仿生機(jī)器魚巡游和機(jī)動的運(yùn)動機(jī)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(jìn)器一般采用螺旋槳和葉輪原理，存在機(jī)械效率低、噪音大、機(jī)動運(yùn)動性差等缺點(diǎn)。魚類經(jīng)過上億年的自然進(jìn)化具有高超的游動能力，將魚類完美的水下運(yùn)動方式合理的應(yīng)用于水下推進(jìn)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(jī)器人在仿生設(shè)計(jì)、傳動結(jié)構(gòu)和沉浮裝置等方面上的不足，同時(shí)仿生魚類的魚體波動和胸鰭擺動兩種推進(jìn)模式，設(shè)計(jì)出具有高機(jī)動性、高穩(wěn)定性的柔性外形的小型仿生機(jī)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(yùn)動學(xué)模型，進(jìn)行仿真和模型試驗(yàn)?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(jì)算，建立了仿生機(jī)器魚巡游的動力學(xué)模型，計(jì)算出其推進(jìn)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(jìn)行仿真計(jì)算和模型實(shí)驗(yàn)，并分析了魚體運(yùn)動的控制參數(shù)對其影響。同時(shí)，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(yùn)動學(xué)方程?？紤]到由于攻角的時(shí)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(jìn)行修正。依據(jù)多步態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，分析了速度、推進(jìn)力和游動效率等參數(shù)的變化規(guī)律和構(gòu)成，以及與運(yùn)動參數(shù)的關(guān)系。 本文還進(jìn)行了魚類快速起動運(yùn)動學(xué)的基礎(chǔ)研究，分別建立了仿生機(jī)器魚S形和C形起動的運(yùn)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(jìn)行仿真計(jì)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(jìn)效率進(jìn)行比較。利用多步態(tài)的仿真實(shí)驗(yàn)，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(jìn)力的關(guān)系，并闡明了各運(yùn)動控制參數(shù)對快速起動性能的影響。基于仿生機(jī)器魚C形轉(zhuǎn)向運(yùn)動的簡化物理模型，建立了快速轉(zhuǎn)向游動的運(yùn)動學(xué)方程，得到體干中線運(yùn)動步態(tài)，以及魚體質(zhì)心坐標(biāo)和軌跡的運(yùn)動規(guī)律。根據(jù)計(jì)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(yùn)動的動力學(xué)模型，并