水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展IIIDD水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

1、文章編號 2 2 2水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展 水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究梁建宏 王田苗 魏洪興 陶 偉北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所 北京摘 要 作為仿生推進(jìn)技術(shù)研究的一個(gè)主要環(huán)節(jié) 仿生機(jī)器魚平臺的實(shí)驗(yàn)測試研究具有重要的意義 本文建立了一套比較系統(tǒng)完整的機(jī)器魚水動(dòng)力學(xué)定性觀察 定量測量的實(shí)驗(yàn)環(huán)境 并進(jìn)行了速度功率參數(shù)影響測定實(shí)驗(yàn)! 魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和魚體運(yùn)動(dòng)阻力測定實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵詞 機(jī)器魚 功率測試 流動(dòng)顯示 阻力測試中圖分類號 ×° 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 2 × 2 2¬ × ¬ × ¬ ¬ ¬ 2 ¬ 1 引

2、言 對水生動(dòng)物的流體力學(xué)研究始于二十世紀(jì)六十年代 近年來隨著仿生學(xué)的發(fā)展 人們對海洋生物高超的推進(jìn)能力有了新的認(rèn)識 并試圖通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段 解釋魚類獨(dú)具的高效! 高機(jī)動(dòng)性的推進(jìn)機(jī)理 年 率先對體形瘦長以鰻鱺模式游動(dòng)的游魚提出了細(xì)長體模型 得到了定常線性化解 年加州理工大學(xué)的× 提出了二維波動(dòng)模型 加入了前緣吸力及尾緣尾跡的作用對于以魚參科模型和月牙尾推進(jìn)的情形 波狀擺動(dòng)主要集中于后體 而后體段逐漸縮小形成尾柄 然后連接展長較大的尾鰭 波幅劇烈增大 基于線化理論的解體方法已不能處理 研究主要用實(shí)驗(yàn)方法 典型的工作是 ×的× 等有關(guān)水翼 二維翼剖面 作的擺動(dòng)的

3、實(shí)驗(yàn) 表明在一定的頻率! 振幅等參數(shù)組合下 推進(jìn)效率可以接近 他們還用物體在擺動(dòng)水翼前產(chǎn)生尾渦以模擬魚身的尾跡 表明了擺動(dòng)尾鰭可利用這些旋渦 進(jìn)一步提高推力和推進(jìn)效率 使得人們對魚類的高效推進(jìn)機(jī)理的認(rèn)識提高了一大步對于急劇激動(dòng) 如爆發(fā)啟動(dòng)! 快速轉(zhuǎn)彎的魚類 也有了一些研究 等人 年用°方法的流動(dòng)顯示方法 顯示了產(chǎn)生快速機(jī)動(dòng)時(shí)伴隨有體渦與尾鰭的相互作用年 ×的 等對擺動(dòng)魚體的減阻進(jìn)行了研究 他們對自行研制的一條實(shí)驗(yàn)用的 自由度仿生機(jī)器魚在水槽中進(jìn)行了拖曳實(shí)驗(yàn) 測試了阻力降低的效果對于五個(gè)參數(shù) 即相位角 波長 沖擊角 尾跡寬度 數(shù) 的變化所受的影響 證明阻力降低對兩個(gè)因素敏感

4、一個(gè)是身體的波動(dòng)速第 卷第 期 年 月機(jī)器人 基金項(xiàng)目 中國科學(xué)院機(jī)器人學(xué)開放研究實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目 收稿日期度要超過運(yùn)動(dòng)速度 另一個(gè)是 數(shù)只能在一定范圍內(nèi) 運(yùn)動(dòng) 在一定條件下 阻力最大可以降低約 他們同時(shí)運(yùn)用數(shù)字仿真對流場進(jìn)行了仿真 這次實(shí)驗(yàn)得到的許多有用結(jié)果對于魚體游動(dòng)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)和理論研究有著非常重要的意義為了研制高速! 高效和高機(jī)動(dòng)的微小機(jī)器魚 還有許多工作要做 例如 上述有關(guān)水翼高效推進(jìn)的工作中 考慮的是二維剖面 其可代表大展弦比尾鰭 卻未計(jì)及/月牙形0的作用 再如 快速機(jī)動(dòng)問題的研究中 雖然揭示了快速轉(zhuǎn)彎和漩渦產(chǎn)生有關(guān)聯(lián) 但解釋都是定性的 此外運(yùn)動(dòng)魚的復(fù)雜三維非定常流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室定量實(shí)

