鱼——尼莫_机械工程测试与控制技术

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1、项目名称:智能机器鱼——尼莫设计成员:李 明02001514   宋春峰02001518  王磊02001131   赵 薇02001204智能机器鱼——尼莫一、绪论  1.1引言  随着科学技术的不断发展,人类对机器人的研究步伐在不断加快。近年来,对鱼形机器人的研究越来越受到科学界的重视。现已成功研制出了一些机器仿生鱼,但目前可实现沉浮的机器鱼还尚未研究成功。本文实现了对机器仿生鱼机构和控制部分的设计,其中沉浮功能的设计尚数首次。  1.2机器鱼的发展现状及研究意义  1.2.1机器鱼的发展现状  21

2、世纪是海洋的世纪,加上由于各种技术的全面发展带动了机器人技术的发展,对于在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。并且随着海洋开发的进展,一般的潜水技术已无法适应现代高深度综合考察和研究、完成各种作业的需要。但在现实中都是利用螺旋桨来推动船前进,而是否能利用鱼类的游动原理来做出比具有螺旋桨更快和更低噪声的水下推行器,突破当今专一的运输方式和水下推进方式,已成为一个热门研究课题。当今,已有一些研究机构模拟鱼类游动原理和其生理构造研究制造鱼形机器人,它也叫人工机器鱼(robofish)。本文拟

3、利用单片机AT89S8252来制作完成模拟鱼基本动作的鱼形机器人。  1.2.2机器鱼的研究意义  研制机器鱼具有广泛的现实意义,它可以更逼真的模拟鱼的游动原理,使水下的机器人运动更符合流体力学原理,具有更好的加速和转向能力,利用它们可以探测海洋,寻找和检测海域中受污染的地方,也可以用来勘探地形;可以通过研制机器鱼这个实验平台来研究鱼的运动原理和鱼类运动所依附的流体力学原理;而且它以泳动方式运动,解决了螺旋桨的噪声问题;构造要比一般的水下推进器简单,制作和使用成本都较低;能源利用率高,作业时间长;当给相同

4、的电能时,机器鱼能够比自制的潜艇游的更远;无需生命维持保障设备,可以小型化;且对人没有任何危险.等。另外在娱乐方面具有良好的发展前景,例如水族馆等。机器鱼的应用领域有:鱼类展览;配合其它器件,可用于勘探和救生;相关科研领域等。  1.3机器鱼的游动机理及沉浮实现方法的探讨  1.3.1机器鱼的游动机理  鱼的游动原理包括鱼为什么能够快速的游动和转向,这也是困扰生物界多年的课题,当今,生物学家根据鱼类本身的外形、尾鳍的长度和摆动的力量对鱼的游动方式进行简单分类,具体可以分为三种:  a.Anguillifo

5、rm:(鳗状的)通过整体身躯肌肉的波动来游动,像鳗鱼一样;  b.Carangiform:通过尾鳍和与尾部相连的身躯摆动来游动,像鲑鱼,金枪鱼,旗鱼;  c.Ostraciifrom:只通过尾鳍的摆动而不利用身体摆动而进行泳动。  而从鱼的游动所依靠的生理部位和推进原理来说,可以分为两大类为BCF类和MPF类,BCF(bodyand/orcaudalfin),这类鱼主要依靠身体和尾部的摆动来游动,MPF(medianand/orpairedfin),这类鱼依靠身体中部的腹鳍来游动。我们所采用的机器鱼类模型

6、便是BCF类,是模仿金枪鱼的外形,依靠身体的后半部分和尾部摆动而游动。  1.3.2机器鱼的沉浮实现方法  鱼类的上浮和下沉主要要靠其腹内鱼鳔的收缩来实现。鱼鳔收缩使得鱼体体积发生变化,进而影响排开水的体积,从而实现上浮下沉。本研究采用气缸排开水的体积来模拟鱼鳔的收缩。  1.4研究目的和主要研究内容  综上所述,人类关于机器鱼的研究已经发展到了一定的高度,对于鱼体的结构也有了很大程度上的了解,这些都将对鱼类控制系统的完善提供更加详细的资料。  本项目就是以机器鱼为研究对象,将目前较为成熟的计算机技术,传

7、感器技术和通信技术等应用到机器鱼控制系统中,采用模块化的设计方法开发出一套采用AT89S8252技术来实现机器鱼游动和沉浮的控制系统开发。主要研究内容如下:  1)使其具有控制机器鱼游动速度、浮沉和运动方向等功能;  2)具有计算机遥控能力;  3)计算机控制界面。二、系统机构设计  2.1参考理论  早在1926年国外学者就开始了对鱼类游动机理的研究,提出了各种相关的理论。影响比较大的有1970年Lighthill提出的“细长体理论”,1977年M.G.Chopra&T.Kambe的“二维抗力理论”,1

8、984年Hess&Videler的“薄体理论”,1994年Cheng&Blickhan的“波动平板理论”以及1998年Cheng提出的“动态梁理论”。  机器鱼尼莫的设计,参考了其中一种较为简单的“波动理论”。所谓“波动理论”主要以鱼的脊椎曲线为研究对象,认为鱼体之所以能够前进,是由于脊椎曲线带动它所包络的流体向后喷出,产生推力。我们认为鱼体在水中作波动运动,其游动形态类似一列正弦波。  2.2摆动机构设计  机器鱼的游动机理

