ni sc o m p a r e dw i t ht h a to fp a s s i v ed e c e l e r a t i o n t h em u l t i g a i ts i m u l a t i n g e x p e r i m e n t sd i s p l a ya t t r i b u t e so ff a s t s t a r tp e r f o r m a n c e ，a n di n f l u e n c e so nt h et h r u s t o fa t t a c k ，c r o s s w i s ea n dn o r m a lv e l o c i t y f o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v e m e n t so f s w i m m i n gc a p a b i l i t yo ff a s t - s t a r t ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm o t i o np a r a m e t e r sa n d p e r f o r m a n c ei n d e xa r ee l a b o r a t e dd e e p l y b a s e do i lt h es i m p l i f i e dp h y s i c a lm o d e lo f c t u r n i n g ，k i n e t i ce q u a t i o ni se s t a b l i s h e d t h e nt h el o c o m o t o r sg a i t sa n dc e n t e ro f m a s s st r a c ki so b t a i n e d m o m e n to fi n e r t i aa n dd r i v i n gm o m e n ta r ed e d u c e d ，a n d d y n a m i cm o d e li sf o u n d e d t h r o u g ht h em u l t i p l es i m u l a t i o n so fr a p i dt u r n ，s o m e e f f e c t so ft h el e n g t ha n dc u r v a t u r eo ff l e x i b l eb o d yo np e r f o r m a n c ei n d e x e so ft u r n i n g m o t i o na r ea n a l y z e d e m p l o y i n gt h e o r ya n a l y s i s ，s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o na n dp r o t o t y p ee x p e r i m e n t i n t e g r a t e d l y ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e sl o c 9 m o t i o nc h a r a c t e r sa n dm e c h a n i s m o fc r u i s i n g a n dm a n e u v e rs w i m m i n go fb i o n i cr o b o tf i s ht h a tu t i l i z ep r o p u l s i o nm o d eo fb c fa n d m p f , a n dr e s u l t so fs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sa r ei na c c o r d a n c ew i t ht h em o t i o n l a wo ff i s h i nn a t u r e t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c hh a v ep r o v i d e dt h