机器鱼

（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,
日本东海大学，2000
源自文库
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。
（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
瑞士洛桑联邦理工学院，2006
华盛顿大学,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
（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
谢谢！
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
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
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）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。
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）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
（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
2.1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