（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）仿生水下机器人仿真与控制技术研究.pdf

仿生水下机器人仿真与控制技术研究 摘要 近些年来，深海资源的开发与利用为水下机器人研究提供了广泛的背景 与需求。为克服传统水下机器人存在的缺陷，寻找更优良的推进和操纵系统， 仿生技术同益得到人们的重视并已成为水下机器人的重要研究方向之一。 鱼类游动具有高速、高效、高机动性和低噪声等特点，将鱼类推进和操 纵系统用于水下机器人，替代传统的桨一舵系统，具有十分重要的意义。本 论文的目的就是通过研究鱼类游动的机理，设计一种能够模仿鱼类推进和操 纵方式的仿生水下机器人。 论文首先对仿生水下机器人技术的发展概况以及研究内容进行了介绍， 分析了其发展前景，接着以哈尔滨工程大学水下机器人技术实验室研制的仿 生水下机器人“仿生一i ”号为对象，详细介绍了其整个研制过程及研究的重 点内容，包括：首先，介绍了“仿生一i ”号的系统设计及水槽、水池和海上 试验研究：其次，研究了“仿生一i ”号的水动力性能，论文中采用面元法计 算和分析了刚性和柔性仿金枪鱼月牙形尾鳍的水动力性能，考虑了多个参数 对尾鳍性能的影响，并用h e s s s m i t h 方法计算了“仿生一i ”号的附加质量； 接着，在前述计算和试验的基础上，建立了“仿生一i ”号空间六自由度运动 仿真模型，并通过仿真试验和水池试验结果的对比说明该模型的合理性；最 后，通过分析“仿生一i ”号的运动能力，提出了“仿生一i ”号的运动控制方 法，并通过仿真试验加以验证。 本论文的研究和试验表明，将鱼类的推进和操纵方式应用于水下机器人 上，是切实可行的。但鱼类的推进和操纵方式有自己的独特之处，需要进一 步更深入的研究。 关键词：仿生水下机器入：水动力：月牙形尾鳍；仿真；智能控制 仿生水下机器人仿真与控制技术研究 a b s tr a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n da n dd e s i r et o e x p l o r ea n du t i l i z et h ed e e p - s e a n a t u r a lr e s o u r c eh a v e p r o v i d e d as i g n i f i c a n tm o m e n tt ou n d e r w a t e rv e h i c l e s r e s e a r c h t oo v e r c o m ec e r t a i ns h o r t c o m i n g so fc o n v e n t i o n a lu n d e r w a t e rv e h i c l e ( u v ) a n d t of i n dm o r ee x c e l l e n t p r o p u l s i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ，m o r ea n dm o r e a t t e n t i o nh a v eb e e ng i v e nt ot h eb i o n i ct e c h n o l o g y , w h i c hh a v ea l r e a d yb e e no n e o ft h em o s ti m p o n a n tf i e l d si nt h eu vr e s e a r c h f i s hs w i m sf a s t ，e f f i c i e n t l y , f l e x i b l ya n d q u i e t l y s oi t si m p o r t a n t t ou t i l i z i n g f i s h ss w i m m i n gm o d eo nt h eu vi n s t e a do f t r a d i t i o n a ls c r e w p r o p e l l e ra n d r u d d e r t h em o t i v a t i o no ft h i st h e s i si st o d e s i g naf i s h l i k ep r o p u l s i o na n dc o n t r o l m e t h o d ，w h i c hc a nb eu s e do nt h eu v , t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h es w i m m i n g t h e o r yo f f i s h i nt h i st h e s i s ，w es u m m a r i z et h eb i o n i cu v t e c h n o l o g y , a n dp r e d i c ti t st r e n d o fd e v e l o p m e n t t h e nad e t a i l e di n t r o d u c t i o ni