一种仿生机器鱼的设计与运动控制

摘要

随着工业化的不断推进，陆地资源大量被开采利用而日趋枯竭，为了能够满足更高的能源需求，人们逐渐将目光转向了海洋。水下资源的探索工作需要水下机器人的帮助，从而完成很多人类不可完成的高难度或危险的工作。因此，国内外学者开始对水下机器人展开探索。传统的水下机器人的推进方式较多为常规推进器，例如螺旋桨。螺旋桨显著的缺点为推进效率低、灵敏度差和噪音大。海洋中的鱼类具有超高的游动性能，这正是水下机器人所不具备的，将鱼类高效的推进机理应用至水下机器人，仿生学由此诞生。因此本文针对水下仿生机器鱼开展了相应的研究。论文主要内容及结论总结如下。 本文首先通过调研目前国内外仿生机器鱼的游动机理和机器鱼的研究现状，系统地总结并设计研发一款两关节三体的仿鲹科机器鱼。其鱼头部分的转动惯量很大，但整体的摆动幅度却很小，其摆动的主要动力来源为尾部，所提供的推动力大于90%。所以本文的仿生机器鱼的设计思路是刚性鱼头和柔性尾鳍相连，借助柔性鱼尾的摆动提供推力。其次本文对仿生机器鱼的升潜和俯仰构件进行了设计，并通过MATLAB对机器鱼的前进和转向运动进行了仿真。再次，机器鱼的外形是决定机器鱼所受阻力大小的重要因素，本文通过探究机器鱼模型的轮廓外形、最大截面直径、最大截面位置和鱼体尾鳍对机器鱼阻力的影响，来设计机器鱼的外形。 目前，国内外对仿生机器鱼的研究工作有很多，但大多数现有的机器鱼控制方程都基于简化的推进模型，简化模型仅对机器鱼的流体动力学效应提供了粗略预测。为了准确预测机器鱼的水动力，有必要通过计算流体力学软件（CFD）对机器鱼周围流体进行动态分析。利用Fluent软件模拟机器鱼的运动，使控制域中的机器鱼壁面按指定规律运动，使控制域中的机器鱼壁面按指定规律运动， 控制体的速度入口模拟远处无限来流，并根据机器鱼不同运动规律控制体的速度入口模拟远处无限来流，并根据机器鱼不同运动规律模拟机器鱼做纯升沉、俯仰横荡以及摇艏运动。 进一步计算得到了相应的水动力系数。 研究机器鱼的操纵性能是指控制机器鱼的运动速度、方位、俯仰角度和升潜深度等。本文所采用的方法是通过建立机器鱼的六自由度数学模型，在求得水动力系数后，选用滑模控制方法，滑模控制方法简单，鲁棒性好，可靠性较高。本文通过编写控制程序来设计机器鱼的指定路径，并对机器鱼的实际路径进行了跟踪分析，结果表明上述控制方法能够有效的实现对机器鱼的控制。 仿生机器鱼是一门多学科交叉的研究课题，旨在研究出具有更高的机动性，灵活性，高效性的仿生机器鱼，这将对人类对海洋的进一步探索有着非凡的意义。

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