胸鳍波动推进仿生机器魟鱼设计研究

摘要

随着海洋经济的发展以及海洋权益保护的日益重要，对海洋勘测和救捞设备提出了更高的要求，与传统螺旋桨推进的水下机器人相比，模仿鱼类游动运动的仿生水下机器人具有更高的游动效率、机动性和稳定性。鱼类的胸鳍波动推进模式拥有比尾鳍摆动模式更高的机动性和稳定性。本文以胸鳍波动推进游动的魟鱼为仿生对象，通过形态仿生和运动功能仿生设计研制了一种胸鳍波动推进的仿生机器魟鱼，为海洋资源的开发利用和潜水救捞提供了一种新型的水下搭载装备平台。
　　首先，通过对仿生对象魟鱼的形态学、生理学和运动学特征进行分析研究，为仿生机器魟鱼的设计提供生物学基础和仿生思路。基于魟鱼的生物学特征和简化假设，建立了魟鱼的简化物理模型。通过对胸鳍波动运动特征参数的辨识，建立了胸鳍的波动运动学模型并进行了仿真分析。借鉴抗力理论的基本思想，建立了魟鱼胸鳍波动动力学模型。
　　其次，通过模仿魟鱼的形态结构、胸鳍骨骼和肌肉结构研制了仿生机器魟鱼，其外形结构模仿魟鱼的扁平流线型身体，该机器鱼由柔性波动胸鳍、壳体、沉浮调节机构、电源和控制系统组成。基于魟鱼游动机理，分析了机器魟鱼的游动策略。
　　最后，对仿生机器魟鱼样机的推进性能进行了试验研究。在不同的胸鳍波动频率、波幅、波数和波动模式条件下，对样机的推力、侧向力和俯仰力进行了测量，分析了胸鳍波动参数对推进性能的影响。为了研究仿生样机的游动性能，进行了直线游动、转弯机动和沉浮运动试验研究，结果表明仿生样机能实现与魟鱼近似的游动运动，游动具有较好的机动性，其最大直线游动速度为5.35cm/s(0.22BL/s)，机动转向的最小转弯半径为12cm。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3胸鳍波动推进仿生机器鱼研制的关键技术

1.4论文的主要研究内容

第二章 魟鱼生物学特征及胸鳍建模分析

2.1魟鱼形态学、生理学及运动学特征

2.2魟鱼简化物理模型及胸鳍波动运动学模型的建立与分析

2.3魟鱼胸鳍波动动力学建模与分析

第三章 仿生机器魟鱼样机设计与实现

3.1仿生机器魟鱼的机械结构设计与实现

3.2仿生机器魟鱼控制系统设计与实现

第四章 仿生机器魟鱼游动性能试验研究

4.1试验测试平台

4.2仿生机器魟鱼推进性能试验及分析

4.3仿生机器魟鱼运动试验及分析

第五章 总结和展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文