s g i v e nt o ab i o n i cu v ，n a m e d “f a n g s h e n g i ”，d e v e l o p e db y t h eu n d e r w a t e rv e h i c l e t e c h n o l o g yl a b ( u v t l l o f h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y f i r s t l y , t h e s y s t e md e s i g n a n dt h e c i r c u l a t i n g w a t e rc h a n n e l e x p e r i m e n t s ，t h ew a t e r t a n ke x p e r i m e n t sa n dt h es e ae x p e r i m e n t so f “f a n g s h e n g - i ”a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o f “f a n g s h e n g i ”i sd i s c u s s e d t h eu n s t e a d yh y d r o d ) 7 n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so far i g i d a n daf l e x i b l el u n a t et u n a t a i la r ea n a l y z e dn u m e r i c a l l yb yt h el o w o r d e r p o t e n t i a l b a s e ds u r f a c ep a n e lm e t h o d ，t h ee f f e c t so f m a n yp a r a m e t e r sa r ei n v e s t i g a t e d ，a n d t h ea d d e d m a s so f “f a n g s h e n g i ”a r eo b t a i n e d t h e nt h es i xd e g r e e so ff r e e d o m m o t i o ns i m u l a t i o nm o d e lo f “f a n g s h e n g - i ”a r ec o n s t r u c t e d ，w i t he m p h a s e sl a i d o nt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h eb i o n i cu va n dt r a d i t i o n a lu vs u c h a st h e p r o p u l s i o ns y s t e m ，t h e c o n t r o l s y s t e ma n dt h ev a r i a t i o no ft h ea d d e d m a s s i i i d i s c u s s i n 叠t h em o v e m e n tc a p a b i l i t yo f “f a n g s h e n g 。i ”a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so f i t sw a t e rt a n ke x p e r i m e n t s ，w eg i v eam e t h o do f i t sm o t i o nc o n t r o l s 1 m u l a t l o n e x p e r i m e n t s a r ea l s od o n et ov a l i d a t et h em e t h o d t h r o u 出t h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t s i nt h i st h e s i s ，w eg i v eac o n c l u 8 1 0 nt h a t t h ef i s h 1 i k ep r o p u l s i o n a n dc o n t r o la r ef e a s i b l et ot h eu v m o r ed e t a i l e dr e s e a r c h s h o u l db ed o n eo n t h es p e c i a ls w i m m e t h o do f f i s h k e y w o r d s ：b i o n i cu n d e r w a t e rv e h i c l e ( b u v ) ，h y d r o d y n a m i c ，l u n a t e t m l ( l t ) ， s i m u l a t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ( i c ) 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 献的引用己在文中指出，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) ：监渔 日期：幽哆年j 月圩日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 随着人类的发展，对资源的需求不断增加。