5、驗(yàn)觀測仍存在不少技術(shù)難點(diǎn) 仍被認(rèn)為是一種很大挑戰(zhàn)性的問題作為仿生推進(jìn)機(jī)理研究的一個(gè)主要環(huán)節(jié) 仿生機(jī)器魚的實(shí)驗(yàn)測試研究具有重要的意義 目前國內(nèi)尚未開展這方面的工作 本文針對最近研制的小型機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺 建立了一套比較系統(tǒng)完整的機(jī)器魚水動(dòng)力學(xué)定性觀察 定量測量的實(shí)驗(yàn)環(huán)境 并進(jìn)行了速度功率參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)! 魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和魚體運(yùn)動(dòng)阻力測定實(shí)驗(yàn) 速度功率參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)通過測量仿生機(jī)器魚在不同的游動(dòng)參數(shù) 如相對波長! 頻率! 擺動(dòng)幅度情況下的游動(dòng)速度和消耗的功率 評價(jià)上述方程參數(shù)對于游動(dòng)性能的影響 魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)則通過觀察仿生機(jī)器魚在不同擺動(dòng)頻率和振幅狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)流場 觀察水流的漩渦分離 獲取魚的擺動(dòng)推

6、進(jìn)深層次機(jī)理 阻力測定實(shí)驗(yàn)通過測定魚體靜態(tài)時(shí)在不同水流速度下的阻力 以評估魚體游動(dòng)在不同參數(shù)的影響下游動(dòng)的效率2速度功率測試實(shí)驗(yàn) 2 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)水洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 該水洞為低速水洞 速度范圍 米Ù秒 工作截面 米 是循環(huán)封閉式水洞 整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺! 控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成 如圖 所示 圖 功率速度測試系統(tǒng)圖 ° 在本實(shí)驗(yàn)中 魚體采用相對波長不同的方程測試了在不同頻率下魚體游動(dòng)的速度以及消耗的功率 對相對波長! 頻率與游動(dòng)效果的關(guān)系進(jìn)行了初步研究 實(shí)驗(yàn)方程包含兩種自由度的方程 分別是 自由度和 自由度 其中 自由度是在 自由度魚體的基

7、礎(chǔ)上用軟件鎖定了第一! 二! 三自由度實(shí)現(xiàn)的 數(shù)據(jù)通過攻角和擺動(dòng)關(guān)系計(jì)算出來 自由度采用相對波長分別為 Ù Ù Ù 的四個(gè)方程 其中 Ù 的方程還采用了小振幅和大振幅兩種 每個(gè)頻率挑選了 四個(gè)頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定速度和功率 另外同時(shí)實(shí)驗(yàn)了手控器內(nèi)單片機(jī)儲存的方程 這些方程相對波長為 但是幅度要大于普通前述方程 采用了運(yùn)行效果相對較好的六種頻率實(shí)驗(yàn)中 機(jī)器魚完全沒入水面以下 包括尾鰭 約 水流速度穩(wěn)定 基本穩(wěn)定后進(jìn)行速度和功率測定2 2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析2 2 1 同頻率變相對波長魚體 自由度穩(wěn)定運(yùn)行的各擺動(dòng)方程中 當(dāng)振第 卷第 期梁建宏等 水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)

