仿鱼机器人稳态游动的水动力性能研究

论文摘要

近年来,随着陆地资源的紧缺,人们将目光投向了海洋,引起了对海洋资源的开发热潮,于是仿鱼机器人的研制成为了机器人研究领域的热点之一。仿鱼机器人具有效率高、机动性好、噪音低等优点,可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业,其中,鲔科推进模式的仿鱼机器人因其能源利用率高,推进速度快等优点,成为研究的重点。本文以机器人技术与系统国家重点实验室自主研究课题“鱼体利用流场能量的推进行为及新型仿鱼机器人的研究”为背景,对鲔科模式仿鱼机器人稳态游动的水动力性能进行了基础理论研究。针对仿鱼机器人的稳态游动,本文提出了基于三坐标系的仿鱼机器人稳态游动速度求解算法,从经典力学出发,给出了仿鱼机器人运动的动力学理论控制方程,并与流体动力学方程联立求解,实现了仿鱼机器人的稳态游动;并以鲔科模式仿鱼机器人为例,应用此算法数值模拟了仿鱼机器人的稳态游动全过程,验证了此算法的正确性。基于上述算法,本文通过对仿鱼机器人身体、尾鳍和头部行为特征的分析,获得了对稳态游动性能有重要影响的运动参数,包括身体波动最大摆幅、频率和波长;尾鳍最大击水角度和平动-摆动相位差;头部前端运动幅值和质心运动幅值。通过对不同运动参数下的仿鱼机器人游动进行三维数值模拟,确定了其对稳态游动速度、推进力、功率消耗和推进效率的影响规律,并分别从运动学、力能学和流场结构三方面,探讨了仿鱼机器人通过控制其自身运动与流场相互作用形成有机整体,充分吸收流场能量,提高游动效率的内在机理。本文结合理论分析和数值模拟研究,进一步完善了仿鱼机器人稳态游动的推进机理,揭示了运动参数在实现仿鱼机器人高速或高效游动中的影响规律,为后续的研究及样机的研制提供了可靠地理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 鱼类推进模式分类及特点
• 1.2.1 鱼类推进模式的分类
• 1.2.2 鱼类推进模式的特点
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 鱼类推进机理的研究现状
• 1.3.2 仿鱼机器人的研究现状
• 1.3.3 目前研究中的不足及需要解决的问题
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 仿鱼机器人稳态游动的速度求解算法
• 2.1 引言
• 2.2 仿鱼机器人动力学理论
• 2.2.1 仿鱼机器人模型
• 2.2.2 动力学方程
• 2.3 流体动力学理论
• 2.3.1 控制方程及算法
• 2.3.2 边界条件和初始条件
• 2.3.3 湍流模型
• 2.3.4 动网格模型
• 2.4 稳态游动的速度求解算法
• 2.5 稳态游动的数值模拟实例
• 2.5.1 仿鱼机器人与周围流场的物理模型
• 2.5.2 数值模拟结果及分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 身体行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 身体波动的运动学描述
• 3.3 身体行为运动参数对仿鱼机器人运动学的影响
• 3.3.1 身体波动最大摆幅和频率对仿鱼机器人运动学的影响
• 3.3.2 波长对仿鱼机器人运动学的影响
• 3.4 身体行为运动参数对仿鱼机器人力能学的影响
• 3.4.1 身体波动最大摆幅和频率对仿鱼机器人力能学的影响
• 3.4.2 波长对仿鱼机器人力能学的影响
• 3.5 身体行为运动参数对流场结构的影响
• 3.5.1 身体波动最大摆幅对流场结构的影响
• 3.5.2 频率对流场结构的影响
• 3.5.3 波长对流场结构的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 尾鳍行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 尾鳍的运动学描述
• 4.3 尾鳍行为运动参数对仿鱼机器人运动学的影响
• 4.3.1 尾鳍最大击水角度对仿鱼机器人运动学的影响
• 4.3.2 尾鳍平动-摆动相位差对仿鱼机器人运动学的影响
• 4.4 尾鳍行为运动参数对仿鱼机器人力能学的影响
• 4.5 尾鳍行为运动参数对流场结构的影响
• 4.5.1 尾鳍最大击水角度对流场结构的影响
• 4.5.2 尾鳍平动-摆动相位差对流场结构的影响
• 4.6 鲔科模式与鲹科模式仿鱼机器人稳态游动性能比较
• 4.6.1 鲹科模式仿鱼机器人稳态游动的推进机理
• 4.6.2 鲔科模式与鲹科模式仿鱼机器人的稳态游动性能比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 头部行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 头部的运动学描述
• 5.3 头部行为运动参数对仿鱼机器人运动学的影响
• 5.3.1 头部前端运动幅值对仿鱼机器人运动学的影响
• 5.3.2 质心运动幅值对仿鱼机器人运动学的影响
• 5.4 头部行为运动参数对仿鱼机器人力能学的影响
• 5.5 头部行为运动参数对流场结构的影响
• 5.5.1 头部前端运动幅值对流场结构的影响
• 5.5.2 质心运动幅值对流场结构的影响
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