水下仿生机器鱼的研究进展--梁建宏

第24卷第2期2002年3月

文章编号:100220446(2002)0220107204

机器人　ROBOT

Vol.24,No.2　March,2002

水下仿生机器鱼的研究进展I——鱼类推进机理

梁建宏　王田苗　魏洪兴

(北京航空航天大学机器人研究所　北京　100083)

摘　要:仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一,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.本文以鱼的脊椎曲线为研究对象,提出了一种新的鱼类推进机理——波动推进,分析了波动推进过程中的运动阻力.通过鱼类游动观测实验和仿生机器鳗鱼的研制,.

关键词:仿生机器鱼;脊椎曲线;波动推进中图分类号:　TP24　　　　文献标识码:　B

RESEARCHANDDERWATER

ROBOFOFASMALL

IROBOFISH

LIANGJian2hong　WANGTian2miao　WEIHong2xing

(RoboticInstituteofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsBeijing,100083)

　Abstract:TheBionicRobofishTechnologyisoneofthehotspotsintheunderwaterroboticsresearchfieldinre2

.Itprovidesanewtrainofthinkingforpeopletodeveloptheunderwatervehicleswithhighefficiency,centyears

highmaneuverability,andlownoise.Thisarticlemakessomeresearchonthefishvertebralcurve,bringsforwardafishpropulsiontheory—undulatepropulsion.Andthedragduringthefish’sundulatepropulsionisalsoanalyzed.Throughtheobservingexperimentsonrealfishswimmingandbionicroboteeldeveloping,weprovetheefficiencyofthistheory.

　Keywords:robofish;vertebralcurve;undulatepropulsion

1　引言(Introduction)

高效、高机动性水下运载器是目前水下运载器

设计领域的研究热点,它基于鱼在水中的游动特性及其身体结构分析.由于鱼类的推进模式不同于常规的螺旋桨推进,所以近年来关于鱼类推进机理的研究引起了越来越多研究者的兴趣.1970年Lighthill将空气动力学的二维机翼理论运用于尾鳍推进的研究,提出了用于分析鱼参科推进模式的“细长

[1,2]体理论”.1977年,M.G.Chopra和T.Kambe又提出了一种可用于大摆幅、月牙形尾鳍推进的“二维抗力理论”,该理论是1953年Hancock提出的“大摆幅抗力理论”与1971年Lighthill提出的“大摆幅细长体理论”的补充[3].考虑到鱼类游动的生物力学特

性和结构的动态特点,1984年Hess和Videler针对

与身体长度相比其侧向振幅很小的鱼类提出了“薄

[4]

体理论”;假定鱼沿纵向弯曲刚度为常量.1994年

[5]

“波动平板理论”.1998Cheng和Blickhan提出了

年Cheng提出了“动态梁理论”.近年来,麻省理工学

院的Triantfyllou等人研究发现,在自行驱动的鱼类体后部有射流形成,这些喷射的涡流在产生推力方面起着非常重要的作用[6,7].根据“射流推进理论”,他们研制了“仿生金枪鱼”和“仿生梭鱼”.

鱼类行为学家的研究表明

,大多数鱼类把身体当作推进器,身体左右摆动击水,利用其产生的反作用力使鱼体向前推进.金枪鱼、旗鱼、鲨鱼类游泳时身体摆动实际上只限于尾部;而鳗鲡、泥鳅、鳝鱼等,

Ξ基金项目:中国科学院机器人学开放研究实验室基金资助项目(项目编号:RL200011);国防基础科研项目(项目编号:J1300C1004).收稿日期:2001-09-04

108　　　　机　器　人2002年3月

它们的尾鳍退化,其前进完全依赖身体的摆动.基于这种推进原理,我们提出了“波动推进理论”,试图从波动学的角度阐释鱼类的游动机理.我们把鱼体的脊椎抽象为几何曲线,称之为脊椎曲线,鱼体通过改变脊椎曲线直接控制身体周围的水流来产生推力.本文首先通过物理建模的方法得到了波动推进的速度算式,分析了波动推进过程中的运动阻力,然后基于泥鳅在水中的游动形态的观测实验,对其脊椎曲线进行了定量分析,最后根据“波动推进理论”,研制了一条仿生“机器鳗鱼”,得到了较好的效果.

波速V,以地为参考系,设躯体对地速度为VB,工作质对地速度为VW,由于鱼体在水中的阻力与速度呈递增关系,故在启动瞬间,鱼体受到的阻力可以忽略不计,因此应用动量守恒有

×VW=M0×VB(2)

因为VB+VW=V

则

(MVB=M1V