陆上资源的日益紧缺，让我 们把目光投向海洋。2 1 世纪是海洋开发的世纪，水下机器人( r o v 、u u v 、a u v ) 在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域和海洋军事方面具有广阔 的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。 当前水下机器人多采用传统的螺旋桨作为推进器，其体积大、重量重、 能耗高、综合效率低( 通常小于4 5 ”1 ) 、可靠性差、瞬时响应有严重的滞后 现象、运动灵活性能差、并且伴有较大的噪音和尾涡。螺旋桨效率低也是水 下机器人能源瓶颈的重要原因之一。螺旋桨推进器的这些缺点不利于开发具 有大范围转移能力和高机动性的水下机器入。为克服螺旋桨推进器的这些缺 陷，适应未来水下机器人技术发展的要求，人们在开发新能源的同时，也在 积极寻找性能更加优良的新型推进方式。 另一方面，水生动物经过上亿年的演变和进化，早已在优胜劣汰中将其 在水中的运动能力发挥到了极至。其中鱼类和鲸类等哺乳动物( 此处我们统 称为鱼类) 的游动方式具有高速、高效、灵活、低噪等特点”3 ，其游动和控 制姿态的能力是任何目前装备传统操纵与推进系统的潜器所无法比拟的，将 其应用于水下机器人，将为水下机器人的研究和发展提供新的起点和更为广 阔的空间。近年来仿生水下机器人技术己经成为水下机器人的重要研究方向 之一，它基于仿生学原理，通过对鱼类游动机理的研究，利用机械结构、电 子设备和功能材料来开发模仿鱼类的操纵和推进方式。1 ，并将其应用于水下 机器人。这种新型水下机器人在战争时期，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。 本论文将对哈尔滨工程大学水下机器人技术实验室研制的仿生水下机器 哈尔滨工程大学博士学位论艾 人“仿生一i ”号的研制和开发情况进行详细的介绍。该机器人是国防基础研 究重点项目( j 1 9 0 0 c 0 0 3 ) “微小型水下无人探测器基础技术研究”中的 试验平台。本论文将介绍我们在金枪鱼尾游动机理、“仿生一i ”号设计和试验、 “仿生一i ”号仿真模型和运动控制方法方面所做的工作。 1 2 仿生水下机器人技术的基本概念 本节将对仿生水下机器人技术所涉及的一些基本概念做简要的介绍，包 括鱼类游动方式的分类、尾鳍推进机理、仿鱼鳍推进器的特点及其在水下机 器人上应用的可能性和优越性。 1 2 1 鱼类游动方式分类 鱼类游动方式多种多样，1 9 2 6 年b r e d e r “1 根据鱼类推进运动的特征不同， 将鱼类游动方式划分为两大类： 1 ) 身体( 和或) 尾鳍推进( b c fl o c o m o t i o n ) ； 2 ) 中间鳍( 和或) 对鳍推进( m p fl o c o m o t i o n ) 。 当然鱼类还有其它运动方式，如喷流推进、滑行等。据估计，大约只有 1 5 的鱼类采用第一种方式以外的其它方式推进“1 。由于m p f 推进方式速度 慢、效率低，因此我们把重点放在研究b c f 推进方式上。b r e d e r 将b c f 推进 继续细化为五种，如图2 1 所示”。图中反映了不同推进方式下鱼体参与推 进部分的变化。 图2 1b c f 推进 f i g 2 1b c fl o c o m o t i o n 【6 】 图2 1 中鳕科结合月牙形尾鳍( al a r g el u n a t et a i l ) 推进方式 ( t h u n n i f o r m ) 是效率最高、速度最快的推进方式，海洋中游速最快的“鱼 类”( 金枪鱼、海豚、鲨鱼) 都采用这种游动方式。该方式中推进运动限制在 2 第1 章绪论 身体后三分之一，仅通过尾部( 坚硬的月牙形尾鳍和尾柄) 的运动产生超过 9 0 的推力；同时鱼体的形状和重量分布保证了身体前三分之二横向移动和 转艏极小。在游动过程中，月牙形尾鳍做横移和左右摆动( 或升沉和上下摆 动) 的一种复合运动，并随着鱼体前进划出波浪形的轨迹。研究表明，月牙 形尾鳍的展弦比、形状、硬度、摆动都对该推进方式的效率产生影响”2 。 由于相比之下具有高速、高效的特点，鲣科结合月牙形尾鳍推进方式很 适合用于水下机器人。目前，已有多个机器人较成功的采用了这种方式。本 文所介绍的“仿生一i ”号，也是用这种方式作为推进系统。下面我们将重点 介绍这种推进方式。 同时，很多鱼类的胸鳍作为替补推进器通常用于其操纵和稳定，有时也 会用于推进。它具有高机动性、低速、低效的特点。b l a k e “6 。