仿生机器鱼巡游和机动的运动机理研究

论文摘要

自主式水下航行器(AUV)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AUV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、

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 仿生机器鱼的研究概况
• 1.2.1 国外研究背景
• 1.2.2 国内研究背景
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 仿生机器鱼工作系统的研究
• 2.1 仿生推进分析
• 2.1.1 鱼类的外部形态
• 2.1.2 水下游动方式
• 2.1.3 BCF和MPF模式
• 2.2 仿生机器鱼的动力源系统
• 2.2.1 驱动方式的分析
• 2.2.2 控制电机的选择
• 2.3 整体结构设计
• 2.4 鱼体的外形机构
• 2.4.1 三维几何模型
• 2.4.2 柔性体表结构
• 2.5 主体机械传动系统
• 2.5.1 躯干尾鳍驱动机构
• 2.5.2 胸鳍摆动机构
• 2.5.3 沉浮装置的设计
• 2.6 控制系统设计
• 2.7 小结
• 第三章 躯干尾鳍模式的运动机理
• 3.1 仿生机器鱼的雷诺数
• 3.2 运动学模型的建立
• 3.2.1 物理模型简化
• 3.2.2 运动学方程
• 3.3 水动力学建模
• 3.3.1 仿生机器鱼的虚质量
• 3.3.2 流体举力和阻力的计算
• 3.3.3 动力学方程
• 3.4 仿真计算和游动实验
• 3.5 推进效率的分析
• 3.5.1 Froude游动效率
• 3.5.2 瞬时效率的仿真
• 3.6 运动参数的配置分析
• 3.6.1 游动速度的优化
• 3.6.2 推力和侧向力的优化
• 3.6.3 推进效率的优化
• 3.7 小结
• 第四章 胸鳍摆动模式的运动分析
• 4.1 运动学模型的建立
• 4.1.1 鱼即鱼的运动分析
• 4.1.2 简化物理模型
• 4.2 水动力分析和计算
• 4.2.1 胸鳍的受力分析
• 4.2.2 后摆运动
• 4.2.3 前摆运动
• 4.2.4 动力学方程的建立
• 4.2.5 胸鳍摆动的作功和效率计算
• 4.3 胸鳍摆动的仿真试验
• 4.3.1 运动学性能参数的仿真
• 4.3.2 水动力参数的仿真
• 4.3.3 游动效率的仿真
• 4.4 运动参数和推进性能的关系
• 4.4.1 运动参数对速度的影响
• 4.4.2 运动参数对推进力和效率的影响
• 4.5 结论
• 第五章 快速起动的动力学研究
• 5.1 快速起动的运动学描述
• 5.1.1 S形起动的运动学模型
• 5.1.2 C形起动的运动学模型
• 5.2 非定常动力学计算
• 5.2.1 躯干和各鱼鳍的推力计算
• 5.2.2 鱼体单位截面的抗力
• 5.2.3 附加惯性力的计算
• 5.2.4 快速起动的动力学模型
• 5.3 快速起动游动的仿真
• 5.3.1 游动位移、速度和加速度的仿真
• 5.3.2 推进力和游动阻力仿真
• 5.3.3 推进力主要影响因素的分析
• 5.4 快速起动的效率
• 5.4.1 功率和效率的计算
• 5.4.2 功率和效率的仿真
• 5.5 快速起动性能的分析
• 5.5.1 运动学性能和特征参数的关系
• 5.5.2 推进力和特征参数的关系
• 5.5.3 快速起动效率和特征参数的关系
• 5.6 结论
• 第六章 快速转向游动机理研究
• 6.1 运动学模型
• 6.1.1 C形转向的运动方程
• 6.1.2 体干曲线运动步态的仿真实验
• 6.1.3 鱼体质心的计算
• 6.2 C形转向的动力学建模
• 6.2.1 鱼体的转动惯量
• 6.2.2 转动力矩的计算
• 6.2.3 C形转向游动的动力学方程和仿真实验
• 6.3 C形转向性能的主要影响因素
• c和C_c的关系'>6.3.1 鱼体质心相对l_c和C_c的关系
• c和C_c的关系'>6.3.2 转动惯量相对l_c和C_c的关系
• 6.3.3 驱动力矩和阻力矩的优化
• 6.3.4 提高转向性能的方法
• 6.4 结论
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和获得专利情况
• 致谢