机器鱼

2.3机器鱼结构
2.4推进理论
仿生机器鱼研究是一个多学科交叉。融 合的研究领域涉及仿生学、流体力学、材 料学、控制论、电子学以及机械工程学等 多个学科 （1）抗力理论 （2）细长体理论 （3）波动板理论 （4）作动盘理论 （5）薄体理论
（1）抗力理论
强调水的粘性力，忽略了水的惯性力对 鱼的外形和游动给出了过于简单的假设， 通过分析流体与机体之间相互作用的静力 学平衡来分析推进机构的动力学,同时对热 力学和运动学的约束加以考虑。抗力理论 能够很好地解释微小水生动物的运动规律, 因此该模型适合于低雷诺系数的情况
日本国家海洋研究所 体长1米，最高时速 0.97m/s
北京航天航空大学， 体长1.2米，最高速 度1.4m/s，2005
（4）模仿箱鲀科游动模式的仿生机器鱼
瑞士洛2007
北京大学，2011
2.MPF式仿生机器鱼
（1）模仿鳐科游动模式的机器鱼
（2）模仿刺鲀科游动模式的机器鱼
（2）多数鱼（1） BCF模式通过波动身体 的某部分和尾鳍,形成向后的推进波。大多 数鱼类,都采用这种推进方式。BCF模式可实 现连续、快速、高效率的游动。类的背鳍、 臀鳍、胸鳍和腹鳍只用于辅助推进、调整 姿态,但占鱼类总数约15%的MPF模式的鱼类 却以这些鳍作为主要推进部件。MPF模式游 动速度慢,但稳定性好、机动性高。
（4）作动盘理论
• 其基本原理是将作用于流体上的推进机构 简化为理想装置“作动盘”，当流体流经 作动盘时其周围压强增大,通过对整个作动 盘表面上的压强增量进行积分计算出流体 对其产生的推力。
2.5数字粒子成像测速仪（DPIV)
• 可以分析涡流对鱼类游动的影响。DPIV的应 用给分析鱼体游动产生的尾流带来了便利, 使得研究者可以从微观角度分析真实鱼体 各部分在游动过程中的运动特点,从而为仿 生机器鱼的运动建模提供了数据支持
参考文献
[1]王扬威,王振龙,李 健;仿生机器鱼研究进展及发展趋势[J];机械设计与研究,第27卷第2期, 2011年4月 [2]魏清平,王硕,谭民,王宇;仿生机器鱼研究的进展与分析[J];系统科学与数学,第32卷第10期, 2012年10月 [3]童秉纲,庄礼贤;描述鱼类波状游动的流体力学模型及其应用[J];自然杂志,第2卷1期 [4] TaylorG I. Analysis ofSwimming ofLongNarrow Animals[C ] // Proc. R. Soc. Lond, 1952. 158~183. [5] Lighthill M J. Large-amolitude elongated-body theory of fish locomotion[C] //The RoyalSociety ofLondon. SeriesB, Biological Sciences. London: 1971. 125~138. [6] Wu TY. Swimming ofawaving plate[J]. JournalofFluidMech,1961. 10(3): 321~344. [7] 马兆青, 袁曾任. 基于栅格的移动机器人实时导航和避障[J]. 机器人, 1996, 18(6): 344-348. [8] 赵峰. 动态环境下的移动机器人路径规划[D]. 北京. [9] 罗熊, 樊晓平, 等. 具有大量障碍物环境下的机器人路径规划的一种新型遗传算法[J]. 机器 人, 2004, 26(1):11-15.