提出胸鳍有两种 主要的运动方式：一是基于阻力的摆动( d r a g b a s e dr o w i n ga c t i o n ) ：一是 基于升力的振翅运动( 1 i f t b a s e df l a p p i n ga c t i o n ) 。 1 2 2 够科结合月牙形尾鳍推进方式机理 在对鱼类推进机理的研究过程中，通常采用两种方法：附加质量方法( t h e a d d e d - m a s sm e t h o d ) 和基于升力的涡方法( t h el i f t b a s e dv e r t i c i t y m e t h o d ) 。前者可用于上述的各种b c f 推进方式，而后者主要用于我们所关心 的鳇科结合月牙形尾鳍推进方式。 图2 2 产生阻力的卡门涡街”1 f i g 2 2d r a g - i n d i c a t i v ek d r m d n 图2 3 产生推力的反卡门涡街。1 f i g 2 3t h r u s t - i n d i c a t i v er e v e r s e v 0 1 t e xs t r e e t t 8 3 k d r m d nv o l t e xs t r e e t 8 通常，在有流速流场里的非流线型物体，会沿来流的方向在其后面形成 哈尔滨工程大学博士学位论文 一连串交错而反向的尾涡，即卡门涡街( k d r m d nv o r t e xs t r e e t s ) ，如图2 2 所示”3 。图中来流由左至右，尾涡在对称面以上为顺时针旋转，在对称面以 下为逆时针旋转。卡门涡街的存在会对物体产生阻力。 通过观察，人们发现b c f 推进方式中摆动尾鳍后同样有尾涡串的存在， 但和上述的卡门涡街不同，如图2 3 所示”1 。图中来流也由左至右，但尾涡 在对称面以上为逆时针，在对称面以下为顺时针，和卡门涡街恰恰相反，可 称其为反卡门涡街。反卡门涡街形成一种类似喷流的流动，这种喷流平行于 鱼前进的方向，会对物体产生推力。相比之下，螺旋桨推进器转动过程中形 成的尾流与螺旋桨转动方向是一致的，当螺旋桨作为主推进器时，该方向与 水下机器人前进的方向垂直，多半不能被有效利用，因而效率较低”。 常用斯特洛哈尔数s t ( s t r o u h a ln u m b e r ) 来表示这种反卡门涡街。对 于b c f 推进方式，定义 s t ：f a ( i 1 ) u 其中，1 是尾鳍摆动频率：爿是尾流宽度，通常用尾鳍摆幅来近似表示；u 是平均游动速度。通过试验，t r i a n t a f y l l o u 等。“8 1 指出，当在特定的范 围内时( o 2 5 & 0 4 0 ) ，摆动翼将会达到较高的效率。一系列鱼类游动的 观察数据也证实了这一点。 通过反卡门涡街形成的喷流，用鲣科结合月牙形尾鳍推进方式推进的鱼 类获得了较高的效率、较大的推力和较高的游动速度。 1 2 3 仿鱼鳍推进器的特点 与传统螺旋桨推进器相比，将仿鱼鳍推进器( 主要指仿尾鳍和仿胸鳍推 进器) 应用于水下机器人，成为新型的仿生水下机器人，与传统水下机器人 相比具有如下特点。”1 ： 1 ) 高效率。试验表明，采用仿鱼鳍推进器比常规螺旋桨推进器效率可提 高3 0 以上。从长远看，仿鱼鳍推进器的广泛采用可以大大节省能量，提高 能源的利用率，从而延长水下作业时间，提高续航力。 4 第1 章绪论 2 ) 高机动性。螺旋桨推进系统存在瞬时响应的滞后现象，并且航速对水 下机器人侧推桨性能影响较大，当航速较高时，水下机器人回转半径较大， 航速也会降低。采用仿鱼鳍推进器则可以较好的克服这些缺点，增加水下机 器人启动、加速和转向的能力，提高机动性。 3 ) 更完善的流体性能。鱼类尾鳍摆动产生的尾流具有推进作用，可对仿 鱼鳍推进器的尾涡进行控制，使其具有更加理想的流体力学性能。同时，研 究表明鱼类通过游动可以有效地减小其阻力，水下机器人也可以利用这一点 降低能耗。 4 ) 低噪声、隐身能力强。仿鱼鳍推进器运行时的噪声比螺旋桨推进器运 行时的噪声低的多，不易被对方声纳发现和识别；且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，有利于隐身和 突防，具有重要的军事价值。 5 ) 推进器与舵统一。传统水下机器人用螺旋桨作为推进系统，用舵或者 侧推桨作为操纵系统，结构庞大、机构复杂。仿鱼鳍推进器的采用，使舵一 桨功能合二为一，精简了机构，降低了成本，也增大了水下机器人的有效容 积和负载能力，具有重大的现实意义和实用价值。 6 ) 驱动方式多样。仿鱼鳍推进器可采用电机驱动，也可采用液压驱动或 气压驱动，以及混合驱动方式；对于小型水下机器人，可采用压电陶瓷1 、 形状记忆合金“”( s m a ) 、人造合成肌肉“”( c a m ) 、离子聚合金属合金1 ( i p m c ) 以及电子驱动聚合人造肌肉( e p a m ) “”等多种驱动元件。 可以看出，仿鱼鳍推进器与传统螺旋桨推进器相比有很多优越之处。将 其应用于水下机器人，替代传统的桨一舵系统，有着深远的意义。本论文中， 仿生水下机器人特指装有仿鱼鳍推进器的水下机器人。 1 。3 仿生水下机器人技术发展概况 上世纪三十年代起，人类开始对鱼类游动进行观察，提出了大量关于鱼 类游动机理的解释。