（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）仿生机器鱼的神经模糊控制应用研究.pdf

哈尔滨l 程大学硕士学位论文 摘要 论文以水下航行体原理样机“仿生一i ”号仿生机器鱼为研究对象。 鱼类等水生动物具有非凡水中游动能力，其推进和操纵系统的突出优点 是高效率、低噪声、良好机动性。利用仿生学的原理，开发类似海豚或金枪 鱼的操纵与推进技术原理样机，这是当前的一个研究热点。 论文由两部分内容组成。第部分利用面元法计算的仿生机器鱼非定常 水动力结果，结合胸鳍的攻角与升力的关系，建立了仿生机器鱼的五自由度 运动模型。第二部分分析了模糊逻辑和神经网络相结合的各种形式。为机器 鱼基础运动控制设计了基于神经网络的t s 模糊控制器。进行控制与仿真联 调，给出了仿真结果，验证了神经模糊控制技术在仿生机器鱼运动控制中的 可行性。 论文还在仿生机器鱼运动仿真试验结果初步分析的基础上，讨论了仿真 试验的误差并进行分析；仿真结果与实体的仿生机器鱼实验进行比照，对以 后的工作提出几点需要完善之处。 关键词：仿生机器鱼；运动模型：面元法；水动力系数 基于神经网络的t s 模糊控制； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t or e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o la n dm o t i o n s i m u l a t i o no fr o b o tf i s hi st h em a i nt a s k ，b a s e do nt h e “f a n g s h e n g i ”r o b o f i s ho fh a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ya u vl a b f i s ha n ds u c h s w i m m i n g a n i m a lh a v ee x c e l l e n t p r o p u l s i o n a n d m a n e u v e r i n gs y s t e m ，w h o s ea d v a n t a g e sa r eh i g he f f i c i e n c ya n d1 0 wn o i s e m a k i n gu s eo ft h eb i o m i m e t i ct e c h n o l o g y ，w eh a v ed e v e l o p e dn e ws y s t e m i m i t a t e dd o l p h i no rt u n a t h e m si sm a k eu po ft w op a r t s o n ep a r ti st oc o n s t r u c tam o t i o n m o d e lo f5 - d i r e c ti o nf r e e d o m ，w h i c hi st a k ea d v a n t a g eo ft h er e s u l t t h a ti sa n a l y z en u m e r i c a l l yt h eu n s t e a d yh y d r o d y n a m i cf o r c eo ft h e m a c h i n ef i s hb ys u r f a c ep a n e lm e t h o d t h eo t h e rp a r ti sd e s i g na c o n t r o l l e rf o rb a s i cm o t i o no fm a c h i n ef i s h t h ec o n t r o l l e ri si nv i e w o fn e u r a l n e t w o r k b a s e dt sf u z z yc o n t r o lm e t h o d o nt h i sc o n d i t i o n ， w ed e b u g g e dt h ec o n t r o l l e r a sar e s u l t i ti si d e n t i f i e dt h a tt h e n e u r a l n e t w o r k b a s e dt - sf u z z yc o n t r o lm e t h o di sr i g h ta n df e a s i b l e b a s e do nt h er e s u l t so fr o b o tf i s h sm o t i o ns i m u l a t i o n ，t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t e r r o ra n dt h e r e a s o n sw e r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n o na l la c c o u n t s i ti sp r a t t i c a b l ef o r t h ef 1 t u r er e s e a r c ho nr o b o tf is h k e yw o r d s ：r o b o tf i s h ，m o t i o nm o d e l ，n e u r a l n e t w o r k b a s e dt - sf u z z y c o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物，每种生物都拥有 神奇的特性与功能，能够在复杂多变的环境中生存下来。