仿生機器魚巡游和機動的運動機理研究.pdf

1、自主式水下航行器(AUV)對于人類開發(fā)海洋資源十分重要，作為關(guān)鍵部件的推進器一般采用螺旋槳和葉輪原理，存在機械效率低、噪音大、機動運動性差等缺點。魚類經(jīng)過上億年的自然進化具有高超的游動能力，將魚類完美的水下運動方式合理的應(yīng)用于水下推進系統(tǒng)中，可以極大地推動AUV技術(shù)的發(fā)展。針對現(xiàn)有魚形機器人在仿生設(shè)計、傳動結(jié)構(gòu)和沉浮裝置等方面上的不足，同時仿生魚類的魚體波動和胸鰭擺動兩種推進模式，設(shè)計出具有高機動性、高穩(wěn)定性的柔性外形的小型仿生機器魚，

2、并能夠快速自如的上升下潛。 本文以體干中線表征魚體波動，建立大振幅魚體尾鰭擺動模式的巡游運動學(xué)模型，進行仿真和模型試驗?zāi)M魚類游動的體干曲線族。通過對魚體在縱向、橫向和沉浮方向的力學(xué)分析和計算，建立了仿生機器魚巡游的動力學(xué)模型，計算出其推進效率。根據(jù)動力學(xué)模型對多種步態(tài)的各游動性能指標(biāo)進行仿真計算和模型實驗，并分析了魚體運動的控制參數(shù)對其影響。同時，本文基于仿生胸鰭擺動的簡化物理模型，通過對鯽魚胸鰭方式游動的高速攝影圖像的分析建

3、立了運動學(xué)方程。考慮到由于攻角的時變性所產(chǎn)生的非定常效應(yīng)，對所建立胸鰭游動的動力學(xué)模型進行修正。依據(jù)多步態(tài)仿真實驗，分析了速度、推進力和游動效率等參數(shù)的變化規(guī)律和構(gòu)成，以及與運動參數(shù)的關(guān)系。 本文還進行了魚類快速起動運動學(xué)的基礎(chǔ)研究，分別建立了仿生機器魚S形和C形起動的運動學(xué)模型，對主動和被動S形起動、C形起動的魚體體干曲線波分別進行仿真計算和分析。通過解析魚體受到的橫向擺動流體舉力、魚鰭尾渦反作用力、邊界層摩擦阻力和縱向附加質(zhì)

4、量力，建立快速起動的動力學(xué)模型，對主動減速和被動減速的推進效率進行比較。利用多步態(tài)的仿真實驗，分析討論了各起動性能指標(biāo)的變化情況，以及魚體橫向擺動速度、法向線速度、迎角與推進力的關(guān)系，并闡明了各運動控制參數(shù)對快速起動性能的影響?；诜律鷻C器魚C形轉(zhuǎn)向運動的簡化物理模型，建立了快速轉(zhuǎn)向游動的運動學(xué)方程，得到體干中線運動步態(tài)，以及魚體質(zhì)心坐標(biāo)和軌跡的運動規(guī)律。根據(jù)計算出的轉(zhuǎn)動慣量、魚體受到的驅(qū)動力矩和阻力矩，建立C形轉(zhuǎn)向運動的動力學(xué)模型，并