仿生机器鱼推进机理实验与控制研究

admin · 发表于 2022-9-3 15:20:58

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机器鱼是当前仿生学、机器人学与生物学的多学科交叉、国际前沿的热点研究题目之一。尽管已有一些自由游动的实验样机面世，但缺乏对机器鱼推进性能的定量测量与有效的游动控制是制约其发展的一个主要瓶颈。本论文研究的目的是为未来仿生水下航行器的高效游动提供定量的实验测量手段、科学的测量结果和高效的游动控制方法。本文围绕仿生机器鱼的推进效率，从以下几个方面进行了研究并取得相关的成果：1) 机器鱼的推进性能特别是推进效率至今缺乏定量测量的实验方法。针对传统实验研究中存在的不足，本研究提出了一种新的基于“自主推进”条件的实验测量方法，通过光机电一体化技术同步测量了机器鱼的功耗、外力以及流场结果，并定量估算了机器鱼的推进效率。测量结果表明，机器鱼的推进效率与前人的3D-CFD数值计算、有限展长振动翼实验取得较为一致的结果。而由于粘性与三维非定常效应的缘故，传统的细长体理论、修正细长体理论以及二维振动翼测量结果均高估了鱼类游动的推进效率。2) 在测量平台基础上，我们系统地研究了不同运动模式对机器鱼的速度、效率、功耗以及流动结构的影响，并从工程学和比较生物学的角度分别讨论了如何提高机器鱼推进性能和活鱼的运动模式比较这两个方面的科学题目。在对前者的研究中，我们系统的研究了几项关键的运动学参数：St数，鱼尾摆动幅度h，鱼尾转动角度θ，鱼体波动长度λ对机器鱼的推进速度与推进效率的影响。实验结果表明机器鱼获得最高推进效率为43.3%，而机器鱼最高自主推进速度对应的斯特劳哈数(Strouhal number,St)为0.375，该结果定量地展示出目前机器鱼距离真实鱼类(鱼类游动的0.25

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