因此，通过研究、 学习、模仿来复制和再造某些生物特性与功能，将极大的提高人类对自然的 适应和改造能力。 对于自主式水下机器人( a u v ) 、无人无缆水下航行器或微小型无人水下 探测器( u u v ) 来说，传统的操纵与推进装置的体积大、重量重、效率低、噪 音大和机动性差等闯题一直是限制水下机器入技术进步的主要障碍之一。因 而，人们在开发新能源的同时，也在积极寻找降低能耗、提高推进效率的方 法。水生动物 1 1 经过漫长的自然选择过程，它们己获得了相当的水中运动能 力，能以很低的能量损耗，产生快速灵敏的运动。因而，仿水生动物类机器 人技术成为近年来水下机器人领域研究的热点，它为研制高效、高机动性和 低噪声的水下运载器提供了新的思路。它基于仿生学原理，开发类似鱼类的 操纵与推进模式。它们的推进效率高、噪声低、机动性好。这样的综合能力 是人类目前所使用的传统的推进和操纵装置所无法比拟的，是水下自动航行 体一种更好的动力装置。发达国家在这一方面已经进行了多年的探索研究。 近年来仿生学、机器人学、流体力学、新型材料和驱动装置的进步促进了仿 生机器鱼技术的发展。因而在研究人工智能技术的同时，探索生物的操纵与 推进原理，并将其应用于微型潜艇和微小型无人水下探测器。在战争时期， 这些新型的潜艇和微小型无人水下探测器可用于水雷战和反水雷战、军事侦 察和潜艇的配套武器；在和平时期，可用于复杂海洋环境下的海底测量、海 洋观察、水下救生等，因此具有十分重要的意义。 1 。2 仿生水下机器人简介 1 2 1 仿鱼类推进与操纵的特点 与传统的螺旋桨推进器相比仿鱼尾推进器1 2 1 具有如下特点 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 能源利用率高，初步试验表明，采用仿鱼类水下推进器比常规推进 器的效率可提高3 0 一i 0 0 。从长远看，仿鱼类的水下推进方式可以 大大节省能量，提高能源的利用率，从而延长水下作业时间。 2 ) 使流体性能更加完善，鱼类尾鳍摆动产生的尾流具有推进作用，可 对尾涡进行控制，使其具有更加理想的流体力学性能。 3 ) 提高水下运动装置的机动性能，采用仿鱼鳍水下推进器可提高运动 装置的启动、加速和转向性能。 4 ) 可减低噪声和保护环境，仿鱼尾推进器运行时的噪声比螺旋桨运行 时的噪声要低的多，不易被对方声纳发现和识别，有利于突防，具 有重要的军事价值。 5 ) 良好的隐身能力，鱼类的游动充分利用并控制了涡流，不产生旋涡 尾迹，完全不同于螺旋桨推进系统。 6 ) 实现了推进器与舵的统一，仿鱼尾推进器的应用将改变目前螺旋桨 推进器与舵机系统分开，功能单一，结构庞大，机构复杂的情况， 实现浆一舵功能和二为，从而可精简结构和系统，简化制造工艺， 并降低成本和造价，具有重大的现实意义和使用价值。 7 ) 可采用多种驱动方式，对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼尾推进 器可采用机械驱动，也可采用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动 方式；对于小型水下运动装置，可采用形状记忆合金、人造合成肌 肉以及压电瓷等多种驱动元件。 1 2 2 仿鱼类推进方式的分类 对水中海豚或鱼类游动的系统纠的流体力学研究开始于二十世纪六十年 代。l i g h t h i i i 首先对水中动物的游动方式进行了分类和力学分析。根据鱼 类推进运动的特征，水下推进器可划分为两种基本模式：一类是蓝伸式 ( a n g u i l l i f o r m ) ，如八且鳗等；另一类是摆尾式( c a r a n g i f o r m ) ，如海豚和 金枪鱼等。 1 ) 曲伸式( a n g u i l l i f o r m ) 特点就是整个身体( 或几乎整个身体) 都参 与了大振幅的波动，由于在整个身体长度上至少提供了一个完整的 波长，所以使横向力相抵消，使横向的运动趋势减低到最小，很多 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用曲伸式游动的鱼类通过改变波的方向能实现与向前运动一样的 向后运动。曲伸式的推进效率主要与波的传播速度有关，波的传播 速度越大，推进效率就越高，与摆尾式相e e 而言，身体波动式推进 效率较低，主要适用于狭缝中的穿行。 2 ) 摆尾式( c a r a n g i f o r m ) 游动的特点是躯体前部几乎不动，仅仅摆动 躯体的尾部和一个大展弦比的尾鳍来获得推力和机动控制力。