采用智能材料的机器 鱼推进机构不需或只 需很少的传动部件、 可电驱动、可实现微 型化。智能材料的发 展及其智能控制理论 的进步,将使仿生机器 鱼的结构更加简化,推 进性能得到提升
（3）仿生机器鱼推进技术
现有仿生机器鱼推进器的柔性远不如水 中生物，推进动作的柔性化将提高游动仿 生机器鱼的推进效率和适应性 结构的柔性化才能真正实现推进动作的 柔性化
2.1仿生机器鱼的分类及特点
根据鱼类游动使用的身体部位不同可以将 鱼类游动分为身体和/或尾鳍推进(BCF)模式 及中鳍和/或对鳍推进(MPF)模式。 纯波动是指游动时推进波波数不少于1,而 纯摆动小于0. 5。BCF模式和MPF模式均包括 了从纯波动到纯摆动的推进方式
2.2BCF与MPF各自特点
谢谢！
2.6计算流体力学（CFD)
• 使用CFD来计算仿真分析鱼体周围的流场和 压力场,进而计算出鱼体周围的力场。利用 CFD仿真,研究人员可以验证机器鱼的动力学 模型,分析比较各种运动参数!外形和流体对 机器鱼推进性能的影响,从而为仿生机器鱼 系统的设计和优化提供重要手段
3各国研究发展 <1>.BCF式
（4）仿生机器鱼控制技术
• 仿生机器鱼的控制主要包括路径规划、游 动姿态控制和协作控制。
（5）仿生机器鱼的能源供给
• 仿生机器鱼的续航能力是制约其水下活动 的关键。大多数的机器鱼都采用电池作为 能源,但受体积和重量的制约使得机器鱼往 往只能在水下工作几小时。伴随着相关技 术的发展,太阳能、波浪能和潮汐能等新型 能源,成为机器鱼获得能源补给的新途径。 通过结构优化和增加辅助装置使机器鱼能 够在水下获得持续的能源供给是仿生机器 鱼研究的重要方向。
日本东海大学，2000
印尼万隆技术技术研究所2009
中国科学技术大学2006
（3）模仿背鳍和臀鳍游动模式的机器鱼
美国西北大学2002
新加坡南洋理工大学 2009
国防科技大学2006
技术难点
（1）鱼类游动机理 各种理论对鱼类的游动过程漩涡和湍流 做了简化和假设，使得实验数据与理论存 在很大差异
（2）驱动材料 电动机VS智能材料 结构易于实现， 操作简单。其缺 点是结构复杂、 体积大、质量大、 需传动装置、存 在较大噪音。
（6）水下通讯技术
• 在水下作业时,仿生机器鱼的控制指令、游动 状态反馈和图像信息的传输,主要依赖水声通 讯来实现,由于声音在水中的传播速度远远低 于光速,因此产生很大传输时延,难以对机器鱼 实现实时控制,而且传输距离还受载波频率和 发射孔率的限制。近年来,科研人员采用GPS通 讯设备来为机器鱼提供定位和导航,但机器鱼 只能通过定期的上浮来进行通讯,不能从根本 上实现实时控制。具有传输范围广、延时小、 准确率高等特点的水下通讯技术的研究将大大 推动仿生机器鱼的研究
机器鱼
报告人：任晓平 学号：14721318
目录
• • • • 第一章：研究意义 第二章：研究理论及方法发展 第三章：各国研究成果介绍 第四章：技术难点介绍
1.机器鱼研究意义
海洋面积占地球面积的71%,海洋中蕴藏着丰 富的生物资源和矿产资源。采用传统螺旋桨推进 器的水下机器人,在螺旋桨旋转推进过程中会产 生侧向的涡流,增加能量消耗、降低推进效率,且 有噪声。鱼类具有非凡的游动能力，模仿鱼类的 游动推进模式,研制出高效低噪、灵活机动的仿 生机器鱼,用以进行水下复杂环境作业
（1）模仿鳗鲡式游动的仿生机器鱼
美国东北大学，2000
日本东京理科稻永研究组
北京航天航空大学，1999
（2）模仿鲹科、亚鲹科游动模式的仿生 机器鱼
英国埃塞克斯大学，2005
中国科学院自动化研究所2008
北京大学2009
（3）模仿鲔科游动模式的仿生机器鱼
美国麻省理工学院(MIT),体 长1.2，最高速度2m/s,1994
（2）细长体理论
• 将细长鱼身的运动放在横流截面中来研究, 从而将三维非定常流动简化为准平面非定 常流动,采用扰动原理对微分方程进行简化, 推导出了只与推进器尾端横截面流动参数 相关的推力和推进效率计算公式
（3）波动板理论
• 该理论利用势流理论中的涡环面元法同时 在时域和频域内使用半解析半解进行求解,