仿生机器鱼巡游和机动运动机理的研究

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1、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

2、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

3、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

4、，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IIAbstrac

5、tAutonomousunderwatervehicles(AUV)arequiteimportantforthehumanbeingtodevelopthemarineresources．Thescrewpropellerhasdisadvantagesonmechanicalefficiency,noiseandmaⅡeuverabilityaskeycomponentofAUV．Throughtheevolutionofaboutbillionyears，fishholdssuperswimmingabilities．TheAUVtechnologycanb

6、eimprovedgreatlyprovidedfishpropulsionmodesareappliedtothrustersrationally．Towardssomedeficienciesatbionicdesign，drivingframeworkandup—downdeviceoftheexistingfish—likeunderwaterrobots，themini-jointbionicrobotfishwithhighmaneuverability,highstability,up—downlocomotionandflexibleappeara

7、ncehavebeendevelopedsuccessfully,basedontwopropulsionmodeofbody／caudalfin(BCF)motionandmedian／pairedfinmotion．Akinematicmodelofthecruisingoflarge—amplitude’SBCFisestablishedbasedonfishbody’Scenterline，andthefamilyofcurvesareobtainedthroughsimulationsandexperimentstoreproducefishmotion

8、．Afte