海洋 中游动速度最快的鱼类都采用摆尾式，在运动过程中尾鳍摆动，而 身体仅有小的摆动或波动，甚至保持很大的刚性。 这类摆尾推进方式推进效率主要与下列参数有关： 尾鳍的展弦比； 尾鳍的后掠角和前端的曲率； 尾鳍的刚度； 尾鳍的形状： 尾鳍的摆动幅度： 尾鳍摆动频率。 图1 1 水中动物推进方式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 ) 胸鳍式，像鲈鱼一样通过胸鳍的三维运动来操纵自己的身体，具有 较灵活操纵身体效果。 尾鳍摆动式推进具有很高的效率，适于长时间、长距离的游动，但运动 灵活性能较差，另外，还有一些鱼类通过这种游动方式的阻力很小、效率很 高，特别适用于a u v 和u u v 的推进和机动控制。 1 2 3 目前研究热点及未来发展方向 目前，新型仿鱼类机器人的研究及未来发展主要集中在以下几方面： a ) 尾鳍摆动式推进模式水动力模型的建立； b ) 尾鳍摆动时尾流的产生及其与推进力和推进效率关系数学模型 的建立； c ) 弹性元件在降低尾鳍摆动能量损失中的应用： d ) 机器人姿态、运动轨迹控制； e ) 仿生水下机器人的微型化； f ) 机器鱼智能化 g ) 推进与操纵系统的优化设计与应用研究 h ) 水生生物如鱼类、海豚等的推进与操纵的机理研究 i ) 复合型特殊材料在仿生机器人中的应用研究 1 3 仿生水下机器人的国内外研究概况 摆尾式游动的效率与其尾鳍的性能关系极大。所以，其流体动力学研究 多集中于尾鳍的性能表现。l i g h t h i l l ( 1 9 7 0 年) 首先将空气动力学的二 维机翼理论应用于平板型尾鳍，研究了它的上下起伏和纵倾两种运动的幅度 比、期间的相位差和纵倾轴的位置与推力、推进效率的关系。c h o p r a ，k a m b e ( 1 9 7 7 ) 对月牙形尾鳍( 1 u n a t et a i l ) 及其大幅度运动问题进行了三维研究。 k a r p o u y i a n ，s p e d d i n g 及c h e n g ( 1 9 9 0 ) 将升力线理论应用于月牙形尾鳍的 理论计算。l i u 和b o s e ( 1 9 9 3 ) 运用准涡格法( q u a s 卜v o r t e x l a t t i c em e t h o d ) 对海洋哺乳动物的尾鳍进行了分析研究。 1 9 9 4 年，美国麻省理工学院( m i t ) 成功研制了一艘1 2 米长的类似金 枪鱼推进的微型无人驾驶潜艇c h a r l i ei ，并计划在5 年之内研制成功一艘 4 6 米长的类似的小型无人驾驶潜艇，以便能够携带声纳航行设备和试验仪 4 晗尔溟工程大学硕士学位论文 器，绘制洋底地图和寻找水下污染源。为进一步研究此类推进的流体机理， 1 9 9 8 年m i t 又研制了一艘o 8 米的机器梭子鱼r o b o tp i k e 。2 0 0 0 年，通过 对原有系统进行改进，m i t 又制造了第二艘仿金枪鱼潜器r o b o t u n ai i 。1 9 9 8 年美国麻省剑桥的c s d r a p e r 实验室对一艘2 4 米长金枪鱼型的u u v 进行 了涡流控制研究，并将其称为v c u u v 。 美国麻省理工学院在仿生仿鱼机器人的研究方面取得了大量的研究成 果，先后研制了两条仿鱼机器人“t u n a ”及“p i k e ”。通过长时间的的观察鱼 类的游动情况，麻省理工学院的科研人员研制了第一条仿鱼机器人t u n a ，研 制该仿鱼机器人的目的是克服目前水下机器人和水下潜器的连续工作时间的 限制，也就是电池寿命的限制，受机器入和潜水器的体积以及承载能力等因 素的限制，不可能装备足够的能源，通过采用基于新型仿鱼鳍驱动原理的新 型驱动器可以使问题得以解决，因为鱼类具有效率和性能最高的水下驱动系 统。当一个刚性物体在水中游动时，在它的侧面会产生涡流，因而会降低运 动物体的速度，增加消耗的动力，当金枪鱼游动时，可利用尾巴的摆动把涡 图i 2r o b o t u n a i i 流的阻力转化为一种推进的动力。t u n a 是一条长约4 英尺，由2 8 4 3 个零件 组成，具有高级推进系统的仿金枪鱼机器人。它是模仿蓝金枪鱼制造的。t u n a 具有关节式铝合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、网状泡沫组织，并用聚氨基甲 酸酯弹性纤维纱表皮包裹，它装有多台2 马力的无刷直流伺服电动机( t u n a 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实际上只是用每台电动机额定功率的十分之一) 、轴承及电路等。t u n a 在多 处理器控制下，通过摆动躯体和尾巴，能像真鱼一样游动，速度可达7 2 公 里小时( 4 节) 。t u n a 的摆动式尾巴有助于仿鱼机器人的驱动，推进效率达 9 1 ，其外形如图1 2 及1 3 。 美国佛罗里达中心大学的科研人员正在研制一种微电子鱼机器 人”m e r i f ”，该机器人的驱动1 9 9 8 年美国麻省剑桥的c s d r a p e r 实验室 对一艘2 4 米长金枪鱼型的u u v 进行了涡流控制研究，并将其称为v c u u v 。 