8、展 水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究幅和頻率保持不變時(shí) 速度和功率數(shù)值隨著身體的相對波長的增加而加大 其中速度數(shù)值還近似與相對波長成正比例增長 圖 和圖 是相對波長為的各方程中頻率為 赫茲時(shí) 此種頻率下魚體運(yùn)行非常穩(wěn)定 不會出現(xiàn)側(cè)向的晃動(dòng) 的速度和功率隨相對波長改變的曲線 圖 等頻率條件下波長2速度曲線 2 圖 等頻率條件下波長2功率曲線 2 速度 相對波長函數(shù)關(guān)系中經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法的線性回歸直線擬合 即根據(jù)公式計(jì)算出 其中為相對波長 是個(gè)無量綱數(shù) 的單位是 Ù為速度和相對波長的關(guān)系 2 2 2 等相對波長變頻率魚體游動(dòng)過程中 當(dāng)振幅和相對波長保持不變時(shí) 隨著頻率的增加 魚體的速度和功率都

9、會增加 圖 和圖 是在實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)振幅和相對波長為 Ù 時(shí)魚體的速度和功率隨頻率變化的情況 可以比較明顯的看出 速度和功率都在隨著頻率的增加而逐漸增加 但是在圖 中當(dāng)頻率為 赫茲的時(shí)候雖然消耗的功率較頻率為 赫茲的方程消耗的功率多 但是相應(yīng)的速度反而下降 這主要是存在著當(dāng)頻率達(dá)到某一頻率的時(shí)候 魚體擺動(dòng)的非常劇烈 輸入的功率大量轉(zhuǎn)移成為魚體中前部的劇烈晃動(dòng) 前進(jìn)推力大大降低 魚體速度下降 圖 等波長條件下頻率2速度關(guān)系 2 圖 等波長條件下頻率2功率關(guān)系 2 2 2 3 某個(gè)頻率下發(fā)生的劇烈晃動(dòng)魚體本身的穩(wěn)定性起著非常重要的作用 魚體擺動(dòng)的過程中 可能存在著某一個(gè)諧振頻率 在這個(gè)頻率下

10、魚體的擺動(dòng)會造成魚身的強(qiáng)烈晃動(dòng) 造成輸入的功率大量消耗在頭部和中前部的晃動(dòng)上 致使魚體產(chǎn)生的前進(jìn)推力不足和阻力的加大 在這種情況下 雖然消耗的功率仍然比著前一頻率在增大 但是速度反而下降 在此次實(shí)驗(yàn)的過程中 在每個(gè)方程選定的四個(gè)頻率中 各波長的方程都是在頻率為時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的晃動(dòng) 說明了這一頻率的存在不受波長以及振幅和自由度等因素的影響3 流場顯示實(shí)驗(yàn) 流動(dòng)顯示的任務(wù)是使流體的傳輸過程可視 通過各種流動(dòng)顯示 可以了解復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象 探索其物理機(jī)制和運(yùn)動(dòng)規(guī)律 為人們發(fā)現(xiàn)新的流動(dòng)現(xiàn)象 建立新的概念和物理模型提供依據(jù)通過觀察仿生機(jī)器魚在不同擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)流場 觀察水流過動(dòng)態(tài)魚體后的漩機(jī)

11、器 人 年 月渦分離 可以研究魚的擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)理并和理論計(jì)算結(jié)果相驗(yàn)證 研究漩渦產(chǎn)生和推進(jìn)力的關(guān)系3 1 實(shí)驗(yàn)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置由八線張線系統(tǒng)! 相機(jī)! 攝像機(jī)和軟件處理平臺組成 其中攝像機(jī)可用于動(dòng)態(tài)記錄流場 同時(shí)作為攝像采集處理平臺的攝像頭實(shí)驗(yàn)機(jī)器魚由八根張線固定在水洞中 實(shí)驗(yàn)段長度大約 米 實(shí)驗(yàn)寬度 米 實(shí)驗(yàn)深度米 魚體在水下大約 米 通過內(nèi)部張線支撐裝置將魚體頭部固定在一個(gè)靠自重穩(wěn)定的鋼架上 中段是一個(gè)上部帶孔的密封腔 它主要起連接作用 連接頭部和后部擺動(dòng)部分 上部的孔用于引出后部的天線和電源線 魚體在水中基本可以保持浮力和重力的平衡 調(diào)整張線 可以使魚的軸線和來流方向平行 魚體后部在水中自由擺

