潜器动力定位仿生鱼尾推进控制分析

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1、潜器动力定位的仿生鱼尾推进控制分析周国齐1，杨晔2，袁鹏1，刘作军1（1．河北工业大学控制科学与工程学院，天津300401；2．中国船舶重工集团公司第707研究所，天津300131）摘要：以仿生鱼尾推进器为研究对象，建立仿生鱼尾动力学模型和以仿鱼尾推进的潜器动力定位模型。利用仿真试验得出的数据分析仿生鱼尾摆动频率、摆动幅度和各关节之间相位差等因素对仿生鱼尾推进性能的影响，采用PID控制算法对仿鱼尾推进的潜器在一维方向的动力定位进行仿真。仿真结果表明，仿生鱼尾推进在潜器的动力定位中可以实现初步的性能要求。关键词：仿生鱼尾；水下推进器；数学模型

2、；动力定位；潜器中图分类号：U661.43文献标志码：A【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2017.07.037ControlAnalysisofBionicTailPropulsionforSubmarineDynamicPositioningZHOUGuoqi1,YANGYe2,YUANPeng1,LIUZuojun1(1.HebeiUniversityofTechnology,补充二级学院名称SchoolofControlScienceandEngineeringTianjin300401,China;2.China

3、ShippingHeavy-dutyMachineGroupCo.707ResearchInstitute,Tianjin300131,China)Abstract:Bionicfishtailunderwaterpropellerisakindofthenewthrusterwithhighefficiency,highmaneuverabilityandlownoise.Establishingthebionicfishtaildynamicsmodelofthenewpropeller,buildingthedynamicpositi

4、oningmodelofsubmersiblewiththebionicfishtailpropulsion.Theinfluencingfactorsofthepropulsionperformanceofbionicfishtailwasanalyzed,includingtailswingfrequency,swingamplitudeandphasedifferenceofeachjointbyusingthesimulationdata.ThePIDcontrolalgorithmwasappliedtothedynamicpos

5、itioningwithfishtailpropulsioninone-dimensionaldirection.Thesimulationresultsshowthatthebionicfishtailpropulsioncanachievetheinitialperformancerequirementsinthedynamicpositioningofthesubmersible.Keywords:bionicfishtail;underwaterpropeller;mathematicalmodel;dynamicpositioni

6、ng;submarine0引言鱼类经进化形成了高效的尾鳍推进和定位能力，相对于螺旋桨驱动，鱼类尾鳍具有噪声低、效率高等特点，给水下推进技术的研究提供了新思路。模仿鱼尾推进的原理及方法的新型水下推进器称为仿鱼尾推进器，它是仿生学与机械、电子、控制、材料等学科交叉融合的产物。目前，国内外研究学者已经研制出多种仿鱼尾推进器样机，逐渐掌握了仿鱼尾推进器的设计理论知识、研制技术手段以及检测试验方法，众多试验和报道表明这是一种非常有前途的水下推进器[1-2]。本文将针对潜器动力定位的需求，分析这种推进技术及控制方法。1仿生鱼尾推进的数学模型1.1尾鳍的

7、运动分析研究表明，鲹科类鱼游动时，主要靠尾鳍的摆动提供动力。本文将从较简单的双关节仿鲹科类鱼尾研究入手，分析该类鱼尾工作方式。如图1所示，将尾部简化为由刚性的尾柄和尾鳍2部分，尾鳍在尾柄的带动下横移，同时围绕着尾柄端部左右摆动。尾鳍的运动是平动和摆动的复合运动[3]。为了便于尾部的运动研究、分析和计算，假设尾柄摆动按照函数Φ(t)是指函数吗？该句是指尾柄按Φ(t)的正弦规律摆动吗？（尾柄摆动幅值Φ0，摆动频率f）的正弦规律摆动，尾柄与尾鳍之间摆角相位差为。尾鳍做平动运动函数H(t)（尾鳍平动运动幅值H0，尾鳍平动频率f）与摆动运动函数θ(t

8、)（尾鳍最大摆角幅值θ0，频率f）的复合运动，摆动相位比平动相位超前φ0。X轴正向为前进方向，尾鳍长度为a，尾柄长度为b。9图1尾部运动示意图尾柄末端运动轨迹方程为：（1）尾鳍末