统完全由形状记忆合金制成该机器人由5 个子系统组成：控制系统、运动系 统、驱动系统、悬浮系统、传感系统。 该项研究有以下3 个主要目的： 1 模拟自然界的鱼类，通过鱼尾的摆动实现机器人的水下浮游； 2 研制一种无噪声的水下驱动系统，利用常规驱动的水下机器人有噪 声，这将很难使机器人接近所要观察、研究的水下生物。该项研究中，驱动 系统完全由形状记忆合金构成，能真正实现无噪声驱动； 3 大范围、长时间的水下作业，为了达到这一目的，采用一种“能量循 环”的方法，当太阳能电池能量即将用尽的时候，机器人停止浮游，并且浮 出水面，电池开始充电，充满后，机器人下潜，重新开始作业。通过这样一 种方法可以实现大范围、长时间的水下作业。 美国新墨西哥大学的m e t h r a nm o j a r r a d 和m o h s e ns h a h i n p o o r 等人进行 了人工合成肌肉在水下机器人系统中的应用研究，该项目利用高分子电解质 离子交换膜( i e m ) 通过化学镀的方法镀在金属铂片上，然后制成类似鱼鳍的 带状薄片，在外加电场的作用下，从而推动水下机器人运动，。试验结构表明， 其运动速度与波动频率和振幅成正比，并且和推进器的几何形状和流体性质 有关。 日本东海大学n k a t o 等人研究了黑鲈鱼的胸鳍运动原理，初步分析了胸 鳍动作状态与游动姿态的关系。n k a t o 从水下运动装置的机动性能出发主要 分析了在水平面以及垂直面上的盘旋以及转向运动与鱼的胸鳍摆动之间的关 系，并研制了试验样机，如图1 4 所展示。该样机可以用p c 机来控制以实现 类似于鱼类的运动。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 4 仿黑色鲈鱼仿鱼机器人f i s h r o b 日本国家海洋研究中心研制了多型仿生水下机器人，图1 5 、1 6 为其中 的两型，图1 5 带有浮体和起稳定作用的联接板，可在水面航行。图1 6 由 摆动尾鳍推进，胸鳍可改变攻角，具有小量的正浮力，可在水面航行，当具 有一定的航速后，可调整胸鳍攻角，靠胸鳍的升力潜入水下航行。 图1 5 日本国家海洋研究中心i图l _ 6 日本国家海洋研究中心2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 日本东芝公司的研究人员研制了无线控制的能象真鱼一样游动的仿鱼机 器人，该仿鱼机器人长约6 0 e r a ，重约6 磅，浚仿鱼机器人通过一台台式计算 机控制它的一个尾鳍、两个胸鳍的运动，由于没有必要完全精确的复制海洋 鱼类的驱动方式，所以采用弹性振动鳍制作了试验样机，电池驱动的鳍摆动 频率为o 2 | h z ，仿鱼机器人的游动速度可达o 2 5 m j s 。 日本东京工业大学研制了一艘1 _ 7 5 米海豚型潜器的自航试验模型，其尾 部共有两个节点，第一个节点由发动机驱动，第二个节点以弹簧联结。日本 国家海洋研究院( n m r i ) 也研制了u p f 一2 0 0 l 等仿鱼机器人。 国内对仿生鱼机器人的研究还属于刚刚起步阶段。哈工大机械电子工程 系正在研究的仿生鱼机器人申请了国家自然科学基金项目【6 l 。北京航空航天 大学的研究人员对类似八目鳗的曲伸式仿生鱼，进行了一系列试验，据此研 制了7 】【8 】【9 1o 8 米长的机器鱼，可通过遥控在水面进行直航“1 和回转。东南 大学也在这方面进行了机理探讨。中科院自动化研究所研制了机器鱼系列 “游龙”f 1 f 5 ，该机器鱼为遥控式，长0 4 米，直线游速可达o 3 2 米秒， 利用这些机器鱼进行了单体控制和群协作方面的研究。哈尔滨工程大学海洋 综合技术工程研究中心的师生们先期对国外在该领域内的技术发展进行了跟 踪研究，并编辑了一本水下仿生学译文集。随后对鱼体运动机理进行研究， 在此基础上设计出仿生航行体原理样机“仿生一i ”。 图1 7 北航s p c 全尺寸演示样机 1 4 课题来源及研究目的和意义 本课题来源于国防基础科研项目“微小型水下无人探测器基础技术研究 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 水下航行体仿生操纵与推进技术”。该项目最终成果形式包括水下航行 体仿生操纵与推进原理样机、研究报告和仿真软件三部分，本论文主要研究 仿生水下机器人的运动仿真与控制技术。 随着计算机技术、传感器技术、智能控制技术等技术的快速发展，同时 由于海洋开发和军事上的需要，各主要海洋大国都十分重视水下机器人的开 发与利用。水下机器人可以担负多项任务，在军事方面：可用于进行反潜战， 水雷战与反水雷战，海洋监视，特种作战；在海洋开发等民用方面：可用于 海洋环境，海洋资源等的研究与利用。但传统的操纵与推进装置的体积大、 重量重、效率低、噪音大和机动性差等问题一直是限制自主式水下机器人和 微小型无人水下探测器等实用化的障碍之一。利用仿生学原理，开发类似海 豚或金枪鱼的操纵与推进技术，以降低能耗、提高推进效率，是一个很有前 途的研究方向之一。海洋中的海豚和金枪鱼等动物可以高速航行，并且推进 效率高、噪声低、尾迹小和机动性好。这样的综合能力是人类目前所使用的 传统的推进和控制装置所无法比拟的。发达国家在探索生物的操纵与推进原 理和将其应用于微小型无人水下探测器方面已经进行了多年的研究。