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1、项目名称:智能机器鱼——尼莫设计成员:李 明02001514   宋春峰02001518  王磊02001131   赵 薇02001204智能机器鱼——尼莫一、绪论  1.1引言  随着科学技术的不断发展,人类对机器人的研究步伐在不断加快。近年来,对鱼形机器人的研究越来越受到科学界的重视。现已成功研制出了一些机器仿生鱼,但目前可实现沉浮的机器鱼还尚未研究成功。本文实现了对机器仿生鱼机构和控制部分的设计,其中沉浮功能的设计尚数首次。  1.2机器鱼的发展现状及研究意义  1.2.1机器鱼的发展现状  21

2、世纪是海洋的世纪,加上由于各种技术的全面发展带动了机器人技术的发展,对于在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。并且随着海洋开发的进展,一般的潜水技术已无法适应现代高深度综合考察和研究、完成各种作业的需要。但在现实中都是利用螺旋桨来推动船前进,而是否能利用鱼类的游动原理来做出比具有螺旋桨更快和更低噪声的水下推行器,突破当今专一的运输方式和水下推进方式,已成为一个热门研究课题。当今,已有一些研究机构模拟鱼类游动原理和其生理构造研究制造鱼形机器人,它也叫人工机器鱼(robofish)。本文拟

3、利用单片机AT89S8252来制作完成模拟鱼基本动作的鱼形机器人。  1.2.2机器鱼的研究意义  研制机器鱼具有广泛的现实意义,它可以更逼真的模拟鱼的游动原理,使水下的机器人运动更符合流体力学原理,具有更好的加速和转向能力,利用它们可以探测海洋,寻找和检测海域中受污染的地方,也可以用来勘探地形;可以通过研制机器鱼这个实验平台来研究鱼的运动原理和鱼类运动所依附的流体力学原理;而且它以泳动方式运动,解决了螺旋桨的噪声问题;构造要比一般的水下推进器简单,制作和使用成本都较低;能源利用率高,作业时间长;当给相同

4、的电能时,机器鱼能够比自制的潜艇游的更远;无需生命维持保障设备,可以小型化;且对人没有任何危险.等。另外在娱乐方面具有良好的发展前景,例如水族馆等。机器鱼的应用领域有:鱼类展览;配合其它器件,可用于勘探和救生;相关科研领域等。  1.3机器鱼的游动机理及沉浮实现方法的探讨  1.3.1机器鱼的游动机理  鱼的游动原理包括鱼为什么能够快速的游动和转向,这也是困扰生物界多年的课题,当今,生物学家根据鱼类本身的外形、尾鳍的长度和摆动的力量对鱼的游动方式进行简单分类,具体可以分为三种:  a.Anguillifo

5、rm:(鳗状的)通过整体身躯肌肉的波动来游动,像鳗鱼一样;  b.Carangiform:通过尾鳍和与尾部相连的身躯摆动来游动,像鲑鱼,金枪鱼,旗鱼;  c.Ostraciifrom:只通过尾鳍的摆动而不利用身体摆动而进行泳动。  而从鱼的游动所依靠的生理部位和推进原理来说,可以分为两大类为BCF类和MPF类,BCF(bodyand/orcaudalfin),这类鱼主要依靠身体和尾部的摆动来游动,MPF(medianand/orpairedfin),这类鱼依靠身体中部的腹鳍来游动。我们所采用的机器鱼类模型

6、便是BCF类,是模仿金枪鱼的外形,依靠身体的后半部分和尾部摆动而游动。  1.3.2机器鱼的沉浮实现方法  鱼类的上浮和下沉主要要靠其腹内鱼鳔的收缩来实现。鱼鳔收缩使得鱼体体积发生变化,进而影响排开水的体积,从而实现上浮下沉。本研究采用气缸排开水的体积来模拟鱼鳔的收缩。  1.4研究目的和主要研究内容  综上所述,人类关于机器鱼的研究已经发展到了一定的高度,对于鱼体的结构也有了很大程度上的了解,这些都将对鱼类控制系统的完善提供更加详细的资料。  本项目就是以机器鱼为研究对象,将目前较为成熟的计算机技术,传

7、感器技术和通信技术等应用到机器鱼控制系统中,采用模块化的设计方法开发出一套采用AT89S8252技术来实现机器鱼游动和沉浮的控制系统开发。主要研究内容如下:  1)使其具有控制机器鱼游动速度、浮沉和运动方向等功能;  2)具有计算机遥控能力;  3)计算机控制界面。二、系统机构设计  2.1参考理论  早在1926年国外学者就开始了对鱼类游动机理的研究,提出了各种相关的理论。影响比较大的有1970年Lighthill提出的“细长体理论”,1977年M.G.Chopra&T.Kambe的“二维抗力理论”,1

8、984年Hess&Videler的“薄体理论”,1994年Cheng&Blickhan的“波动平板理论”以及1998年Cheng提出的“动态梁理论”。  机器鱼尼莫的设计,参考了其中一种较为简单的“波动理论”。所谓“波动理论”主要以鱼的脊椎曲线为研究对象,认为鱼体之所以能够前进,是由于脊椎曲线带动它所包络的流体向后喷出,产生推力。我们认为鱼体在水中作波动运动,其游动形态类似一列正弦波。  2.2摆动机构设计  机器鱼的游动机理

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