12、動(dòng)3 2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄實(shí)驗(yàn)得到大量漩渦形成和演變的連續(xù)圖像 圖從宏觀上看 尾鰭拍動(dòng)產(chǎn)生了反卡門漩渦序列漩渦是在尾鰭前緣卷起生成的 并在每次反向拍動(dòng)時(shí)脫落 一個(gè)周期形成一對旋向相反的漩渦 這些現(xiàn)象與國外研究的結(jié)果類似 進(jìn)一步的分析目前還在進(jìn)行中 圖 魚體由八根張線固定在剛架上 ¬ 圖 尾部漩渦的脫落過程 ¬3 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析尾鰭后部形成了反卡門漩渦陣列 一對方向相反的漩渦與推力產(chǎn)生有著重要的關(guān)系 在實(shí)驗(yàn)中 我們特別注意到了前緣漩渦 以往的研究多是建立在分析二維脫落渦街的基礎(chǔ)上 認(rèn)為推動(dòng)魚體前進(jìn)的主要是漩渦的合成或耦合 而我們在這次觀察中發(fā)現(xiàn)魚尾鰭在擺動(dòng)時(shí)主要是前緣的渦在起作

13、用 在尾鰭的拍動(dòng)中 前緣卷起很強(qiáng)的錐形渦 并穩(wěn)定的附著在尾鰭表面 從而可能提供了很高的升力 渦的三維特性十分明顯 需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)手段和分析方法才能進(jìn)行精確觀測和分析4 阻力測定實(shí)驗(yàn) 我們使用了水洞的實(shí)驗(yàn)裝置 三分力天平 三分力天平是個(gè)磁感應(yīng)天平 通過改變兩個(gè)磁極之間的間隙 從而改變磁場來測定力 感應(yīng)天平每個(gè)方向由一個(gè)活動(dòng)板通過彈簧片和支架相連 支架固定不動(dòng) 當(dāng)活動(dòng)板受力時(shí) 活動(dòng)板前端的磁極位置就會改變 而改變的位移和受力的規(guī)律與后部的彈簧鋼片的撓度有關(guān) 基本上是線性關(guān)系 位移的改變可以第 卷第 期梁建宏等 水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展 水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究通過與活動(dòng)片固連的磁極的改變來測定 通過一個(gè)

14、平衡電橋?qū)⑤敵鲭妷簜鞯接?jì)算機(jī)的采集卡 采集入計(jì)算機(jī) 然后通過一套計(jì)算軟件 計(jì)算出某一特定電壓對應(yīng)的阻力 由于磁極位移改變造成前端有一個(gè)形槽 通過一個(gè)夾板把魚體的天線固定在天平的活動(dòng)板上 由于魚體的天線和魚體是固連的 魚體天線的位移也就是魚體的位移 同時(shí)魚體所受的阻力也就是三分力天平測定的阻力我們把三分力天平固定在水洞上方 前端的活動(dòng)板與魚體上部的天線相連 然后調(diào)節(jié)水流速度 測定在不同水流速度下魚體的阻力測得的魚體所受的阻力與水流速度關(guān)系如圖 所示 可以看出 理論速度與實(shí)測速度非常接近 由此可證明阻力測試系統(tǒng)的可靠性 圖 阻力測量系統(tǒng)實(shí)物圖 圖 靜態(tài)阻力與水流速度的關(guān)系 5 結(jié)論 在本文中我們建立起一套完整的機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)測試平臺 平臺包括仿生機(jī)器魚平臺系統(tǒng)! 水洞實(shí)驗(yàn)槽! 功率測量系統(tǒng)! 流場觀測系統(tǒng)和阻力測試系統(tǒng) 并進(jìn)行了各系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試 結(jié)果證明這套實(shí)驗(yàn)平臺是正確有效的 實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下魚體游動(dòng)效果與擺動(dòng)的頻率和相對波長有很大關(guān)系 在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi) 速度和消耗