在战争 时期，这些新型的微小型无人水下探测器可用于水雷战和反水雷战、军事侦 察和潜艇的配套武器；在和平时期，可用于复杂海洋环境下的海底测量、水 下观察等，因此具有十分重要的意义。 1 5 论文的主要内容 1 仿生水下机器人仿真建模、水动力性能预测，编写仿真软件。 2 仿生水下机器人基于神经网络的模糊控制器不同结构和算法研究，编 写控制软件。 神经网络与模糊控制技术结合起来，可以使神经网络自动地根据 运行效果进行调整，减少设计过程的主观性。目前这两项技术主要在 以下几个方面相结合1 1 2 】： 模糊神经元网络。即在神经网络结构中引入模糊逻辑，使其具有直 接处理模糊信息的能力。 神经模糊系统。直接利用神经网络的学习能力和映射能力，去等效 模糊系统中各个模糊功能块。可以主要体现在下面几个方面： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 利用神经网络提取和分配模糊控制规则 2 ) 利用神经网络生成和在线修正隶属函数 3 ) 利用神经网络优化模糊控制器的参数( 量化因子、比例因子) 4 ) 基于神经元网络的基本模糊逻辑运算 5 ) 基于神经网络的模糊逻辑推理 模糊一神经混合系统。 3 控制器稳定性研究及系统仿真联调。 4 结果分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章仿生机器鱼运动仿真与建模 2 1 仿生机器鱼结构 仿生水下机器人原理样机“仿生一i ”号，以蓝鳍金枪鱼为蓝本，长2 4 米，配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍，其外形如图2 1 所示。壳体用玻璃钢 制成，分为三部分，头部和尾部为非水密部分，中体则为耐压舱段。仿生机 器鱼内部结构是一套传动机构，内置二台伺服电机。其中，大功率一台驱动 摆尾推进机构，制尾柄的摆幅、频率，同时，其后部加入弹簧片结构，使摆 动过程中尾柄与尾鳍间能形成一定相位差；可通过调整电机的转速和转向， 控制尾鳍的摆幅、频率，使尾部像鱼类那样摆动。同时，如果配合光纤陀螺 的反馈信号，就可达到直航和回转的目的。另一台伺服电机用以驱动胸鳍， 通过给胸鳍不同的攻角，使鱼体上浮或下潜。配合深度计，可控制机器人的 深度。通过这种配置，就可实现机器人在一定深度以一定航速直航或回转。 图2 1 仿生机器鱼原理样机“仿生一i ”号外观图 2 2 仿生机器鱼水动力特性分析 由于鱼尾部在摆动时候，它迫使一部分水运动，被排开的水的惯性会产 生垂直鱼体的、与单位时间排水量成反比例的反作用力，推动鱼体向前运动。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在假设水是无漩涡、不可压缩的，并且不是很粘稠的流体，则瞬间作用在鱼 体表面上的水动力近似地正比于下式 4 1 ： 一v | v ) n d s ( 2 - 1 ) 鱼体表面向外的单位法线 v 表面和流体之间的相对速度 这仅是用经典力学来解释结果，事实上鱼类的游动机理是相当复杂的， 一般认为鱼在启动、转向和低速游动时，利用水的粘性适当控制旋涡的脱离， 以获得强大的推力。而摆尾式游动的鱼类如金枪鱼，在以常速高速游动时， 躯体的前三分之二几乎没有摆动和变形，后三分之一带动尾鳍以常频摆动， 尾鳍接近于刚性，前进中驱体的横移极小 2 i 。前进的推力主要来自于尾鳍的 摆动，此时粘性对尾鳍水动力性能影响相对较小，可以用势流理论进行分析、 研究【3 】。 由于鱼尾部在摆动过程中，尾部变形有两部分引起：一是由外力引起的 被动变形，另一部分是鱼体机构做的自我调节的主动变形。由于水动力是在 不断的变化的，同时考虑主动与被动变形，对流体和鱼体运动作耦合15 1 分析 的做法，恐怕无法进行。只能对应一种特定的摆动规律，即某一摆幅和相位 差下，计算不同航速下的在其前进方向( x 方向) 的水动力合力( 有正也有 负) ，取合力为零的情况，在这种状态下，可以认为，在这一摆幅和相位差下， 鱼匀速运动的速度即为其合力为零时对应的速度。 鱼在回转时，鱼尾只在一边摆动( 比如说左侧) ，那么鱼向左转，其回转 角速度与摆幅及相位差有一个对应的关系，系数可由试验测出。 2 3 运动坐标系的选取 2 3 1 地面坐标系与运动坐标系 为了描述仿生机器鱼的运动和建立仿真系统，就必须首先建立适合描述 仿生机器鱼运动的坐标系。本文根据国际水池会议( i t t c ) 推荐的和造船与 轮机工程学会( s n a m e ) 术语公报的体系，同时参考有关资料，建立如下两 种坐标系：固定坐标系e 一勃f ( 简称“定系”) 和运动坐标系0 一x y z ( 简称 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “动系”) 。 2 3 1 1 固定坐标系 固定坐标系又称地面坐标系，是仿生机器鱼作空间运动的惯性参考系。 固定坐标系的原点e 可取为地面、海面或海中的任意一定点，e 4 轴的正向 指向地一t l , ，e f 轴和e r 在水平面内相互垂直，轴的正向可以任选，一般地， e f 轴与仿生机器鱼的运动主航向一致。e 一勃f 构成了个右手直角坐标系 ( 见图2 2 ) 。 