et h e o r yf o u n d a t i o n a n dd e s i g nm e t h o d s k e yw o r d s ：b i o n i cr o b o tf i s h ，k i n e m a t i ce q u a t i o n ，d y n a m i c a lm o d e l ，p r o p u l s i o n e f f i c i e n c y , f a s ts t a r t ，r a p i dt u m 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 人类社会已进入崭新的2 1 世纪，随着陆地资源的日益枯竭，探求和开发新 能源是各国所面临的重要课题。根据联合国2 1 世纪议程，海洋是全球生命支 持系统的一个基本组成部分，也是种有助于实现可持续发展的宝贵财富。海 洋占地球表面积的7 1 8 ，蕴藏丰富的矿产资源、海洋生物资源和石油天然气能 源。从2 0 世纪后期开始，人们越来越认识到海洋对人类发展的重要性，一场以 开发海洋资源为标志的“蓝色革命”正在世界范围内兴起。 由于海洋环境的恶劣和复杂、海水高度的腐蚀性、强压力和对传感器的不透 明性，人们对海洋的了解，尤其是深度超过数百米的深海，还不及浩瀚的外层宇 宙空间。因此对丰富海洋资源的利用，必须借助强有力的海洋探索工具，自主式 水下航行器( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e s ，简称a u v ) 正是应此需要而逐渐 发展起来的。a u v 的主要作用是在一般潜水技术无法达到的深度和环境下，进行 综合考察和研究并完成多种作业任务。在民用领域，可用于深海建模、海洋环境 监测、海底资源勘探以及实施水下安装、检测和维护等各种作业；而在军事领域， a u v 可作为智能水下攻击武器，还可用于军事侦察、沉船打捞、援潜救生、清 除水雷、水下警戒等军事任务。a u v 相比载人水下航行器具有安全、结构简单、 重量轻、尺寸小、造价低等优点，与有缆水下航行器( r o v ) 相比又具有活动范 围大、潜水深度深、可在复杂结构中作业的优点。因而，a u v 在海洋科学研究 和国防上都具有十分重要的意义，a u v 的研究日益受到世界各国研究者的广泛 关注。 a u v 系统是多学科高技术的集成体，涉及光、机、电、声学以及自动控制、 计算机技术、流体力学、密封技术等等。经过数十万计科学工作者的不懈努力， a u v 的发展已初具规模。但随着a u v 向大范围、大深度、长时间、多功能作业 的发展，在材料技术、推进技术、能源技术和通信导航技术等方面还需要研究解 决。作为a u v 的关键和难点技术之一的推进系统，是以电磁马达或液压马达作 为原动机，采用螺旋桨和叶轮等原理的常规推进器。1 。传统螺旋桨推进器存在： 中国科学技术大学博士学位论文 机械效率低、对环境扰动大、噪音大、加速性能和运动灵活性差等缺点。虽然一 些新型改进螺旋桨推进器如低转速大直径螺旋桨、导管螺旋桨以及无梢涡螺旋桨 等被研制出来，但在提高a u v 的推进效率和操纵性方面进展甚微。因此必须寻 找其它高效率、机动灵活的水下推进方式，以适应海洋开发和a u v 技术发展的 要求h 。 近年来随着仿生学研究的不断进步，科研工作者的目光集中到生活在水下的 鱼类的游动机理上。鱼类长期生存在水下，经过几亿年漫长的自然进化过程，鱼 类发展出性能完各的游动技能和生理结构。鱼类本能的利用流体力学原理，获得 远优于常规螺旋桨推进器的巡游和机动性能。在巡游方面，大型的海洋鱼类如金 枪鱼( t u n a ) 的游动速度达到8 0 k m h ，推进效率能接近9 0 ，远高于常规水下航行 器的4 0 5 0 的机械效率。在机动性能方面，鱼类将桨一舵功能合二为一，可以 调整游动方向而不减速，并且其转向半径只有体长的1 0 3 0 。而传统的水下航 行器通常先需要减速一半，完成一个回转圈需要3 5 倍体长的半径。鲤鱼 ( c y p r i n u sc a r p i ol i n n a e u s ) 快速起动时，加速度可超过5 0 倍重力加速度；鱼类还 能够利用对鳍和中鳍的摆动，实现上下、左右和前后的灵活自如的游动，具有良 好的操纵姿态能力和稳性保持能力”1 3 。同时由于鱼类游动的低噪声和固有尾迹 特征，不易被对方声纳侦测，也具备重要的军事使用价值。 