仿生機器魚的運動規(guī)律研究

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1、仿生機器魚的運動規(guī)律研究47卷第3期(總第174期)2006年9月中國造船SHIPBUILDING0FCHINAVo1.47No.3(SerialNo.174)Sep.2006文章編號:10004882(2006)03—0090—05仿生機器魚的運動規(guī)律研究張義明,戰(zhàn)興群,張炎華(上海交通大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院,上海200030)摘要仿生機器魚技術(shù)為研究高效,高機動性和低噪聲的水下運載器提供了新的思路,是近幾年水下機器人領(lǐng)域的研究熱點之一.基于仿生機器魚的運動模型,研究了它的運動規(guī)律,并進行了計算機仿真研究.仿真結(jié)果表明,尾鰭擺動頻率和兩關(guān)節(jié)相位差對推進速度有較大的影響.

2、關(guān)鍵詞:船舶,艦船工程;仿生機器魚;運動模型;運動規(guī)律中圖分類號:TP24文獻標識碼:A1前言目前,仿生機器人的研究已成為機器人研究領(lǐng)域的熱點_1].魚類是最古老的真骨類脊椎動物之一,經(jīng)歷了漫長的適應(yīng)環(huán)境的自然選擇過程,因此進化了各具特色的水中運動的非凡能力.它們既可以在持久游速下保持低能耗,高效率,也可以在拉力或爆發(fā)游速下實現(xiàn)高機動性E.它們具有的顯著能力給予人們發(fā)明的靈感,故而促使人們進行仿生機器魚的研制I3].鯊魚,金槍魚等采用的科推進模式被認為是效率最高,速度最快的推進模式,這種推進模式還被認為是未來水下運載器的最終設(shè)計目標.隨著海洋開發(fā)需求的增長及技術(shù)的進步,適

3、應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的水下機器人將會得到迅猛發(fā)展l_6].加快仿生機器魚的研制工作,縮小與國外研究水平的差距,無論是在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域,都具有重要的意義.基于仿生機器魚的運動模型,本文研究了它的一些運動規(guī)律,主要包括尾鰭擺動頻率,尾鰭面積,兩關(guān)節(jié)的相位差以及兩關(guān)節(jié)擺幅對推進速度的影響.,2運動模型建立仿生機器魚的運動模型是對其運動規(guī)律研究的基礎(chǔ).本文主要參考美國加州理工大學(xué)R.Ma—son和J.Burdick研究的模型_7].該模型是一個三鏈的鱈科魚簡化模型,三個鏈是通過具有連接角為和:的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接在一起的,如圖1所示.針對該模型,作如下假設(shè):?忽略三維效應(yīng),將其視為

4、平面問題;?將大尾鰭視為一矩形平板(盡管真正鱈科魚類尾部通常是新月形的);?尾鰭主要受到水動力升力;?在水動力上,尾柄的作用可忽略不計.設(shè):仿生機器魚的質(zhì)量中心與尾柄的距離為Z;尾柄的長度為z;尾鰭弦長為z;尾鰭面積為.令f為指向尾鰭前緣方向的單位向收稿日期:2004一i0—09;修改稿收稿日期:2006—04—05基金項目:船舶基金資助項目(03J6.3.6)圖I觴科魚的簡化模型47卷第3期(總第174期)張義明等:仿生機器魚的運動規(guī)律研究量.在與魚體主軸成一直線的坐標系下,則:,一一Ecos02,sin02,01(1)沿著縱軸與橫軸,魚體的瞬時移動速度分別為主和,瞬時

5、轉(zhuǎn)動速度為聲.令為尾鰭四分之一弦長處的速度:l’.f主一聲(sin01+(/4)sin02)一01sin01—02(/4)sin02+聲(pcos01+(/4)cos02)+01cosO1+02(/4)cos020如圖2,應(yīng)用Kutta—Joukowski定理,并假設(shè)尾翼是在準穩(wěn)定等速流中以薄板四分之一弦長處的瞬時速度游動著的,則作用在尾鰭上的升力為:L—sign(cos(argl一argvq))npA(vq×f)×’,q(3)式(3)中第一項的作用是處理當尾鰭攻角在7/2和37/2弧度之間,以及尾鰭的后緣事實上成為尾鰭的前緣的,情況,P為流體的密度.針對研究目的,假設(shè)機

6、器魚的身體被限制在僅能在縱向運動,并且和恒等于零.這就使得(2)圖2理想化的仿生機器魚模型與運動有關(guān)的方程僅僅在方向上,從而抓住主要因素來研究問題.仿生機器魚剛體的移動慣量為(包括從魚體周圍的流體中得到的附加質(zhì)量效應(yīng)),拖曳參數(shù)為c,,則:Ixx—L一c,xll(4)需要說明的是,這里得到的模型是非常簡化的,有許多因素尚未考慮,如:作用在尾鰭上的附加質(zhì)量的作用力;由身體和尾鰭產(chǎn)生的渦效應(yīng);尾鰭周圍固有的不穩(wěn)狀態(tài);流體的近體墻和表面效應(yīng)等.毫無疑問,這些效應(yīng)中的一個或全部對機器魚的控制都有著一定的影響,這將是下一步工作的主要研究內(nèi)容.3尾鰭運動在鰹科推進模式的魚類游動推進過

7、程中,尾鰭對推進力的產(chǎn)生以及機動性能等起著非常重要的作用.仿生機器魚在游動過程中,尾鰭做平動與擺動的復(fù)合運動,身體前2/3部分幾乎保持剛性,特別明顯的側(cè)向位移僅僅發(fā)生在尾鰭以及尾鰭與身體相連的尾柄處.仿生機器魚良好的流線型身體可極大地減小形體阻力,其尾鰭產(chǎn)生超過90的推進力.仿生機器魚的尾鰭擺動軸軌跡近似為正弦曲線,其尾鰭的運動軌跡如圖3所示.在圖3中,仿生機器魚的尾鰭隨其一起以從左向右的速度作往復(fù)的俯仰升沉.保證尾鰭在向上擊水時有一負的攻角,向下?lián)羲畷r有一正的攻角,使作用在尾鰭上的升力總是促進仿生機器魚前進并保持其游速.當尾