秘，一 图2 2 仿生鱼运动方程坐标系 2 31 2 运动坐标系 运动坐标系又称艇体坐标系，是固定于仿生机器鱼艇体上的坐标系。坐 标原点0 可以取在艇体上的任一点，纵轴吼平行于艇体基线指向艇首，横轴 0 平行于基面指向右舷，垂轴晓指向艇底。0 一x y z 也构成一个右手直角坐 标系( 见图2 2 ) 。如果坐标原点取在仿生机器鱼的重心g 上，则一般认为这 样的坐标轴g 膏、g y 、6 量是仿生机器鱼艇体的惯性主轴。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 运动参数的表示 机器鱼重心处相对于固定坐标系的速度为v ，v 在g x y z 坐标系上的投 影为“( 纵向速度) 、v ( 横向速度) 、w ( 垂向速度) ；同理，机器人以角速 度q 转动，在g x y z 坐标系上的投影为p ( 横倾角速度) 、q ( 纵倾角速度) 、 ，( 摇首角速度) ；机器人所受外力f 在g x y z 坐标系上的投影为( 纵向 力) 、y ( 横向力) 、z ( 垂向力) ；力矩m 的投影为k ( 横倾力矩) 、m ( 纵 倾力矩) 、n ( 摇首力矩) 。速度和力的分量以指向坐标轴的正向为正，角速 度和力矩的正负号遵从右手系的规定。各符号列于下表： 表2 1 运动和动力参数 矢量x 轴y 轴z 轴 速度v “vw 角速度q p哿 ， 力fx yz 力矩m km ， 2 3 3 固定坐标系和运动坐标系的转换关系 匡=；鼍薹至；：孑耋篓垂三亭荔：篓；csionspq,ssiinn：o嚣coss篡(o+爹sinsussi；nnc妒,o韭i：xo 0io c l f jl s i n c o ssn 妒c o s o s p j l z j c o s y c o s o c o 掣s i 矽s i n 妒s i n q c o s 0 c o s q s n o c o s c p + s i n u s ! n ( p - i r = fs i n 缈 c o s o s i n q s i n o s i n t o + c o s 沙c o s o s i n v s i n o c o s c p c o 缈s i 婶i ls i n oc o s o s i n oc o s 臼c o s pl 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ic o s q c o s 6 s i n y c o s o- s i n o 7 = ic o s q z s i n o s i n ( , o s i n c o s 妒s i n s i n 臼s i n 妒+ c o s c o s 妒c o s o s i n c pi ( 2 4 ) ic o s s i n 目c o s 妒+ s i n s i n 妒s i n s i n o c o s 一c o s _ ；f ，s i n oc o s 晓c o s 妒l s i n v c o s 0 s i n g s i n o s i n 妒+ c o s e o s o s i n s i n o c o s ( o c o s s i n c , o 2 4 仿生机器鱼基础运动模型 仿真建模方式仍采用潜艇空间运动方程形式建立仿生鱼运动模型，其中 由于尾鳍摆动影响周围流场变化而产生水动力系数改变，可以单独考虑。 仿生鱼由于背鳍的存在，在很大程度上避免了鱼体的横向转动。因而可 采用五自由度运动模型忽略横摇方向运动，即，p = 刍= o ，且不计及二阶以 上项水动力。 由于机器鱼躯体的前三分之二几乎没有摆动和变形，而尾鳍又采用刚性体， 可近似于刚体。根据剐体动力学理论，仿生机器鱼空间五自由度运动的一般 方程如下： ，”k 打一v ，+ w g ) x g q 2 + r 2 ) 一y g 产+ 暑6 4j = z m k 廿+ u r ) 一y 6 r ! + z g q r + x 6 产j = y m k 讧一埘) 一三g q2 一x g 圣+ y g ，g j = z ( 2 6 ) ，。亩+ m z g ( i + w q v r ) 一x g ( 伽一叼) 】= m ，：，+ m i x g o + w ) 一y g 0 + q w v r ) 】= n r 一仿生机器鱼的质量； x g ，y c ，= g 仿生机器鱼的重心坐标； 厶，l 、厶仿生机器鱼的质量m 对o x ，o y ，o z 轴的转动惯量； “、v 、w 、“r 五个自由度的( 角) 速度； i 、i 、仲、d 、i 五个自由度的( 角) 加速度。 瓜y 、z 、肘、_ 一五个自由度的力( 矩) ： 圈的翻 茹一 罾_ 眦 矿y g 曼| 眦篆 一 卜一眇卜 哈尔滨 程人学硕士学位论文 方程左端z 、y 、z 、m 、表示作用在仿生机器鱼上的的作用力( 矩) ， 包括：仿生机器鱼受到的重力和浮力等静力、仿金枪鱼尾推力、仿生机器鱼 运动引起的流体水动力和一些环境干扰力等。以下将分别讨论。 2 4 1 水动力( h y d r o d y n a m i c ) 艇体水动力是运动参数“、v 、w 、孙r 、i 、i 、伽、圣、，的函数。