将鱼类的游动机理应用到a u v 的推进系统中，为水下推进方式的设计理论 提供了一个崭新的思路，并能够很好的满足水下推进器的要求。开发研制模仿鱼 类推进模式的新型水下航行器系统一仿生机器鱼( b i o m i m e t i cr o b o tf i s h ) ，是仿 生学( b i o n i c s ) 在工程领域的具体应用。仿生学是由生物学、力学、物理学、化学、 机械工程和电子技术等学科相互结合，而形成的一门综合性边缘学科。近代生物 学发现生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测方面，有 着当前科学技术不可比拟的长处，仿生学把生物的运动机理和行为方式运用到工 程系统中，极大地推动了各类工程科技产品的发展。在2 0 世纪末期，随着仿生 技术、材料科学、自动控制理论、图像处理等学科的发展，仿生机器鱼的研究受 到各国学者尤其是发达国家如美国、日本和欧洲国家的高度重视，仿生机器鱼的 技术获得了长足的进步，同时仿生机器鱼的研究也必将迸一步推动地球海洋资源 更快的开发和利用。 2 第一章绪论 1 2 仿生机器鱼的研究概况 1 2 1 国外研究背景 在仿生机器鱼的研究上，国外学者很早就致力于这方面的工作，也取得了比 较显著的成果。其研究过程主要分为两个阶段：2 0 世纪9 0 年代以前主要集中在 鱼类游动机理的基础理论研究，9 0 年代以后开始研制仿生机器鱼整机系统。 2 0 世纪上半叶，鱼类生物力学的研究大多是动物学家的定性观察和实验。 最有代表性的是英国动物学家j a m e sg r a y 关于鱼类运动的一系列研究工作。 g r a y ( 1 9 3 5 ) 计算海豚以2 0 节速度运动所产生的游动阻力，是同等规格尺寸的刚 性海豚模型的七分之一，这意味着海豚的游动存在着不为所知的高效的减阻机 制，人们称此为g r a y 疑题”。“。 受g r a y 的影响，gi t a y l o r ( 1 9 5 9 ) 采用“静态流体理论”通过准静态逼近的 方法建立一种抗力水动力学模型，定量的计算微生物运动的流体力，接着又对象 蛇和线虫这类较大的动物作水动力分析“。这种方法由于忽略惯性力的影响，以 及对鱼体的形状和运动过于简化，只适用于雷诺数比较低的情况。 j l i g h t h i l l ( 1 9 6 0 ) 基于“小振幅位势理论”建立了分析细长形鱼体够科推进 模式的数学模型，这是鱼类推进模式研究史上第一个关于鲣科推进模式的数学模 型“。l i g h t h i l l ( 1 9 7 0 ) 将空气动力学中的“细长体理论”用于鱼类小振幅摆动方 式游动的水动力学分析，该理论认为流动在横截面为二维流动，而对于大雷诺数 的游动，鱼体的推力主要产生于流体介质的反作用力。同时运用二维非定常刚性 平板翼理论研究扁平月牙尾的推进运动“。l i g h t h i l l ( 1 9 7 1 ) 进一步提出“大振幅 细长体理论”，在该理论中尾鳍以任意摆幅运动，侧向位移非常大，比“细长体 理论”更适合于劈科模式的运动分析“”。 吴耀祖( t yw u ，1 9 6 1 ) 用势流理论研究鱼类游动的推进问题，提出“二维 波动板理论”，把鱼体视作无限长的二维弹性薄板，该理论分析弹性薄板的加速 运动的力学性能，能够对大型海洋生物( 如鲸、鲨鱼等) 的大展弦比尾鳍给出精 确的运动分析“。吴耀祖( 1 9 7 1 ) 提出“非定常二维波动板理论”，进一步分析扁 平月牙尾鱼类的游动及其优化方式“”2 “。 j 0 s c h e r e ( 1 9 6 9 ) 研制了一种尾鳍摆动式水下推进器，尾鳍是展弦比为3 的 中国科学技术大学博士学位论文 刚性平板，其研究结果表明与常规螺旋桨推进器相比，该尾鳍摆动式水下推进器 具有更高的推进效率和推进力”“。 d w e i h s ( 1 9 7 2 ，1 9 7 3 ) 运用大振幅细长体理论和空气动力学的机翼升力计算 方法研究鱼类快速起动的动力学特性，w e i h s 认为鱼体的推进力来源于非定常的 附加质量效应和尾迹的涡效应”3 。2 “。 m gc h o p r a ( 1 9 7 5 ) 将“二维波动理论”扩展到任意摆幅，研究了鱼类新月 形尾鳍推进模式的水动力学特性”“。该理论适用于具有弧形前缘和尖锐后缘薄板 的规律摆动，是解决海洋哺乳动物大展弦比尾鳍的上下拍动，和大型鱼类月牙尾 鳍侧向波动的运动分析的有力工具。