近年来，随着人类对鱼类游动机理了解的加深，同时伴 随着仿生学、流体力学、机器人学的进步，计算机、传感器和智能控制技术 哈尔滨工程大学博士学位论文 的快速发展，以及新型材料的不断涌现，对仿生水下机器人技术的研究达到 了一个新的顶峰，涌现了大量基于鱼类游动机理的仿生水下机器人。本节将 从仿生学原理、鱼类仿真模型的建立、仿生水下机器人控制方法研究、仿生 水下机器人设计制造、智能材料的应用等方面介绍仿生水下机器人技术的发 展概况。 1 3 1 仿生推进机理研究“_ ” 多年来，人类对鱼类游动机理进行了大量的研究“”，“2 ”，“ “”1 。本节将 介绍仿生推进机理的理论研究和实验研究情况。 1 3 1 1 理论研究 生物学家对水生动物特别是鱼类游动的研究已有很长的历史，早在公元 前，亚里士多德。2 1 就对鱼的形体及运动进行了大量的观察。本世纪，人们开 始试图从力学的角度解释水生动物游动的机理。 t a y l o r ”7 1 ( 1 9 5 9 ) 建立了研究鱼类游动的“抗力水动力学模型”。该方法 是一种准定常方法，用定常流理论计算鱼游动的某一时刻所受水动力。由于 忽略了惯性力，且对龟类游动及鱼体形状的过分简化，该方法只用于低雷诺 数的情况。 l i g h t h i l l ”1 ( 1 9 6 0 ) 提出了应用于变形体的“细长体理论” ( s l e n d e r b o d yt h e o r y ) 。并指出形体细长的鱼类要获得较高的傅汝德推进 效率的几个条件，包括鱼体波动速度是其前进速度的5 4 ；波动的幅值从鱼 首部的零值增大至尾部的最大值；尾部的展长应该超过某个临界值；波形的 相位应该既包括正的也包括负的，以平衡侧向水的反作用力，减小横移和转 艏。 w u 。”( 1 9 6 1 ) 首先提出了“二维波板理论”，该理论将鱼看作一块弹性薄 板，用研究空气中振动变形机翼的方法分析了二维柔性波板的游动。该理论 与空气动力学“细长体理论”成为后来l i g h t h i l l 提出的用来分析鳗鲡方式 ( a n g u i l l i f o r m ) 和鲶科方式( c a r a n g i f o r m ) 游动机理的“细长体理论”的 基础。 第1 苹绪论 l i g h t h i l l 。”( 1 9 6 9 ) 分别从动物学和流体力学方面介绍了水生动物推进 的流体动力学原理，对鳗鲡方式和鳕科方式游动进行了分析，指出带有大展 弦比月牙形尾鳍的鲣科方式游动是高速海洋生物采用的游动方式并用二维方 法对月牙形尾鳍进行了分析。 l i g h t h i l l ”“( 1 9 7 0 ) 提出了用于分析鳗鲡方式和鲣科方式游动的“细长 体理论”( e l o n g a t e d b o d yt h e o r y ，是i n v i s c i ds l e n d e r b o d yt h e o r y 的 扩展) 。该理论忽略了由鱼体摆动引起的流场变化，通过随边的动力学获得平 均推力。 l i g h t h i l p l ( 1 9 7 1 ) 对细长体理论进行了扩展，提出了分析鱼类推进的 “大幅值细长体理论”( 1 a r g e a m p l i t u d ee l o n g a t e d b o d yt h e o r y ) ，以分析 鱼类的规则和不规则游动。经改进后该理论更适合尾鳍横向运动较大的鳢科 方式游动。 w u ”8 ”( 1 9 7 1 ) 用线形化无粘流理论系统地分析了游动推进的水动力学 问题，包括二维柔性波板在无粘流中变速游动问题，波板形状优化问题和细 长体鱼两侧鳍的运动和优化问题。 l i g h t h i l l 和他的学生b l a k e 。3 1 ( 1 9 9 0 ) 在前述工作的基础上，又用大幅 值细长体理论分析了身体较硬而无波动，仅用较长的背鳍和腹鳍( 也包括尾 鳍) 推进的鱼类游动方式。 w e i h s ( 1 9 7 2 ) 基于细长体理论讨论了鱼的转弯和快速启动问题。 c h o p r a ”( 1 9 7 4 ) 用三维小幅值方法分析了矩形尾鳍；又于1 9 7 6 。5 j 年 对l i g h t h i l l 的大幅值细长体理论进行了完善，发展了用于计算月牙形尾鳍 的二维大幅值理论；并在1 9 7 7 年和k a m b e 。7 1 用三维非定常升力面方法计算了 多种形状尾鳍的性能。 n e w m a n 和w u “”( 1 9 7 3 ) 在考虑了鱼体厚度和胸鳍、腹鳍等产生的尾流之 间的相互影响，特别是尾流的流体动力的基础上，改进了细长体理论，用以 分析鱼类游动。 b e t t e r i d g e 和a r c h e r 1 ( 1 9 7 4 ) 以及a r c h e r 、s a p u p p o 和b e t t e r i d g e “” ( 1 9 7 9 ) 将准定常升力线理论( q u a s i s t e a d yl i f t i n g l i n et h e o r y ) 用于 哈尔滨工程大学博士学位论文 尾鳍理论计算。h a n “”( 1 9 7 9 ) 用非定常准涡格法( u n s t e a d yq u a s i v o r t e x l a t t i c em e t h o d ) 计算了三维剐性矩形和箭头形翼。