在 基准点( 通常以速度u o 作匀速直航) 将艇体水动力勘、勿、m h 、a 作泰勒展开，参考 1 7h l 8 1 施生达潜艇操纵性一书，我们对艇体水动力作相 应的简化，最后得到如下的水下机器人的艇体水动力表达式： x h = x q q q 2 + x 胛r 2 + 【。西+ x 。，v r + x w w 9 1 + i x 。“2 + z ，。v 2 + 一w 2 j 砀= z ，+ 艺，矿】十瞰i + k v q + o w r 】 + 一w + 嵩妒+ w 2 ) 帅+ k “2 + l 卅 妒+ w 2 ) ”2 卜k v w z = z 。尊+ z 盯，2 】+ 【z 。咖+ z ，v r 】 + z q u q + 尚妒+ w 2 ) ”2 i l q l 邶。 z w u w + z 巾妒“) ”2 】 + 吼i “1 w l + z 1 w ( v 2 + w 2 ) “2 】+ z w v 2 ( 2 7 ) m = m q 口+ m 。r2 + m “d q l q l + 。谛+ + m ，v r + m q u q + m 一( v 2 + w 2 ) ”2 旧 + 【m 。“2 + m 。“w + m 咖叫( v 2 + w 2 ) “2 f 】+ m “1 w l + m f w ( v2 + w 2 ) ”! f + 膨，。 n = i n f 户+ j ，q r + n , i , i r 卜 】+ t + + w w r + n w v q + i n ，“r + n i g , l ( v2 + w 2 ) ”2 阳+ o “2 + ，u v + 山v j ( v 2 + w 2 ) ”2 0 + 州v w 式中x 。，工。e ，e 等都为艇体水动力导数。 2 4 2 水动力计算 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 仿生鱼水动力估算部分包括鱼体、尾鳍、胸鳍( 对称两部分) 、背鳍。 对于尾鳍、胸鳍、背鳍部分计算，由于这些附体极其不规则，理论上估算 结果只是粗糙近似值，较为精确的计算还有待于后续工作进于亍。 鱼体参数： l e n g t h = 2 0 5mw e i g h t = 0 6 2m h i g h 2 0 6 2m m a s s = 3 5 0 k g x g 2 0 9m y g 2 0 0m z g 2 0 1 6mi x x2 1 9 4 7 i y y = 1 1 7 9 7 i z z= 9 6 4 5 p = ( g b ) = o 0( 剩余静载) 这些鱼体参数中重心和惯性矩是通过实验方式测出的。 对于鱼体的惯性水动力系数估算采用理论近似椭球体计算。此外计算 结果采用面元法对鱼体划分网格进行验证计算。对于其他速度项水动力系 数，先根据博尔曼水动力计算方法，由于耦合水动力中包括惯性部分和粘 性部分，如果假设某些耦合水动力中的粘性成分相对与其惯性成分甚小而 可以忽略，则可用势流理论求得它们的惯性成分，作为这些耦合水动力的 近似值。其它剩余水动力系数根据母型换算法可推出结果，空间五自由度 方程所需要的水动力系数共有5 3 个，有些系数数值可忽略不计则取0 。结 果如下表： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 2 水动力系数表 x 。 一1 4 e 一2 x 。 - 9 0 9 3 e - 3 x 。， 一0 。0 6 4 y ， - 2 6 4 l e 一3 x q q 一1 6 6 0 e - 3 y 。 - 8 7 3 7 e 一2 x 、? 2 6 4 1 2 e - 3 z j 一5 4 7 5 e 一4 x 。 一8 7 3 7 e - 2 z 。 - 0 0 6 4 0 y 。 - 5 9 8 2 e - 2 m 。 一1 6 6 0 e - 3 】厂， 1 0 6 9 e - 2 m 。 一5 4 7 5 e 一4 y 。 一7 0 8 8 e - 2 n 一2 1 4 5 e 一3 z 。 - 2 3 1 5 e - 2 n ， - 2 6 4 l e 一3 z 。 1 0 7 e - 2 n ， - 4 4 2 e 一2 z 。 一0 7 4 8 e - 1 n ? 一3 1 3 3 e 一3 m 。 3 3 2 7 e - 2 n 、? 一9 2 e - 5 m 。 一3 1 3 3 e - 3 n ， 一1 o l e 一2 m 2 6 3 e - 4m q q 一1 o e 一5 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 3 重力和浮力 作用在水下机器人上的重力是机器人各部件重量之和，它们的合作用点 为重心g ( x g ，y g ，) 。 从理论与实际情况来看，当鱼体全身浸入水中时重力与浮力相等且重合 于某一点，根据这一点可测定重心位置。同理，运动方程中所要用到的实体 数据转动惯量也可如下测定。 鱼体参数实体试验测定法： a ) 采用单摆试验测定重心： 对于z 向重心坐标值：采用测出单摆摆动周期，根据公式： 一万后 s ， 求出摆线1 长度( 这是定点到摆体重心距离) 。用实际摆线长 减去绳长( 定点到摆体最顶点) 。试验过程中尽量使摆线长，这样 结果能更准确。 