研究表明，鱼体的推进力、游动效率和尾迹 损失能量与尾鳍的摆动频率、攻角和摆幅相关。 m gc h o p r a 和tk a m b e ( 1 9 7 6 ) 又提出了一种可用于大摆幅、新月形尾鳍推 进系统的“二维抗力理论”，在其理论中考虑了尾鳍的摆动和平动运动，分析了 任意摆幅的规则或不规则的运动，推进力的表达式，维持运动所需的推进器功率， 传递给尾流的能量，并且认为流体力学效率是斯德鲁哈尔数、摆动轨迹的幅值以 及尾鳍击水角度的函数。同时该理论研究具有最佳推进力和推进效率的尾鳍形 状，与矩形尾鳍相比，具有新月形弧形前缘的尾鳍，后掠角超过3 0 。时，推进效 率显著降低0 6 ”1 。 r w b l a k e ( 1 9 7 8 ) 应用二维叶片理论研究鱼类对鳍摆动推进的游动机理，研 究显示外侧对缩4 0 的面积产生8 0 的总推力和有效功。该理论进行叶片水动 力学分析时，没有考虑攻角的变化所产生的非定常效应。 j k a t z 和d w e i h s ( 1 9 7 8 ) 进行了在弹性弦向、大摆幅运动水翼的水动力学分 析研究，计算柔性翼在理想不可压缩非粘性流中以大摆幅曲线轨迹摆动时的推进 力。重点研究了翼在弦长方向上的弹性对大摆幅水翼推进系统的影响，研究结果 认为与刚性翼相比，柔性翼可以使推进效率提高2 0 ，而推进力降低不大。 tk a m b e ( 1 9 7 8 ) 分析了鲮科推进模式游动运动的水动力学特性，研究鱼体由 于受到侧推力的作用而改变游动方向的力学机理，k a m b e 的计算表明对于小角 度的转弯，损失的动能相对于初始动能非常小”。 c e l a n ( 1 9 7 8 ) 提出“准涡流栅”方法，计算后掠翼和直角翼拍动的推进 力和推进效率，该理论认为翼的扭转角的相位早于上下拍动角，具有较高的推进 力和推进效率”“。 4 第一章绪论 p - w w e b b 等( 1 9 7 8 ) 对鳗鲡目推进方式的附加质量模式进行了数学分析，并 对其作了定性的描述”。 i k u oy a m a m o t o ( 1 9 9 4 ) 等人研制了摆动式水翼水下推进器，通过水翼的运动 来模拟鲮科加新月形推进模式中尾鳍的运动。该水翼做平动和摆动的复合运动， 研究了尾翼刚度对推进速度和效率的影响，并且将神经网络用于控制系统的设计 当中，并进行了实验研究。通过测试验证了尾鳍摆动式水下推进器的高效率，并 且得到了与螺旋桨等常规推进器相比很多的优点。 m s t r i a n t a f y l l o u ，gs t r i a n t a f y l l o u 等人( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 开展二维翼型的沉 降和俯仰试验及理论分析，研究表明无量纲频率s t r o u h a l 数在0 2 5 o 3 5 之间， 一系列方向交错排列、离散的漩涡即反向k a r m a n 涡街才会产生。反向涡街所诱 导的平均流场是一种向后的纵向射流，对鱼体起到向前推动的作用，在这个频率 可得到最大的推进力和优化的效率，这正是采用骖科加新月形尾鳍模式推进的鱼 类其推进效率高的主要因素之一。同时他们进一步提出了对在切变流的涡街进行 主动控制的思想，利用水翼合理摆动可以从尾流中回收能量。“3 。 9 0 年代数字成像速度仪( d p i v ) 的出现，使得定量测量鱼游周围的速度场成 为可能，e j s t a m h u i s 和j j v i d e l e r ( 1 9 9 4 ) 首先使用p i v 技术测量活体水生动 物游动的二维矢量流场，以此研究分析流场的瞬时流速、加速度和涡量。 g v l a u d e r 和egd r u c k e r 等人( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 利用d p i v 系统，定量测量腹 鲭尾迹速度场，估算产生的力，并测量了活鱼通过一对胸鳍的摆动实现向前游动 和转向的速度场”“。j c n a u e n 和gvl a u d e r ( 2 0 0 2 ) 首次使用三维p i v 技术测 量鲑鱼的尾迹流场，并计算出鲑鱼游动效率的个体差异很小，其平均推进效率等 于7 4 “。c d w i l g a 和gvl a u d e r ( 2 0 0 4 ) 定量测量鲨鱼的巡游尾迹流场，发现 其尾迹涡环结构不同于般的硬骨鱼“。