a h m a d i “”( 1 9 8 0 ) 用非 定常升力线理论计算了有限展长振动翼的能量和运动优化问题。 h i u 和b o s e ”“”- 用时域面元法估算了非定常三维柔性摆动翼的推进性 能，编制了相应的计算机软件o s f b e m ，并对海洋哺乳动物的尾鳍进行了分析 研究。 s a n d b e r g r a m a m u r t i “”用基于非结构化网格的有限元解法计算了金枪 鱼尾鳍及摆动翼的非定常水动力性能。d o i y h o m a t s u ”研究了绕摆动平板 的非定常粘性流动。n a k a s h i m a o n o “发展了一种简单的计算两节点海豚状 水下机器人的水动力性能的方法。 童秉纲、程健宇等。4 ”5 4 “”。建立了模拟鱼类游动的三维波动柔板模型， 结合线性化的物面边界条件和平面尾流模型，采用势流理论的三维非定常涡 格法在频域内求解，研究了各类鱼的游动和推进性能，提出了鱼类最佳游动 方式理论。 苏玉民”“”“和董涛。”用三维面元法计算分析了金枪鱼刚性及柔性尾鳍 的非定常水动力性能。 然而，所有上述的方法都是建立在势流理论的基础之上的，采用线性化 边界条件，且假设已知尾流的形状，这既不能求解非线性的流一体之间的相互 影响，也忽略了尾流水动力的发展和变化。l i u k a w a c h i 3 ( 1 9 9 9 ) 采用三 维不可压层流n s 方程( n a v i e r s t o k e se q u a t i o n s ) 求解了大幅摆动翼的非 定常水动力特性，并用该方法建立了蝌蚪的运动模型。c h u r c h i i i 。“等也采用 并行计算的方法在超型计算机( t r a yt 3 ds u p e r c o 珈p u t e r ) 上用n s 方程对鱼 类游动进行了仿真，并给出了相应的计算机程序。 另外，在鱼类胸鳍机理的研究方面，d r u e k e r l a u d e r “_ “1 观察了翻车 鱼( s u n f i s h ) 和海鲫( s u r f p e r c h ) 利用j 蠲鳍前进的过程，通过观察胸鳍的 尾流场，分析了低速鱼( 翻车鱼) 和高速鱼( 海鲫) 尾流场的差别；同时观 察了翻车鱼利用胸鳍转弯的过程，并通过观察胸鳍的尾流场分析了翻车鱼的 受力情况，从而说明了翻车鱼胸鳍转艏的机理。日本东海大学n k a t o “t “1 用 第1 章绪论 计入了粘性影响的非定常涡格法分析了具有两个自由度的仿鲈鱼机械胸鳍 ( 2 m d m p f ) 的水动力性能，并与试验进行了对比，目前正在和美国合作进行 3 m d m p f “”的开发。 1 3 1 2 实验研究 近年来，对鱼类游动机理的实验研究也很多。除了传统的水洞实验、流 场观测外，近年来出现了一种新型的实验仪器一一数字颗粒影像测速仪 ( d p i v ) n ，广泛用于流场显示及定量的三维流场测量。 d p i v 实验装置如图2 4 左图”所示，氩离子激光器发射的激光束经过光 学元件调整后照射进已加入粒子的流场，在一段时间内多次曝光以记录不同 时刻流场内粒子的运动情况，经过处理可以得到小时间段a t 内每个粒子的位 移，从而得到粒子的速度。在粒子匹配较好的情况下，得到的粒子运动速度 就可以代表流体的运动速度。图2 4 右图“”显示了用d p i v 测得的金鱼尾鳍的 尾流场。 亭一 图2 4d p t v 实验装置1 及尾鳍的尾流场”2 1 f i g 2 4e x p e r i m e n t a la p p a r a t u so f d p i v 1a n dw a k eo f ac a u d a lf i n 1 m i t 的a n d e r s o n ”3 1 用d p i v 进行了一系列实验以研究涡流控制“8 2 1 推进方 式。a n d e r s o n 首先观测了巨鲐( g i a n td a n i o ) 的游动情况，发现涡流在其 游动过程中起着重要的作用，图2 5 i t 3 1 为鱼直线游动时的流场显示，其中可 以观察到明显的反卡门涡街形成的喷流现象，图2 6 r , 3j 为鱼转弯时的流场显 哈尔滨工程大学博士学位论文 示；接着她又研究了做类似鱼尾摆动运动的刚性翼的推进性能：最后又考察 了摆动翼与来流交互的情况。研究结果表明，涡流控制推进方式可以在保持 较高效率的同时提供较高的推力。 图2 5 直线游动鱼的尾流1 图2 6 转弯鱼的尾流” f i g2 5f l o w o f as t r a i g h ts w i m m i n g f i s h f i g 2 6f l o wo f a t u r n i n g f i s h 1 下面我们介绍m i t 进行的另一项著名的实验r o b o t u n a 。 g r a y ”m ( 1 9 3 6 ) 通过试验和观察，提出了著名的格雷疑题( g r a y s p a r a d o x ) ，他通过比较游速为1 5 2 0 节的海豚和同样航速的直体海豚模型所 需要消耗的能量，发现后者大约是前者的七倍，故推测活体海豚通过某种方 式减小了其阻力。 ( a ) r o b 0 7 i l 帖 ( b ) 1 7 0 b o p j k e 图2 7m i t 的r o b o t u n a 和r o b o p i k e ”“ f i g 2 7r o b o t a n aa n dr o b o p i k eo f m i t 为了解释这种现象，解开鱼类高效游动的奥秘，m i t 模仿蓝鳍金枪鱼制 作了仿生水下机器人r o b o t u n a “47 ，同时为了研究鱼类的快速启动和转弯， 1 0 第1 苹绪论 i i _ _ l _ i ；j i i j _ _ e i _ i # i - j i ；j i i ；j - e ；i i i i j ；i _ _ i ；i i i i i i _ _ i i j i i i i ；i 又模仿梭子鱼制作了r o b o p i k e ”，如图2 7 t a 所示，左侧为r o b o t u n a ，右侧 为r o b o p i k e 。 r o b o t u n a 长1 2 5 m ，高o 3 m ，宽o 2 1 m ，截面为椭圆形，鱼体和尾鳍形 状都是按照蓝鳍金枪鱼设计的。其内部共有八个节点，共由六台3 h p 的电机 驱动。实验中，r o b o t u n a 固定在流线型的桅杆上直线游动，而桅杆固定在车 架上，车架随r o b o t u n a 一起移动。r o b o t u n a 的游动姿态由七个参数确定， 由于工况太多，实验中采用了遗传算法进行优化。r o b o t u n a 配备了非常完善 的传感器系统、数据采集和处理系统和运动控制系统，实验采集了大量的数 据。实验发现在一定的参数范围内，r o b o t u n a 游动的阻力比直体拖动的少 5 0 以上”。结合上述观测到的鱼类涡流控制方法，可以推测，鱼类正是很 好的利用尾鳍控制由鱼体形成的尾涡的泻出方式，使其形成产生推力的反卡 门涡街，从而能够高效的游动。看起来这就是格雷疑题的答案了。 但是，在m i t 制作的第二代仿金枪鱼机器人上并没有观察到阻力减小的 现象。有人指出当初格雷的实验有错误。还有实验研究发现海豚游动并不需 要阻力减小。因此，现在格雷疑题仍是人们研究的焦点问胚。 1 3 2 仿生水下机器人仿真模型及控制方法研究 近年来，人类针对仿生推进机理进行了大量的理论研究和试验，这为仿 生水下机器人水动力仿真模型的建立和控制方法的研究奠定了基础。 h a p e r 等”( 1 9 9 8 ) 首先建立了一个由弹簧驱动的二维摆动翼的水动力 模型以研究控制方法。该模型中，某时刻摆动翼的非定常升力( 矩) 采用定 常状态( 但正交变化) 的空气动力学公式得到”，并考虑了附加质量、尾流 影响翼阻力和弹簧的驱动力等，建立了系统仿真模型。该系统用弹簧来储存 能量、降低消耗，但也可能造成系统的不稳定。文献 8 4 中详细讨论了弹性 系数的优化及系统稳定的条件。 k e l l y 等”“”3 ( 1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 构建了一个仿鱼的水平面仿真模型。该模型 采用简化的欧拉一拉格朗日方程来表示鱼和不可压流体间的交互，将鱼体和 尾鳍通过尾柄分开，并用一个点涡替代尾鳍从而得到推力( 矩) ，最终建立仿 哈尔滨工程大学博士学位论文 真模型，并通过类似图2 8 所示的实验机构( 其实是该机构的前身) 对仿真 结果进行了验证。该机构只能作纵向运动。 m a s o n 等。8 8 9 。( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 在k e l l y 的 基础上，首先对仿真模型进行了处理，采用 k u t t a j o u k o w s k i 理论，假设尾鳍水动力可以 用准定常均匀流模型求得，从而建立了仿真模 型；接着对k e l l y 的实验机构进行了改造，改 造后的实验机构如图2 8 所示，该机构可以在 图2 8c a l t e c h 实验机构” 水平面内进退、横移和转艏；最后将仿真结果 i g 2 - 8e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 与实验结果进行了对比，在短时间内( 1 0 s ) o f c a l t e c h 取得了较好的结果。 应该注意的是，上面介绍的模型实验都 是开环实验，并未进行闭环控制。 m o r g a n s e n 等”“”1 ( 2 0 0 1 ) 在上述的仿真 模型上采用非线性控制方法进行了仿真实 验，并对上述实验机构进行了横向运动的闭 图2 9 华盛顿大学实验样机” 环控制，使机构沿直线前进。另外，还对图 f i g 2 9w o r kp 似。y p 。o f 2 9 1 所示的机器人进行了实验。 u “i ”。”i t yo f w a s h i n g 。“ d r a p e r 实验室的v c u u v 。“”1 对艏向、深度也进行了闭环控制。 哈尔滨工程大学水下机器人技术实验室的彭之春。6 “、袁建平”建立了 仿生水下机器人五自由度运动仿真模型，并采用模糊神经网络的方法进行了 艏向、深度和纵倾控制的仿真试验。 