機器魚ppt課件

1、1機器魚報告人：任曉平學號：2目錄第一章：研究意義第二章：研究理論及方法發(fā)展第三章：各國研究成果介紹第四章：技術難點介紹31.機器魚研究意義 海洋面積占地球面積的71%,海洋中蘊藏著豐富的生物資源和礦產資源。采用傳統(tǒng)螺旋槳推進器的水下機器人,在螺旋槳旋轉推進過程中會產生側向的渦流,增加能量消耗、降低推進效率,且有噪聲。魚類具有非凡的游動能力，模仿魚類的游動推進模式,研制出高效低噪、靈活機動的仿生機器魚,用以進行水下復雜環(huán)境作業(yè)42.1仿生機器魚的分類及特點5 根據魚類游動使用的身體部位不同可以將魚類游動分為身體和/或尾鰭推進(BCF)模式及中鰭和/或對鰭推進(MPF)模式。 純波動是指游動時推

2、進波波數不少于1,而純擺動小于0. 5。BCF模式和MPF模式均包括了從純波動到純擺動的推進方式62.2BCF與MPF各自特點 （2）多數魚（1） BCF模式通過波動身體的某部分和尾鰭,形成向后的推進波。大多數魚類,都采用這種推進方式。BCF模式可實現連續(xù)、快速、高效率的游動。類的背鰭、臀鰭、胸鰭和腹鰭只用于輔助推進、調整姿態(tài),但占魚類總數約15%的MPF模式的魚類卻以這些鰭作為主要推進部件。MPF模式游動速度慢,但穩(wěn)定性好、機動性高。72.3機器魚結構82.4推進理論 仿生機器魚研究是一個多學科交叉。融合的研究領域涉及仿生學、流體力學、材料學、控制論、電子學以及機械工程學等多個學科（1）抗力

3、理論（2）細長體理論（3）波動板理論（4）作動盤理論（5）薄體理論9（1）抗力理論 強調水的粘性力，忽略了水的慣性力對魚的外形和游動給出了過于簡單的假設，通過分析流體與機體之間相互作用的靜力學平衡來分析推進機構的動力學,同時對熱力學和運動學的約束加以考慮?？沽碚撃軌蚝芎玫亟忉屛⑿∷鷦游锏倪\動規(guī)律, 因此該模型適合于低雷諾系數的情況10（2）細長體理論將細長魚身的運動放在橫流截面中來研究,從而將三維非定常流動簡化為準平面非定常流動,采用擾動原理對微分方程進行簡化,推導出了只與推進器尾端橫截面流動參數相關的推力和推進效率計算公式11（3）波動板理論該理論利用勢流理論中的渦環(huán)面元法同時在時域和頻

4、域內使用半解析半解進行求解,12（4）作動盤理論其基本原理是將作用于流體上的推進機構簡化為理想裝置“作動盤”，當流體流經作動盤時其周圍壓強增大,通過對整個作動盤表面上的壓強增量進行積分計算出流體對其產生的推力。132.5數字粒子成像測速儀（DPIV)可以分析渦流對魚類游動的影響。DPIV的應用給分析魚體游動產生的尾流帶來了便利,使得研究者可以從微觀角度分析真實魚體各部分在游動過程中的運動特點,從而為仿生機器魚的運動建模提供了數據支持142.6計算流體力學（CFD)使用CFD來計算仿真分析魚體周圍的流場和壓力場,進而計算出魚體周圍的力場。利用CFD仿真,研究人員可以驗證機器魚的動力學模型,分析比

5、較各種運動參數!外形和流體對機器魚推進性能的影響,從而為仿生機器魚系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供重要手段153各國研究發(fā)展.BCF式（1）模仿鰻鱺式游動的仿生機器魚美國東北大學，2000日本東京理科稻永研究組北京航天航空大學，199916（2）模仿鲹科、亞鲹科游動模式的仿生機器魚英國埃塞克斯大學，2005中國科學院自動化研究所2008北京大學200917（3）模仿鮪科游動模式的仿生機器魚美國麻省理工學院(MIT),體長1.2，最高速度2m/s,1994日本國家海洋研究所體長1米，最高時速0.97m/s北京航天航空大學，體長1.2米，最高速度1.4m/s，200518（4）模仿箱鲀科游動模式的仿生機器魚瑞