s a k a k i b a r a ( 2 0 0 4 ) 利用3 d 数字成像技 术，测量活体鱼的机动过程，捕捉到尾鳍脱落的涡环并估算出其尺寸“”。 随着计算机科学和计算方法的发展，上世纪9 0 年代中期出现用数值方法分 析水下泳动生物运动的研究。p l i u 和n b o s e ( 1 9 9 5 ) 用二维面元法进行柔性翼数 值模拟研究，1 9 9 7 年利用势流理论分析月牙尾和矩形尾大摆幅非定常运动的推 进机制，数值计算表明在重载荷情况下，月牙尾的推进效率高出1 3 “3 。“。hl i u 和k a w a c h i ( 1 9 9 6 ，1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 用非定常不可压n a v i e r s t o k e s 流体基本方程分别 模拟蝌蚪游动，并首次建立蝌蚪波动游动的三维数值流场“。j c a r l i n g 等( 1 9 9 8 ) 中国科学技术大学博士学位论文 使用二维n s 方程和牛顿运动方程，分析鱼类鳗鲡模式游动受力情况”。 m j w o l f g a n g 和qz h u 等( 1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 结合活鱼的试验数据，运用三维面元法分 析金枪鱼的游动特征，并研究尾迹中的旋涡干扰和控制“”3 。r r a m a m u r t i 等 ( 2 0 0 2 ) 数值模拟了隆头鱼胸鳍拍动过程中形成的流场和作用力“。 目前国外很多研究机构从事仿生机器鱼的研制工作，其中美国有麻省理工学 院m i t ( r o t o t u n a ，r o b o p i k e ，v c u u v ，拍动翼研究) 、佛罗里达大学( 应用s m a 技 术研制微型电子机器鱼) 、德州农工大学( 仿生驱动材料研究) 、宾夕法尼亚大学 ( 鱼体肌肉消耗动力的研究) 、波士顿大学( 机器鱼推进建模) 、加州理工学院( 机 器鱼推进的传感和控制) 、加利福尼亚大学( p z t 驱动的b o x f i s h ) 、新墨西哥大学 ( 使用i e m 驱动的鳗状机器鱼) 、伊利诺斯大学( 电子鱼研究项目) 、加州大学伯 克利分校( c a l i b o t ) 、s r c 研究所( d o n g l e ) 、a & m 公司( 记忆合金无噪音机器鱼) 、 b i r g 研究组( b o x y b o t ) 等，日本有东海大学( 人工胸鳍黑鲈) 、名古屋大学( 压电 陶瓷驱动的微型水下仿胸鳍模式浮游机器人和形状记忆台金驱动身体波动式微 型水下推进器) 、东芝公司( 弹性振动鳍式仿生机器鱼) 、三菱重工m h i ( c o e l a c a n t h f i s h ) 、运输省船舶技术研究所n m r l ( p f 一2 0 0 ，p f 3 0 0 ，p f 一5 5 0 ，p f 6 0 0 ，p f 7 0 0 ， u p f 2 0 0 1 ) 、东京工业大学( 海豚型仿生潜水器) ，英国有h e r i o t w a t t 大学( f l a p s 项目) 、e s s e x 大学( g 系列和m t l 机器鱼) ，比利时有v r i j e 大学( 机器鱼智能体 研究) ，土耳其有伊斯坦布尔技术大学( r o b o t i cd o l p h i n ) 、韩国有浦项科技大学 ( p o t u n a ) ，新加坡有南洋理工大学( 背鳍波动式机器鱼) 5 ”3 。 美国和日本于上【! ；! = 纪9 0 年代率先开展仿生机器鱼技术的研究工作，在美国 以m i t 为代表，日本以n m r i 为代表，受到包括高校、研究所、公司的研发中 心等各科研机构的普遍重视，投入较多的人力和物力，取得了显著的成果。以下 着重介绍仿生机器鱼在美国和日本的研究现状。 n a k a s h i m a ，t o k u o ( 1 9 9 9 ) 等人研制了一条自主驱动的具有两个关节的自推进 机器海豚，该机器海豚是高速游动的海洋生物一海豚的简化模型，长1 7 5 米， 与实际海豚的尺寸非常接近“。该机器海豚由流线形身体和矩形尾鳍构成，第一 个关节由空气马达驱动，第二个关节由弹簧驱动。