仿生机器鱼机构设计及力学分析.pdf
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621编号:
2015120802010162012级攻读硕士学位研究生毕业论文仿生机器鱼机构设计及力学分析Biomimeticroboticfishmechanismdesignandmechanicsanalysis二零一五年五月指导教师:
薛志斌教授学生姓名:
林海学科专业名称:
机械电子工程研究方向:
机电控制技术学院(系、部):
机械工程学院QinghaiUniversityMasterDissertationBiomimeticroboticfishmechanismdesignandmechanicsanalysisSupervisor:
Prof.XueZhibinCandidate:
LinHaiAcademicMajorAppliedfor:
MechatronicEngineeringSpecificMajor:
MechatronicControlTechnologyCollege(Department):
SchoolofMechanicalEngineering,QinghaiUniversityMay,2015青海大学硕士学位论文摘要I摘摘要要水下资源的开发,正在成为许多科研项目的重点。
文章中的仿生机器鱼以鲹科类的鱼为原型,这种类型的仿生机器鱼具有较好的推进效率,较好的推进速度和良好的可控性等优点。
通过对其游动机理的分析研究,设计出四关节的仿生机器鱼。
建立了参数化的四关节仿生机器鱼尾鳍运动的数学模型,并对推进过程进行了动力学和运动学分析。
以四关节仿生机器鱼为研究对象,根据鱼体波运动曲线方程,推导出仿生机器鱼四个关节转动的数学模型。
通过设置不同的振幅系数和偏振系数,运用MATLAB仿真软件,得到不同的运动曲线。
从而为四关节仿生机器鱼的动力学建模提供理论基础。
仿生机器鱼通过使用拉格朗日方法进行运动学建模和通过Fluent软件仿真这两种方法,实现了一种交互反馈。
这两种方法支持用户在理解机器鱼周围的水动力性能上,比其他常见的,只基于水动力分析的图形更深入地可观察。
人类能观察到,在水中对机器鱼施加的力,也可以观察到场分布方式,更能测量到速度和压力等水动力分析参数的影响力。
这篇论文的最主要的贡献就是通过Fluent软件由用户定义仿生机器鱼的运动函数,成功的进行流体动力学的动态仿真。
动态网格被用于模拟仿生机器鱼在水下的运动。
通过已经完成的水动力分析而得到的比较有关流体动力学的指导数据,来提高控制仿生机器鱼的能力。
关键词:
关键词:
仿生机器鱼运动学动力学Fluent软件青海大学硕士学位论文AbstractIIAbstractThedevelopmentofunderwaterresourcesisbecomingthefocusofmanyscientificresearchprojects.BionicroboticfishinthispaperisbasedonthetypeoffishastheprototypeofCarangidae.Thistypeofbionicroboticfishhasbetterpropulsiveefficiency,betterpromotethespeed,goodcontrollabilityandotheradvantages.Throughtheanalysisofitsswimmingmechanism,fourbionicroboticfishisdesigned.Parametersoffourjointbionicroboticfishfinmotionmathematicalmodelisestablished,andtopromotetheprocessofdynamicsandkinematicsanalysis.Focusingonthefour-jointroboticfishandbasedonthefishbodywavemotioncurveequation,wededucedamathematicalmodelforfourjointrotationofroboticfish.Bysettingtwodifferentparametersofamplitudecoefficientandpolarizationcoefficient,usingsimulationsoftwareMATLAB,weobtaineddifferentmotioncurvesandthereforeprovidetheoreticalbasisfordynamicsmodelingoffour-jointroboticfish.ThebionicroboticfishrealizedakindofinteractivefeedbackthroughtwomethodsoftheuseoftheLagrangemethodforkinematicmodelingandthesimulationthroughFluentsoftware.Thesetwomethodssupporttheuserinunderstandingthehydrodynamicperformanceoftheroboticfish,andcanbeobservedmoredeeplythanothercommonwaterpoweranalysis.Humancanobservetheforceandfielddistributionoftheroboticfish,andcanmeasuretheinfluenceofthehydrodynamicparameters.ThemaincontributionofthisthesisistodefinethemotionfunctionofroboticfishbyFluentsoftware.Itsucceedsindynamicsimulationoffluiddynamics.Dynamicmeshesareusedtosimulatethemovementofaroboticfishintheunderwatermotion.Thecomparisonofthehydrodynamicanalysiswiththehydrodynamicanalysishasbeenaccomplishedtoimprovetheabilityofcontrollingthefishofthebionicrobotic.Keywords:
BionicrobotfishKinematicsDynamicsFluentsoftware青海大学硕士学位论文目录III目目录录第1章绪论.11.1动机.11.2仿生机器鱼的国内外研究现状.21.3目标与方法.51.4论文大纲.61.5研究内容.6第2章仿生机器鱼系统设计.82.1机器鱼的研发问题与结构组成.82.2仿生机器鱼的机构设计.92.2.1机械结构.92.2.2驱动单元.122.2.3控制传感单元及附件.132.2.4通讯单元.132.3控制系统.142.4仿生机器鱼的运动控制.152.4.1机器鱼推进运动的实现.152.4.2上升、下潜的控制.162.5本章小结.17第3章仿生机器鱼的运动学和动力学建模.183.1引言.183.2问题构想.18青海大学硕士学位论文目录IV3.3拉格朗日法方程的运用.193.4机器鱼动力学建模.193.4.1机器鱼几何学简化.193.4.2机器鱼的拉格朗日方法方程式.203.5机器鱼的运动学分析.333.5.1机器鱼的游动方式分析.363.6机器鱼流体建模.383.7本章小结.38第4章机器鱼的水动力分析.404.1流体控制方程.404.1.1连续性方程.404.1.2动量方程.414.1.3能量方程.414.2湍流理论.424.3数值仿真体系的建立.434.4仿生机器鱼模型的简化处理.434.5网格划分策略.454.6Fluent中参数的设置.464.6.1求解模型的选择.464.6.2求解方法的选择.464.6.3边界条件设置.474.7求解结果分析.474.7.1收敛性.474.7.2仿真结果.48青海大学硕士学位论文目录V第5章结束语.515.1选题的主要结论.515.2研究工作的后续可延拓问题.51参考文献.53致谢.56作者简历.57青海大学硕士学位论文第1章绪论1第第11章章绪论绪论1.11.1动机动机地球表面71是由水覆盖的。
因为海洋和海洋底部的生物和矿产资源如此丰富,所以科学家们都深深地被吸引到了这个领域。
近年来探索和发现海底未知世界已成为科学家们十分热衷的研究项目,这些项目包括水下考古勘探1,检测石油管道泄漏2,寻找海底矿产以及海底有毒废物3等。
这些项目的开发和研究有其巨大的现实意义,如解决环境问题、进行深度科学探索、好的商业开发前景以及保护海洋。
研究海底领域关键是拥有强大的技术手段,因而出现了水下仿生机器鱼的研究。
众所周知,机器鱼研究和开发是一个快速发展的研究领域,同时该领域可以产生众多有前途的产业机会,这些产业机会覆盖各个拥有先进技术的子系统和子领域,诸如计算机领域、微电子领域、网络技术领域、新型材料领域、传感器领域和新型计算法领域等。
机器人技术的巨大进步为水下机器鱼的开发提供了重大的技术支持。
从水下机器人(AUV)到遥控潜水器(ROV)4,甚至混合遥控潜水器,多种各式各样的水下机器人已经被科学家发明。
但在与真正的鱼相比,研究的仿生机器鱼都有其缺陷,就是不能具有处理复杂的水下环境的能力。
在自然界中,一些生物给科学家提供了重要的启示和灵感,仿生机器鱼即是这些灵感转为现实产品之一,他们的能力主要来自于模仿水下最成功的生物体鱼类。
为了仿生机器鱼获得在这个未知而又现实的世界中具有更好的功能,研究人员有赖于实验室的严格谨慎的控制手段。
研究人员将这种科技引入海底世界,设计了仿生机器鱼。
与传统的的螺旋桨作为推动力的水下机械相比,这些新型仿生机器鱼有众多的优点,比如自行安静的游动,较高的工作效率和灵活的可操作性。
目前仿生鱼已具备了某些鲜明特性,诸如3D可控的自由游动、自动避让障碍物、自主获取视觉信息、与其他机器鱼交流的能力5。
然而,模仿真正鱼的所有行为并使其完全自主化,仍然是一个巨大的挑战,特别是设计一种自带感知外界环境功能、能够感知外界各种力,进行实时连续性游动的机器鱼6。
虽然科青海大学硕士学位论文第1章绪论2学家分别在机器鱼领域和感知技术领域取得了卓越的成就,但是对于在未知的海底世界,将两者达到天衣无缝的链接仍是困难重重。
文章中将着重探讨由于感知技术的应用带来的的新型仿生机器鱼7。
1.21.2仿生机器鱼的国内外研究现状仿生机器鱼的国内外研究现状表1.1仿生机器鱼国内外的研究现状机器鱼研制单位研制时间主要特征描
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