6、士洛桑聯邦理工學院，2006華盛頓大學,2007北京大學，2011192.MPF式仿生機器魚（1）模仿鰩科游動模式的機器魚20（2）模仿刺鲀科游動模式的機器魚日本東海大學，2000印尼萬隆技術技術研究所2009中國科學技術大學200621（3）模仿背鰭和臀鰭游動模式的機器魚美國西北大學2002新加坡南洋理工大學2009國防科技大學200622技術難點（1）魚類游動機理 各種理論對魚類的游動過程漩渦和湍流做了簡化和假設，使得實驗數據與理論存在很大差異23（2）驅動材料 電動機VS智能材料結構易于實現，操作簡單。其缺點是結構復雜、體積大、質量大、需傳動裝置、存在較大噪音。采用智能材料的機器魚推進機

7、構不需或只需很少的傳動部件、可電驅動、可實現微型化。智能材料的發(fā)展及其智能控制理論的進步,將使仿生機器魚的結構更加簡化,推進性能得到提升24（3）仿生機器魚推進技術 現有仿生機器魚推進器的柔性遠不如水中生物，推進動作的柔性化將提高游動仿生機器魚的推進效率和適應性 結構的柔性化才能真正實現推進動作的柔性化25（4）仿生機器魚控制技術仿生機器魚的控制主要包括路徑規(guī)劃、游動姿態(tài)控制和協(xié)作控制。26（5）仿生機器魚的能源供給仿生機器魚的續(xù)航能力是制約其水下活動的關鍵。大多數的機器魚都采用電池作為能源,但受體積和重量的制約使得機器魚往往只能在水下工作幾小時。伴隨著相關技術的發(fā)展,太陽能、波浪能和潮汐能等

8、新型能源,成為機器魚獲得能源補給的新途徑。通過結構優(yōu)化和增加輔助裝置使機器魚能夠在水下獲得持續(xù)的能源供給是仿生機器魚研究的重要方向。27（6）水下通訊技術在水下作業(yè)時,仿生機器魚的控制指令、游動狀態(tài)反饋和圖像信息的傳輸,主要依賴水聲通訊來實現,由于聲音在水中的傳播速度遠遠低于光速,因此產生很大傳輸時延,難以對機器魚實現實時控制,而且傳輸距離還受載波頻率和發(fā)射孔率的限制。近年來,科研人員采用GPS通訊設備來為機器魚提供定位和導航,但機器魚只能通過定期的上浮來進行通訊,不能從根本上實現實時控制。具有傳輸范圍廣、延時小、準確率高等特點的水下通訊技術的研究將大大推動仿生機器魚的研究28參考文獻1王揚威

9、,王振龍,李 健;仿生機器魚研究進展及發(fā)展趨勢J;機械設計與研究,第27卷第2期, 2011年4月2魏清平,王碩,譚民,王宇;仿生機器魚研究的進展與分析J;系統(tǒng)科學與數學,第32卷第10期, 2012年10月3童秉綱,莊禮賢;描述魚類波狀游動的流體力學模型及其應用J;自然雜志,第2卷1期4 TaylorG I. Analysis ofSwimming ofLongNarrow AnimalsC / Proc. R. Soc. Lond, 1952. 158183.5 Lighthill M J. Large-amolitude elongated-body theory of fish locomotionC /The RoyalSociety ofLondon. SeriesB, Biological Sciences. London: 1971. 125138.6 Wu TY. Swimming ofawaving plateJ. JournalofFluidMech,1961. 10(3): 321344.7 馬兆青,