研制了测量第一个关节转矩和 转角的测量系统，该机器海豚的推进速度可达1 2 m s ，推进效率约为3 5 。 n m r i ( 1 9 9 8 2 0 0 2 ) 相继开发出p p f 系列、p f 系列和u p f 系列的多型仿生 机器鱼，研究不同仿生推进模式的运动机理“。p p f 0 1 ( d r yl a n d ) 是n m r i 最先 第一章绪论 研制出的三关节仿生机器鱼，p p f 0 1 没有防水外皮设计，只是为了验证机械机 构和控制系统的可行性。p f 2 0 0 为2 节摆动机构，通过改变鱼体重心的方式实 现上下沉浮运动，能够在1 5 s 内下潜3 5 c m 。机器海鲷p f 3 0 0 全长0 3 4 m ，具有 较好的转向性能，通过无线遥控操纵，尾鳍摆动频率达到2 ，2 h z 时，p f 3 0 0 转 向半径为3 7 5 c m 。p f 一5 5 0 的游动方式比较特殊，鱼体由2 关节3 节构成，全长 0 6 m 。通过尾鳍以鱼体中线方向旋转9 0 。，p f 5 5 0 可以分别利用鱼类的侧向摆 动方式或海洋哺乳类动物的上下摆动方式游动，并可以矢量上伏下潜。p f 6 0 0 采用月牙尾推进模式，利用2 个伺服电机控制3 节鱼身的左右摆动，巡游速度为 0 1 0 4 m s 。p f - 7 0 0 具有梭子鱼的细长外形，游动阻力系数很小。通过直流电 机带动曲柄机构产生1 2 h z 的高频拍动，直线游速可达到07 m s 。由于在结构上 尾柄和尾鳍连成一体，p f 一7 0 0 的推进效率不高。 u p f 2 0 0 1 是n m r i 最新研制出的高性能多用途的大型仿生机器鱼，由推进 装置、沉浮机构和转向机构3 个部分组成。推进部分采用两关节尾柄尾鳍机构， 通过单个伺服电机和曲柄机构，使尾柄和尾鳍以一定的相位角摆动以推动鱼体前 进。胸鳍部位分别安装升降舵和转向舵，控制鱼体的沉浮和转弯。u p f 2 0 0 1 全长 接近1 1 1 1 ，具有较好的综合性能，最大游速可达到0 9 7 m s 。由于u p f 2 0 0 1 的外 形为3 刚性节构成，大面积的刚性尾柄将产生较大阻力，而鱼体为单自由度机构， 无法精确模拟鱼类的体干曲线。u p f 2 0 0 1 沉浮和转向机构仍然使用传统的方向 舵，机动性能没有显著的改善。 图1 一lc o e l a c a n t hf i s h ( m h i 2 0 0 1 ) 图卜2u p f 2 0 0 1 ( n m r i ，2 0 0 2 ) m i t 的m s t r i a n l a f y l l o u ，d b a r r e t t 等研究人员( 1 9 9 5 ) 把小金枪鱼( s m a l l t u n a ，k i h a d a ) 为仿生原型，研制成功了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼 中国科学技术大学博1 学位论文 ( r o b o t u n ai ，c h a r l i ei ) ”。r o b o t u n ai 体长1 2 米，鱼体由8 关节9 节和2 8 4 3 个零件组成的。外皮由弹力玻璃纤维制成，整个鱼体固定在动力试验平台下部， 使用8 个安装在平台上的2 马力的大功率无刷直流伺服电动机拉动钢丝，钢丝带 动各关节处的铝合金脊柱，产生鱼体的摆动，通过流体反作用力推动鱼体及动力 平台在滑动导轨上运动。机器鱼在多处理器控制下，能像真鱼一样游动，速度可 达2 m s 。他们通过大量的实验，测量了r o b o t u n ai 在水中游动时所受到的阻力 以及维持运动所需的推进器功率。试验结果表明，阻力的降低对斯德鲁哈尔数、 身体波的摆幅、波长以及尾鳍击水角度十分敏感，机器鱼的摆动式尾鳍可使推进 系统的效率增加倍达到9 【。d b e a l 和m s a c h i n i s ( 2 0 0 0 ) 对c h a r l i ei 进行改 进，又研制出第2 条仿生机器金枪鱼( r o b o t u n a i i ) 。 罔卜4v c u u v ( m h l d r a p e r 19 9 8 ) m i t 为研究鱼类能够高机动性游动的成因，以具有匙好的转向性能和较大的 起动加速度的狗鱼( p i k e ) 作为仿生原型，在1 9 9 5 年又研制出自治型机器狗鱼 ( r o b o p i k e j 。