另外，涂晓媛博士在对鱼类行为特征进行深入研究后，在计算机上建立 了虚拟的海洋世界，相关内容可参见文献 1 0 0 ，9 6 ，1 1 9 。 1 3 3 仿生水下机器人设计制造 本节中我们将系统的介绍国内外进行仿生水下机器人( 主要指仿鱼机器 人) 研究的机构及其开发的有代表性的机器人。 第1 章绪论 1 ) 美国m i t 的机器金枪鱼( r o b o t u n a ) 1 0 1 1 机器梭子鱼r o b o p i k e “。 见图2 7 。上文已有详尽介绍，这里不再赘述。 2 ) 美国d r a p e r 实验室的涡流控制水下机器人( v c o u v ) “。 图2 1 0d r a p e r 实验室的v c u u v ”4 1 f i g 2 1 0v c u u vo f d r a p e rl a b v c u u v 如图2 1 0 所示，它以黄鳍金枪鱼为原型，采用涡流控制方法进行 推进和操纵，是首个面向任务的自主仿生水下机器人。v c u u v 长2 4 m ，宽 0 4 m ，高o 5 m ，干重1 3 3 4 n ，尾鳍展长o 6 5 m ，摆动频率为1 0 h z 时达到最 高航速2 4 节，最大转艏速度7 5 。s 。其尾鳍采用循环液压驱动，胸鳍用电机 驱动。v c u u v 上安装了大量的传感器，可进行闭环控制。 3 ) 日本国家海洋研究中心( n m r i ) 的系列机器人( p f 一6 0 0 、p f 一3 0 0 、 p f 一7 0 0 、u p f 一2 0 0 1 、p f 一5 5 0 等) “1 。 ( a ) ( d ) ( e ) 图2 1 1 日本国家海洋研究中心( n m r i ) 的系列机器人“ f i g 2 11p r o t o t y p er o b o t so f n m r i 日本国家海洋研究中心( n m r i ) 研制了多种类型的仿生水下机器人，用 哈尔滨工程大学博士学位论文 以研究鱼类游动的不同特性，图2 1 1 仅是其中最有代表性的一部分。其中( a ) 为p f 一6 0 0 “，用以研究仿鱼机构的基本推进特性；( b ) 为p f 一3 0 0 “”1 ，用以 研究鱼类的高效转弯特性；( c ) 为u p f 一2 0 0 1 ，目的是建造一种高性能综合实 验平台，它可以通过安装在艏部的胸鳍做升沉运动，并在频率9 5 h z 时达到 最高航速0 9 7 m s ；( d ) 为p f 一7 0 0 ，研究高航速，在频率为1 2 h z 时达到最高 航速o 7 m s ：( e ) 为p f - 5 0 0 ，可以通过转动尾鲼的方向来实现前进和潜浮。 n r m i 网站“1 上还介绍了鱼类游动的机理，并畅想了未来仿生水下机器人的发 展方向和用途。 4 ) 日本东京工业大学两节点海豚机器人( t w o j o i n td o l p h i nr o b o t ) “o ”。 图2 1 2 日本东京工业大学的海豚机器人“”1 f i g 2 1 2t w o - j o i n td o l p h i nr o b o to f t o k y oi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y i 日本东京工业大学研制了一艘1 7 5 米长两节点仿海豚型的自航潜器试 验模型，如图所示。该机器人采用气压驱动的方式，内有高压储气罐和气动 马达，通过曲柄驱动尾部第一个节点，第二个节点则以弹簧联动。该机器人 最高航速1 1 5 m s ，推进效率可达o 7 “。 5 ) 北京航空航天大学机器人研究所的系列机器人( 仿生机器鳗鱼、小型 实验机器鱼、s p c ) “”。 ( a )( b ) ( c ) 图2 1 3 北京航空航天大学机器人研究所的系列机器人“”。_ ”。“” f i g 2 1 3e x p e r i m e n t a lr o b o f i s h e so f r o b o t i ci n s t i t u t eo f b e i j l n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r a n a u t i c sb e i j i n g ”9 ”4 ”“ 1 4 第1 章绪论 北京航空航天大学也研制了一系列仿生水下机器人“，如图2 1 3 所示。其中( a ) 为仿生机器鳗鱼，长o 8 m ，有六个关节，分别用直流伺服电 机驱动，并可通过遥控在水面进行直航和回转运动，频率2 h z 达到最高航速 o 6 r r d s 。仿生机器鳗鱼用于验证北航提出的“波动推进理论”。( b ) 为小型实 验机器鱼，长0 8 9 m ，五个关节，频率1 5 h z 达到最高航速o 2 r o d s ，最大转艏 速度1 2 0 。s ，回转半径1 2 体长。小型实验机器鱼用于流场观测、运动参数 研究，是一个综合实验平台。( c ) 为s p c 智能机器鱼，长o 8 m ，频率1 7 1 h z 达 到最高航速o ，6 m s ，最大转艏速度7 0 。s ，回转半径l 倍体长。s p c 用于研究 微小型机器鱼的下潜及智能避障算法。