b 1 采用单摆试验法测定转动惯量( i z z ，i y y ) ： 方法同上根据公式： r 砌j 篆观丌括 采用扭摆试验法测定转动惯量i x x ： 测出摆动周期，根据公式： 一 ，：= ( ) 2 g w2 l ， ( 2 1 0 ) z 冗 其中e 一所量测物体质量 w 两线间距离 l s 扭摆线到物体上部距离 得出结果后必须对结果进行修正： 数值必须从摆顶点转换到重心位置点 l9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此外，由于鱼体入水后重量和此时所用重量不同，入水后必须加上进入 的水的重量才是鱼体总的重量，必须进行必要的修正。 表2 3 重心法实验数据 绕轴 r 两线间长) 测重心z 值纵摆( 绕y 轴)横摆( 绕x 轴) 周期 扭摆( 绕z 轴) 12 7 2 32 42 4 0 22 7 2 3 22 6 9 22 3 4 52 45 02 6 9 2 32 6 4 l2 6 4 l 平均2 6 42 3 7 2 4 3 5 2 6 8 摆长 1 2 77 56 81 7 8 计算 ，= ( 么万) 2 9铲) z 西 ，：= ( t 2 n ) 2 g w2 l , o 。f g ， 公式 结果 1 4 21 1 7 9 79 6 4 51 9 4 7 2 4 4 尾鳍推力仿真 因为鱼体前进的推力主要来自于尾鳍的摆动，此时，粘性对尾鳍水动力 性能的影响相对较小，可以用势流理论进行分析、研究。该水下机器人是仿 金枪鱼尾鳍的，则以金枪鱼尾鳍为对象，建立起数学力学模型，模拟尾鳍运 动，机器鱼的月牙形尾鳍处理为在做横移和摇摆的藕合运动的同时，以某一 匀速向前运动的刚性体，用面元法计算三维尾鳍的非定常水动力性能，涉及 鳍摆动频率、相位差及运动的相关参数不同对水动力性能的影响分析。 2 4 41 建立摆动尾鳍的计算模型 2 0 哈尔浜上程大学硕士学位论文 金枪鱼在匀速快速直线游动时，主要靠尾鳍的摆动提供推力，躯体前部 基本没有摆动，只有躯体后三分之一部分左右摆动，而尾鳍在尾柄的带动下 左右横移的同时，还围绕着尾柄端部左右摆动。这里将尾鳍处理为在均匀来 流中运动的刚体，忽略随躯体的横移，尾鳍的横移运动和摆动频率都为常量， 取如图坐标，则尾鳍运动规律可以表示为【6 】： z ( f ) 2 a = s i n ( 2 n f i ) r 9 _ l 目( r ) = o os i n ( 2 矽一o ”“7 其中六 一一尾鳍的摆动幅度 一尾鳍的横移幅度 厂横移运动和摆动的频率 丸一横移运动和摆动运动间的相位差 横移运动速度和摆动角速度则可表示为： j v a t ) 22 f t r ac o s ( 2 n f i ) r 。一 1 a t ( t ) = 2 7 r f o oc o s ( 2 n f i 一九) “ 以表示来流速度，则相对尾鳍的进流速度为 e ( f ) = 玩+ 丘( 2 - 1 3 ) 以表示由绕y 轴摆动引起的尾鳍表面上某点速度，则该点总的速度为 圪( x ，y ，z ，f ) = v o + v a t ) + v o ( x ，y ，z ，) ( 2 1 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v z ( t ) ji z 仑迤 x v o 忒一 图2 3 尾鳍的运动规律的表达 这样，应用面元法时，边界条件应该写为 掣：一( x , y , z , t ) i 。在品上( 2 - i 5 ) o 。 在由面元法求的尾鳍的压力分布后，尾鳕的推力系数c ，、侧向力系数c 及绕y 轴的力矩系数c 。可利用下式计算 c ，= f f 。c p n x d s c ：= f 。c p nd s(2-16) c 。2 。c ，( 矾，) c 。d s 式中h ，n = 为尾鳍表面单位法向量，各系数的定义如下 。赢一2 赢一2 丽m y c z - 其中p一水的密度 b 一一尾鳍的展长 c 。一一尾鳍的特征弦长 哈尔滨工程大学硕士学位论文 只一一尾鳍的推力 f = 一一很9 向力 m ，一绕轴的力矩， 圪一下式表示的尾鳍的最大进流速度 ( ，) = 略+ ( 2 z f a ：) 2 ( 2 1 8 ) 尾鳍的平均推进效率可表示为 叩= 嚣 叩= _ 一 0 z l g ， 式中，c 。，为平均推力系数，k 。是一个周期内的功率系数，t = 1 f 以表示 运动周期，k 。则由下式定义： k p = 墨c ：d z + 舔c 。c q d o ( 2 - 2 0 ) 2 4 4 2 面元法的基本公式 考虑在速度为p ( x ，y ，z ，) 的无旋、非粘性、不可压缩来流1 2 3 1 1 2 4 1 中的任意 升力体，根据g r e e n 定理，流域的边界面上任意一点p ( x ，y ，z ，) 的扰动速度 势巾( f ) 可由以下积分表示 2 栅忡( q ，r ) 杀而1 卜掣志 舔2 1 ) 其中：r ( p ，q ) 是场点p 和边界i - q ( x 。，y 。，z ) 之间的距离，是在q 点边 0 界面s 的法向导数。 考虑到物面s 。，尾涡面s ，和外边界面s 。上的边界条件： v ( f ) - - - ) , 0 ，当炙一。o ( 2 - 2 2 ) 掣：一v o (