r o b o p i k e 体长0 8 m ，总重量为3 6 k g ，鱼体由头部、躯干部、尾 部和尾鳍三部分构成，属于3 关节4 节机构。头部由玻璃纤维制成，内部安装无 线接收装置和处理器，躯干部和尾部采用玻璃纤维的螺旋形骨架，尾鳍为木质薄 板。硬件系统包括主伺服系统、尾部伺服系统、尾鳍伺服系统和胸鳍伺服系统。 m i t 和剑桥d r a p e r 实验室的j m a n d e r s o n ，ea k e r r e b r o c k 等( 1 9 9 8 ) 研制 出具有实际作业能力的金枪鱼型潜水器一v c u u v ，对其进行涡流控制研究。 v c u u v 体长2 4 m ，排水量为1 3 6 k g ，达到可执行作业的尺寸要求。v c u u v 的 尾柄采用4 关节连杆机构和月牙形尾鳍，通过液压系统驱动，柔性尾柄采用透水 方式。使用安装在胸鳍、背鳍和臀鳍位置的导向舵，实现沉浮和转向游动。v c u u v 第一章绪论 沿用r o b o t u n a 的运动学参数，通过闭环系统可以精确的控制尾部连杆的位置。 由于采用液压驱动，尾鳍的摆动频率有限。摆动频率为i h z 时，游速达到i 2 m s ， 转弯半径为2 倍体长，下潜深度超过i o m ，具有较好的综合推进性能，并且续航 时间很长( 3 小时) ”。 1 2 2 国内研究背景 在鱼类推进机理和仿生机器鱼研制方面，国内起步较晚。但随着国外仿生机 器鱼研究的兴起，以及我国高速发展的经济对进一步开发近海直至远洋的迫切需 求，越来越多的科研机构开始从事这方面的研究工作。目前，国内主要有北京航 空航天大学、中国科学院自动化所、中科院研究生院、中国科学技术大学、哈尔 滨工业大学、沈阳自动化所、上海交通大学、哈尔滨工程大学等机构，开展了仿 生机器鱼的研制工作。 8 0 年代中后期，中国科学技术大学的童秉纲和程健宇等采用半解析一半数 值的方法，提出三维波动板理论，分析水生动物游动的鳗鲡模式、够科模式和新 月形尾鳍推进模式的巡游运动机理。利用非定常涡环面元法在频域内数值求解， 计算各种展弦比的三维柔板波状摆动时产生的推进力。从流体力学角度，讨论了 鱼类推进模式的进化和尾柄尾鳍的形态适应性”1 。 沈阳自动化研究所很早就开始了水下机器人的研究，1 9 9 5 年成功研制出 c r 0 1 型深水潜水器，c r 0 1 可潜入6 0 0 0 m 的深度自主的实施作业，极大地推动 了我国深海潜水技术的发展”。 北京航空航天大学机器人研究所的王田苗、梁建宏等深入开展了仿鱼机器人 技术的研究，提出了“波动推进理论”及其分析方法，在1 9 9 9 年模仿鳗鱼的鳗 鲡目推进模式，设计研制了国内首条能遥控自由游动的机器鳗鱼”。鱼体是一个 平面6 关节机构，体长0 8 m ，在水中最大速度为0 6 m s ，能耗效率为7 0 9 0 。 2 0 0 1 年研制出仿生“机器海豚”，在该试验平台上安装了无限微小型视觉传感器 和水声传感器，利用水洞试验测量了速度、流场分布、游动阻力和功率等参数。 2 0 0 2 年又先后研制出s p c ( 1 1 ) ；f i s p c ( 2 5 ) 仿生推进器，s e e ( 1 1 ) 采用两个关节分 离控制的伺服控制结构，使用刚性尾柄带动尾鳍拍动，游动阻力较小。鱼体体长 1 9 m ，最高游动速度为1 5 m s ( 2 h z ) 。并具有“s ”形前缘和大面积的背鳍和腹 中国科学技术大学博卜学位论文 鳍，具有较好的游动稳定性。s e c ( 2 s ) 是原型机s p c ( 1 1 ) 按2 5 比例缩小，并采 用相同结构形式和运动参数的仿生推进器实验平台，通过障碍探测器和陀螺定位 仪，s e c ( 2 5 ) 具有水下自主避障、上升下潜和位姿调控的能力”。7 “。 哈尔滨工业大学( 2 0 0 0 ) 对鳢科推进模式一维稳态游动进行了仿生学研究，研 制了两关节仿鱼水下推进器的试验装置，并进行了水下推进器的运动学研究工作 。中科院自动化所和北京航空航天大学( 2 0 0 1 ) ，针对机器鱼的运动控制和多机 器鱼协调问题开展研究，将多机器鱼硬件系统和控制算法、协作策略有机的集成 在一起，建立多机器鱼协调平台m r f s ，并进行了多机器鱼对抗和协调过孔的实 验研究。哈尔滨工程大学( 2 0 0 2 ) 进行了矩形尾鳍的自航模机器鱼的模型试验，和 相关的仿生推进理论研究。并于近期研制出一仿生