仿魚機器人穩(wěn)態(tài)游動的水動力性能研究.pdf

1、近年來，隨著陸地資源的緊缺，人們將目光投向了海洋，引起了對海洋資源的開發(fā)熱潮，于是仿魚機器人的研制成為了機器人研究領(lǐng)域的熱點之一。仿魚機器人具有效率高、機動性好、噪音低等優(yōu)點，可以進(jìn)行長時間、大范圍、工況較復(fù)雜的水下作業(yè)，其中，鮪科推進(jìn)模式的仿魚機器人因其能源利用率高，推進(jìn)速度快等優(yōu)點，成為研究的重點。本文以機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室自主研究課題“魚體利用流場能量的推進(jìn)行為及新型仿魚機器人的研究”為背景，對鮪科模式仿魚機器人穩(wěn)態(tài)游動

2、的水動力性能進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究。
　　針對仿魚機器人的穩(wěn)態(tài)游動，本文提出了基于三坐標(biāo)系的仿魚機器人穩(wěn)態(tài)游動速度求解算法，從經(jīng)典力學(xué)出發(fā)，給出了仿魚機器人運動的動力學(xué)理論控制方程，并與流體動力學(xué)方程聯(lián)立求解，實現(xiàn)了仿魚機器人的穩(wěn)態(tài)游動；并以鮪科模式仿魚機器人為例，應(yīng)用此算法數(shù)值模擬了仿魚機器人的穩(wěn)態(tài)游動全過程，驗證了此算法的正確性。
　　基于上述算法，本文通過對仿魚機器人身體、尾鰭和頭部行為特征的分析，獲得了對穩(wěn)態(tài)游動性能有重

3、要影響的運動參數(shù)，包括身體波動最大擺幅、頻率和波長；尾鰭最大擊水角度和平動-擺動相位差；頭部前端運動幅值和質(zhì)心運動幅值。通過對不同運動參數(shù)下的仿魚機器人游動進(jìn)行三維數(shù)值模擬，確定了其對穩(wěn)態(tài)游動速度、推進(jìn)力、功率消耗和推進(jìn)效率的影響規(guī)律，并分別從運動學(xué)、力能學(xué)和流場結(jié)構(gòu)三方面，探討了仿魚機器人通過控制其自身運動與流場相互作用形成有機整體，充分吸收流場能量，提高游動效率的內(nèi)在機理。
　　本文結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步完善了仿魚